《上帝掷骰子吗》——这个世界的真相是什么?
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书名:《上帝掷骰子吗?:量子力学史话(升级版)》

作者:曹天元

人们常说,“遇事不决,量子力学”。在这个氛围下,我在很早之前就建立起了量子力学是一门很难学会的学科。这个说法也没错,毕竟就连那些量子力学的创始人都说:没有人能学会量子力学。本科时我曾选过这门课程,但是后来还是知难而退了,把这门课退掉了。在学固体物理时,时常映入眼帘的薛定谔方程,在学半导体物理时的各种量子现象,量子力学已经成为了许多方向的基础。我之前一直对它敬而远之,但看了这本书后,了解了量子力学建立背后的故事,心中不免对其产生了兴趣,它也并不是自己曾经所想的那样,那样的遥不可及,其建立背后的故事也是那么的精彩。

从牛顿力学和麦克斯韦方程组的提出,经典物理学的大厦建立了起来;到普朗克提出量子,成为了物理界风暴的起始;到爱因斯坦将量子概念引入光电效应,给光的微粒说带来了强有力的武器;到玻尔将量子思想应用于原子模型中,提出电子能级是不连续的;再到德布罗意波的提出,又掀起了微粒说和波动说的大战;再到海森堡提出矩阵力学,用位置和动量来描述电子的运动;再到薛定谔提出薛定谔方程和波函数,由于其具有比海森堡矩阵力学更为简单的形式,帮助波动说占据了优势的地位。故事到此,已经足够精彩,微粒说和波动说的大战很早之前就已经开始,从反射折射现象,再到惠更斯、杨氏干涉实验、衍射,再到光电效应,每一次都能引起科学家们的激烈讨论。薛定谔提出薛定谔方程后,看似里面有波函数,回到了曾经经典物理学的理论,但是,他也没办法解释这个波函数到底是什么,于是,一个更大的风暴即将到来。

在一次演讲中,讨论到波函数的话题时,他将其比作一个盒子,称自己没有打开盒子的钥匙,然后波恩提出了他的看法,下面是书中这段对话的原文:

“那么,你说这箱子里是……?”全场一片静默,人人都不敢出声。

波恩突然神秘地笑了:“我猜,这里面藏得是……”

“……骰子”

物理学一直是一门严格、精密、确定性的学科,但这个观念的提出,就像是挑战物理学一样,也引发了20世纪最著名的论战。

海森堡的矩阵力学由于薛定谔方程的简便而变得不被人支持,就连自己尊敬的玻尔也倒向了薛定谔一方。然而,在思考过后,面对着他的矩阵,他提出了不确定性原理。矩阵乘法是不遵循交换率的,也就是$p \times q \ne q\times p$,而这个式子不正好是表明,先观测动量p,再观测位置q,和先观测位置q,再观测动量p,结果是不一样的吗?观测次序的不同导致结果不同,也就是观测动量p的时候,影响到了q的值。

难道说,同时观测p和q是不可能的吗?

在任何时候,大自然都固执地坚守着这一底线,绝不让我们有任何机会可以同时得到位置和动量的精确值。任凭我们机关算尽,花样百出,它总是比我们技高一筹,每次都狠狠地把我们地小聪明击败。

不确定性原理的提出,将给微粒说和波动说带来一个全新的思路,那就是波粒二象性,称为互补原理。但这并不是说粒子同时是粒子和波,而是它可以表现出波的一面,也可以表现出粒子的一面,这完全取决于我们如何去观测它。至此,量子论的三大革命也到齐了,分别是概率解释、不确定性原理和互补原理。互补原理用薛定谔方程来解释,那就是在观测前,电子处于许多种可能态的叠加态,在我们观测时,它被迫做出选择,以一个确定的位置出现在了我们面前,波函数发生了“坍缩”。

不存在一个客观的、绝对的世界。唯一存在的,就是我们能够观测到的世界。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”,只有我们和那些复杂的测量关系,熙熙攘攘纵横交错,构成了这个令人心醉的宇宙的全部。测量是新物理学的核心,测量行为创造了整个世界。

如果是这样,那客观世界是不存在的,一切事物只有在一定的观测手段上,才谈得上具体意义。即使量子论已经解释了很多的物理现象,但是有两个人站在了量子论的对面,那就是爱因斯坦和薛定谔,于是引发了爱因斯坦和玻尔的精彩论战。三场大战的结果,以爱因斯坦的失败而告终,可直到爱因斯坦去世,玻尔也未说服他。但是,量子论并未因爱因斯坦的去世而站稳了脚步,反而出现了一个更大的对手,那就是著名的薛定谔的猫。

对于一个放射性原子,只要我们没有观察,那它就处于衰变和不衰变的叠加态中,只有进行了观测,它才能随机选择一个状态出现。那么我们将这个原子放到一个不透明的箱子里,让它保持这种叠加状态,设计一个装置,每当原子衰变放出一个中子,它就激发一连串连锁反应,最终结果时打破一个毒气瓶。然后再在里面放一个猫,这样就可以得到以下推论:

原子衰变是随机的 --> 毒气瓶是否被打破也是随机的 --> 猫的生死也是随机的

也就是如果我们不进行观测,那么猫就是处于生或死的叠加态

薛定谔的实验将量子效应放大到了宏观世界中,成为了一个难以想象的问题,不清楚如今是否有结论。

观测伴随着人主观的意识,难道物理世界是伴随着我们的主观意识而存在的?我总觉得量子论越看越像哲学,存在就是被感知。薛定谔的猫提出后,很多理论提了出来,当然也包括人们津津乐道的平行宇宙。在我们观测猫时,宇宙发生了分裂,猫也并非是选择了其中一种状态,而是在不同宇宙中表现出了不同的状态,在我们的观测下,我们选择了一个宇宙。虽然这几乎是不可能的,但是还是很喜欢这种说法的,有种唯心主义的浪漫。现在超弦理论等的提出,也推动着量子力学的发展。

那么宇宙本身究竟是什么样呢?没有人知道。

看完这本书后,我对量子力学的那种刻板印象消失了很多,相反,我很喜欢量子力学所带有的一丝丝的唯心主义。

最后,以威廉·布莱克(William Blake)的一首诗作为结尾吧。

To see a world in a grain of sand.

And a heaven in a wild flower.

Hold infinity in the palm of your hand.

And eternity in an hour.

从一粒细沙看见世界。

从一朵野花窥视天宸。

用一只手去把握无限。

用一刹那来留住永恒。

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