題圖：黑洞
很久沒有關注諾貝爾物理學獎了。
一向以為，自然科學中越是意義深遠、貢獻巨大的發明與發現，越是出奇的簡潔有力，看看經典力學中的牛頓三大定律，看看電磁理論中神奇的麥克斯韋方程組，再看看信息論中清晰明了的香農公式，還有相對論中的愛因斯坦質能方程......
它們無一不是構成簡單，形式優美。
當近些年來一項項獲獎的研究與實驗，需要太多十分深入的領域知識和特別狹窄與細微的專業化文字表述時，頓時興趣索然，滿頭的困惑似乎正在無情地提醒自己：
你老了！看不懂了！
看不懂的不隻是科學，還有這個劇烈變化的世界。
2020年，智利的一位80後小說家拉巴圖特（Benjamin Labatut）出版了他的新書，書名就叫《當我們不再理解這個世界》。
在拉巴圖特描述的世界裏，常常讓人分不清究竟是紀實還是虛構？傳記還是想象？覺醒還是夢幻？
這或許就是當今世界的表現。
如此說來，看不懂的大有人在，且與年齡和代溝無關。
左起：阿斯佩（Alain Aspect）、克勞澤（John F. Clauser）、塞林格（Anton Zeilinger）
10月4日瑞典皇家科學院宣布，將2022年諾貝爾物理學獎授予法國物理學家阿斯佩、美國理論和實驗物理學家克勞澤和奧地利物理學家塞林格，以表彰他們為糾纏光子實驗、證明違反貝爾不等式和開創性的量子信息科學所作出的貢獻。皇家科學院的聲明還說：他們三人分別利用糾纏的量子態進行了突破性的實驗，其中兩個粒子即使被分開也表現得像一個整體。他們的成果為基於量子信息的新技術掃清了道路。
與此同時，諾貝爾基金會稱：2022年物理學獎得主有關實驗工具的開發，為量子技術的新時代奠定了基礎。它讓人們能夠操縱和管理量子態及其所有層級的屬性，從而獲得具有意想不到潛力的工具。目前正在進行的密集研究與開發，集中在利用單個粒子係統的特殊屬性來構建量子計算機、改善測量、建立量子網絡以及建立安全的量子加密通信。
記得前些年國內的量子通信曾被炒得沸沸揚揚，甚至實用化唾手可及，讓人感覺一項世界頂級成果呼之欲出，那位P姓學者更是如日中天，所向披靡。但不知為何隻過了幾年，一切便銷聲匿跡，重歸沉默。
量子技術真的能控製自如並從根本上顛覆以往的通信與計算機技術嗎？
我們拭目以待。
回顧近些年國際上備受關注的物理學研究，包括相關的諾貝爾物理學獎，你會發現，它們始終在宏觀經典力學與微觀量子力學這兩級角逐。結果時空、黑洞、量子糾纏、薛定諤的貓等概念通過媒體影視走入千家萬戶，一時間大熱。
人們在娛樂之餘忽然產生出一種懷疑：真實世界真的會被虛擬世界替代嗎？
如果是這樣，人生的意義何在？
逃逸速度的計算：經典力學表現得總是那麽簡捷
先從宏觀的逃逸速度說起。
所謂逃逸速度（Escape velocity），是指一個沒有動力的物體想要脫離一個天體表麵所必須擁有的最低速度。它與天體表麵的重力有關，卻與物體本身質量無關。例如，不考慮地球大氣影響，一個物體，不論多重，要想離開地球，它的速度必須超過每秒11.2公裏。而太陽表麵的重力要比地球大得多，因此需要超過每秒618公裏的速度才能逃出太陽。月球呢？它的逃逸速度隻有每秒2.4公裏。
試想，當一個天體的質量足夠緊密，在時空中表現出極強的引力，以至於令逃逸它的速度超過光速時，所有粒子，包括像光這樣的電磁輻射都無法逃逸這個區域，這就是黑洞（black hole）。
廣義相對論預測：巨大的引力可以扭曲時空，形成黑洞，而那個無法逃逸的區域邊界便稱為事件視界（Event Horizon）。
