本文摘自《求知簡史：從超越時(shí)空到認(rèn)識自己》，[美]馬塞洛.格萊澤 著，曾大為 劉勇軍 譯，重慶出版社，2017年11月
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學(xué)會(huì)放手——量子物理學(xué)如何對我們所認(rèn)識的世界加以限制
10年之間，愛因斯坦狹義相對論的理論和光量子假說已在物理學(xué)界引起了軒然大波。光從一開始被視為是一種在以太中穿梭的平靜的波，到此已變得越發(fā)神秘莫測：光的運(yùn)動(dòng)速度不僅是最快的，而且和其他物質(zhì)不同，光的運(yùn)動(dòng)速度不受其光源運(yùn)動(dòng)的影響；光波和其他波也不一樣，它可以在虛無中往來；光既是一種粒子，也是一種波，這樣的觀點(diǎn)挑戰(zhàn)著人們通常認(rèn)為的物體非“?！奔础安ā钡挠^點(diǎn)。光速不僅是人們所知的最快的速度，而且也是一種極限速度，是自然中存在的最大值。信號的傳播，信息的發(fā)布，都莫快于光。向宇宙的四周望去，光即是信息，物理學(xué)家和天文學(xué)家細(xì)心收集遙遠(yuǎn)物體傳來的各種各樣的電磁輻射，以勾畫出世界的藍(lán)圖。我們已探討過光的極限速度是如何指引我們探索宇宙視界的存在，而在宇宙視界之外，我們收集不到任何其他信息。
更奇異的是，光能以光速傳播正是因?yàn)樗鼪]有質(zhì)量。那些光粒子，后來被稱為光子，就是由純能量的光子所組成的無質(zhì)量光束。物理學(xué)家由此推定有無質(zhì)量的物體存在，即可以以沒有外界實(shí)體的形式存在。存在的事物定義了物理現(xiàn)實(shí)，因此新物理學(xué)認(rèn)為物理現(xiàn)實(shí)可以是非物質(zhì)的。能量比質(zhì)量更基本，更重要。人們需要以新的世界觀來深入理解自然。物理學(xué)家必須放棄舊的方法。
愛因斯坦1905年發(fā)表的第四篇論文只有寥寥幾頁，但其中他推導(dǎo)出著名的E=mc2公式。他寫道：“如果有一物體以輻射形式放出能量L，那么它的質(zhì)量就要減少L/c2?！?愛因斯坦還稱，“物體的質(zhì)量是其能量含量的標(biāo)尺”。我們可因此僅指稱物體內(nèi)部的能量。愛因斯坦將質(zhì)量與輻射結(jié)合起來，使其中一種有可能變成另外一種。在論文末尾，愛因斯坦推測：“用那些能量含量變化很大的物體（比如用鐳鹽）來驗(yàn)證這個(gè)理論，不是不可能成功的?！?斯人所言何其正確！事實(shí)上，愛因斯坦所指的鐳鹽就是放射性原子核，隨著它的衰變，它要么釋放小粒子，要么純輻射。衰變的輻射類型包括伽馬射線光子，能量與核的質(zhì)量損失相符（E=mc2），與愛因斯坦所預(yù)言的一樣。
在接下來的25年里，各種爆炸性新聞層出不窮，量子革命是一場真真正正的革命，不僅改變了我們看世界的方式，而且改變了我們生活在這個(gè)世界上的方式。它所引起的連鎖反應(yīng)至今仍然存在，而且會(huì)持續(xù)很長時(shí)間。在本文中，我們對量子革命的第一個(gè)方面尤為感興趣，它對我們關(guān)于現(xiàn)實(shí)的定義產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響；第二方面則是量子力學(xué)更為現(xiàn)實(shí)和技術(shù)上的影響，包括我們所生活的數(shù)字時(shí)代，它們是相互關(guān)聯(lián)而又各自獨(dú)立的。我們會(huì)偶然在數(shù)據(jù)采集和分析中用到數(shù)字技術(shù)，但這種技術(shù)也只是我們實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的輔助工具而已。
