20世纪早期，经典物理学遭遇了有史以来最严重的挑战，物理学从此进入剧烈的动荡时期。
上期《为什么有个相对论？》一文中说到，迈克耳逊的以太实验导致了相对论的出现，引发了一场人类时空观的革命；而对黑体辐射实验的探索则导致了量子革命的爆发，这是一场声势浩大的革命，在整个20世纪头30年，物理学革命的浪潮一浪高过一浪，其间涌现了一大批20世纪最优秀的物理学家。
两场革命刷新了物理学的图景，现代物理学从此奠基。此后的一个世纪中，相对论和量子理论成为现代物理学两大支柱。相对论是宏大范围内的物理规律，在恒星和星系这样的宇宙尺度上起作用，它研究的是这样的问题：宇宙有开端和结束吗？宇宙最远的地方在哪里？与之相反，量子理论则专注于微小世界，诸如夸克、电子等基本粒子，它研究的问题是：物质能够被分割得越来越小吗？如果能，最小的物体是什么？它们的运动规律又怎样？
不过奇怪的是，现代物理学的这两大支柱似乎在各唱各的调，互不买帐，最小的世界和最大的世界竟然无从统一，它们之间的深层矛盾一直在困扰着从爱因斯坦到今天的物理学家。
自然不能无限分割
大家都知道，一个物体之所以看上去是白色的，那是因为它反射所有频率的光波；反之，如果看上去是黑色的，那是因为它吸收了所有频率的光波的缘故。物理上定义的“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，内壁涂上吸收辐射的涂料，外壁上开一个小孔。那么，因为从小孔射进球体的光线无法反射出来，这个小孔看上去就是绝对黑色的，即是我们定义的“黑体”。
19世纪末，物理学家们在研究“黑体”内部空间中的辐射状态时，发现他们研究出的公式总能导出黑体的辐射强度无止境地增大，这些公式因在波长较短的紫外区中出现了如此荒谬的结论，因此被称为“紫外灾难”。由于这些公式是根据经典物理学理论推导出来的，因此，“紫外灾难”实际上也是整个经典物理学的灾难。这就是开尔文提到的“两朵小小的令人不安的乌云”中的一朵。
1900年，普朗克在研究这个问题的过程中发现，必须假设在光波的发射和吸收过程中，物体的能量变化是不连续的，即能量可以划分成n个相等的小份，每个小份叫能量子，这样才能消除经典物理学中的“紫外灾难”。
在那之前，人们一直认为自然过程是连续不断的，可以永远细分下去，永不断绝。经典物理学也一向认为能量是连续的、无限可分的，这种连续性的观念还是微积分的根本基础，牛顿、麦克斯韦那庞大的运动学、电磁学体系，便建筑在这个地基之上，度过了数百年的风雨。而现在，能量不能无限连续的假设使经典物理学所赖以建立的根本基础开始动摇了，一场通向物理学新世界的革命开始了。
古希腊数学家芝诺曾提出过一个著名悖论：阿基里斯悖论。阿基里斯是希腊神话中善跑的英雄，但芝诺提出，阿基里斯在赛跑中不可能追上起步稍微领先于他的乌龟。芝诺把阿基里斯追上乌龟决定性的一步划分成无限等分，经无限等分后的阿基里斯，永远离乌龟差那么一小格，因此他老人家永远追不上乌龟。自从量子理论提出以后，这个悖论可以如此解释了：空间和时间其实不能这样无限分割下去（我们现在已经知道，最小的空间长度是普朗克长度，为10-33厘米；最短的时间是普朗克时间，为10-43秒），所以连续无限次分割的假设并不成立。这样一来，芝诺悖论便不攻自破了。量子理论告诉我们，“无限分割”的概念是一种数学上的理想，而不可能在现实中实现。一切都是不连续的，连续性的美好蓝图，其实不过是我们的一种想像。
最早的量子拥护者
由于量子理论与经典理论是如此之格格不入，当时物理学界对它的反应极为冷淡，人们接受普朗克的公式，但不接受据此公式推导出的能量子假说。连普朗克都不愿意相信这个假说，一直想取消它，以维护经典理论，这种徒劳无益的做法持续了许多年。
而这时爱因斯坦成了第一个为量子理论呐喊的人。同样是在《物理学年鉴》杂志上，同样是在1905年，但比狭义相对论那篇论文更早些，爱因斯坦发表了一篇名叫《关于光的产生和转化的一个启发性观点》的论文。在这篇论文中，他首先把普朗克的量子假设应用到对“光电效应”的解释中。
