物理哲學

在哲學中，物理哲學是關於當代物理中的概念性與解釋性的問題。其中許多問題與理論物理學家的研究領域重疊。物理哲學可大致分為以下三個領域：

- 對量子力學的解釋：主要關於如何形式化地看待量子測量以及該理論對現實的描述。
- 空間與時間的本質：時空是物質，或僅僅是一種關係？同時性是常規的或者相對的？暫時的不對稱性是否可以單純還原為熱力學不對稱性？
- 理論間的關係：不同物理理論之間的關係，如熱力學與統計力學。這領域與科學還原論重疊。

## 時空哲學

時間與空間（時空）的本質是物理哲學的重要主題。

### 時間

時間常被視為一種量綱（無法以其他物理量定義的物理量），因為時間像是一個根本上基礎的概念，無法由更簡單的事物所定義。然而，有如圈量子重力的理論則聲稱時時空是湧現的。圈量子重力的創始人之一Carlo Rovelli曾說：「再也不是時空上的場，而只是場上的場。」

時間的標準長度（秒）被定義為銫原子9,192,631,770次超精細結構轉移的振動的時長（ISO 31-1）。時間為何及如何表現均被上述定義所蘊含。以時間與其他基礎物理量（空間與質量）進行數學操作即可定義如速度、動量、能量以及場等等概念。

牛頓與伽利略，以及二十世紀前的大多數人都認為時間是普世皆相同的。現代的時間概念是基於愛因斯坦的相對論以及閔可夫斯基的時空之上，其中聲稱時間的流逝在不同的參考系下是不同的。時間也能被量子化，理論上最小的時間長度為普朗克時間。愛因斯坦的廣義相對論以及遙遠退後星系的紅移指出宇宙乃至時空本身是在138億年前的大爆炸時開始。愛因斯坦的狹義相對論使得那些對「現在」這個概念有特別形而上意義的時間理論不再那麼可靠，因為依賴於參考系的時間概念似乎不允許一個特別的「目前的時間」。

### 時間旅行

某些理論，尤其是狹義以及廣義相對論，暗示了時空的合適的幾何性質，或是在空間中的某些運動，可能會導致穿越至過去或未來。相關概念概念有如封閉類時曲線。

愛因斯坦的狹義相對論認為時間膨脹可以被解釋為時間旅行。理論聲稱，相對於靜止觀察者，時間對於高速移動的物體流逝更慢：一個移動中的時鐘會看上去跑得更慢；隨著時鐘趨於光速，時鐘的指針將會看起來完全靜止。在有名的雙生子佯謬中該效應被更深入探討。這些效應在實驗上是可觀測到的，愛因斯坦理論中的一重要等式被應用在GPS衛星以及其他高科技的日常應用。

廣義相對論導致第二種類似的時間旅行。對於遙遠的觀察者，在深重力井內的時鐘會跑的更慢。一個進出過深重力井的時鐘和靜止在觀察者處的時鐘相比，其所經歷過的時間（指針的秒數）更少。

科學界常認為往過去的時間旅行不可能，因為其違背因果律。

例如，若你穿越到過去並殺掉年輕的你（或是你的祖父，見祖父悖論）將會導致什麼？史蒂芬·霍金指出，沒有出現過未來人，表示了時間旅行很可能不存在。這也是費米悖論的一個變種，只是把外星人替換成未來人。

### 空間

空間是物理中基本物理量之一，意味目前沒有已知的更基本物理量可以定義其。所以有如其他基本物理量（如時間與質量），空間是由測量所定義的。目前，標準的空間長度（米）被定義為光在真空中經由1/299792458秒穿越的距離（完全精準）。

在經典物理中，空間是三維的歐氏空間，任何位置可以用三個坐標以及時間參數來表示。狹義以及廣義相對論使用四維時空而非三維空間；目前有許多純理論使用高於四維的空間。

## 量子力學哲學

量子力學的詮釋是當代物理哲學的一大焦點。許多哲學工作是在嘗試理解疊加態：

物體在一個時間內不在一個確定的空間，而是同時「在這」也「在那」。如此激進的看法違背許多形上學的常理。許多當代的量子力學哲學都嘗試理解經驗上十分成功的量子力學形式系統如何闡述世界。

### 艾弗雷特的多世界詮釋

艾弗雷特的多世界詮釋是關於對量子系統的波函數的詮釋。其否認波函數坍縮，並認為疊加態應該被直接看做多重世界中物體的位置，而非是變量的不確定性。有時這被當作科學實在論——科學的目的即為直接描述現實——的結果。

艾弗雷特詮釋的一個問題就在在於機率。艾弗雷特詮釋完全是決定論的，而機率在量子力學中有不可磨滅的重要性。

當代的艾弗雷特擁護者表示以某些決策論的證明可以理解遵循玻恩定則的機率性。

物理學家Roland Omnés認為實驗上無法分辨艾弗雷特的看法以及傳統的看法，前者認為波函數退相干成不同的各自存在的世界，後者認為波函數退相干後只有一個真正存在的結果。兩種觀點之間的衝突代表了一個巨大的「鴻溝」。「在我們以理論模型重新建構現實時，現實的種種性質都顯現出來了；除了一個性質：事實的獨特性。」

### 不確定性原理

不確定性原理是一個數學關係，表現出對任何成對共軛物理量的同時測量存在精準度的上限，如位置與動量。在算符的形式中，這個極限是變量之對應算符的交換子的值。不確定性原理回答了一個問題：如果圍繞原子核電子是波，如何測量它的位置？當量子力學在發展時，它被視作以波函數連結經典描述與量子描述的一種關係。