量子力學(xué)帶給人類的第一個(gè)重大啟示，即我們基于對現(xiàn)實(shí)感官認(rèn)知基礎(chǔ)上的普遍世界觀，也就是我們常說的“經(jīng)典”世界觀，只是一個(gè)近似值?，F(xiàn)實(shí)就是量子力學(xué)的不斷深入，自下而上，從小到大。諸如牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁學(xué)等傳統(tǒng)描述之所以起作用，是因?yàn)榱孔有?yīng)是處于小的可以忽略不計(jì)或又大的不可計(jì)量的系統(tǒng)之中。人類和電子一樣，都是由量子組成。但我們的量子本質(zhì)是極其微妙的。事實(shí)上，極其微妙，似乎與我們毫不相關(guān)。樹、車、青蛙和阿米巴蟲，也都如此，盡管隨著我們對更小物體的深入研究，傳統(tǒng)力學(xué)和量子力學(xué)的區(qū)別變得越來越模糊。我們可以得到清晰的經(jīng)驗(yàn)，即隨著我們進(jìn)入極小的量子王國中，我們必須接受一個(gè)與我們自身截然不同的現(xiàn)實(shí)。
第一個(gè)需要解決的問題在于原子結(jié)構(gòu)。1911年，歐內(nèi)斯特·盧瑟福證明，原子是由一個(gè)致密的、帶正電的原子核及若干圍繞在原子核周圍帶負(fù)電的電子構(gòu)成。說起盧瑟福的理論，人們常把原子比作一個(gè)微型太陽系（盡管這是錯(cuò)誤的）。問題在于電荷量并非天體。麥克斯韋電磁理論認(rèn)為，加速運(yùn)動(dòng)的電荷會(huì)輻射出它們的能量。如果真是這樣，一個(gè)電子繞原子核長時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)，卻不會(huì)自殺式的向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，這是怎么做到的呢？盧瑟福對此并不清楚，但卻非?？隙ㄗ约旱慕Y(jié)論。
1913年，丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）給出了他的答案，不過這個(gè)答案有點(diǎn)怪：他提出電子只能以固定軌道繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)，如同上樓梯。正如你不能在不同臺階之間保持平衡，電子也不能在軌道之間保持平衡。每個(gè)軌道都具有能量：軌道越高，其能量就越高。在拿梯子做類比時(shí)，他比喻道，樓階越高，你要上去所需的能量就越高，反過來，往下走則釋放能量。3玻爾異想天開，試圖在沒有任何其他前提的情況下設(shè)想，一旦電子抵達(dá)最底層的軌道（最底層的樓梯），那么它便不能再往下了。最底層的軌道即原子的基態(tài)，也就是原子運(yùn)動(dòng)的終止點(diǎn)。
玻爾對此并未提出任何理由。他的論據(jù)來自于將經(jīng)典圓周軌道的概念同普朗克與愛因斯坦的分離能量和成束的光理論結(jié)合起來，以解釋原子在激發(fā)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)釋放出什么類型的輻射。玻爾認(rèn)為，原子要想爬到更高一層的軌道，它需要吸收光子，光子的能量與兩個(gè)軌道之間的能量之差幾乎相等。正如我們需要能量來爬樓梯和爬山一樣，電子吸收光子以向上爬。相反，當(dāng)它向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，它會(huì)釋放出光子，其光子能量亦與軌道能量之差相等。