上帝掷骰子吗

Beauty Zine

来自专栏Classic经典回顾 | 阅读思考志

—文—

“上帝掷骰子吗”来自爱因斯坦著名的一句话:无论如何，我都确信，上帝不会掷骰子。

爱因斯坦的这句话经常被认为是他反对非决定论即概率论的标志。而与概率论相对应的就是决定论。

宇宙到底是从出生的一刹那起就有了一个确定的命运，像上好发条的钟表，沿着固定的轨迹滴滴答答的走着？还是，宇宙拥有很多不确定性，像在掷一粒骰子，充满着随机性？

这两种对立的观点分别对应着物理上两种不同的理论，即经典物理的决定论和量子物理的概率论。我们已经知道决定论在科学上是行不通的，而经典物理成了过往的辉煌岁月，取而代之的是量子物理及其概率论。

至于量子物理及其概率论是什么，这将是本文的重点，也是本文的主角所讲述的故事。

本文的主角——《上帝掷骰子吗》是一本关于量子物理的科普书，讲述了一个关于量子论如何建立的故事。作者带领我们沿着量子论建立的道路展开了一次探险，见证了一段充满着困惑、激动、狂喜、震惊的奇妙之旅。

故事从经典物理开始。经典物理在建立了经典力学、经典电动力学、经典热力学（加上统计力学）三大支柱后达到了全盛时期，物理学家们认为一切物理现象几乎都可以在现成的理论中得到解释，力、热、光、电、磁……一位著名的科学家说：“物理学的未来，将只有在小数点第六位后面去寻找。”

事实上，这个强大的物理帝国在经历了昙花一现的辉煌后就像泡沫一样凋零了。凋零最开始的预兆来自天空漂浮的两朵乌云。

第一朵乌云是迈克尔逊-莫雷实验，这个实验是迈克尔逊用来测量光以太对于地球的漂移速度。

（以太是经典物理中物理学家们为解释光在真空中的传播而提出的没有质量但有极大刚性，并且无处不在的一种介质）

这个实验是物理史上有名的“失败的实验”，不管改变什么条件，这个速度都测量不出来，现在我们知道这是因为实验测量的是一个根本不存在的东西。

“以太”作为一种假定的介质，是当时经典物理学的基础，而这个基础却被一个实现无情地否定了。尽管当时的物理学家们为解释这个现象又提出了许多假说来修补，但建立在理论意义上的假设物理量想来也是弱不禁风的。

第二朵乌云是黑体辐射实验和理论的不一致。量子论的诞生最初就是来源于黑体辐射问题。

（黑体指的是那些可以吸收全部外来辐射的物体，比如一个空心的球体，内壁上涂满吸收辐射的涂料，外壁开一个小孔，那么这样一个球体就是黑体）

物理学家们在研究黑体辐射问题时发现，不论是从粒子还是波的角度出发去推导，得出的黑体辐射公式都没办法完全适用。

（粒子和波是经典物理对光的两种认识，关于光到底是粒子还是波，物理学史上一直存在着两大派别的争论，就是著名的波粒战争）

如果从粒子的角度推导得到的就是适用于短波的维恩公式，从经典电磁波的角度推导得到的就是适用于长波的瑞利-金斯公式。

量子物理在这里出现了一个关键人物，就是普朗克。

帅气年轻的普朗克

他决定出手将两个公式进行调和，找到一个普遍使用的黑体辐射公式。结果我们知道，这个公式被他找到了，即著名的普朗克黑体公式。

尽管这个公式的意义当时还不为人所知，但普朗克却清楚地知道，经典物理学无法解决这个问题。为了解开这个谜团，普朗克决定放下经典物理的传统成见，寻找新的突破。

他首先做出了不连续性的假定：假设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。

这一假设打破了长久以来物理学们的观念，经典物理学家认为能量的释放是连续的，它总可以在某个时刻到达范围内的任何可能值。这种连续性的假设是整个经典物理学的根基，现在经典物理学的根基被轻易地动摇了。

普朗克认为能量只有有限个可能态，在发射的时候分成有限的一份份，每次按照确定的量传输。这个确定的量就是一个“量子”，量子是能量的最小单位，能量可以传输一个量子、两个量子，但却不能传输二分之一个量子，这就是能量的不连续性。

