奇妙的宇宙 -《上帝掷骰子吗?》读后

前段时间在阅读英国著名物理学家吉姆·艾尔-哈利利的《悖论:破解科学史上最复杂的9大谜团》时接触到了量子论,在头昏脑涨之余依然无法清晰地理解其中“薛定谔的猫”悖论的确切含义,在作者的解读中也无法释怀究竟在那个盒子里发生了怎样匪夷所思的物理过程,导致了那让人莫名其妙的结果。
在架上找到了这部十多年前曾大获好评的科普作品《上帝掷骰子吗?量子物理史话》,当时觉得不错就买了下来,却没找到时间细细阅读。作为一个物理学的门外汉,抱着试试看地想法,试图通过阅读这部“史话”,理解量子论那莫测高深的理论和至今仍争议不断的各种解读。
曹天元先生也不是物理学方面的专业人员,却能够用优美的文字将物理学最为深奥难懂的量子论描述得如此浅显易懂,用生动的语言把近三百多年的物理学重大事件解读的如此妙趣横生。更为难能可贵的是,作者善于使用犀利的笔锋戳穿发生在那些物理大咖们的身上的神话,还给读者一个活生生的“科学家”形象。
还依稀记得曾经学过的“波粒二象性”理论,却没想到当初的“波粒战争”如此的精心动魄,令人荡气回肠。作者那生花妙笔下生动地描绘了一系列绝世高手间的巅峰对决,如同武侠小说般精彩纷呈,情节跌宕起伏,结局出人意料。
第一次波粒战争以牛顿为首的“粒子派”以摧枯拉朽的绝对优势取得胜利,让人大跌眼镜的是,牛顿坚决地支持“粒子派”极有可能是出于对“波动派”胡克和莱布尼兹的个人意气之争。
随着托马斯·杨的双缝衍射实验和菲涅尔的横波理论的成功发现,以及傅科测得的光在水中的光速比真空中慢得多的结果,使“波动派”在蛰伏一个世纪之后终于取得了第二次波粒战争的决定性胜利。
一切似乎都尘埃落定,传统物理的巍峨大厦已然落成,那金碧辉煌的外观是那么完美,那么动人心魄,力、热、光、电、磁……所有的物理现象都可以用经典的物理学理论完美地诠释,物理学似乎已经走到了生命的尽头。
时间进入到二十世纪,两朵小小的乌云,像两个幽灵,飘荡在经典物理的上空:迈克尔逊·莫雷的光以太和麦克斯韦-玻尔兹曼黑体辐射研究中的困境。任何人都没有想到,这两朵小小的乌云,会酝酿出现代物理学的两大支柱:相对论和量子论!
为了解释黑体辐射,维恩公式和瑞利-金斯公式被成功推导出来。可是,吊诡的是,维恩公式适用于短波范围,其出发点是“粒子说”,而瑞利-金斯公式适用于长波范围,其基点是“波动说”。长波还是短波,粒子还是波动,这是一个问题!
普朗克似乎在一个偶然的机会里,推导出了普朗克公式,然而,作为传统物理学拥趸的普朗克,却不得不面对一个难题:基于普朗克公式推导出来的结论,能量并不是连续的,而是一份一份的,量子论由此而正式横空出世。
在光电效应的启发下,爱因斯坦提出了光量子的概念,而光电效应的发生取决于打击上去的光子的频率,而和光的强度无关。随着光电效应和康普顿效应的证实,“粒子派”对“波动派”发起了新的进攻,第三次“波粒战争”正式打响。在“光量子”的强攻猛打下,波动军团靠着最后的“干涉”防线暂时使战争陷入了一种胶着的相持阶段。
紧接着,卢瑟福发现了原子的行星模型,从而打破了J.J.汤姆逊的布丁模型。不久之后,波尔在巴尔末公式的启发下提出了一个惊人的假设:电子在原子核周围沿着既定的轨道运行,当从不同的轨道跃迁时放出能量。波尔的理论尽管光芒四射,却无法以传统的麦克斯韦理论来解释为什么电子没有最终“坠毁”在原子核上的命运。
随后,德布罗意在相对论和普朗克公式的推导过程中发现“德布罗意相波”,即电子其实是一种波,而戴维逊和汤姆逊分别以电子衍射的实验验证了这个理论。电子是粒子还是波,又是让物理学家陷入五里雾中的一个“天问”。
最终打破僵局的是量子论的集大成者海森堡那闻名天下的矩阵力学。正当大家被海森堡那怪异的矩阵力学搞得头昏脑涨时,薛定谔推导出了他的波动方程。然而,令人眼花缭乱的是,海森堡的矩阵力学是基于微粒说而言的,可是薛定谔的波动方程却是从波动说推导出来的,虽殊途同归却毕竟是“殊途”。量子论虽然已经轰然诞生,但是一开始就出现了严重的分歧。
海森堡在推导他的矩阵力学时发现了一个奇妙的现象,代表动量的p和代表位置的q之间存在一种矛盾的关系:p×q≠q×p。经过苦思冥想之后,一道闪电划过海森堡的脑际,这是否意味着,我们永远无法同时测得电子的位置和动量,测得的位置越准确,动量就会越模糊,反之亦然。这就是那曾被成为“测不准原理”的“不确定性原理”,因为波尔认为,并不是在我们测定时才会出现这种状况,而是电子本身就是这样不可捉摸。
波尔在海森堡“不确定性原理”的引导下,大胆地宣称:电子既是粒子也是波,关键取决于我们观测的方式!这就是我们现在所说的“波粒二象性”。一个争论数百年的问题,终于在波尔的“互补原理”的解读下达成了统一。
从量子论出发,“哥本哈根派”推出了一个让人难以想象而又恐惧万分的结论:客观、绝对的世界是不存在的,唯一存在的,就是我们观测的世界;观测才是新物理学的核心,观测行为创造了这个世界!