不同的原子擁有不同數(shù)量的光子和電子，以及不同的軌道（或者說不同的能量級），它們各自的發(fā)射光譜也頗為獨(dú)特，每個(gè)電子所能進(jìn)行的軌道爬升的總數(shù)，即其下降至基態(tài)所需通過的軌道之和，都是不同的。這一光譜特性，其獨(dú)特性常用來與指紋做類比，它是光譜學(xué)的主要構(gòu)成，是天文學(xué)的命脈。天文學(xué)家無須去遙遠(yuǎn)星體或星系才能研究其結(jié)構(gòu)和物質(zhì)構(gòu)成，而只需收集并研究其發(fā)出的光和光譜特性即可。
玻爾的理論很明顯是一個(gè)混合性的、過渡性的描述。原子中更全面的電子行為構(gòu)成要等到第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，物理學(xué)家重新有空思考物理之時(shí)才得以闡明。關(guān)于這一思想主要分為兩個(gè)學(xué)派，兩派的代表人物分別為愛因斯坦和玻爾。有一點(diǎn)毫不奇怪，愛因斯坦相信量子力學(xué)的秘密將來自于波粒二重性學(xué)說，而這將隨著光量子理論的成功而實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，玻爾則反過來專注于電子在原子軌道上不連貫的跳躍。
1924年，歷史學(xué)家、物理學(xué)家路易·德布羅意（Louis de Broglie）提出了一個(gè)相當(dāng)令人驚訝的觀點(diǎn)：在玻爾原子模型的電子階梯狀的軌道中，如果將電子看作是由原子核四周的駐波（駐波是頻率相同、傳輸方向相反的兩種電波，沿傳輸線形成的一種分布狀態(tài)。其中的一個(gè)波一般是另一個(gè)波的反射波——譯者注）所組成，好比我們在搖晃一端固定起來的繩子時(shí)所看到的現(xiàn)象，那么這就好理解得多了。我們來看繩子的例子，駐波現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于兩個(gè)繞繩子產(chǎn)生的波動(dòng)力的相互抵消。對電子而言，駐波的產(chǎn)生原因相同，但電子波就像烏洛波洛斯（吞食自己尾巴的銜尾蛇）那樣自我形成閉環(huán)。就好比，當(dāng)我們更加猛烈地晃動(dòng)繩子，駐波就會(huì)表現(xiàn)出更多波峰，在高級別軌道上的電子對應(yīng)有更多波峰的駐波。
在愛因斯坦的熱情支持下，德布羅意大膽地將波粒二重性概念推而廣之，將其應(yīng)用范圍從光擴(kuò)展到所有移動(dòng)物體。不只是光，所有與波有關(guān)的物質(zhì)都包括在內(nèi)。事實(shí)上，德布羅意提出了一個(gè)公式來計(jì)算不同質(zhì)量（用m表示）的物體在不同速度（用v表示）運(yùn)行下的波長，世人稱之為“德布羅意波長”4。
一個(gè)以每小時(shí)70公里速度運(yùn)動(dòng)的棒球，其德布羅意波長約2.2×10-32厘米。很明顯，波動(dòng)并不大，我們通過將棒球看作一個(gè)固體就能看清這一點(diǎn)。與之相反的是，以1/10光速運(yùn)動(dòng)的電子，其波長是氫原子大小的一半（更準(zhǔn)確地講，是基態(tài)電子和原子核之間最大可能距離的一半）。盡管運(yùn)動(dòng)的棒球的波動(dòng)性與人們理解其行為并無關(guān)聯(lián)，但電子的波動(dòng)性對于人們理解其在原子中的行為來說卻是至關(guān)重要的。
玻爾自己相信與其將電子或其他量子物質(zhì)視為微?；虿?，不如專注于實(shí)驗(yàn)可以測量的總量，比如原子軌道的能量以及原子輻射的頻率和強(qiáng)度。1925年，維爾納·卡爾·海森堡（Werner Heisenberg）及隨后的馬克斯·玻恩（Max Born）、帕斯庫爾·約當(dāng)（Pascual Jordan）嚴(yán)格遵照玻爾的理論提出了描述原子行為的公式。
