一本不錯的關於量子物理學的科普書

17世紀末和20世紀初是物理學發展史上最偉大的兩個時期。前者以牛頓的《自然哲學之數學原理》的出版為標誌，宣告了現代經典物理學的正式創立。而後者則為我們帶來了量子論，並徹底推翻和重建了整個物理學體係。經典物理學已廣為人知。然而，一百年過去了，量子論仍然披著一層神秘的麵紗，深深地影響和困擾著我們。量子論的奠基人之一玻爾曾經說：“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論。”《上帝擲骰子嗎？》這本書就是試圖帶領普通讀者沿著量子論領域物理大師們的足跡揭開量子論神秘麵紗的一角，讓我們窺探到其麵貌的一個大致輪廓。作者曹天元，2006年出版。

 

《上帝擲骰子嗎？》這本書的書名取自愛因斯坦的名言，“無論如何，我都確信，上帝不會擲骰子。” 量子論揭示的不確定性隻是一種物理現象，還是大自然的基本法則？愛因斯坦堅信量子論的不確定性暗示了一個更深層次的物理現象，不是大自然的基本法則，因為上帝不會擲骰子。

 

作者從著名的赫茲實驗開始。1887年赫茲設計的這個實驗不但證實了電磁波的存在，驗證了麥克斯韋的電磁波理論，同時也證明了光是一種電磁波。從這裏開始，作者用大量的篇幅回顧了物理史上持續時間最長，程度最激烈的一場論戰。光究竟是什麽？是一種波還是一種粒子？

 

自古希臘時代人們就一直認為光是由極小的微粒組成。十七世紀，意大利數學教授格裏馬第讓一束光穿過兩個小孔後照到暗室裏的屏幕上，發現在投影的邊緣有一種明暗條紋的圖像，與水波的衍射十分相似，他第一次發現了光的波動性。光的波動說從此登上曆史舞台，與微粒說的較量正式拉開了帷幕。第一回合在科學巨匠牛頓的帶領下，以其煌煌巨著《光學》的出版為標誌，微粒說大獲全勝。直到近100年之後，英國科學家托馬斯·楊著名的楊氏雙縫幹涉實驗才開啟了波動說的反攻。隨著越來越多支持波動說的實驗和理論出現，波動說取得了第二回合的勝利。

 

然而波動說的勝利卻不徹底，它的頭頂有一朵揮之不去的烏雲。任何波動都需要介質才能傳遞，真空中看不見摸不到，實現光傳播的介質是什麽呢？這一難題和黑體輻射理論困境在二十世紀初被稱為物理學陽光燦爛的天空中漂浮著的兩朵小烏雲。當時的物理學家們認為物理學大廈已經如此輝煌，隻要解決這兩朵小小的烏雲就可以完美竣工。沒有人能想到這兩朵小小的烏雲帶來的是前所未有的狂風暴雨，徹底顛覆了經典物理學富麗堂皇的大廈。關於光介質的烏雲最終導致了相對論革命的爆發。關於黑體輻射的烏雲最終導致了量子論革命的爆發。

 

德國物理學家普朗克在研究黑體輻射中提出“必須假定，能量在發射和吸收的時候，不是連續不斷，而是分成一份一份的。” 這一革命性的假定徹底顛覆了經典物理學連續性的假定。這一份一份不連續的能量和最小單元是什麽呢？普朗克稱之為量子，二十世紀物理學最耀眼最神秘的一個名詞誕生了。

 

愛因斯坦受到普朗克的啟發，提出了光量子假說。當光照射到金屬表麵的時候會從它的表麵打出電子來，這稱為光電效應。令人百思不解的是能不能打出電子是由光的頻率來決定的。再弱的紫光也能打出電子，而再強的紅光也無法打出電子，經典的電磁波理論完全無法解釋。愛因斯坦認為光不是連續的，是以量子的形式吸收能量，成功解決了光電效應難題。光量子後來簡稱為光子。

 

普朗克和愛因斯坦打開了量子論的大門，二十世紀最優秀的天才們紛紛上場，開始構建量子論大廈。丹麥物理學家尼爾斯·玻爾1912年用量子的概念建立新的原子體係模型，提出電子在能級間的躍遷是量子化的。他的原子體係異常精確的解釋了一些氦離子的光譜。他還預測了新的光譜線，後來都被實驗證實。遺憾的是玻爾的模型局限於一個電子。兩個或更多電子則無能為力。

 

為了完善玻爾的原子模型，法國物理學家路易·維克多·德布羅意1923年提出了一個驚世駭俗的理論，電子是一種波。1925年美國貝爾實驗室觀察到電子衍射圖案，證明了電子的波動性。

 

光的微粒說和波動說幾百年的爭執似乎已經落下帷幕，愛因斯坦的光子說和德布羅意關於電子的波動說又開辟了新的戰場。這個新的戰場已經不僅僅限於光，還包括電子和一切基本粒子。德國物理學家維爾納·海森堡1925年將矩陣引入量子論，創立了量子力學的矩陣形式。瑞士物理學家埃爾文·薛定諤隨後提出了名震整部20世紀物理史的薛定諤波函數，創立了波動力學。矩陣力學脫胎於經典物理學的微粒說，而波動力學則在經典物理學波動說的陰影之下。海森堡和薛定諤相互對對方的理論表達出毫不掩飾的厭惡。

