一本不错的关于量子物理学的科普书

17世纪末和20世纪初是物理学发展史上最伟大的两个时期。前者以牛顿的《自然哲学之数学原理》的出版为标志，宣告了现代经典物理学的正式创立。而后者则为我们带来了量子论，并彻底推翻和重建了整个物理学体系。经典物理学已广为人知。然而，一百年过去了，量子论仍然披着一层神秘的面纱，深深地影响和困扰着我们。量子论的奠基人之一玻尔曾经说：“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。”《上帝掷骰子吗？》这本书就是试图带领普通读者沿着量子论领域物理大师们的足迹揭开量子论神秘面纱的一角，让我们窥探到其面貌的一个大致轮廓。作者曹天元，2006年出版。

 

《上帝掷骰子吗？》这本书的书名取自爱因斯坦的名言，“无论如何，我都确信，上帝不会掷骰子。” 量子论揭示的不确定性只是一种物理现象，还是大自然的基本法则？爱因斯坦坚信量子论的不确定性暗示了一个更深层次的物理现象，不是大自然的基本法则，因为上帝不会掷骰子。

 

作者从著名的赫兹实验开始。1887年赫兹设计的这个实验不但证实了电磁波的存在，验证了麦克斯韦的电磁波理论，同时也证明了光是一种电磁波。从这里开始，作者用大量的篇幅回顾了物理史上持续时间最长，程度最激烈的一场论战。光究竟是什么？是一种波还是一种粒子？

 

自古希腊时代人们就一直认为光是由极小的微粒组成。十七世纪，意大利数学教授格里马第让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，发现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像，与水波的衍射十分相似，他第一次发现了光的波动性。光的波动说从此登上历史舞台，与微粒说的较量正式拉开了帷幕。第一回合在科学巨匠牛顿的带领下，以其煌煌巨著《光学》的出版为标志，微粒说大获全胜。直到近100年之后，英国科学家托马斯·杨著名的杨氏双缝干涉实验才开启了波动说的反攻。随着越来越多支持波动说的实验和理论出现，波动说取得了第二回合的胜利。

 

然而波动说的胜利却不彻底，它的头顶有一朵挥之不去的乌云。任何波动都需要介质才能传递，真空中看不见摸不到，实现光传播的介质是什么呢？这一难题和黑体辐射理论困境在二十世纪初被称为物理学阳光灿烂的天空中漂浮着的两朵小乌云。当时的物理学家们认为物理学大厦已经如此辉煌，只要解决这两朵小小的乌云就可以完美竣工。没有人能想到这两朵小小的乌云带来的是前所未有的狂风暴雨，彻底颠覆了经典物理学富丽堂皇的大厦。关于光介质的乌云最终导致了相对论革命的爆发。关于黑体辐射的乌云最终导致了量子论革命的爆发。

 

德国物理学家普朗克在研究黑体辐射中提出“必须假定，能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。” 这一革命性的假定彻底颠覆了经典物理学连续性的假定。这一份一份不连续的能量和最小单元是什么呢？普朗克称之为量子，二十世纪物理学最耀眼最神秘的一个名词诞生了。

 

爱因斯坦受到普朗克的启发，提出了光量子假说。当光照射到金属表面的时候会从它的表面打出电子来，这称为光电效应。令人百思不解的是能不能打出电子是由光的频率来决定的。再弱的紫光也能打出电子，而再强的红光也无法打出电子，经典的电磁波理论完全无法解释。爱因斯坦认为光不是连续的，是以量子的形式吸收能量，成功解决了光电效应难题。光量子后来简称为光子。

 

普朗克和爱因斯坦打开了量子论的大门，二十世纪最优秀的天才们纷纷上场，开始构建量子论大厦。丹麦物理学家尼尔斯·玻尔1912年用量子的概念建立新的原子体系模型，提出电子在能级间的跃迁是量子化的。他的原子体系异常精确的解释了一些氦离子的光谱。他还预测了新的光谱线，后来都被实验证实。遗憾的是玻尔的模型局限于一个电子。两个或更多电子则无能为力。

 

为了完善玻尔的原子模型，法国物理学家路易·维克多·德布罗意1923年提出了一个惊世骇俗的理论，电子是一种波。1925年美国贝尔实验室观察到电子衍射图案，证明了电子的波动性。

 

光的微粒说和波动说几百年的争执似乎已经落下帷幕，爱因斯坦的光子说和德布罗意关于电子的波动说又开辟了新的战场。这个新的战场已经不仅仅限于光，还包括电子和一切基本粒子。德国物理学家维尔纳·海森堡1925年将矩阵引入量子论，创立了量子力学的矩阵形式。瑞士物理学家埃尔文·薛定谔随后提出了名震整部20世纪物理史的薛定谔波函数，创立了波动力学。矩阵力学脱胎于经典物理学的微粒说，而波动力学则在经典物理学波动说的阴影之下。海森堡和薛定谔相互对对方的理论表达出毫不掩饰的厌恶。

