七堂极简物理课 《第二课 量子》

20世纪物理学的两大支柱，一个是我第一课讲的广义相对论，另一个就是我这里要讲的量子力学，它们之间有着天壤之别。
这两个理论都告诉我们，自然的细微结构要比我们看到的更加微妙。广义相对论是一颗小巧的宝石：它是由爱因斯坦凭借一己之力思考、孕育而来的，是关于引力、空间和时间简洁而又统一的观点。然而量子力学，或者说“量子理论”则正好相反，它在实验上获得了无与伦比的成功，其应用也改变了我们的日常生活（比如我用来写文章的电脑就和它息息相关）。但是这个理论在诞生一百多年之后，仍然笼罩在一片神秘莫测的奇异氛围中。
量子力学正好诞生于1900年，它几乎引领了整整一个世纪的密集思考。德国物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）计算了一个“热匣子”内处于平衡态的电磁场。为此他用了一个巧妙的方法：假设电磁场的能量都分布在一个个的“量子”上，也就是说能量是一包一包或一块一块的。用这个方法计算出的结果与测量得到的数据完全吻合（所以应该算是正确的），但却与当时人们的认知背道而驰，因为当时人们认为能量是连续变动的，硬把它说成是由一堆“碎砖块”构成的，简直是无稽之谈。
对于普朗克来说，把能量视为一个个能量包块的集合只是计算上使用的一个特殊策略，就连他自己也不明白为什么这种方法会奏效。然而五年以后，又是爱因斯坦，终于认识到这些“能量包”是真实存在的。
爱因斯坦指出光是由成包的光粒子构成的，今天我们称之为“光子”。他在那篇文章的引言中写道：
“在我看来，如果我们假设光的能量在空间中的分布是不连续的，我们就能更好地理解有关黑体辐射、荧光、紫外线产生的阴极射线，以及其他有关光的发射和转化的现象。依据这个假设，点光源发射出的一束光线的能量，并不会在越来越广的空间中连续分布，而是由有限数目的‘能量量子’组成，它们在空间中点状分布，作为能量发射和吸收的最小单元，能量量子不可再分。”
这几句话说得简单而又清晰，是量子理论诞生的真正宣言。请注意这段话一开始“在我看来”这几个不同凡响的字眼，这不禁让人联想到，达尔文在自己的笔记中以“我认为”这几个字为开端来介绍他物种进化的伟大思想，而法拉第在其著作中第一次介绍电磁场这个具有革命意义的概念时，则提及自己“犹豫不决”。伟大的天才都懂得三思而行。
起初，爱因斯坦的这项成果被同行们当成笑柄，他们认为这个年轻才子在信口开河。后来爱因斯坦就是凭借这项研究获得了诺贝尔奖。如果说普朗克是量子理论之父的话，那么爱因斯坦就是让这一理论茁壮成长的养育者。
就像天下所有的孩子一样，量子理论长大以后就走上了自己的道路，后来爱因斯坦也不再承认这个孩子。在20世纪10-20年代，丹麦人尼尔斯·玻尔（Dane Niels Bohr）引领了这一理论的发展，他了解到原子核内电子的能量跟光能一样，只能是特定值，而更重要的是，电子只有在特定的能量之下才能从一个原子轨道“跳跃”到另一个原子轨道上，并同时释放或吸收一个光子，这就是著名的“量子跃迁”。玻尔位于哥本哈根的研究所里，聚集着20世纪最具天赋的年轻科学家们，他们共同努力，试图为原子世界中种种令人困惑的现象建立秩序，以期创立一个自洽的理论。
1925年，量子理论的方程终于出现了，取代了整个牛顿力学。很难想象什么比这更伟大的成就了。霎时间，一切现象都找到了归宿，一切都可以被计算出来。这里只举一个例子：你们记得元素周期表吧？就是门捷列夫的那个。它把宇宙中可能出现的所有元素都列了出来，从氢元素到铀元素，好多学校教室里都挂着这张表。那么为什么偏偏是这些元素被列在表上呢？为什么元素周期表的结构是这样的呢？为什么这些元素和周期会有这样的特征呢？答案就是，每一种元素都是量子力学最主要方程的一个解。整个化学学科都基于这一个方程。
率先为这个新理论列出方程的是一个非常年轻的德国天才——维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg），他所依据的理念简直让人晕头转向。