 

當雙方白熱化交戰的時候，有些物理學家悄悄離開了戰場，他們不再執著於到底是微粒還是波，而是互相包容，開始尋求一種可以把微粒說和波動說統一起來的理論。原來大水衝了龍王廟，海森堡和薛定諤的理論在數學上完全等價，是一家人，隻是一個理論的兩種不同表達方式而已。

 

兩種理論的統一性還表現在兩種理論都指向一個令所有物理學家都心驚肉跳的名詞，不確定性。經典物理學建立在確定性基礎之上，正因為這種確定性才有了工業革命。而量子運動是不確定的，是一種概率，完全無法準確預測。微粒和波動原來是一個整體的兩麵，在某個確定的時刻，用某種觀察方式，隻能看到一麵，或者微粒或者波動。微粒說和波動說的第三次大戰終於以大名鼎鼎的波粒二象性實現了奇妙的統一。

 

在經典物理學中，物理量是一種確定的客觀存在。比如一塊石頭的重量，用天平，用彈簧秤，用磅秤，或者用電子秤，理論上是沒有什麽區別的。石頭是處在一個客觀的外部世界中，而觀測者對這個世界是沒有影響的。但量子世界就不同了，我們測量的對象都是如此微小，以致於我們的介入對其產生了致命的幹預。我們本身的擾動使得我們的測量中充滿了不確定性。采取不同的手段，往往會得到不同的答案，它們隨著不確定性原理搖搖擺擺，根本不存在什麽所謂的客觀真實。薛定諤的貓就是最著名的體現這種不確定性的思想實驗。

 

到了二十世紀中葉，已經出版了不少量子力學教材，人們似乎已經建立起了量子理論大廈。然而一個難題始終困擾著物理學家們。量子在沒有被觀測前，處於一種不確定狀態，是所有可能性的疊加。但是當我們觀測的時候，它卻總是呈現一個確定的結果。物理學稱之為波函數坍縮。這是為什麽呢？我們的觀測到底怎樣影響了量子的形態？

 

什麽是觀測呢？眼看，手摸，鼻嗅？通過各種儀器？人類的意識在其中起到了什麽作用？量子是不是被意識到了才成為確定的現實？意識是獨立於物質嗎？意識存在於低等動物身上嗎？意識可以存在於觀測儀器嗎？這一係列的問題將量子論引入深奧的哲學討論。有物理學家認為人的意識可以作用於外部世界，一種量子現象隻有在被意識到或者被記錄之後才是一種現象。一個光子朝我們飛過來，它是從哪條道路飛來的是由我們在終點記錄的方式決定的。也就是說光子出發前選擇了哪條道路是由我們最終的觀測決定的，光子從出發到終點處於不確定狀態或者說它同時走在兩條路上。這樣一來，宇宙本身由一個有意識的觀測者創造出來也不是什麽不可能的事情。雖然宇宙本身已經演化了幾百億年，但直到被一個高級生物所觀察才成為確定。我們的觀測行為本身參予了宇宙的創造過程。宇宙本身不是一個客觀存在，隻有當我們參與其中才創造了這個宇宙和宇宙的曆史。

 

當然，也有物理學家反對上麵的意識參與論。多世界論或者多宇宙論就把觀測者一腳踢開，不再有什麽意識參與，宇宙怎麽演化自己做主。量子的不確定性是由於多宇宙疊加的結果，但是我們觀測的時候隻能看到一個宇宙，量子形態從而成為確定。現在大熱門量子計算機就被多宇宙論的支持者解釋為同時在多個宇宙中進行運算，才會有那神奇的計算能力。意識參與論諷刺多宇宙論精神分裂，我們也是多宇宙疊加的結果，那到底哪一個宇宙中的我才是真正的我？

 

以愛因斯坦為首的另外一些物理學家則不忘初心，無法舍棄經典物理學必然性的美妙和諧。他們堅定的認為上帝不會擲骰子，量子世界不確定性的背後一定有尚未發現的隱藏變量。他們的信仰基於兩個假設。1. 沒有超光速的傳播；2. 存在著一個獨立於我們觀測的外部世界。近現代對量子糾纏現象的研究已經證實這兩個假設在量子世界不可能同時成立。愛因斯坦要麽推翻自己的相對論，要麽承認量子的不確定性。不論哪一個，對愛因斯坦來講，都是異常痛苦的選擇。

 

直到今天，對波函數坍縮仍然沒有一個令人滿意的解釋。盡管量子理論已經被廣泛應用，其本質依舊保留著幾分神秘。經過100年的研究論證，取得了一個又一個激動人心的成果，今天卻還是身處一個巨大的迷宮之中。量子是那樣的渺小，卻被上帝賦予無與倫比的神秘力量，將整個宇宙籠罩在其光環之下，它將繼續伴隨著我們探索宇宙的奧秘。