量子江湖风雨录 凯文西 Resource: http://www.chinagonet.com/main/view_post.php?pid=2313891~6 引子 量子革命或许是迄今为止科学史上最伟大的革命,相对论可能都有所不及。它的很多观念、思想太颠覆我们的传统,以至于令很多人困惑。其实不光是一般人困惑,科学界的很多顶尖高手也很困惑,爱因斯坦便是其中著名的一位。量子力学正统学派的精神领袖,哥本哈根的玻尔曾说过一句名言:"假如一个人不为量子论感到困惑的话,那他就是没有明白量子力学"。 十九世纪末,历经300年的风雨之后,经典物理学形成了一个庞大而严密的系统,最后一统天下。那时物理学界一片歌舞升平,喜气洋洋,普遍认为物理学到达了她光辉的顶点,而我们所处的物质世界也能够用当时的物理理论很精确地描述。也就是说,只要你能给出某时刻宇宙中所有粒子的运动信息,人们就可把宇宙的过去、现在和将来的历史用方程准确地描述出来。这就是科学上的决定论。 似乎物理学不再会出现惊喜。 但在不经意间,有两个并不起眼的物理学难题摆在了物理学家的面前,当时被称为"十九世纪末物理学大厦上的两朵乌云"。由于这两朵乌云不合时宜地出现在了经典物理学大厦落成之际,所以并未引起物理学界的高度重视,人们乐观地认为这两朵乌云会在当时已有的理论体系内得以化解。 然而,令人没有想到的是,正是这两片小小的的乌云,在很短时间内便演化成了漫天乌云,继而天空便电闪雷鸣,风雨交加,最终把经典物理学的大厦吹的是七零八落。而物理学界也卷入了一场扑朔迷离的长期混战之中,至今没有完全突围出来。 一片乌云导致了相对论的产生,迫使人们考虑时空物之间的纠葛;另外一片乌云导致了量子革命,迫使人们考虑我们所处物理世界的本质是什么,有无客观的物理实在性,以及我们传统的因果率是否可以被打破。更有甚者,将精神意识引进了物理学的殿堂。 量子革命在20世纪的第一年就爆发了,是以具有反叛精神的物理学家普朗克对黑体辐射难题的研究为开端,第一次提出能量的离散化量子概念,后来他由此得到了诺贝尔奖。但在当时,他被自己的量子化假设带来的对经典物理学的冲击而惊讶、而震撼、而吓得魂不附体。他终于背叛自己,放弃了量子化假设。 然而,普朗克一旦放出了"量子化"这个幽灵,他就再也收不回去了,也就注定了"量子化"这个幽灵要将经典的物理世界搅个天昏地暗。 这个幽灵落到了同样具有对传统有极大反叛精神的爱因斯坦手里。正是这个爱因斯坦,用量子化的幽灵使得光线量子化,一举解决了著名的"光电效应"难题。爱因斯坦由此震惊了江湖,比他震惊江湖的相对论更甚。 但是,量子化的幽灵确实不是那么好摆布的。当爱因斯坦还没有为自己的成果高兴的时候,却发现自己的成果把物理学界推向了了一场新"波-粒"大战的销烟中。爱因斯坦也害怕了,象伟大的普朗克一样。最后爱因斯坦终于走到了量子化的反面,成了对抗量子革命的反对派精神领袖。 但毕竟由于普朗克和爱因斯坦的巨大贡献,使得量子革命本身却以迅雷不及掩耳之势迅速发展,"彻底的革命者",后来成为哥本哈根学派"教皇"的玻尔要粉墨登场了。这才演绎了一场惊心动魄的量子江湖世界大战,而玻尔集团和爱因斯坦集团为此展开的斗智斗勇更是前所未有,名动江湖而经久不息,堪称科学界的绝响。 量子革命的思想很难理解,不加详述不能容易明白。其实,即使详述也很难明白。为了同学们对量子革命大概有个了解,本同学花了不少时间,根据一本描述量子革命发展的著作《上帝掷骰子吗?》