“光电效应”是指当光照射到金属上的时候会从它的表面打出电子的现象。科学家们在实验中发现：对于某种特定的金属来说，光是否能够从它的表面打击出电子来，只和光的频率有关，频率高的光线(比如紫外线)便能够打出能量较高的电子，而频率低的光(比如红光、黄光)则一个电子也打不出来。而能否打出更多电子却只与光的强度有关，增加光线的强度，就能够增加打击出电子的数量。比如强烈的紫外光比相对微弱的紫外光能够从金属表面打击出更多的电子来。
总而言之，对于特定的金属，能不能打出电子，由光的频率说了算；而打出多少电子，则由光的强度说了算。
按照光的波动说来理解，光的能量取决于波的振幅，振幅越大，能量越大，光的强度也就越大，但低频率的光为什么强度再大也打不出电子呢？
爱因斯坦把光假设为由一个个能量子组成，一切变得非常简明易懂了。频率高的光线，比如紫外光，它的单个能量子要比频率低的光线含有更高的能量，因此它就有足够的能力打出电子来。而强光只不过包含了更多数量的光量子而已，所以能够打出更多数量的电子来。但是对于低频光（比如红外光）来说，它的每一个量子都不足以激发出电子，那么，含有再多的光量子也无济于事。
爱因斯坦对量子理论的贡献是巨大的，他第一次提出了光既是波又是粒子，提出了光量子（后来被简称为“光子”）的概念，他的工作给了后来者巨大的启发，并因此获得了1921年诺贝尔奖。1923年，法国物理学家德布罗意在爱因斯坦光量子思想的基础上，更进一步提出所有的基本粒子都具有波的特性，这就是所谓的微观粒子的“波粒二象性”，这个概念随后成为量子理论的基础性概念。
但很快，随着量子理论的迅猛发展，爱因斯坦却与它分道扬镳了，而且，在其科学生涯的后半生，爱因斯坦一直与量子“幽灵”孤身作战。
疯狂的量子理论
当量子理论以势不可挡的步伐向前发展时，爱因斯坦很快痛苦地发现，量子理论所蕴涵的思想远远超出了他所理解的范围。正是鬼魅般的“波粒二象性”，使人们对世界可以确切把握的信仰产生了动摇——在微观粒子的世界，一切都充满着令人迷惑的概率。1926年，海森堡提出“测不准原理”，它表明，一个微观粒子的位置和动量两者不可能同时准确测得，这并不是由于仪器粗糙的原因，而是一种自然规律。1935年，薛定谔提出一个著名的思想实验——“薛定谔的猫”：箱子里的猫被打开之前处于“死—活”叠加态，只有在打开箱子后，叠加态才会消失，猫的死活才被确定下来。这两个令人匪夷所思的古怪原理和思想让当时的人们感觉这不像是科学，而更像是某些幻想家的胡思乱想。
量子力学的领军人物、丹麦著名物理学家玻尔更是从哲学高度认识到事物的本质就是不确定的，他宣称：在对一个电子进行测量之前，我们对它的状态事实上一无所知，我们甚至无法肯定它是否存在。
海森堡提出“测不准原理”后，玻尔接着提出了著名的“互补原理”，引起学术界很大震动。互补原理认为：微粒和波的概念是互相矛盾的，同时又是互相补充的，它们是运动过程中的互补图像，只有把这两个图像综合到一起才能得到对粒子的完全认识。玻尔特别指出，由于观察微观现象的特殊性，因此微观客体和测量仪器之间的相互作用是不能忽略的，这种相互作用在原则上是不可控制的，是量子现象不可分割的组成部分。这种不可控制的相互作用的数学表示就是“测不准原理”，这决定了量子力学的规律只能是概率性的。为了描述微观客体，必须抛弃事物必有因果关系的传统观念。
玻尔特别强调，一个微观物体的物理量或特征，不是本身即存在，而是由我们观测或度量时才有意义。打个比喻就是：当我们不看月亮的时候，月亮是不存在的！
量子理论的疯狂特质使持传统观点的科学家目瞪口呆，爱因斯坦就是其中之一。
最坚定的量子反对者
可以说，爱因斯坦对量子不确定性概念极其厌烦，他不相信投机式的概率能够成为一个理论的牢靠基础，因此他认为量子理论是不完备的，只是一个暂时的权宜之计。爱因斯坦曾在给一个朋友的信中提到：“量子力学确实给人深刻的印象，但一个内在的声音告诉我，它仍然不算货真价实……无论如何，我深信上帝是不会玩掷骰子游戏的。”他坚信不确定的浪花之下仍有一个坚实的客观世界。
