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意念力和量子场论

我上次检查时,我们仍然被迫遵循物理定律。

作者:Sean Carroll
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在对上周关于超心理学协会的帖子发表了令人沮丧的评论之后,似乎有必要详细阐述超心理学现象与已知物理定律不符的说法。这里的主要观点是,尽管现代科学肯定有很多不了解的事情,但也有很多事情是它了解的,而这些事情根本不允许意念移物、心灵感应等现象的存在。这并不是说我们无法证明这些事情是不真实的。我们不能,但这完全是一个无价值的说法,因为科学从不证明任何事情;科学的工作方式就是如此。相反,它会积累支持或反对各种假设的经验证据。如果我们能证明超心理学现象与我们目前理解的物理定律不相容,那么我们的任务就是权衡“有些人落入了粗糙的研究、不可靠的证词、确认偏见和一厢情愿的想法”与“经过多年大量严谨高精度实验检验的物理定律在某些实质性的宏观方面是错误的,而且没有人注意到”之间的相对合理性。

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这里的关键概念是,在基础物理学的现代框架中,我们不仅知道某些事情,而且我们对我们可靠知识的局限性有非常精确的理解。换句话说,我们理解,尽管毫无疑问会出现惊喜(作为科学家,这是我们所有人的期望),但某些类别的实验注定不会产生令人兴奋的结果——基本上是因为相同或等效的实验已经进行过了。

牛顿的万有引力定律,著名的平方反比定律,提供了一个简单的例子。这是一个非常成功的物理定律,足以将宇航员送上月球并返回。但它绝非绝对正确;事实上,我们已经知道它会失效,因为广义相对论的修正。尽管如此,在牛顿引力是有效近似的领域,其精度至少是明确定义的。我们可以自信地说,如果你对两个相隔一定距离、具有特定质量的物体之间的引力感兴趣,牛顿理论会在一定精度下给出正确答案。在长距离和高精度下,有效性领域由参数化后牛顿形式正式确定。测试粒子的运动方式有无数种可能与牛顿引力(以及广义相对论)相偏离,我们可以告诉你每种偏离的极限。在小距离下,引力定律的平方反比行为肯定会失效;但我们可以告诉你确切的失效尺度以上它不会失效(大约十分之一毫米)。我们还可以量化这些知识在不同材料上的延伸程度;我们非常清楚牛顿定律适用于普通物质,但对于暗物质的精度则不足为奇。

这些知识是有后果的。如果我们发现一颗新的近地小行星,我们可以可靠地使用牛顿引力来预测其未来的轨道。从严格的观点来看,有人可能会说:“但你怎么知道牛顿引力在这种特定情况下有效呢?它还没有对那个特定的小行星进行过测试!”这是真的,因为科学从不证明任何事情。但这不值得担心,任何提出这种建议的人都不会被认真对待。

就如同小行星一样,人类也是如此。我们是宇宙的造物,遵循着与万物相同的物理定律。众所周知,我们在生物学和神经科学方面有很多不了解的地方,更不用说最终的物理定律了。但有很多事情我们是了解的,而量子场论最基本的特征就足以明确排除我们仅凭纯粹的思想就能从远处影响物体的想法。

最简单的例子就是意念移物,即仅凭超心理能力远程移动物体的能力。为了明确起见,我们以勺子弯曲为例,这不仅被Uri Geller声称,也被作家和气候怀疑论者Michael Crichton声称。

物理定律对勺子弯曲有什么说法?在折叠线以下,我们将进行逻辑推导。

勺子是由普通物质构成的。

这听起来似乎没有争议,但值得解释。勺子由原子构成,我们知道原子由什么组成——电子被光子束缚在原子核上,原子核又由质子和中子组成,质子和中子又由夸克组成,夸克则由胶子结合在一起。总共五种粒子:上夸克和下夸克、胶子、光子、电子。就是这样。

没有额外的神秘粒子以光环的形式附着在勺子的物质上。这是因为我们知道粒子是如何运动的。如果勺子里存在其他类型的粒子,它必须与我们知道存在的普通物质相互作用——否则它就不会粘附,它只会像中微子几乎不受干扰地穿过地球一样直接穿过。如果存在一种粒子,它与勺子中的普通粒子相互作用的强度足以粘附在勺子上,那么我们就可以很容易地在实验中制造出它。量子场论的规则直接将粒子的相互作用速率与在给定足够能量的情况下在实验室中制造它们的难易程度联系起来。我们确切地知道勺子中的能量有多少;我们知道原子的质量,以及金属内部热运动的动能。总而言之,我们可以毫不畏惧地犯错误地说,任何可能存在于勺子中的新粒子早就应该在实验中被探测到了。

再说一遍:想象一下你发明了一种与勺子动力学相关的新型粒子。告诉我它的质量以及它与普通物质的相互作用。如果它太重或相互作用太弱,就无法被制造或捕获。如果它足够轻且相互作用强,那么它在我们已经进行的实验中被制造和捕获很多次。没有中间地带。我们完全理解勺子的作用机理,尽管你在《黑客帝国》中听到过。