那麽，既然連光都跑不出來，人們又如何觀察到黑洞的存在呢？
答案是：通過圍繞著它運行的恒星。
如果有其它恒星圍繞著黑洞運行，這些極亮的恒星是可以被觀察到的，於是人們通過這些恒星的軌道就可以算出黑洞的質量與位置。
當圍繞黑洞運行的恒星因摩擦而發熱時，會導致它的速度越來越慢。一旦速度低到無法抗拒黑洞外圍引力的作用時，引力坍塌，恒星生命周期結束，從此墜入黑洞。
黑洞示意圖
黑洞的最中心是奇點（Singularity）
黑洞的半徑是事件視界（Event Horizon）
長度可達數千甚至數十萬光年的相對論性噴流（Relativistic jet）
圖中最明亮的物質是因摩擦生熱而在黑洞外圍形成的吸積盤（Accretion disc），它的高溫會發出X射線
黑洞正是通過吸收周邊的其它恒星並與之合並，才形成數百萬太陽質量的超大質量黑洞的。如今天文學家已經測定，銀河係核心的人馬座A*的電波源包含有一個超大質量的黑洞，其質量大約是太陽質量430萬倍。
長期以來，黑洞一直被認為僅僅來自數學上的好奇。早在18世紀，著名的拉普拉斯等人就曾想到，當一個物體的引力場強大到光線都無法逃逸時，就會形成黑洞。
1915年，愛因斯坦發表廣義相對論。幾個月後，一位德軍上尉在“一戰”戰場上，神奇地為愛因斯坦的重力場方程給出了廣義相對論的第一個精確解！
這個解就是計算出的黑洞半徑——事件視界。
不錯，黑洞是計算出來的！
卡爾·施瓦西（Karl Schwarzschild，1873–1916）
這位德軍上尉便是大名鼎鼎的德國天文學家、物理學家，普魯士科學院院士和波茨坦天體物理天文台台長施瓦西。
施瓦西把計算結果第一時間寄給了愛因斯坦。在給愛因斯坦的信中他說：“就如你所看到的，這場戰爭對我並不壞，雖然身處戰火之中，但是戰爭讓我暫時遠離這個世界的紛擾，悠遊在你所創造的世界裏。”
愛因斯坦接到信後異常興奮，因為當時就連他本人也隻是算出了近似解。
更無法想象的是，當時的施瓦西已經病入膏肓，還身處作戰前線。
1916年，愛因斯坦就這一傑出結果致信施瓦西：“我懷著極大的興趣閱讀了你的論文。我沒有想到，人們可以用如此簡單的方式提出問題的確切解決方案。我非常喜歡你對這個問題的數學處理。下周四我將向學院提交這份工作，並作一些解釋。”
可惜，此時的施瓦西已無法讀到這封回信了，他於1916年5月病逝，死於自身免疫性疾病天皰瘡，時年42歲。
1921年愛因斯坦獲得諾貝爾物理學獎時的官方照片（Albert Einstein，1879–1955）
施瓦西的發現深刻顛覆了他自己對空間組織的概念。根據他的計算，當一顆恒星處於崩潰的邊緣時，它會被壓縮，密度增加，直到引力扭曲了它周圍的空間和時間。其結果套用拉巴圖特的話：那是一個無法逃避的深淵，與宇宙的其它部分永久隔絕，其中心是奇點：一個體積無限小、密度無限大、引力無限大、時空曲率無限大的點。在這個點，目前所知的物理定律全部不適用，空間和時間的概念變得毫無意義！
除了黑洞，那也被認作是宇宙大爆炸之前的初始點。
施瓦西為他的計算感到恐懼，他在臨終前顫抖著提問：
如果說這樣的一種怪物也是物質可能所處的狀態的話，那麽在人類的大腦中有沒有相應的東西呢？當意誌充分集中、數百萬人受製於同一個目的、思想被擠壓在一個狹小的精神空間裏，會不會生成一個類似奇點的東西？
這不僅可能，而且類似的情形後來已在他的祖國——德國發生過。
……
施瓦西有關黑洞的計算，後來被科學家一次次地證實。