的脉络,简述整理写成这个《量子江湖风雨录》,希望能在相对短小的篇幅内,使得大家对量子革命所带来的震撼有些微的了解。 0。 就象江湖上那经典的一幕,历经三百多年风霜雪剑的恩怨情仇,一个超级的武林门派傲然出世。这个门派汇集了无数身经百战的超一流好手,群英汇萃,气象不凡,所向披靡。它最后终于一统江山,名震江湖,成为唯一的超级霸主。任何其它的个人或者势力在这个超级霸主面前都显得那么的脆弱,那么的不堪一击,也更凸显出这个超级霸主的威严、辉煌与骄傲。 这个超级霸主,不是别人,就是19世纪末的物理学大厦,金碧辉煌、雄伟壮观、不可一世,以惟我独尊的气派统治着物理学界。 那时,牛顿力学控制着天上的行星和地上的石头;波动理论在光学领域独霸一方,后来又被新的电磁理论扩大到整个电磁世界;热力学三大定律也亦基本建立;分子运动论和统计热力学也在一帮天才的努力下获得成功。而最重要的是,这一切理论都是相互包容的,彼此没有任何冲突和矛盾,最终形成了一个庞大的经典物理学大同盟。 这时,最能表达物理学骄傲的应该是拉普拉斯的那句著名语录,就是在1799年他的著作《天体力学》发表后,拿破仑问拉普拉斯:"在您宇宙体系的大作中,为什么没有提宇宙的创造者?"而拉普拉斯的回答是:"陛下,我不需要上帝这个假设。"因为在拉普拉斯眼力,他的理论是那样的完美,以至于在某一时刻,只要给定宇宙所有粒子的初始条件,人们就可以把宇宙的过去、现在和将来都清楚地用方程描述出来,展现在世人的面前。 在经典物理学的大厦里,因果律支配着一切,一个与精神意识无关的客观实在不以任何精神意志为转移地存在着,而在物理学家的眼里,19世纪末的物理定律已足以完整地描述这个客观世界。科学界普遍认为,物理学到达了她辉煌的终点,不再会出现新的惊喜,而伟大的科学家开尔文勋爵甚至说:"物理学的未来,将只有在小数点第六位后面去寻找"。 一片歌舞升平,一片喜气洋洋,物理学界一片金色辉煌。但是,人们不禁要问,真的是那样吗? 当然不是那样,后来物理学的发展无情地摧毁了这种理性的傲慢。在人们还没有来得及充分享受那个物理学大厦的辉煌的时候,20世纪初,两场摧枯拉朽的革命在物理学的领域里粹然而至,不可思议。第一场革命改变了人们传统的绝对时空观念,那就是爱因斯坦的相对论,而第二场革命就是由以玻尔为领袖的哥本哈根学派创立的量子力学,直接冲击着经典物理学赖以为基础的因果律和不以精神意识为转移的客观物理实在性。 作为对传统的反叛,爱因斯坛的相对论一出现就震动了整个学术界,他的反叛理论那么的不可思议,那么的革命,令整个学术界都目瞪口呆,难以接受。然而在理论和实验面前,学术界不得不接受了他的相对论,尽管不那么令人舒服。 然而,量子力学的反叛却远远超过了爱因斯坦的相对论。如果说相对论使得经典物理学大厦发生剧烈的震动和摇晃的话,那么量子力学则是从根本上要摧毁经典物理学的辉煌。也正因为如此,量子力学的出现才引起了物理学界的世界大战。 当量子力学刚出现的时候,她的反叛思想深深地吸引了具有非凡反叛精神的爱因斯坦,爱因斯坦为量子力学的初期发展做出了不可磨灭的贡献。然而,随着量子力学的理论向纵深发展,她所表现出来的反叛令爱因斯坦也深为震惊,终于使得爱因斯坦走向了量子力学的反面,成为反对量子力学阵营的精神领袖。 那么,量子力学是怎样出现和发展的?她又是怎样反叛经典物理学的?何以能引起世界如此的震撼? 那就让我们大概地领略一下量子力学的诡秘与迷茫,神奇与沮丧,以及成就与混乱。