上帝掷骰子吗:量子物理史话

文章稍微有点长,想要读完的小伙伴要耐住性子。我会在前半部分做本书的梗概(这次没有做笔记,而是做了简要的梗概,也方便自己后面拿出来复习),后半部分会讲一些自己的有感而发(都是废话什么的,这部分大家随便看看就成)。

【文章梗概】

本书主要讲的是量子物理的发展史,内容较为浅显易懂,尤其前半部分,有点理科基础的读起来不费劲,想想咱们那时候都做过计算定量的题目呢,定性的理论读起来更轻松。后半部分讲了最近几十年量子论的新发展,提出了譬如“意识论”、“多宇宙”、“隐变量”等诸多理论,也不难懂。最重要的是,这本书偏简单,但是对于基础的理论梳理的比较清楚,这个方便以后看些稍微有点难度的书。所以是量子论入门的好书。

文章从对光究竟是粒子还是波这一争论开始,通过经典物理学派的粒子说及波动派的波动说两相较量契入量子理论的开端,而这也是科学史将会纠缠许久的问题。重要人物德国科学家普朗克在1900年研究黑体辐射时通过公式反推出一个重要理论:能量在发射和吸收的时候,不是连续不断,而是分成一份一份的。量子物理学的大门正式开启!

1905年爱因斯坦用量子公式解释了“光电效应”,1913年丹麦物理学家波尔用量子解释了原子内电子的跃迁,这都预示这量子物理开始活跃于物理学中,挑战着经典物理的权威。

接着,量子力学仍旧从粒子及波动两条线路出发各自发展。粒子论直接从观测到的原子谱线出发,坚持以数学为导向,海森堡通过矩阵力学奠定其基础。波动论则是接着由德布罗意提出电子的波动,并由薛定谔提出了波动力学。这个时候究竟是波动还是粒子,两个学说仍旧打的难分难舍。两个学说的本质分歧在于:海森堡的微粒派认为物理世界的基本现象是离散的,不连续的;薛定谔的波动派则认为是波动连续的。随后波恩对薛定谔的公式提出“概率解释”,海森堡对自己的矩阵力学提出“不确定性”,而玻尔则将波动粒子学说结合到一起,提出了“互补原理”,即波动、粒子性只是物质被不同手段测量时候的不同表现,物理的结论和我们的观测行为本身大有联系。

接着玻尔提出了详细的“互补原理”的解释,这里引用原书说明一下这种神奇的现象,书里面的很多观点都是在高中学过的,唯有这个地方还真是没理解到位:

波函数这种奇迹般的变化,在哥本哈根派的口中称之为“坍缩”,每当我们试图测量电子的位置,它那原本按照薛定谔方程演变的波函数Ψ便立刻按照那个时候的概率分布坍缩,所有的可能全都在瞬间集中到某一点上。而一个实实在在的电子便大摇大摆的出现在那里,供我们观赏。

在电子通过双缝前,假如我们不去测量它的位置,那么它的波函数就按照方程发散开去,同时通过两个缝而自我互相干涉。但要是我们试图在两条缝上装上个仪器以探测它究竟通过了哪条缝,在那一刹那,电子的波函数便坍缩了,电子随机的选择了一个缝通过。而坍缩过的波函数自然就无法进行干涉,于是乎,干涉条纹一去不复返。

看完上面这一段的描述,简直把我给震惊到了!

(物理学全明星梦之队)

后面进行过几次世界性的国际物理会议,爱因斯坦作为经典物理的捍卫者,坚定支持因果论而对新兴的量子不确定理论不敢苟同,跟玻尔吵了几架,但都铩羽而归!显然,量子论的基础已经基本上奠定了。

后面,爱因斯坦的盟友薛定谔提出了一个经典的假设——“薛定谔的猫”,是将一只猫放在一个有某种装置的盒子里,这个盒子随时都可能会放出毒气,因为量子理论中提出的“坍缩”理论,那么没有打开盒子之前,是无法确定猫是死是活的,所以猫就处在一种死/活的状态中,这跟我们一般的认知是矛盾的,这是对玻尔哥本哈根派的一个有力反击。

后面的发展就是百花齐放了。

这个时候发明计算机的那个科学家冯诺伊曼出场了,他验证了一种“无限复归链”理论,是说当机器去测量粒子的实际情况的时候,机器也是由粒子组成的,也是存在概率不确定性的,那么是什么造成了粒子的“坍缩”——“观测者”的意识!只有当人去观察的时候,粒子才会出现一个确切的位置。所以“意识”是关键因素。但这便与物理学的客观研究的精神相左了,当然引起了轩然大波!

那么意识又是什么,按照唯物主义的想法,意识是组成脑的原子群的一种“组合模式”,也就是一对原子按照特定的方式排列起来的话,就可以构成我们的意识。但是我们往下再思考,如果技术发展到一定程度,可以扫描身体里每一个原子的位置和状态,并在另一个地方把它们重新组合起来的话,这个新的“人”是不是你呢?是不是拥有跟你一样的意识呢?(量子通信技术让这成为可能,但是幸好有一条原则就是这种方法只能剪贴不能复制,也就原本必须被毁灭)。从这条路进行下去显然难以为继。

除了用“意识”解释“坍缩”理论,美国的爱弗莱特提出了“多世界解释”(MWI)。什么意思呢?就是在我们观测电子的双缝衍射实验时,假如观测到了电子只能从左缝经过,实际上,电子可能在观测后也处于左/右叠加的状态,只不过,我们的世界也存在叠加,在另外的世界中电子从右缝经过,这样,每一种选择就成就一种宇宙,所以,平行宇宙理论也由此而出,而且平行宇宙的空间又会不干涉,互相失去联系。