他們的理論即矩陣力學(xué)，例如將經(jīng)典理論中粒子與波的確定性運(yùn)動(dòng)丟棄掉，專注于軌道之間的能量與躍遷過程中吸收和發(fā)射輻射電子的特性之間的關(guān)系。該理論描述了一個(gè)完全陌生的世界，在這里，沒有固定物理圖像的實(shí)體在具有一定概率的可能狀態(tài)波動(dòng)。軌道間能量的不同直接決定了波動(dòng)頻率。為了得到相應(yīng)的結(jié)果，海森堡構(gòu)建起將電子作為實(shí)體浮于太空中的場景，在這樣一個(gè)場景中沒有確切的位置和速度（動(dòng)力）。
計(jì)算過程并不容易，但結(jié)果卻與實(shí)驗(yàn)相匹配。量子世界的奇異特性促使物理學(xué)家們發(fā)明了一種描述物理現(xiàn)實(shí)的全新方法。在物質(zhì)中心處存在著的不是物質(zhì)，至少不是人們通常所認(rèn)為的龐大的東西。從留基伯和德謨克利特到波義耳和牛頓，原子主義至今已走過了漫長的道路。要從根本上認(rèn)識自然，我們必須徹底改造我們對于自然的傳統(tǒng)認(rèn)知。
基于此類原因，薛定諤（Erwin Schrödinger）于1926年出版了量子力學(xué)的解釋論文，論點(diǎn)截然相反，但很快被科學(xué)界作為巨大成就而受到追捧。與海森堡、玻恩以及約當(dāng)提出的抽象矩陣力學(xué)相反，薛定諤的公式是基于波動(dòng)方程之上的，波動(dòng)方程更為人所熟悉，也更易于理解，它與愛因斯坦-德布羅意波粒二重性與量子世界的本質(zhì)即非不連續(xù)跳躍的哲學(xué)思想立場一致。
起初，人們期望量子力學(xué)最終還是具有確定性的，它可以像牛頓力學(xué)理論一樣，認(rèn)為未來與過去完全一致，并無任何其他可能性：如果我們知道一個(gè)粒子在一定時(shí)間的位置和速度，以及施加于其上的力，我們就能肯定地確定其未來的行為。
薛定諤在他充滿創(chuàng)意的系列論文中的第四和最后一章證明了他的方法和海森堡的方法是一致的，表明描述同一事情存在兩種不同方式，這使人們倍感興奮。薛定諤的波動(dòng)方程成為量子力學(xué)以及原子和分子物理學(xué)的入口。這是全球各地開展的量子力學(xué)講座中的精髓內(nèi)容。
針對薛定諤的波動(dòng)方程，人們或是爭議不休，或是欣然接受，而這需要說明的是，玻爾和海森堡可能錯(cuò)了，量子力學(xué)的奇異特性并不是根本性的，而只是我們對于自然不完備認(rèn)識的描述罷了。愛因斯坦、普朗克、薛定諤和德布羅意相信一個(gè)有序而一成不變的現(xiàn)實(shí)存在，這樣的現(xiàn)實(shí)是充滿可能性與不確定性的神奇量子世界的基礎(chǔ)。
這就是為什么愛因斯坦在1926年12月4日寫給玻恩的一封信中這樣寫道：“量子力學(xué)明顯取得了勝利，但是我內(nèi)心深處的聲音告訴我它并非真實(shí)。這個(gè)理論描述了很多，但并不能使我們在面臨過去的舊有問題時(shí)更進(jìn)一步。無論在任何情況下，我都堅(jiān)信那個(gè)萬物背后的上帝不是在擲骰子。”5這也是為什么玻爾在1927年10月舉行的第五屆索爾維會(huì)議上建議愛因斯坦“不要再跟上帝說他該做什么了”。