2016年，科學家宣布：第一次直接觀測到兩顆黑洞相撞產生的重力波，這是人類第一次觀測到黑洞合並。2017年，三位研究黑洞碰撞產生重力波的美國科學家獲得了諾貝爾物理學獎。
至2018年12月，已經觀測到11件引力波事件，其中10件是源自黑洞合並，隻有1件是中子星碰撞。
2019年4月10日，首次發布了黑洞及其附近的第一張影像：它是使用事件視界望遠鏡在2017年拍攝到M87星係中心的超大質量黑洞。
2020年，又有三位相關的科學家獲得了諾貝爾物理學獎，他們是：證明黑洞是愛因斯坦廣義相對論直接結果的英國科學家彭羅斯（Roger Penrose），因在銀河係中央發現超大質量天體的德國科學家根策爾（Reinhard Genzel）和美國科學家蓋茲（Andrea M. Ghez）。
不知從何時起，物理學獲獎者總是三位一組。
科學家對M87星係中心的觀測所獲得的第一幅黑洞的圖像，2019年4月10日發布。圖像中明亮的環是因黑洞周圍強烈的引力導致光線彎曲而形成的，黑洞的質量是太陽的65億倍
除了在宏觀物理學中產生的顛覆外，在微觀呢？
這就涉及到今年的諾貝爾物理學獎了。
報道稱，獲獎者之一的塞林格在接受采訪時說過這樣一句話：“很抱歉，愛因斯坦先生，你的結論是錯誤的。”
此話從何說起？
一切源自兩位世界頂級科學家——波爾與愛因斯坦——的世紀之爭。他們的背後，是一個頂級科學家群體！
直到今天人們依然公認：愛因斯坦與波爾，再加上普朗克，是舊量子論的奠基者。但他們對量子理論的詮釋卻各執己見，並不相同。
作為第一位意識到普朗克有關量子的發現會改寫整個物理學的科學家，愛因斯坦在1905年就提出了光的粒子假說，盡管當時的主流觀點認為：光是一種電磁波。
玻爾一直是光量子假說的最堅定的反對者之一，直到20年之後他才接受了這一假說。讓玻爾沒有想到的是，此後他的創造性成就恰恰都基於這個被他長期反對的觀點，這在科學史中堪稱奇跡。
上帝和波爾開了個玩笑！
愛因斯坦與波爾
1913年，玻爾模型成功地用量子理論解釋了原子光譜。愛因斯坦先是懷疑，之後接受。盡管玻爾模型導致現實無法被詳細描述，但愛因斯坦容忍了這個缺點，因為他認為實驗還沒有完成。
接下來，1925年海森堡提出了測不準原理（uncertainty principle），這徹底顛覆了牛頓力學中的經典元素。1926年，玻恩又提出量子力學應該被理解為沒有任何因果聯係的概率！
這讓愛因斯坦不能接受。
論戰始於1927年年底的第五屆索爾維會議，這次會議合影中的29人裏有17人獲得了諾貝爾物理學獎。
1927年的第五屆索爾維會議
會議中，玻爾與哥本哈根學派對量子理論的詮釋成為主流，他們在人數上也占據優勢，而愛因斯坦一邊，有兩位重量級的科學家：薛定諤和德布羅意。
兩派人馬的辯論和交鋒大部分發生在每天會議前後的餐桌上。
千萬別小看吃吃喝喝！
愛因斯坦所持的出發點是經典力學裏的三個假設：守恒律、確定性和局域性（Principle of locality，即一個特定物體隻能被它周圍的力量影響）。
而海森堡的測不準原理恰恰違背了確定性的假設。測不準原理表明：一個粒子的位置與動量不可同時被確定，位置的不確定性越小，則動量的不確定性越大，反之亦然。類似的不確定性關係式也存在於能量和時間、角動量和角度等物理量之間。它是量子力學的基本理論之一。
對此，愛因斯坦無法接受。愛因斯坦認為：世界的本質不是隨機的。那些看起來無法解釋的隨機現象，是因為有尚未發現的“隱變量”，一旦我們找出了這些隱藏著的變量，隨機性就不複存在了。
