《上帝掷骰子吗：量子物理史话》读书笔记

1. 黄金时代。
   经典力学、经典动力学、经典热力学形成当时物理世界的三大支柱。
   牛顿的经典力学更是奉为神一样，因为不论是身边的小球，到航天器，在星体之间都遵循这一定论。
   当时人们相信，上帝造物的奥秘已经被全部掌握了。

   2. 波粒之争。

      1. 笛卡尔提出假说，历经300年后盖棺定论。
      2. 光大粒子性：
         牛顿
         只能沿直线传播，不能像声波一样绕过物体、光电效应
      3. 光的波动性：
         胡克、惠更斯
         符合双缝干涉、牛顿环等波动特性，但需要依赖介质，引出“以太”
      4. 波粒二象性：
         爱因斯坦
         对于时间的平均值，光表现为波动；对于时间的瞬时值，光表现为粒子性

   3. 乌云

      1. 光的以太难题：导致相对论的爆发
         如果以太存在的话，且以它为绝对静止的参考系，这样地球在运动中会产生“以太风”，使光在两地来回传播时产生时间差，即迈克尔逊-莫雷实验。实验证明不存在时间差，即不存在以太。

      2. 黑体辐射实验与理论不符：导致量子论爆发

         1. 黑体：吸收全部外来辐射的物体，如一个空心的球体，内壁涂上吸收辐射的涂料，外壁开一个小孔，那么从小孔射入球体的光线无法反射出来，这个小孔看上去就是绝对的黑色，即“黑体”
         2. 黑体问题上，从粒子角度出发，能得到适合短波的理论公式；从波动角度出发，能得到长波动理论公式
         3. 普朗克：能量在发射和吸收的时候，不是连续不断的，而是分成一份一份的：
            E=hv（E是单个量子点能量，v是频率，h量子常数）
         4. 量子论可以解释关于芝诺悖论，阿克琉斯追龟的问题。量子力学告诉我们，“无限分割”只是数学上的一种理想，而不可能在现实中实现，时间空间的一切都不是连续的。而平滑的假设是微积分的基础。

      3. 光电效应（The Photoelectric Effect):赫兹
         当光照在金属上时，会从它的表面打出电子。
         对于特定金属而言，

         1. 光能否打出电子与光电频率成正相关。
         2. 打出的电子多少与光电强度成正相关。
            实验结果证明了e=hv，即能否激发电子与光电频率有关，当hv达到量子能量时，被激发。而强度只与激发的多少有关。

   4. 科学史上的两个“奇迹”年份：

      1. 1666年， 23岁的牛顿为了躲避瘟疫，回到乡下的老家度假。在那段日子里，他一个人独立完成了几项开天辟地的工作，包括发明了微积分（流数），完成了光分解的实验分析，以及对于万有引力定律的开创性思考。在那一年，他为数学、力学和光学三大学科分别打下了基础，而其中的任何一项工作，都足以让他名列有史以来最伟大的科学家之列。很难想象，一个人的思维何以能够在如此短的时间内涌动出如此多的灵感，人们只能用一个拉丁文 annus mirabilis来表示这一年，也就是“奇迹年”。
      2. 1905年的爱因斯坦也是这样，在专利局里蜗居的他在这一年写出了 6篇论文： 3月 18日，是我们上面提到过的关于光电效应的文章，这成为了量子论的奠基石之一。 4月 30日，关于测量分子大小的论文，这为他赢得了博士学位。 5月 11日和后来的 12月 19日，两篇关于布朗运动的论文，成了分子论的里程碑。 6月 30日，题为《论运动物体的电动力学》的论文，这个不起眼的题目后来被加上了一个如雷贯耳的名称，叫做“狭义相对论”，它的意义就不用我多说了。 9月 27日，关于物体惯性和能量的关系，这是狭义相对论的进一步说明，并且在其中提出了著名的质能方程 E = mc2。

   5. 原子结构

      1. 卢瑟福行星模型>波尔模型：
         波尔模型中，电子围绕原子和运转时，只能处于“特定”能量状态中，且这些能量状态不连续，称为定态，两个定态之间没有缓冲带，那里是电子的禁区。电子允许跃迁，释放或吸收能量：
         E1-E2=hv
      2. 泡利不相容原理：电子的轨道填充规则
      3. 威尔逊的云室：水蒸气在尘埃或者离子通过对时候，会以他们为中心凝结成一串水珠，从而在粒子通过之处留下一条清晰可辨的轨迹。这对后续的粒子研究意义重大。
      4. 德布罗意：电子在前进时，本身总是伴随一个波，且电子通过小孔时，发生衍射。推断，电子为波