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物质通过力相互作用。

我们早已知道,移动物质的方式是对其施加力的——牛顿第二定律F=ma,至少是物理学中第二著名的方程。在量子场论的背景下,我们精确地知道力是如何产生的:通过交换量子场。我们知道只存在两种类型的场:玻色子和费米子。我们知道宏观力只来自于玻色子的交换,而不是费米子;泡利不相容原理禁止费米子聚集在同一状态以产生相干的长程力场。而且,也许最重要的是,我们知道力可以耦合到什么:构成物体的物质场的性质。这些性质包括位置、质量、自旋以及各种“电荷”,如电荷或重子数。

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这就是前面一点的用武之地。勺子只是五种基本粒子——上夸克、下夸克、胶子、电子和光子——的某种排列。所以,如果有一个力来移动勺子,它就必须耦合到这些粒子。一旦你告诉我勺子里有多少电子等等,以及它们的空间位置和自旋排列,我们就可以自信地说任何一种力将如何影响勺子;不需要进一步的信息。

只有两种长程力足够强大,可以影响宏观物体——电磁力和引力。

当然,我们努力发现了自然界中不同的力,到目前为止我们已经确定了四种:引力、电磁力以及强核力和弱核力。但核力作用范围非常短,比原子直径还小。引力和电磁力是唯一能够在更长距离上传播的可探测力。

引力或电磁力会是弯曲勺子的原因吗?不会。就电磁力而言,探测产生足够力来影响勺子的场是绰绰有余的。更不用说人类大脑并非设计用来产生或聚焦此类场。但关键在于,如果弯曲勺子的是电磁场,那将非常非常明显。(而且焦点会放在影响磁铁和电路,而不是弯曲勺子。)

就引力而言,场太弱了。引力随源的质量成比例累积,所以你大脑内部粒子的排列产生的引力效应比你头部的简单位置小得多——而且这太微弱了,不足以移动勺子。一个保龄球会更有效率,而且大多数人会同意,移动一个保龄球经过一个勺子效应可以忽略不计。

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会不会有一种新的、尚未被现代科学探测到的力?当然!我自己也提出过。物理学家绝不是对这种可能性不感兴趣;他们对此非常兴奋。但他们也认真对待实验限制。而这些限制明确表明,任何这种新力要么作用范围非常短(小于一毫米),要么比引力弱得多,而引力本身已经是一个非常弱的力。

关键是,这些力有三个特征:它们的作用范围、它们的强度以及它们的来源(它们耦合到什么)。如上所述,我们知道与勺子相关的可能来源是什么:夸克、胶子、光子、电子。所以我们所要做的就是进行一系列实验,寻找这些粒子不同组合之间的力。而这些实验已经做过了!答案是:任何可能潜伏在那里的新力要么(远远)太短程而无法影响日常物体,要么(远远)太弱而无法产生显而易见的影响。

这里有一张来自朱莉安家所在机构 Eot-Wash 小组的关于这些力的当前限制的图表。这张图特别针对的是耦合到质子和中子总数的力;其他可能的来源也有类似的图表。横轴是力的作用范围;范围从大约一毫米到一百亿公里不等。纵轴是力的强度,彩色线以上区域已被一个或多个实验排除。在以米为尺度的范围内,这与用心灵弯曲勺子相关,最强的允许新力将比引力弱十亿分之一。而且请记住,引力太弱了,不足以弯曲勺子。

就是这样。我们完成了。深刻的教训是,尽管科学并非无所不知,但它也不是“什么都可以”。在物理现象的定义明确的领域里,我们确实知道事物是如何运作的,就此而言。寻找新奇而令人惊讶的现象应该在这些领域之外。你不需要设置复杂的双盲协议来评判声称拥有超能力者的能力。我们对物理定律的了解已经排除了它们。相反的推测不是大胆的远见者的领域,而是疯子的梦想。

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类似的推理也适用于心灵感应或其他超心理学现象。这稍微不那么直接,因为在心灵感应的情况下,据称影响是在两个人脑之间传递,而不是在脑和勺子之间传递。论证完全相同,但有些人喜欢假装我们不了解人类大脑内部的物理定律是如何运作的。当然,我们对思想、意识和神经科学有很多不了解的地方,但事实仍然是,我们完美地理解了大脑领域的物理定律。要相信其他说法,你就必须想象单个电子因为它们位于人类大脑中而不是一块花岗岩中而遵守不同的物理定律。但如果你不在乎在经过广泛检验的领域中违反物理定律,那么实际上任何事情都可以。

有人会争辩说,只要遵循科学探究的方法,超心理学就可以像古生物学或宇宙学一样“科学”。但这是一种过于无知的态度,无法维持。如果超心理学家遵循科学探究的方法,他们就会看看我们对物理定律的了解,意识到他们声称的研究对象已经被排除,并在三十秒内宣布他们结束。任何其他事物都是伪科学,就像当今对占星术、颅相学或托勒密宇宙学的研究一样。科学由其方法定义,但它也取得成果;忽视这些成果就是违反这些方法。

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当然,承认这一点是真实的,一切皆有可能,因为科学从不证明任何事情。下一次出现的小行星确实可能遵循立方反比定律而不是平方反比定律;我们永远无法确切知道,我们只能谈论概率和可能性。鉴于上述情况,我认为某种超心理学现象最终会成为现实的概率可能远低于十亿分之一。我们可以将其与粒子物理学和量子场论的公认成功进行比较。全球高能物理学的总预算可能每年有几十亿美元。所以我很乐意以每年几美元的水平支持对超心理学的研究。甚至,为了保险起见,我甚至愿意提高到每年二十美元

永远不要说我不开放心态。

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