這就是愛因斯坦的那句名言：上帝不擲骰子！
與愛因斯坦相反，哥本哈根學派認為：微觀世界的隨機性是內在的、本質的，並沒有什麽隱藏得更深的隱變量，有的隻是“波函數坍縮”到某個本征態的概率。
於是，在量子化的微觀層麵，描述物理現象不再是用我們熟悉的確切數據，而是代之以概率來表達。
直到會議結束，兩派誰也沒能說服誰。
1930年的第六屆索爾維會議
在1930年的第六屆索爾維會議上，愛因斯坦發表了一個思想實驗，即著名的“愛因斯坦光盒”，以此來挑戰“能量—時間不確定性原理”：
ΔEΔt ≥ ?/2
試想一個裝滿了光子的盒子，在盒子的一端有一個孔徑，盒內的時鍾可以通過控製器將孔徑外的快門開啟短暫的時間間隔Δt，使其發射出一顆光子，然後再將快門關閉。為了要測量發射出去的光子的能量，必須量度發射前後盒子的質量m，再應用相對論質能方程：E=mc2，就可以計算出失去的能量E。
理論上，快門的開啟時間是個可測的常數，隻要能讓一個光子發射出去即可。而盒子的質量也可測到任意的準確度，於是：
ΔEΔt < ?/2
因此“能量—時間不確定性原理”不成立。
玻爾當場啞口無言。
在冥思苦想了一晚後，波爾巧妙地利用愛因斯坦自己的廣義相對論指出了光子盒實驗的缺陷。玻爾指出：光子跑出後，盒子質量變輕，就會上移，根據廣義相對論，如果時鍾重力方向發生位移，時鍾的快慢會發生變化。這樣一來，盒子裏的機械鍾讀出的時間就會因為這個光子的跑出而發生改變。換句話說，使用這種裝置，如果要測定光子的能量，就不能精確控製光子逸出的時刻。
這次輪到愛因斯坦無語了。
然而，波爾的反擊並非無懈可擊……
薛定諤（Erwin Schrödinger，1887—1961）
1935年，愛因斯坦提出了著名的“EPR佯謬”（E、P、R分別代表論文的三位作者）。
這是愛因斯坦與玻爾等哥本哈根派論戰的繼續。
這一次，愛因斯坦構想的思想實驗是：
一個不穩定的大粒子衰變分裂為兩個同樣的小粒子A和B。小粒子獲得動能，分別向相反的兩個方向飛出去。為了保持總體的自旋守恒，如果粒子A的自旋為上，粒子B的自旋就一定是下。反之亦然。
根據量子力學的說法，測量前，兩個粒子應該處於疊加態，比如“A上B下”和“A下B上”各占一定概率的疊加態（例如概率各為50%）。然後，我們對A進行測量，A的狀態便在一瞬間坍縮，如果A的狀態坍縮為“上”的本征態，B的狀態就一定為“下”（因為守恒）。
但假如A和B之間已經相隔非常遙遠，比如說幾萬光年，按照量子力學的理論，B也應該是上下各一半的概率，為什麽它能夠在A坍縮的那一瞬間，做到總是選擇下呢？難道A和B之間有某種方式可以及時“互通消息”？即便假設它們能夠互相感知，可它們之間傳遞信號需要在一瞬間跨越幾萬光年，傳遞速度早已超過了光速，這種超距作用又是現有的物理學不能容許的。這就構成了佯謬。
愛因斯坦強調不可能有超距作用，意味著他堅持經典理論的“局域性”。文章中愛因斯坦將兩個粒子間瞬時的相互作用稱為“幽靈般的超距作用”。
薛定諤讀完“EPR佯謬”論文後致信愛因斯坦，信中他最先使用了“糾纏”一詞，借以形容在EPR思想實驗裏，兩個暫時耦合的粒子，不再耦合之後彼此之間仍舊維持的關聯。
所以，量子糾纏（Quantum entanglement）實際上是愛因斯坦、薛定諤等人的研究成果。
對此，玻爾的回應是：因為兩個粒子形成了一個互相糾纏的整體，隻有用波函數描述的整體才有意義，不能將它們視為相隔甚遠的兩個個體——既然是協調相關的一體，它們之間便無須傳遞什麽信息。
