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【科学大唠嗑】真的有一个掷骰子的老头吗?

科学大唠嗑


张 喆

天津市天文学会会员

天津科技馆科普辅导员



从某种意义上说整个20世纪是由物理学所定义的。世界上顶尖的大脑汇聚在一起,一次次把人类带到奇迹的巅峰,也一次次让人类走到绝望的谷底。这个世界的本质究竟是什么?我们对世界的认识,几乎全都来自同一个物理理论。

20世纪之初,人类对绝对知识是那样的确定,然而,物理学家们却又发现世界上并没有绝对的确定性。人类曾经为能够正确地把握物理实在的本质而自豪,却又亲自否定了完全理解实在的可能性,而且还造出了能把物理实在完全毁灭的武器。



量子论在20世纪的前30年里被发现,并不断的完善和发展,逐渐变成物理学史上最成功的理论。不过,成功是有代价的,因为这一理论也彻底剥夺了人类从世界的最基本构成层面了解这个世界的能力。在21世纪的今天,我们对于很多技术都感到习以为常,但这些技术中,有很多都是以量子论为基石不断发展起来的。

阿尔伯特·爱因斯坦对量子论提出的不确定性和随机性的说法完全不能接受,甚至到死也没能改变自己的看法,他曾说过一句经典名言:“上帝不掷骰子。”尼尔斯·玻尔也说过:“一个人,无论是谁,如果没有对量子理论感到震惊,就说明他还没有理解它。”天才物理学家理查德·费曼则更进一步:他断言没人能理解量子论。

1900年,马克斯·普朗克为了解决黑体辐射问题,不得不假设黑体辐射的能量是一份一份的,这被视为是量子论的开端。现在一百多年过去了,如此长的时间是不是足够物理学家认真研究并理解它的意义了;也足够搞清量子论对物理实在中的随机和因果有何影响,以及对物理实在的本质有何影响了呢?事实并非如此,随着时间的流逝,量子理论给人带来的震惊却是有增无减。

当初物理学上那两朵小小的但又著名的乌云,如今已然成长为两棵参天大树,任何的科学问题,只要能不断的刨根问底,最终都会汇聚到这两棵大树的树根那里,现在我们已经知道了这两棵大树的名字,一个叫做相对论,而另一个就是量子论

当初的普朗克虽然发现了能量有不连续的特点,但是可笑的是第一个提出光量子假说的人却是爱因斯坦。随后波尔提出了原子的量子理论、法国贵族路易·德布罗意的波动粒子假说认为物质都是波、沃纳·海森堡的矩阵力学发现矩阵并不满足交换律、沃尔夫冈·泡利的不相容原理发现量子不能有相同的量子态、薛定谔创立了波动力学培养出来了那只既死又活的猫、这个时候还发现了令人迷惑不解的电子自旋现象。

那么,上帝到底掷不掷骰子,这还要看爱因斯坦和波尔精彩的世纪论战。索尔维会议始于1911年,但是最著名的还要数第五届和第六届可以说神仙打架的两届会议。围绕着双缝干涉实验和不确定性原理,两个物理学大佬使出浑身解数,你来我往,见招拆招,争论的昏天黑地,最终的结果是谁都没有说服对方。

但是爱因斯坦并没有死心,他又和三个同事抛出了一个所谓的ERP佯谬来质疑量子论的完备性。可是,不论是爱因斯坦还是波尔,他们的分歧只是对于同一个现象的两派哲学观的差别,就是爱因斯坦的“经典局域实在观”和玻尔一派的“量子非局域实在观”的根本区别。

时至今日,量子论依然颠覆我们的认知,对于每一个量子现象也会有很多种不同的解释,而且这些解释还都互相矛盾,谁都没办法说服谁。

这里边主要包括了哥本哈根、多宇宙、隐变量、系综、GRW、退相干历史等等,虽然解释各种各样,但是这些解释的目的都是要弄明白量子现象的成因。这就好比是我们看到了一座冰山,水面把冰山分成了两个部分。

我们能看到的是水面以上的部分,而对于看不到的水面下的那一部分我们只能靠解释。前面说的那么多理论的分歧也就集中在看不见的部分。因为微观世界的尺度实在是太小了,已经远远超出人类测量工具的极限,以至于观测手段就会直接影响到观测的结果。

现在,我们已经知道了这个世界并不是我们所见的样子,宏观的大尺度掩盖了微观世界下很多不能解释的诡异现象。那个掷骰子的老头一直在和人类玩着不确定的游戏,追求一个完美的终极理论,也许是人类最终的梦想,许多的物理学家都在为之不懈的努力。关于量子的新理论层出不穷,但事实却只有一个,量子依然把宇宙的命运牢牢把握在自己的手中。

科学史上从来不缺乏失败的理论,物理学当前的危机正是缺乏实验数据的直接结果。如果我们的理论要继续关注真正重要的事,关注在现实世界中明显发生的事的话,那么,理论就必须要有实验学科的支撑。

目前,我们已经能够通过大型强子对撞机让质子以高能对撞,而且让组成质子的夸克正面碰撞,最终让希格斯玻色子现形,补齐了标准模型中的所有粒子。但是未来是充满不确定性的,我们还希望大型强子对撞机能够找到证据表明标准模型中的粒子是否存在超对称伙伴。

它或许还能揭示出关于暗物质和暗能量的奥秘,现在认为它们造成了可观测宇宙中质量的“缺失”,但它们在宏观尺度中的结构和行为依然值得继续研究。当人类可以完全掌握量子世界的所有规律的时候,也许我们就真的可以看到那个掷骰子的老人的真身了。

这周咱们就先唠到这里,下周再见吧。




“科学大唠嗑”是悦读读书会新增添的一个栏目,每周更新一次,作者是书友们所熟悉的“牧羊人”张喆老师。他曾组织过我们读书会开展天文线下活动,也是《时间简史》、《上帝掷骰子吗?》的领读者。对于天文爱好者,此栏目是一个相当大的福利。对天文还未有过了解的书友们,这也是一次增长天文知识的机会。期待张老师下一次更新!



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