普朗克提出“量子”的概念被认为是量子诞生的标志。

在量子论之后的发展道路上我们将看到更多著名的物理学家们，爱因斯坦、玻尔、薛定谔、波恩、德布罗意、泡利、海森堡……这些都是量子物理建立的关键人物。

首先登场的是爱因斯坦。

调皮的爱因斯坦

当时的物理学家们做了光电效应的一系列实验，这些实验的结果与当时的经典电磁理论相矛盾。

经典电磁理论认为，光作为一种波动，强度代表了能量，增强光的强度可以打击出金属表面更高能量的电子。但实验结果表明增强光的强度只能打击出更多数量的电子，不能增加电子的能量。要打基础更高能量的电子，必须提高光的频率。

爱因斯坦针对光电效应实验与经典电磁理论的矛盾，打破了经典物理中光是连续性的电磁波这一观念，继承了普朗克的不连续性，提出了光量子假说。

他假设光以量子的形式吸收能量，没有连续性，不能积累，一个光子击打出一个对应的电子。

这就很好地解释了光电效应的实验现象。频率高的光线单个量子比频率低的光线拥有更高的能量，因此照射到金属表面可以击打出拥有更高动能的电子。

爱因斯坦在光电效应上的研究成果成为量子论的奠基石之一。

接下来登场的是卢瑟福和他的学生玻尔。

卢瑟福

1

玻尔

2

卢瑟福在实验的基础上提出了一种原子模型，这个模型中有一个占据了绝大部分质量但体积却非常小的“原子核”在原子的中心。在原子核四周带负电的电子沿着特点的轨道绕着原子核运行。这一模型当时被称为“行星系统”模型。

这一模型又被物理学家们指出与经典物理理论相违背。根据经典电磁理论，带负电的电子绕着带正电的原子核运转，是一个不稳定的体系。

年轻的玻尔认为这个模型没有问题，他决定引入量子的概念，以解决经典电磁力学无法解决的问题。

玻尔假设，电子围绕原子核运转时，只能处于一些特定的能量状态，这些能量状态是不连续的，称为定态。

当电子处在定态是它就是稳定的，不会放射处任何形式的辐射而失去能量。电子除了处于稳定的状态，还可以在不同的能量态之间跃迁。当电子从能量高的状态跃迁到能量低的状态时，电子就以辐射的方式释放出能量；当电子吸收了能量，它就可以从能量低的状态跃迁到能量高的状态。能量的跃迁是一个量子化的过程。

玻尔提出的假设建立起了一个完整的原子理论体系。

下面登场的将是海森堡、薛定谔和波恩。

海森堡

薛定谔

波恩

海森堡提出了矩阵方程。几乎同时，薛定谔发布波动方程。后来被证明，矩阵方程和波动方程在数学上是完全等价的，只是薛定谔的波动方程更为容易理解，他们建立的矩阵力学和波动力学被统称为量子力学。

薛定谔的波动方程是通过构造一个新空间函数波函数建立的。这个波函数在当时还是一个未知量，人们还不知道它到底是什么东西。

波恩认为薛定谔波动方程里的波函数是骰子，代表的是一种随机、一种概率，更准确的说明是函数的平方代表了电子在空间某个地点出现的概率。

概率论的出现打破了经典物理上的决定论，量子力学的概率论表明，世间的一切都是由超小的粒子构成，每一种情况都是上文的量子波函数决定的，粒子在空间中出现的地点是一个概率，无法精确知道。

海森堡在波恩概率论的基础上进一步提出不确定性原理，即人们不能同时精确测量一个粒子的位置和它的速度。

量子物理认为除非首先描述测量一个物理量的方式，否则任何物理量都是没有意义的。比如电子的动量，这是一个无意义的说法，因为根据测量方式的不同，结果可以有很多，从十分精确到万分模糊，结构都是正确且可能的。一个电子的动量，只有测量时才有意义。

同样，在量子世界根本不可能说出一个客观确定的答案，一个电子没有“客观动量”，有的只是“测量动量”。换言之，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。

事实上，量子物理到这里才是精彩的开始。因为它接下来将颠覆我们的认知，改变我们对宇宙的认识方法。

不确定性的提出，使物理学上出现许多神奇的推论和解释。比如量子态叠加与塌缩、薛定谔的猫实验、量子自杀。

正如玻尔曾说：“如果谁不为量子论感到困惑，那他就是没有理解量子论。”

不妨你也去读一读这本书，跟着作者的脚步进入量子论那奇怪的沼泽中时，你将见到无数稀奇古怪的东西，你会感觉如坠云雾中，找不到头绪。费曼说过“没人能理解量子论”，但这正是物理学家们为之疯狂的原因。

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