在1927年五月，在尼爾斯·玻爾處工作的維爾納·海森堡形式化了不確定性原理，為哥本哈根詮釋奠基了基礎。海森堡曾研究保羅·狄拉克與帕斯夸爾·約爾旦的論文，他發現了在測量等式中基本變量的一個問題。他的分析表示不確定性，或不準確度，總是在同時測量一個粒子的位置與動量時升高。海森堡的結論是這些不準確度不是實驗不夠完美的問題，而是自然的基礎性質，也是量子力學中算符的定義所導致的內在數學性質。

在量子力學中，批評者常將哥本哈根詮釋這一詞彙與海森堡的不確定性原理一起使用甚至混用（如愛因斯坦以及物理學家阿爾弗雷德·朗德）,他們相信決定論並將波爾-海森堡的理論看作威脅。在哥本哈根詮釋中，不確定性原理意味著物理宇宙本身不是決定論的，而是機率的結合。舉例，成千上萬個光子穿過干涉狹縫所形成的圖案（機率分布）可使用量子力學計算，但個別光子的準確路徑無法以任何方式預測，即使是理論上無限準確的測量也不行。

## 物理哲學史

### 亞里斯多德物理學

亞里斯多德物理學將宇宙看作月下球體。物質，由地、水、火、風四種古典元素所組成。以太中的物體如日月、行星以及星星圍繞著宇宙中心旋轉。

運動被定義為在位置的改變。

也就是空間。

### 牛頓力學

亞里斯多德物理中所隱含的，有關物體在空間中移動的假設被牛頓力學中的第一運動定律所替換。

無外力時，靜者恆靜，動者恆做等速度直線運動這包括了月球、一顆蘋果；一切物質皆如此，空氣與水、石頭、甚至火焰，沒有東西天生可以一直加速運動。

絕對空間是三維的歐氏空間，無限而沒有中心。

「靜止」意味著隨著時間流逝，在絕對空間中的同一位置。

空間的拓撲與仿射空間都必須允許等速度直線運動；因此時間與空間要都有確定、穩定的維度。.

### 萊布尼茨

戈特弗里德·萊布尼茨，1646 – 1716，是與牛頓同時代的人物。他對當時的靜力學與動力學頗有貢獻，時常與笛卡爾及牛頓有異議。他基於動能與位能創建了一套新的運動動力學，其中認為空間是相對的，而非牛頓認為的絕對。一個看出萊布尼茨物理思考已趨成熟的著作是1695年的Specimen Dynamicum。

直至次原子粒子與量子力學的出現，萊布尼茨認為自然無法完全被還原為靜力學與動力學的猜想都被當作不合理。

早在愛因斯坦前，他就反對牛頓，認為時空不是絕對，而是相對的：

「我的想法是，我說過很多遍，我把空間當作相對的，就如時間。前者作為一種共存，而後者是一種接續。」

### 愛因斯坦有關物理哲學重要性的言論

愛因斯坦對於自己理論的哲學意義很感興趣，他寫道：

「我完全同意你認為方法論、科學史以及科學哲學很重要並具有教育意義。如今很多人——甚至專業科學家——都讓我覺得像是他們看過千萬棵樹，但沒見過森林。有歷史、哲學背景相關知識就可以從大部分科學家都持有的，當代科學界的偏見中獨立出來。我認為這種獨立就是一個單純的工匠或專家與真正追求真理的人的區別。」Einstein. letter to Robert A. Thornton, 7 December 1944. EA 61–574.

又言道：

「為什麼一個個富有天賦的自然科學家會開始擔憂知識論的問題？難道他的專長不能用在更有價值的地方嗎？有些同事會說，我也感覺到有些人是如此，他們都有這樣的擔憂。我無法感同身受……那些被證實很有用的概念駕馭了我們，使得我們都忘了它們其實也出身平凡，並不是不可改變的。就這樣，他們變成了『思考必要物』，『先驗概念』等等。」

「這樣的錯誤總是使得科學進步的道路艱澀難行。正因如此，我們應當做到能夠熟練分析這些長存的概念並展現出什麼樣的情景下它們才是正當並有用的，以及他們如何從經驗中生成。這樣的話，他們至高無上的權威終將被打破。」Einstein, 1916, "Memorial notice for Ernst Mach," Physikalische Zeitschrift 17: 101–02.

## 外部連結

- Stanford Encyclopedia of Philosophy :
- " Absolute and Relational Theories of Space and Motion "—Nick Huggett and Carl Hoefer
- " Being and Becoming in Modern Physics "—Steven Savitt
- " Boltzmann's Work in Statistical Physics "—Jos Uffink
- " Conventionality of Simultaneity "—Allen Janis
- " Early Philosophical Interpretations of General Relativity "—Thomas A. Ryckman
- " Everett's Relative-State Formulation of Quantum Mechanics "—Jeffrey A. Barrett
- " Experiments in Physics "—Allan Franklin
- " Holism and Nonseparability in Physics "—Richard Healey
- " Intertheory Relations in Physics "—Robert Batterman
- " Naturalism "—David Papineau
- " Philosophy of Statistical Mechanics "—Lawrence Sklar
- " Physicalism "—Daniel Sojkal
- " Quantum Mechanics "—Jenann Ismael
- " Reichenbach's Common Cause Principle "—Frank Artzenius
- " Structural Realism "—James Ladyman
- " Structuralism in Physics "—Heinz-Juergen Schmidt
- " Supertasks "—JB Manchak and Bryan Roberts
- " Symmetry and Symmetry Breaking "—Katherine Brading and Elena Castellani
- " Thermodynamic Asymmetry in Time "—Craig Callender
- " Time "—by Ned Markosian
- " Time Machines " —John Earman, Chris Wüthrich, and JB Manchak
- " Uncertainty principle "—Jan Hilgevoord and Jos Uffink
- " The Unity of Science "—Jordi Cat