​为什么德谟克利特认为万物由原子构成呢？

为什么德谟克利特认为万物由原子构成呢？

与其成为波斯国王，我更愿意发现一个原因。

——德谟克利特

为什么是德谟克利特？首先，谁是德谟克利特？他是一位古希腊人。在公元前 450 年左右，他生于古希腊一个名叫阿布德拉的偏僻小镇——在雅典人的说法里，那里的空气会导致愚蠢。据说，德谟克利特是留基伯（Leucippus）的学生。尽管他实际上与苏格拉底同时代，但他被归为“前苏格拉底”哲学家。顺便一提，据说德谟克利特曾前往雅典去拜访苏格拉底，但到了那里，他却太过害羞，无法跟对方搭话。

德谟克利特几乎没有一篇著作存世。有些或许流传到了中世纪，但它们现在也遗失了。我们对他的了解基本上全部来自其他哲学家，比如亚里士多德，而他们提起德谟克利特，都是为了批判他。

那么这些哲学家批判他什么呢？一方面，德谟克利特认为，整个宇宙由处在虚空中并依据确定的、可理解的法则不停运动的原子构成。这些原子可以相互碰撞并弹开，或者它们也可以结合在一起，形成更大的东西。它们可以有着不同的尺寸、重量和形状——可能有些是球形的，有些是圆柱形的，诸如此类。另一方面，德谟克利特认为，像颜色、味道等性质并不是原子固有的，而是在许多原子的相互作用下产生的。因为如果组成海洋的原子本身是蓝色的，那么它们如何能形成白色的浪花呢？

要记住，这是在公元前 400 年。所以到目前为止，他的话没什么问题。

作者：[美] 斯科特·阿伦森（Scott Aaronson）

译者：张林峰 李雨晗

继费曼之后

物理学、计算机科学量子计算、

宇宙数学、哲学交叉学科，

2021年ACM计算奖得主

全球量子计算理论学家

斯科特.阿伦森科普著作

为什么德谟克利特认为万物由原子构成呢？他给出了几个论证，其中一个可以重新表述如下：假设我们有一个苹果，并且这个苹果不是由原子构成的，而是由连续的、坚硬的东西构成的。同时，假设我们用一把刀把这个苹果切成两半。很明显，原先位于苹果一侧的那些点进入了一半苹果，位于另一侧的那些点进入了另一半。那么正好位于边界上的那些点去了哪里？它们消失了吗？它们复制成两份了吗？对称性破缺了吗？这些解释看上去都不是特别优雅。

甚至直到今天，原子论者与反原子论者仍在争论。再一次，物理学家受困于几乎没有实验证据可用，他们陷于与2400 多年前的德谟克利特基本上相同的处境。

德谟克利特的一个残篇讲的是理性与感觉之间的一段对话。理性首先发声：“感觉上存在的是浓郁的芬芳、深深的痛苦、缤纷的色彩，但实际上存在的是原子和虚空。”单单这一句话就足以让德谟克利特与柏拉图、亚里士多德或其他任何你能想到的古代思想家相并肩：很难找到一句话能比这更精确地概括出人们将在 2000 多年后发展出的整个科学世界观！但对话并没有就此结束。感觉回应道：“愚蠢的理性，你是想要推翻我吗？不要忘了，你只有从我这里才能得到确证！”

量子力学是 20 世纪最惊人的发现（相对论以很小的差距紧跟其后），它为理性与感觉的古老争论加入了一个全新的视角，尽管它也未能解决这一争论。

对于宇宙中任意你想要考虑的孤立区域，量子力学描述了该区域中状态随时间的演化，我们将它表示为该区域中基本粒子的所有可能构形的一个线性组合（即一个叠加）。所以，这是一个描述现实的古怪图景，在其中，一个给定的粒子既不在这里，也不在那里，而是在所有可能出现的位置的某种加权和。但它奏效了，它很好地描述了德谟克利特所说的“原子和虚空”。

量子力学可能做得不那么好的是“通过我们你才得到了你的证据”这部分。问题出在哪里？如果你把量子力学当真，那么你自己也应处于一个同时身处不同位置的叠加态。毕竟，你是由基本粒子构成的，不是吗？尤其是，假设你正在测量一个处于 A 和 B 两个位置叠加态的粒子，那么对量子力学最直白朴素的解读会给出预测，宇宙本身应该分裂出两个“分支”：在一个“分支”中，粒子处于 A处，并且你也看到它处于 A 处；而在另一个“分支”中，粒子处于 B 处，并且你也看到它处于 B 处。所以你怎么看？你有没有在每次看别的东西时分裂出多个你自己的副本？我觉得我没有！

你可能会好奇，这样一个疯狂理论如何能对物理学家有哪怕一丝用途。如果它实质上认为一切皆有可能发生，那么它如何能做出预测？好吧，有一件事情我还没有告诉你，那就是在你进行测量时，还存在另一条独立的规则：一条外在于方程本身的“附加”规则。这条规则实质上说的是，看向一个粒子的举动会迫使该粒子决定自己处于什么位置，并且该粒子根据概率做出自己的选择。而且这条规则还告诉你该如何计算概率。当然，它也已经相当好地得到了确认。

但这里有个问题：宇宙不断运转，做着它的事情，我们如何知道什么时候该应用这条测量规则，什么时候又不用呢？并且，什么算是“测量”？物理法则不应该说，“直到某人看了，如此这般的事情会发生，而在那之后，截然不同的事情会发生”。物理法则应当是普适的。它们应该以同样的方式来描述人类、超新星和类星体：所有这些只不过都是依据某些简单规则相互作用的粒子组成的巨大而复杂的集合体。

因此，从物理学的角度看，要是我们能够完全移除“测量”这件事，事情将会简明很多！世上别无他物，唯有以量子叠加方式演化的原子和虚空。

但要是我们不在这里进行满足好奇心的测量，破坏了量子力学的原样之美，又如何能在一开始获得可证明量子力学成立的证据呢？我们何以能够最终相信这个看上去违背了我们对于自身存在的许多直觉的理论？这就是德谟克利特难题的现代版本，物理学家和哲学家对此已经争论了将近一百年。