【Reading237】量子物理史话

——“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。”

《量子物理史话》的作者是曹天元，本书探讨了量子物理的发展史。

曹天元，1981年出生于上海。

《旧约·创世纪》的第一节这样写道，“In the beginning God created the heaven

and the earth. And the earth was without form, and void; and darkness was upon

the face of the deep. And the Spirit of God moved upon the face of the waters. And

God said, Let there be light: and there was light.”

量子物理的故事也起于对光的研究。

19世纪初，法国的大科学家拉普拉斯在用牛顿方程计算出了行星轨道后，把它展示给拿破仑看。拿破仑问道：“在你的理论中，上帝在哪儿呢？”拉普拉斯平静地回答：“陛下，我的理论不需要这个假设。”

既然放弃了“上帝”这个假设，物理学家们就必须用可观测的现象来对光的本性做解释。历史上两种观点相互斗争了数百年，它们是波动论和粒子论。两方都有大量的实验观测作为依据，但是两方都无法解释所有的自然现象。历史上因为波动论和粒子论的论战曾引发数次物理危机，而每一次危机过后，人类对我们所生存的物质世界似乎又有了更深的理解。作为物理学的难兄难弟，数学的发展似乎也是如此。

为了解释光电效应的现象，普朗克大胆地提出了光量子的概念，从而将不连续性这一“离经叛道”、“惊世骇俗”的理念引入了物理世界。再后来，持续了数百年关于光本性的波粒论战似乎以波粒二象性的结论暂告一段落。

但是，为什么粒子能自如地在波动态和粒子态之间切换？

以玻尔为首的哥本哈根学派给出了哥本哈根诠释（Copenhagen interpretation）来解释量子物理中的现象。但问题是这样的解释太依赖于观测者，因为当观测者进行观测之前，量子以波函数的概率状态存在，这是它是一种随机性的叠加态；而当观测者进行观测之后，它又突然之间坍缩为一个具体的可测量的量子态。

但它最大的问题是，它把“意识”作为了一个重要的假设，而我们直到今天都对“意识”的定义缺乏共识，更遑论去透彻地理解“意识”是什么。科学家们花了数百年的时间才把人类从宇宙中心的位置拉下来，现在却又似乎面临要把人类重新送回这样的一个特殊地位的尴尬处境。

因此，为了追求古典物理学的确定性的美感，物理学家也提出了很多其他的理论，多世界诠释（many-worlds

interpretation）就是其中一个很有吸引力的想法。这一理论假设存在某种真实的、唯一的、客观的多宙，但是它的维度太高了，我们所观察到的现实宇宙只不过是它的一个低维投影罢了；它还拥有几乎无数个低维的投影宇宙。这些投影宇宙彼此正交，所以它们被常常解释为平行宇宙。它也能通过“退相干”来解释微观世界与宏观世界的差异。从某种意义上看，它是一种“终极人择理论”。它也带来了一些奇异的推论，如：一旦一个“意识”开始存在，从它自身的角度来看，它就必定永生。

除了探讨与绝大多数人没什么关系的宇宙起源的问题外，量子力学还在一些方面有与每个人的日常生活都息息相关的应用，如：量子计算机。这几天出了一个大新闻，也就是谷歌号称实现了“量子霸权”。我们尚无法清楚地意识到它意味着什么，但是很可能在后人看来，这件事情是量子物理历史、甚至是人类历史上又一个具有深刻含义的里程碑。

科学与宗教有很多相似之处，但是我认为它们最大的不同在于，科学欢迎挑战并一直在被挑战。而有些挑战仿佛带来了世界末日，可是人类又一次次从废墟中建立起新的高楼大厦。

科学家不是神，他们也会犯错。欧几里得在第五假设上犯过错误，冯诺依曼也同样栽在了第五假设上，从而得出了一些错误的结论。但是被放弃的旧理论并不是毫无价值的，因为它们同样使得我们对自己所生生存的物质世界有了更深刻的认识和理解。另一方面，新的理论很可能也只是暂时的，它随时做好了被挑战甚至彻底摧毁的心理准备，但它同时自信满满，决计不会不战而降。

部分目录

1.黄金时代

2.乌云

3.火流星

4.白云生处

5.曙光

6.殊途同归

7不确定性

8.决战

9.歧途

10.回归经典

11.不等式的判决

12.新探险

13.尾声

2019年月28日