愛因斯坦無法接受玻爾的這種古怪說法，即使在之後的二三十年中玻爾的理論占了上風、量子理論如日中天之時，愛因斯坦仍固執地堅持他的經典信念，反對哥本哈根學派對量子理論的詮釋。
1982年時的貝爾和他著名的定理（John Stewart Bell，1928—1990）
隨著愛因斯坦和玻爾先後離世，他們的分歧依然沒有定論，直到1964年北愛爾蘭物理學家貝爾提出了著名的“貝爾定理”（Bell's theorem）。
這是一種不可行定理，又稱貝爾不等式（Bell's inequality）。它是一個有關是否存在完備局域隱變量理論的不等式。
之後的實驗表明：在經典物理學中，不等式成立；但在量子物理學中，不等式不成立。
這說明，不存在關於局域隱變量的物理理論可以複製量子力學的每一個預測，這就是貝爾定理。
它在物理學和科學哲學中異常重要，因為貝爾定理意味著：量子物理必需違背局域性原理或反事實確定性（counterfactual definiteness，簡稱CFD）。
愛因斯坦認定：量子糾纏的隨機性隻是表麵現象，背後可能藏有“隱變量”。
貝爾本人也支持這一觀點，他試圖用實驗來證明愛因斯坦的隱變量觀點是正確的，可結果卻適得其反。
1972年，克勞澤及其合作者成為貝爾不等式實驗驗證的第一人，實驗結果違反貝爾不等式，從而證明了量子力學的正確性。
1982年，阿斯佩等人在貝爾的幫助下，改進了克勞澤的實驗，成功地修複了漏洞。實驗結果再次違反貝爾不等式，進一步證明了量子力學的非局域性。
從那時開始，經過漫長的40、50年之後，上述兩位科學家終於成為2022年諾貝爾物理學獎的獲獎者。
厚積而薄發！
塞林格說：“很抱歉，愛因斯坦先生，你的結論是錯誤的。”
那麽，愛因斯坦真的輸了？
科學畢竟有限，人類離真理究竟有多遠？隻有上帝知道。當一切都變得隨機，一切都變得無法理解和無從把握時，擺在人們麵前的科學道德難題便成為：
什麽是真實的？什麽是想象的？
就像拉巴圖特的小說，成為基於真實事件的虛構作品。
如果真是這樣，這世界就真的“測不準”了。
上帝與人類開了個大玩笑！
在此，我寧願站在愛因斯坦一邊！愛因斯坦並沒輸，一切仍在進行中，一切遠未完結。
也許正是因為愛因斯坦對於量子力學持續而有力的批評，才大大促進了量子力學的發展。批評與質疑，迫使量子力學的支持者們不斷加深著對量子力學科學和哲學意義的理解。
汪洋中的一艘船
那麽，當年愛因斯坦何以固執地堅持他的經典理論呢？
這恐怕要從世界上人類的光景來解釋。當這個世界正在變得越來越不確定時，我們看到的是：現代社會正在變得越來越複雜，但與此同時，人們卻又失去了以往那種賴以安身立命的信仰，像上帝、天、天理等。
當個人因身受外部各種巨大力量的裹挾時，便如同一葉扁舟在暴風雨的大海上飄蕩。存在主義者所說的惶恐、失落、虛無和焦慮等心理狀態，是一種真實的寫照。
一個人在完全沒有了安全感時，就一定要找到某些可靠的東西才能獲得活下去的勇氣。
這與當年物理學的那場論戰何其相似！
1957年，著名科學哲學家布裏格曼（Percy w?Bridgman）在一次哲學會議上指出：主張決定論的物理學家往往不甘心接受量子力學上的“不確定原則”。這種拒斥並非出於科學上的理由，而是出於科學以外的情感因素。愛因斯坦的“上帝不擲骰子”正生動地表達了這種情感。