虽然在1928年玻尔已经基本上用“不确定性”统一了量子论的江湖,但是仍旧有其他的声音坚持相信经典物理体系,比如玻姆提出了隐变量理论,试图通过“量子势”这样一个概念来说明电子在穿过双缝之前是可以通过“量子势”来获知周围环境,从而确定自身行为的。但是这种理论并没有得到爱因斯坦等坚信经典论的科学家的声援(因为违背了相对论)。继而,1964年贝尔提出了“贝尔不等式”,证明了经典物理即电子的运动是确定的,这在理论上仍旧是可能实现的。但是好景不长,20世纪80年代,随着技术水平的提高,各国实验室陆续进行验证贝尔不等式的EPR实验,这次结果令经典物理学派失望了,因为诸多试验都证明了量子论仍旧是不确定的。

绕开“意识”以及“多宇宙”理论,还会有什么新的理论产生呢?1984年,格里菲斯发表了他的论文,退相干历史解释便正式瓜熟蒂落了。这种理论的核心观点是:我们在观测电子的行为时,我们遍历了这期间打到我们身上的每一个光子,遍历了每一个电子之间的相互作用,甚至每个时刻的粒子状态也被加遍了,但是这些可能都加遍之后,每一个方向上的干涉就几乎相等了,他们的结果被抵消掉了。最后,“电子在左”和“电子在右”两个粗略历史退相干了,我们就只能感受其中的某一种了。(说实话这个理论我没特别懂,跟多宇宙不太好区分啊)

关于量子论的解释有很多,但是仍旧未能有让世界满意的答案。

后面还要探讨一个量子论与广义相对论结合的问题,现在的量子论实际上是量子力学和狭义相对论的联合产物。解决合格问题一个比较时髦的理论是——超弦理论。

弦理论是指:任何粒子其实都不是传统意义上的点,而是开放或者闭合(头尾相接而成环)的弦。当他们的振动方式不同时,就分别对应自然界中的不同粒子。我们生活在10维空间里,其中有6个维度是紧紧蜷缩起来的。(之前看过B.格林的《宇宙的琴弦》,讲弦理论的,真是看不懂,还不如某些BBC的纪录片看的清楚些)。接着超弦理论又进一步发展,发展出M理论,包含5种超弦。而这5中超弦被证明能够包容在统一的图像里。

原书写到这里就已经临近尾声了,但是量子论的发展史没有停歇,量子论的影响是巨大的,不止在物理学,甚至在生物学、化学等诸多学科都有着极大的影响。真是难以想象未来的世界是什么样子的,也许量子论能够最终通向那个宇宙的终极解读,也为未可知呢!

【所感所想】

第一个问题,我们为什么热爱科学?

我想为何偏爱这类科普类图书有一个原因,那便是任何对价值观的思考都不是凭空产生的,任何科学最终通向的都是哲学,都是关于:“我们世界究竟是何种样子的”的一个表述。

虽然量子论是通过非常严谨的数学公式推导出来的,但是这样的公式却能带给我们哲学化的解读。

譬如上文提到的“即波动、粒子性只是物质被不同手段测量时候的不同表现,我们的结论和我们的观测行为本身大有联系”,同样的,生活同样如此。每个人的人生经历不同,由此产生不同的人生模式,不同的价值观、方法论。这是没有对错的,因为经历过不同的人生所以对同一问题会有不同的感悟和看法。所以,面对其他人的不同的声音,我们更应该学会倾听,学会包容。

但是,话说回来,对于自己的观点,则要更多坚持。因为我们也看到,不管是粒子学说还是波动学说,最终都能走上一条康庄大道,但是这需要有一个深入研究的过程,如果总是见风使舵、随意重来,可能难有进展。

第二个问题,在这些科学家身上我们看到什么?

艰辛。我早就知道,科学研究的道路是非常艰辛的,这种艰辛是我们这种急功近利的年轻人难以忍受的。比如,玻尔会花6年的时间研究一个公式,甚至这个公式可能是没有任何意义的。爱因斯坦花了将近30年的时间,想要实现“大统一”理论,但是不幸的是,直至他死掉,也没有什么进展。对于享受惯了快餐文化的我们来说,这是难以想象的吧。

投入。虽然很艰辛,但是科学研究对于这些真正的科学家来说也是人生的享受。从一个侧面来看,比如玻尔,这个在量子物理界赫赫有名的人物,年轻的时候腼腆的小伙子,甚至因为腼腆,被一个实验室拒绝了。但是后来,他成长成为了一名吵架能手,在跟薛定谔争辩波动粒子学说的时候,他把薛定谔都给吵生病了。后来,还把自己非常喜欢的弟子海森堡给说哭了两次。再后来,他三次击败爱因斯坦,每次两人见面都是吵得不可开交,但也基本奠定了量子论不确定性一统江湖的基础。玻尔在生活中是一位彬彬有礼的绅士,但是一到工作中就开始变得非常投入,这种投入也让他由腼腆的小伙子变成吵架能手。

量子物理的发展史,跟其他的历史有什么不同?

虽然这是一本科普书,但是关于具体观点的论证并非深刻,更多的重点在于量子物理的发展史。科学史的发展既有别于我们常规理解的以政治经济社会为基本维度的历史,而又与这种历史不能分割。比如因为二战,导致很多科学家不得不远走他乡,甚至有些科学家自杀,有些科学家愿意效劳纳粹,有些国际会议难以为继,军事政治逼迫着科学家不得不造出原子弹。所以,非常神奇,一个人、一个学科的历史都是整个历史的切片、投影。

今天,就只有扯这么多了,下次再见啦。

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