 

当双方白热化交战的时候，有些物理学家悄悄离开了战场，他们不再执著于到底是微粒还是波，而是互相包容，开始寻求一种可以把微粒说和波动说统一起来的理论。原来大水冲了龙王庙，海森堡和薛定谔的理论在数学上完全等价，是一家人，只是一个理论的两种不同表达方式而已。

 

两种理论的统一性还表现在两种理论都指向一个令所有物理学家都心惊肉跳的名词，不确定性。经典物理学建立在确定性基础之上，正因为这种确定性才有了工业革命。而量子运动是不确定的，是一种概率，完全无法准确预测。微粒和波动原来是一个整体的两面，在某个确定的时刻，用某种观察方式，只能看到一面，或者微粒或者波动。微粒说和波动说的第三次大战终于以大名鼎鼎的波粒二象性实现了奇妙的统一。

 

在经典物理学中，物理量是一种确定的客观存在。比如一块石头的重量，用天平，用弹簧秤，用磅秤，或者用电子秤，理论上是没有什么区别的。石头是处在一个客观的外部世界中，而观测者对这个世界是没有影响的。但量子世界就不同了，我们测量的对象都是如此微小，以致于我们的介入对其产生了致命的干预。我们本身的扰动使得我们的测量中充满了不确定性。采取不同的手段，往往会得到不同的答案，它们随着不确定性原理摇摇摆摆，根本不存在什么所谓的客观真实。薛定谔的猫就是最著名的体现这种不确定性的思想实验。

 

到了二十世纪中叶，已经出版了不少量子力学教材，人们似乎已经建立起了量子理论大厦。然而一个难题始终困扰着物理学家们。量子在没有被观测前，处于一种不确定状态，是所有可能性的叠加。但是当我们观测的时候，它却总是呈现一个确定的结果。物理学称之为波函数坍缩。这是为什么呢？我们的观测到底怎样影响了量子的形态？

 

什么是观测呢？眼看，手摸，鼻嗅？通过各种仪器？人类的意识在其中起到了什么作用？量子是不是被意识到了才成为确定的现实？意识是独立于物质吗？意识存在于低等动物身上吗？意识可以存在于观测仪器吗？这一系列的问题将量子论引入深奥的哲学讨论。有物理学家认为人的意识可以作用于外部世界，一种量子现象只有在被意识到或者被记录之后才是一种现象。一个光子朝我们飞过来，它是从哪条道路飞来的是由我们在终点记录的方式决定的。也就是说光子出发前选择了哪条道路是由我们最终的观测决定的，光子从出发到终点处于不确定状态或者说它同时走在两条路上。这样一来，宇宙本身由一个有意识的观测者创造出来也不是什么不可能的事情。虽然宇宙本身已经演化了几百亿年，但直到被一个高级生物所观察才成为确定。我们的观测行为本身参予了宇宙的创造过程。宇宙本身不是一个客观存在，只有当我们参与其中才创造了这个宇宙和宇宙的历史。

 

当然，也有物理学家反对上面的意识参与论。多世界论或者多宇宙论就把观测者一脚踢开，不再有什么意识参与，宇宙怎么演化自己做主。量子的不确定性是由于多宇宙叠加的结果，但是我们观测的时候只能看到一个宇宙，量子形态从而成为确定。现在大热门量子计算机就被多宇宙论的支持者解释为同时在多个宇宙中进行运算，才会有那神奇的计算能力。意识参与论讽刺多宇宙论精神分裂，我们也是多宇宙叠加的结果，那到底哪一个宇宙中的我才是真正的我？

 

以爱因斯坦为首的另外一些物理学家则不忘初心，无法舍弃经典物理学必然性的美妙和谐。他们坚定的认为上帝不会掷骰子，量子世界不确定性的背后一定有尚未发现的隐藏变量。他们的信仰基于两个假设。1. 没有超光速的传播；2. 存在着一个独立于我们观测的外部世界。近现代对量子纠缠现象的研究已经证实这两个假设在量子世界不可能同时成立。爱因斯坦要么推翻自己的相对论，要么承认量子的不确定性。不论哪一个，对爱因斯坦来讲，都是异常痛苦的选择。

 

直到今天，对波函数坍缩仍然没有一个令人满意的解释。尽管量子理论已经被广泛应用，其本质依旧保留着几分神秘。经过100年的研究论证，取得了一个又一个激动人心的成果，今天却还是身处一个巨大的迷宫之中。量子是那样的渺小，却被上帝赋予无与伦比的神秘力量，将整个宇宙笼罩在其光环之下，它将继续伴随着我们探索宇宙的奥秘。