   6. “哥本哈根解释”：

      1. 薛定谔提出波动方程，描述微观粒子运动，波恩解释为粒子是以概率方式出现，即上帝掷骰子。
         许多电子的双缝干涉：每个电子在屏上打出一个亮斑，多个电子出现的频率是有规律的，符合波动方程，所以在屏上，有的地方出现概率大，呈现亮条纹，反之，出现暗条纹。
         波动方程打破了过去认为整个宇宙是一台庞大而精密的仪器，而认为所有事情都存在概率中

      2. 海森堡：“不确定性原理”或“测不准原理”
         无法同时精确测量一个电子的位置和动量，也不能同时精确测量能量E和时间t。
         首先爱因斯坦的相对论告诉我们空间本身也能扭曲变形，事实上引力只不过是它的弯曲而已。而海森堡的不确定性原理展现了更奇特的场景：我们知道 t测量得越准确， E就越不确定。所以在非常短的一刹那，也就是 t非常确定的一瞬间，即使真空中也会出现巨大的能量起伏。这种能量完全是靠着不确定性而凭空出现的，它的确违反了能量守恒定律！但是这一刹那极短，在人们还没有来得及发现以前，它又神秘消失，使得能量守恒定律在整体上得以维持。间隔越短， t就越确定， E就越不确定，可以凭空出现的能量也就越大。所以，我们的真空其实无时无刻不在沸腾着，到处有神秘的能量产生并消失。由于质能在本质上是相同的东西，所以在真空中，其实不停地有一些“幽灵”物质在出没，只不过在我们没有抓住它们之前，它们就又消失在了另一世界。真空本身，就是提供这种涨落的最好介质。
         海森堡告诉我们，在极小的空间和极短的时间里，什么都是有可能发生的。因为我们对时间非常确定，所以反过来对能量就非常地不确定，能量物质可以逃脱物理定律的束缚，自由自在地出现和消失。但是，这种自由的代价就是它只能限定在那一段极短的时间内，当时刻一到，灰姑娘就要现出原形，这些神秘的物质能量便要消失，以维护质能守恒定律在大尺度上不被破坏。

      3. 当我们测量时，会对测量对象产生干扰，从而将观察方式或观察者引入到整个测量体系中，不再独立。

         1. 爱森堡测不准原理：观测时必然会有光子打到电子上，造成电子被干扰
         2. 玻尔的“互补原理”：电子呈现波粒二象性，不同的观察方式，会让电子呈现不同的形式

      4. 首先，不确定性原理限制了我们对微观事物认识的极限，而这个极限也就是具有物理意义的一切。其次，因为存在着观测者对于被观测物的不可避免的扰动，现在主体和客体世界必须被理解成一个不可分割的整体。没有一个孤立地存在于客观世界的“事物”（ being），事实上一个纯粹的客观世界是没有的，任何事物都只有结合一个特定的观测手段，才谈得上具体意义（根据奥卡姆剃刀原理，不被观测到和不存在是等价的。没有一个绝对的世界，只有我们能观测到的世界，物理学的全部意义，不在于它能揭示出自然“是什么”，而在于它能明确，关于自然我们能“说什么”。测量时新物理学的核心，测量行为创造力世界。有些唯心主义色彩了～）。对象所表现出的形态，很大程度上取决于我们的观察方法。对同一个对象来说，这些表现形态可能是互相排斥的，但必须被同时用于这个对象的描述中，也就是互补原理。哥本哈根解释摧毁了世界的（严格）因果关系和（绝对）的客观性。

      5. 电子与双缝干涉：

         1. 采用自然观测方式，让它不受干扰地在空间中传播，这时候，电子波动的一面就占了上风。它于是以某种方式同时穿过了两道狭缝，自身与自身发生干涉，其波函数 ψ按照严格的干涉图形花样发展。但是，当它撞上感应屏的一刹那，观测方式发生了变化！电子突然和某种实物产生了交互作用——我们现在在试图探测电子的实际位置了！于是突然间，粒子性接管了一切，这个电子凝聚成一点，按照 ψ的概率随机地出现在屏幕的某个地方。
            假使我们在某个狭缝上安装仪器，试图测出电子究竟通过了哪一边，注意，这是另一种完全不同的观测方式！！！我们试图探测电子在通过狭缝时的实际位置，可是只有粒子才有实际的位置。这实际上是我们施加的一种暗示，让电子早早地展现出粒子性。事实上，的确只有一边的仪器将记录下它的踪影，但同时，干涉条纹也被消灭，因为波动性随着粒子性的唤起而消失了。
         2. 假使我们在某个狭缝上安装仪器，试图测出电子究竟通过了哪一边，注意，这是另一种完全不同的观测方式！！！我们试图探测电子在通过狭缝时的实际位置，可是只有粒子才有实际的位置。这实际上是我们施加的一种暗示，让电子早早地展现出粒子性。事实上，的确只有一边的仪器将记录下它的踪影，但同时，干涉条纹也被消灭，因为波动性随着粒子性的唤起而消失了。