事實(shí)上，愛因斯坦以及所有科學(xué)實(shí)用主義的希望至今仍未實(shí)現(xiàn)。1927年海森堡證明，不確定性是量子力學(xué)的核心，特別是位置和動(dòng)量（或者說速度，至少是比光速小得多的速度）：即使使用最好的儀器，實(shí)驗(yàn)也不能以絕對的高精度來決定粒子的位置和速度。換句話說，我們不能確切知道粒子處于何處，也不知道其速度是多少。這兩點(diǎn)是人們對其未來行為做出確定性預(yù)測的前提條件。根據(jù)波粒二重性，這個(gè)結(jié)論是意想不到的：如果一個(gè)實(shí)體既不是波也不是粒子，而是介于兩者之間的物質(zhì)（或者完全是另一種物質(zhì)），那么人們很難知道它在哪里以及它運(yùn)動(dòng)得有多快。
物體越小，事情越糟，這與德布羅意波長相一致：我們能自信地確定棒球有一個(gè)確切的位置和速度（就儀器的測量精度而言），但是說到電子和其他小物質(zhì)，就是另一回事了。
也許海森堡不確定性原理最令人驚異的部分在于量子力學(xué)之中的不確定性是固有的，這不是一個(gè)技術(shù)問題，因?yàn)閮x器本來就是精度有限；量子不確定性從根本來說是關(guān)于自然在極短距離下如何表現(xiàn)的一種表述，這種表述中的世界與我們所處的世界迥然不同。
我們無法使用更好的技術(shù)使這種不確定性消除。恰恰相反，由于測量本身就是干涉，我們測量得越認(rèn)真細(xì)致，我們對所測量之物的影響就越大，而它也因此會(huì)在我們身邊飄忽而去。像一間里面盡是一流學(xué)生的教室，量子王國中充滿了躁動(dòng)。我們盡其所能，也不能使之靜止下來。奧地利物理學(xué)家澤林格（Anton Zeilinger）在《跳動(dòng)的光子》（Dance of the Photons）中這樣寫道：
幾個(gè)世紀(jì)了，我們試著看得更深入，以求得原因和解釋，突然之間，當(dāng)我們走向縱深處，去探訪單個(gè)量子的單個(gè)粒子的行為，卻發(fā)現(xiàn)這一求索原因的過程到達(dá)了終點(diǎn)——沒有原因。在我眼里，這一基本的宇宙不確定性至今仍未被真正融入我們的世界觀之中。
作品簡介
《求知簡史：從超越時(shí)空到認(rèn)識自己》，[美]馬塞洛.格萊澤 著，曾大為 劉勇軍 譯，重慶出版社，2017年11月
《求知簡史：從超越時(shí)空到認(rèn)識自己》是一部跨越哲學(xué)、天文學(xué)、物理學(xué)等學(xué)科的人類認(rèn)知發(fā)展史。
作者用簡潔優(yōu)美而不乏幽默風(fēng)趣的筆法，展現(xiàn)了從古希臘哲學(xué)家到牛頓、開普勒、愛因斯坦等眾人是如何拓展我們對于世界的認(rèn)知：從宇宙的起源及其物理性質(zhì)，到世界的物質(zhì)構(gòu)成及物質(zhì)特性，從元素說、原子論到日心說、經(jīng)典力學(xué)，再到相對論、量子力學(xué)，其范圍大至太空小到量子世界，涵蓋了奇點(diǎn)、彎曲空間、暗物質(zhì)、多元宇宙等廣泛主題。
在《求知簡史：從超越時(shí)空到認(rèn)識自己》中。作者指出在人類的求知之旅中，哲學(xué)家的智慧膽識和卓爾不凡的想象力，科學(xué)家的驚人創(chuàng)造力、不懈努力和強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，探索工具的逐漸改善，都不同程度地動(dòng)搖了人類原有的知識根基，并重新定義了人類與未知世界的關(guān)系。
《求知簡史：從超越時(shí)空到認(rèn)識自己》的主旨還在于闡明科學(xué)知識的邊界。局限主要表現(xiàn)在探究工具和物質(zhì)的本質(zhì)上：宇宙邊界的未知性、量子的不確定性等。但這些并沒有阻止科學(xué)進(jìn)步，反而使人類的求知嘗試變得高尚、不可預(yù)測和充滿驚喜。
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