这个结论太过离奇,和我们的日常认知格格不入,却可以解释量子世界一切不可思议的现象。它残酷地推翻了世界的严格因果性和绝对客观性,将我们抛入了一个迷离的巨大漩涡之中。
以海森堡为主将、波尔为首的“不确定性”和以薛定谔为主将、爱因斯坦为首的“决定论”展开了真正的巅峰对决,这一次,究竟谁会成为最后的赢家?
第一次论战以爱因斯坦的惨败而告终,并为我们留下了那句“难道上帝真的掷骰子么?”的名言。
三年之后,深思熟虑后的爱因斯坦祭出了他那著名的“光箱实验”设计,却没想到被波尔以一招“以彼之道还施彼身”巧妙地反守为攻,第二次“华山论剑”也以爱因斯坦的失败黯然收场。
不甘失败的黄金时代英雄爱因斯坦发出了最后的一击,提出了名传后世的“EPR假说”,却不料被“哥本哈根派”从容化解。至死也不接受新量子论的爱因斯坦究竟是坚持真理的勇士还是顽固不化的拗老头,直到今天我们也只能暂时倾向于后者。
大家都知道薛定谔笔下的那只恼人的猫吧?针对如何解读这只又死又活的猫,后来的历代物理学家们提出了各种各样异想天开的绝妙解读,不过直到今天,还没有哪怕一个可以让却大多数物理学家们普遍接受的“大统一”理论。
哥本哈根解读:猫在箱子中时确实处于又死又活的状态,只不过在我们观测时“量子坍缩”了,我们只能看到要么活着要么死去的猫;
平行世界解读:在我们观测的瞬间,分裂出两个世界,在一个世界中猫死了,而在另一个世界还活着;
隐变量解读:猫从未又死又活,猫的死活由我们所不了解的“量子势”的奇特隐变量所决定;
系综论解读:单个猫的死活是无意义的事件,我们只能描述无数猫组成的“全集”状态;
自发定域解读:猫身上的单个原子确实处于又死又活的状态,不过针对由无数个原子组成的猫来说,只能处于要么死要么活的定域状态;
退相干历史解读:世界只有一个,历史却有无数个,当我们观测时,猫死了和猫活着的两种粗略的历史就发生了退相干,所以我们只看到一种状态下的猫;
迄今为止,量子论已经创立了近八十年,利用量子效应我们也实现了很多令人叹为观止的技术革新和突破。然而讽刺的是,作为现代物理学两大支柱之一的量子论,依然像一个扑朔迷离的幻梦,让无数科学家穷尽一生的聪明才智,也无法揭开笼罩在她头上那薄如蝉翼的面纱。
近年来发展起来的超弦理论和大统一理论,试图从统一宇宙中的四大作用力(强相互作用、弱相互作用、引力、电磁力)的基本原理出发,解释量子论的本质意义。
路漫漫其修远兮,我将上下而求索。屈原这句两千多年前的名言,用在对于量子论的认知和探索之上,是多么的贴切!
曹天元先生用绮丽的文字、华美的语言,用散文的写法,为我们讲述了量子论的前世今生。跟着他那优美的讲述,我们领略了那高山仰止的奇妙理论,陪着历代的物理大师们闯过量子论产生前后的草莽丛林。虽然最终我们也没能看清量子论的真实面目,但是那些激动人心的场景,那些振聋发聩的假说,那种对自然规律勇于探索的精神,那种对经典理论彻底颠覆的决心,一直深深地伴随着我的阅读历程,让我在今时今日重新了解物理学,失去了多年之前那种畏惧和茫然。
如果,我们的中学、大学老师们都能如此生动地讲授那些艰深、枯燥的所谓学问,我们对很多东西的理解,是否会更加容易而又轻松呢?可惜的是,如此会讲故事的曹天元先生,在诺大的中国,到最后也只能选择了另一条更为“成功”的道路。
“动漫品牌顾问”,我相信在中国可以找到一大群人,可是,能将量子史话讲得如此生动传神的,普天之下能有几人?
希望,中国的土壤,真的能培养出并能养护好这些具有特长的天才,让他们在自己擅长的领域中,茁壮成长。