海森堡想象电子并非一直存在，只在有人看到它们时，或者更确切地说，只有和其他东西相互作用时它们才会存在。当它们与其他东西相撞时，就会以一个可计算的概率在某个地方出现。从一个轨道到另一个轨道的“量子跃迁”是它们现身的唯一方式：一个电子就是相互作用下的一连串跳跃。如果没有受到打扰，电子就没有固定的栖身之所，它甚至不会存在于一个所谓的“地方”。
似乎上帝设计现实时没有重重地画上一笔，而只是用点隐约描出了轮廓一样。
在量子力学中，没有一样东西拥有确定的位置，除非它撞上了别的东西。为了描述电子从一种相互作用到另一种相互作用的飞跃，就要借助一个抽象的公式，它只存在于抽象的数学空间，而不存在于真实空间。
更糟的是，这些从一处到另一处的飞跃大多是随机的，不可预测。我们无法预知一个电子再次出现时会是在哪儿，只能计算它出现在这里或那里的“概率”。这个概率问题直捣物理的核心，可原本物理学的一切问题都是被那些普遍且不可改变的铁律所控制的。
这是不是很荒谬？爱因斯坦也这么认为。一方面，他提名海森堡参选诺贝尔奖，承认其探究到了世界某些最本质的东西。但另一方面，他只要一有机会就抱怨，说这实在太不合理。
哥本哈根那帮意气风发的年轻科学家们非常沮丧：为什么偏偏是爱因斯坦反对他们呢？他们的这位精神之父，曾有勇气思考那些别人想都不敢想的问题，如今却退缩了，害怕这迈向未知世界的崭新一步，这条道路难道不是他亲自开辟的吗？为什么偏偏是爱因斯坦呢？是他教导我们时间并不是普适的，空间是可以弯曲的，但现在他又说世界不可能如此荒诞离奇。
玻尔耐心地给爱因斯坦解释了这些新的想法，可爱因斯坦并不认同。为了证明这些新想法是自相矛盾的，爱因斯坦设计出了一些思想实验：“想象一个充满光的盒子，我们允许一个光子瞬间逃逸……”“光子盒”思想实验就这样开始了，这是他一系列著名例证中的一个。但最后玻尔总能成功驳斥爱因斯坦的观点。通过演讲、信件往来和论文，两位科学家的对话一直持续了好多年……在交流的过程中，两位伟大的人物都不得不做出让步，改变看法。爱因斯坦不得不承认，这些新想法中并没有自相矛盾的地方；而玻尔也不得不承认，事情并没有他最初想的那么简单清晰。但是爱因斯坦并不愿意在最关键的地方做出让步，他坚持认为确有独立于相互作用之外的客观存在。而玻尔也坚称新理论确定的这种全新又深刻的存在方式是有效的。最后，爱因斯坦承认，量子理论是人类认识世界进程中的一个巨大进步，但他还是坚信，事情不可能如此荒诞离奇，在这一切“背后”一定存在着一个更为合理的解释。
一个世纪过去了，我们还停在原点。量子力学的方程以及用它们得出的结果每天都被应用于物理、工程、化学、生物乃至更广阔的领域中。量子力学对于当代科技的整体发展有着至关重要的意义。没有量子力学就不会出现晶体管。然而这些方程仍然十分神秘，因为它们并不描述在一个物理系统内发生了什么，而只说明一个物理系统是如何影响另外一个物理系统的。这意味着什么呢？是否意味着一个系统的真实存在是无法被描述的呢？是否意味着我们还缺少一块拼图？或者在我看来，是否意味着我们要接受“所谓的真实只不过是相互作用造成的”？
我们的知识在增长，这毋庸置疑。我们可以做一些以前连想都不敢想的事情。知识的增长也开启了新的问题、新的奥秘。在实验室里运用量子力学方程的人通常不太关心这些方程本身的问题，然而近几年，越来越多的物理学家和哲学家在论文中和会议上持续探讨这个问题。量子理论诞生至今已有一百多年，但它究竟是什么呢？是对世界本质的一次非同凡响的深刻探究？是侥幸灵验的一个美丽错误？是不完整谜团的一部分？还是关于世界结构这样艰深问题的一个线索，只是我们目前还消化不了？
爱因斯坦去世的时候，玻尔——他最强劲的对手——表达了对他的敬仰之情，感人至深。几年后，当玻尔也去世的时候，有人拍下了他书房黑板的照片。黑板上画着一幅图，是爱因斯坦思想实验中那个“充满光的盒子”。直到生命的最后一刻，他仍在挑战自己，仍然想要知道得更多。直到最后一刻，他仍未停止怀疑。