   7. 关于两种宇宙模型

      1. 第一种是由前面介绍的“哥本哈根解释”带来的“参与型宇宙”。为什么说是参与型呢？因为哥本哈根解释里的坍缩现象是由我们的意识造成的，我们的意识参与了整个宇宙过程，我们的观测行为本身参与了宇宙的创造过程，虽然宇宙在道理上讲已经演化了一百多亿年，但它直到被一个高级生物所观察才成为确定。参与型宇宙是增强的人择原理，它不仅表明我们的存在影响了宇宙的性质，甚至，我们的存在创造了宇宙和它的历史本身。我们选择了宇宙，宇宙又创造了我们。
      2. 第二种是由“多世界解释”（Many Worlds Interpretation，简称MWI）带来的“多世界宇宙”，或者叫“平行宇宙”。多世界解释说在电子双缝实验里根本没有坍缩现象，电子没有随机选择左还是右，事实上两种可能都发生了，而是我们只能观察到其中一个世界，在另一个世界存在着另一个可能。薛定谔的猫也没有既死又话，而是在我们这个世界或死或活，在另一个世界则相反。从宇宙诞生以来，已经进行过无数次这样的分裂，它的数量以几何级数增长，很快趋于无穷，我们现在所处的只不过是其中的一个宇宙。当然分裂这个词并不准确，我们可以试着理解多维数空间的概念，一个复杂系统的状态可以看成某种高维空间中的一个点或者一个矢量（n维空间中的一个点可以由n个变量唯一确定，反过来，n个变量也可以由n维空间中一个点来涵盖。则三位空间的一个点的位置(3个变量）和动量（3个位置上都有分量）信息共6个变来那个可以由6维空间的一个点表示。以此类推）。按照MWI，“真实的完全的宇宙”始终只有一个，但是它存在于一个非常高维（可能是无限维）的希尔伯特空间中，但这个高维的空间却由许许多多低维的“世界”所构成（正如我们的三维空间可以看成由许多二维平面构成一样），每个“世界”都只能感受到那个“真实”的矢量在其中的投影，因此在每个“世界”感觉到的宇宙都是不同的。“宇宙”只有一个，其状态可以为一个总体波函数表示，严格而连续按照薛定谔方程演化。
         那么为什么微观的电子能感觉到不同的世界，宏观的我们却感觉不到呢？“退相干理论”说宏观与微观的区别，关键在于其牵涉到的维度不同，只讨论电子时，电子处于一个低维空间，“左世界”和“右世界”非正相交，可以相互"干涉“。当观察电子时，将观察者带入，与电子组成高维空间，此时”左世界“和”右世界“正相交，互不干涉，导致量子叠加态在宏观层面上的瓦解，这个过程也称”离析“或”退相干“
         在MWI的框架中，宇宙只有一个总体的波函数，它按照薛定谔方程唯一确定的演化，重新回归了经典的决定论。上帝又不掷骰子了，只不过对于我们这些凡夫俗子芸芸众生来说，因为我们纠缠在红尘之中，与生俱来的限制迷乱了我们的双眼，让我们只看得见某一个世界的影子。而在这个投影中，现实是随机的，跳跃的，让人惊奇的。
      3. 关于多宇宙理论的人则原理：
         一旦一个“意识”开始，从他自身角度来看，它就必定永生！也成为“最强人则原理”
         （人则原理：如果你是男性，你会发现一个事实：你爸爸有儿子，你爷爷有儿子，你曾祖父也有儿子。。。一直追溯到n代祖先，不论历史上发生什么，他们不但都能存活且都有儿子，这本身是一件非常小的概率事件，但对于你存在这一既定的事实而言，小概率却变成了100%会发生的事。）

ps：
1. 铁块加热时，先变成暗红色，继续加热变成蓝白色。这与“红巨星”和“蓝巨星”类似，前者温度较低，呈现暗红色，一般为老年恒星。后者则温度极高。
2. 墓木已拱:.坟墓上的树木已有两手合抱那么粗了。 意思是你快要死了.这是骂人的话。后指人死了很久。
3. 薛定谔的猫与巴普洛夫的狗
4. 休谟的不可知论：认为世界是无法认知的，所有的规律都是既往经验，却无法获得绝对的未来的预测。