读《上帝掷骰子吗》

《上帝掷骰子吗》是一本介绍量子物理历史的书籍,全文通俗易懂,从赫兹的证实麦克斯韦的电磁理论实验开始,一直到目前各种主流解释量子现象的假想理论结束。以光的微粒说和波动说两大派系之争为主线,全面系统地介绍了量子物理发展过程中各种思想的激烈碰撞过程。

世界是客观的吗?

世界真的是客观的吗?世界真的严格遵循因果律吗?

先说客观性。举个例子来说,草原上有一匹白马,那从世界是客观的观念来看,不同的观察者看到的结果是一样的,都是一匹白马。但真的是这样吗?马之所以呈现白色,是因为人眼看到的是白色,这跟人眼的生理机制有关,但这并不能代表其它动物看到的也是白色。有可能一只蜜蜂看到这匹马却是红色的。同样是人眼来看,肉眼看到是白色,如果戴着一副红色的眼镜看就变成了红色。所以事物呈现什么样的形态,其实跟观察者的观测方式相关。如果从眼见为实的标准来评判是否是客观的,那不同的观察者看到的同一匹马的形态都不一样,那还算是客观的吗?

再来说说因果律。经典物理学家认为,人类只要掌握足够的规律和信息,对于事物的后续演进完全是可预测的。例如在打台球时,给定球的初始位置以及击杆时的所有信息,那就能预测球的行进方向和速率。但是在量子的世界里,传统观念中的严格因果关系在量子世界是不存在的。对于单个量子来说,即便给定初始位置以及其它所有的信息,它的行为也是不可预测的。它出现在哪个位置是一种概率分布。我们只能说它可能百分之多少的几率会出现在这里,另外百分之多少的几率会出现在哪里。在没有观察它的时候,它可能同时出现在多个地方。当观察它时,它可能就只能出现在某一个地方。最著名的就是单光子的双缝衍射实验,当没有任何观察者时,实验的结果就会出现明暗相间的条纹,明显是这个光子同时通过了双缝的原因。当有观察者时,实验的结果就是一个小亮点,明显是这个光子只通过了双缝中的其中一条的原因。

世界究竟是什么样,跟我们所处的位置以及看世界的角度和方式有关,一千个人就会有一千个不同的世界。

互补原理:对立统一

事物具有多面性,事物的多面是对立统一的,看到什么取决于我们观察的方式。

我们从高中物理课上都了解到光具有波粒二象性,意思就是光可以是一个波也可以是一个粒子。光究竟是波还是粒子,取决于我们怎么去观察它。如果以波的方式去观察它,则光表现为波的性质。如果以粒子的方式去观察它,则光表现为粒子的性质。

那光本来是个粒子还是波呢?没有什么“本来”,所有的属性都是同观察联系在一起的。一旦观察方式确定了,光就要选择一种表现形式,它得作为一个波或者粒子出现,而不能再暧昧地混杂在一起。

我们来通俗地理解一下,这个比方对于形容量子世界的互补原理不是很恰当,但是很形象。很多人都看过一副少女和老人的画,看到的是少女还是老人取决于我们怎么去观察它,并且在同一个时刻,你只能看到少女或者老人,它们对于观察者来说是互斥的,但是它们却统一在了同一幅画里。

光的波动性和粒子性在同一时刻也是互斥的,但它们却在一个更高的层次上统一在一起,作为光的两面被纳入一个整体概念中,这就是玻尔的“互补原理”。

互补原理摧毁了经典物理世界认为的世界具有客观性的观念。

经典世界认为事物的客观性是不以人的观察手段而变化的,事物就在那里,跟怎么观察它是没有任何关系的。就像一把椅子,怎么观察它也还是一把椅子,不管你用肉眼还是其它的观察方式来观察都一样。

互补原理认为任何事物只有结合了一个特定的观测手段才有意义,对象所表现出来的形态,很大程度上取决于我们对它的观察方式。对同一个对象来说,这些表现形态可能都是互斥的,但这些互斥的形态却同时用于对这个对象的描述。另外,观测本身这种行为对于被观测物会产生不可避免的扰动,所以主体和客体世界必须作为一个统一的整体来看待,没有所谓的绝对客观的客体世界。

任何事物都是对立统一的,我们不能只看到其中的一面而忽视另一面。看待解决方案也是这样,有优点也就必有其缺点,不能只片面地给出其中一项。

不确定原理:鱼和熊掌不能兼得

经典物理学家认为世界是确定的,甚至之前有人认为物理学已经发展到了尽头,后人所要做的工作也只是把小数点后的几位数计算的更精确而已。但是量子理论认为世界是不确定的。假设有一个电子向前运行,那么在每一个时刻我们不可能同时测量出这个电子的动量和位置,这就是海森堡的不确定原理,也叫测不准原理。

这个怎么可能呢?假如我们测量一个长方形的长和宽,不管是先测量长还是宽,其长和宽的值肯定都是一样的。那为什么不能同时准确测量出电子的动量和位置呢?除非在测量动量的时候,会影响到电子位置的测量,反过来也是一样。

问题就出现在测量行为上。怎么去测量一个电子的位置呢?你必须得看到它,或者用某种仪器去探测它,不管怎么样,你得用某种方法去接触它,不然你怎么知道它的位置呢?就拿“看到”来说,你要看到它,总得有一个光子从光源出发,撞到这个电子上,然后反弹到你的眼睛上吧?关键是电子是极其微小的东西,光子一接触到这个电子,就会被撞飞到不知道哪里去了,即便可以测量到它的位置,但是它的速度却没办法准确测量到。

没有任何事物是确定的,偶然性才是这个世界的本质特征。

概率解释:上帝在掷骰子

量子理论认为,在没有观察者的前提下,事物是一种概率分布存在。最著名的就是薛定谔的猫,猫可以同时处于生和死两种状态的叠加,到底是生还是死,只有当观察者参与,引起波函数塌缩后状态才能确定,也就是说只有当打开箱子后猫才能处于生或者死的某一种确定状态。

这理解起来很匪夷所思,薛定谔的猫竟然能同时处于生和死这两种状态的叠加态!另一个更匪夷所思的事情是,当有观察者参与后,猫竟然从叠加态变成了确定态!对此物理界出现了很多的理论来解释这个现象,如隐变量、多世界、退相干历史、超弦理论等,但是目前还没有一个理论能够完美地解释这些问题。

我们要做一个乐观积极的观察者,以一种不后悔的姿态去经历这概率的世界。

总结

总而言之,不存在一个客观的,绝对的世界。唯一存在的,就是我们能够观察到的世界。物理学的全部意义,不在于它能够揭示出自然“是什么”,而在于它能够明确,关于自然我们能“说什么”。没有一个脱离于观测而存在的“绝对自然”。观察方式创造了整个世界。




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