1927年10月24日至29日在比利时布鲁塞尔召开了第五届索尔威会议，玻尔在会上阐述了他的互补原理。但是在会上，互补原理却遭到了爱因斯坦、薛定谔等人的强烈反对，由此开始了物理学史上前所未有的长达几十年之久的爱因斯坦—玻尔大论战，这场论战一直持续到1955年爱因斯坦去世为止。在论战中，爱因斯坦设计了一个又一个思想实验，试图从根本上消除量子理论中不确定性的幽灵，而玻尔则一遍又一遍奋起反驳，以证明不确定性和模糊性是量子世界所固有的本性，而不仅是我们对它的不完全感知的结果。
这是一场物理学史上持续时间最长、斗争最激烈、最富有哲学意义的伟大论战。争论的背后隐含着一个古老而复杂的哲学命题：我们所认识到的自然界的规律性是否就是自然界本身所固有的规律性？事实上，直到今天，仍然没有人能回答这个问题。
但具有讽刺意味的是，论战却使量子理论的地位越来越牢固。就算是伟大的爱因斯坦的质疑，无情的量子规则仍然风光无限，爱因斯坦几乎是孤独地站在反对者一边。
就这样，爱因斯坦选择了一条与众不同的道路艰难地跋涉着，这使他的同事们深感遗憾。1948年，德国理论物理学家、量子力学的奠基人之一玻恩在谈到爱因斯坦时，概述了人们对他的看法：“在征服浩翰的量子现象的斗争中，他是一个先驱者，但量子理论向前发展时，他却远而疑之。我们许多人认为这是一个悲剧——因为他从此在孤独中摸索前进，而我们则失去了一位领袖和旗手。”
然而爱因斯坦并不认为自己误入歧途，他在1948年3月18日写给玻恩的信中说：“我实在非常了解你为什么要把我看作是一个顽固不化的老头子。但是我相信你并没有了解我是怎样走过我这条孤独道路的；即使没有丝毫的可能性会使你赞同我的看法，也肯定会让你觉得有趣。我要把你的实证论的哲学看法撕得粉碎，以此来自娱。但是看来，在我们活着的时候，这是不可能实现的。”
这里必须说明的是，爱因斯坦对量子力学的方程是接受的，他只是坚信将会出现更完美的理论来解释量子力学中的不确定效应。他曾谈到，牛顿力学在其不完备性暴露之前的两个多世纪里一直是成功的，因此，量子理论总有一天也会暴露出自己的不完备性，被新的更坚实的理论所代替。在他的后半生，他一直尝试着把相对论和量子理论统一到同一个数学框架中，但这个努力几乎白白耗费了他后半生的心血，最终归于失败。
两大理论势同水火
相对论和量子理论的哲学基础如此不同，这预示着这两大物理学理论极有可能互不相容。果然，在后来的数十年中，前沿物理学家费尽九牛二虎之力，仍没有把它们合并成功——宏观世界与微观世界仍处于断裂状态之中。
这两个理论在各自特定的领域里所取得的成功都令人叹为观止。量子力学揭示了原子中的秘密，并解释了从半导体到计算机到激光所有这些技术的原理。实际上，这个理论是如此强大，使得我们只要有足够的时间，就可以利用计算机来预言所有化学元素的性质，甚至连实验室也没必要进。然而，尽管量子力学在解释原子世界时取得了无可否认的成功，它在试图描述引力时却遭到了失败，因为引力归根结底是一种空间结构，而量子理论只能描述物质行为。
另一方面，广义相对论在它自己的领域，即描述星系的宇宙学尺度时，也取得了辉煌的成功。黑洞就是广义相对论的一个著名预言，物理学家们相信它们是拥有很大质量而濒临死亡的恒星的终极状态。广义相对论还预言了宇宙起源于一次大爆炸，使星系以巨大的速度飞散开来。然而，广义相对论所描述的空间几何却无法解释原子和分子的行为。
因此，物理学家们面对的是两个不同的理论，各自使用一套不同的数学，各自在自己的领域中做出惊人准确的预言，却相互隔离且极为不同。这就好像是大自然造出了一个有两只手的人，右手与左手看起来完全不同而且其功能也各不相干。对于相信大自然终究应该是简洁而优雅的物理学家们来说，这是一个谜；他们无法相信大自然会以这样一种奇怪的方式运转。
在这样的背景下，我们需要一个新的、包罗万象的理论，在更根本的层面上把现代物理学的两大支柱——量子理论和相对论统一起来，这也许将是一个物理学终极之梦。
联系客服