或許愛因斯坦感覺到，如果人們按照這種“不確定原則”不斷走下去，結果一定是：黑暗將感染物理學的靈魂。支配物理世界規律的基礎將永遠模糊。
更重要的是，在愛因斯坦情感的背後，有著一種深深的信仰力量。甚至愛因斯坦本人也未必意識到。
尋找·回歸
回到中國的科學創新與諾貝爾獲獎情結。
有學者認為，中華民族曾經的長期屈辱，使中國人不得不以追求國家的富強為最高目的。這一目的本身自然是高貴的。然而僅以富強為目的卻使中國人走上了一條急功近利和專重物質成就的道路。可以說，現代中國人對科學的追求主要還是出於功利的動機，而非對科學知識本身擁有真正的興趣，更沒有注意到科學背後的文化憑借。
科學，是西方文化特顯其超越精神之所在，它不是功利思想的產物。那種“為真理而真理”的精神，才是科學的真正源頭，它出現在希臘哲學與希伯來文化中，並與上帝的觀念相結合。
牛頓的數學和物理學在當時並沒有什麽實際用途，他無法通過這些來賺更多的錢。牛頓研究物理的動機是為了證明：上帝創造的世界是何等地完美！
愛因斯坦也深受“上帝”這一觀念的影響，他在後半生拒絕接受量子力學的不確定原則正是基於這樣一種信念——
上帝不擲骰子！
愛因斯坦還有另一句話：你不去看月亮（不去測量），月亮依然在那！
西方文化講求真、善、美。
科學，屬於“真”的範疇，但還不是“真”的全部。所以我們今天所看到的量子力學的一切發現或許並非已抵達真理。從這個意義上說，認為愛因斯坦輸了還為時尚早。
況且除了自然之外，還有人文社會中的“真”，那是一個比科學更加複雜的領域。
因為它包含了——人。
如果說“真”屬於科學領域，那麽“善”，無疑屬於信仰領域，而“美”則可歸入文學藝術的範疇。善與美的創造同樣也需要借助創造者的超越能力——從人得以從原始的“混沌”狀態中超拔出來。
科學的“用”是從“真”衍生出來的。
隻要我們不去求“真”，不具備“為真理而真理”的精神，科學就不會在中國生根。
尤其是，我們必須重視科學背後那種超越的精神。
科學具有改變世界的力量，這顯而易見。但信仰與藝術等精神力量更是不可小覷，它們雖不像經濟或政治力量那樣直接而具體，但卻是科學背後的真正動力！
特別是，它們往往需要一個較長的時段才能顯現出來。
科學不是孤立的，它與精神密切相關。因此在中國發展科學，僅著眼於科學本身是遠遠不夠的，急功近利更與科學毫不沾邊。
回到我們起初因諾貝爾獎引發的主題。
好像也就幾十年的時間，像拉巴圖特認為的那樣，我們突然變得再也無法理解這個世界，甚至無法理解人類。我們可以把原子掰碎，讓第一束光閃瞎我們的眼睛，我們可以預言宇宙的終結，用的隻是幾個神秘的方程、圖形或符號。普通人弄不懂，可它們卻左右著我們生活的一切。
不僅是普通人，連科學家自己都不再理解這個世界了。比如量子力學，號稱人類皇冠上的明珠，是我們發明的所有物理理論中最美麗、涵蓋麵最廣的一個。它無處不在，互聯網背後，手機霸權的背後......它向人類許諾的，是隻有“上帝的智慧”才能比擬的算力，它讓我們的世界改頭換麵，以至於我們已經認不出來它來。我們雖然知道如何使用它，而且通過某種奇跡它好像運轉“完美”，但這個星球上卻沒有一個人真正明白它的原理。
人腦根本無法應對其中的矛盾和悖論！
有一位作家認識的園丁，曾經是一名數學家，當他意識到現代科學已經讓人失望、人類思想已經無法“處理其悖論和矛盾”之後，他選擇了從社會退出，成了一名園丁，他把全部精力投入到了園藝上，每天隻是靜靜地看著生命從萌生到繁盛，再到死亡……
聽起來有點悲觀，但我們總是有盼望的！
（文中圖片均引自網絡）