大家一定要记住创立量子力学的哥本哈根学派的精神领袖波尔的一句名言: "假如一个人不为量子论感到困惑的话,那他就是没有明白量子力学。" 1 。 上面说到,19世纪末,宏伟壮观的经典物理学大厦落成,金碧辉煌,天空一片湛蓝,这使得物理学的大厦更加光彩夺目。然而,不知何时,却有两朵小小的乌云在不经意间,慢慢地出现在了瓦蓝的天边。因为人们还沉浸于刚刚落成的经典物理学大厦,所以没有太多的人注意这两片小小的乌云。 然而,这两朵乌云却被德高望重的物理学家开尔文注意到了,那年他76岁,是1900年的4月27日,他发表了著名的演讲《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》。他白发苍苍,以这句话开头:"动力学理论断言,热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽,显得黯然失色了"。 其实,这两夺乌云在当时看来并不起眼,是物理学中在19世纪末遇到的难以理解的两个问题。 一个是物理学家迈克尔逊和莫雷心血来潮,于1886年安排了更精确的实验,想测量"以太"相对于地球的相对速度,而这个以太当时被认为是一个绝对静止的参考系,地球穿过以太运动。他们的设想是,地球在以太中运动,如果在不同的运动方向上测量两束光在以太中的速度,从它们的差别中就可算出以太相对与地球的速度。 大家没有必要去考虑他们到底是怎么计算的,而关键是当他们完成了多次的实验后,他们惊异的发现,以太似乎对穿越于其中的光线速度毫无影响。他们认为这是一个"失败的实验",因为这个实验似乎在否定以太作为绝对静止参照系的存在,而以太这个绝对静止的参照系是经典时空观在经典物理学的一个基石,谁吃了熊心豹子胆敢动这个基石? 第二朵乌云来自黑体的辐射问题。19世纪末,人们开始对黑体辐射发生了浓厚的兴趣,发现黑体辐射的能量与温度有明确的函数关系。但究竟这个关系在理论上应该是什么呢? 德国帝国技术研究所的物理学家维恩从从经典热力学的思想出发,假设黑体辐射是由一些服从麦克斯韦速率分布的分子发射出来的,然后通过推演在1893 年提出了一个辐射能量与温度的分布公式。但这个公式却只在短波范围内与实验数据吻合很好,在长波范围就出现很大偏差。 后来英国的物理学家瑞利和意大利物理学家金斯共同努力从类波的角度出发推导出了另外一个公式,计算黑体辐射的公式。遗憾的是,这个公式与维恩的公式正好相反,只在长波范围内与实验数据吻合很好,在短波范围会出现很大偏差。 大家可以不理会这朵乌云具体是什么,只要知道物理学家从经典物理学里推导出了两个公式来描述同一物理现象 – 黑体辐射,一个从经典粒子的角度出发去推导,另一个从类波的角度去推导,得到的公式只分别适用于短波或者长波,不能通用,很难解决。这就是个问题,说明经典物理学缺了些什么。 尽管这两朵乌云令人百思不解,但由于它们不合时宜地出现在了经典物理学辉煌大厦的落成之时,物理学界还是充满了乐观,认为必定能在当时已有的理论框架内得以解决,不必担心。 然而,令人料想不到的是,正是这出现在19世纪末的两朵不起眼的乌云,在短短20多年的时间内,先是在经典物理学大厦上空形成了满天乌云,继而电闪雷鸣,很快便刮起了狂风暴雨,将经典物理学的宏伟大厦连根拔起,摔得七零八落,同时也使得理论物理学走进了迷宫,至今没有完全突围出来。 第一朵乌云导致了相对论的诞生,把人们拉入了时空物质相互纠缠的玄妙世界,迫使我们思考从没有时间、没有空间、没有物质的状况怎样幻化出时间、空间和物质,并形成我们所处的这个丰富多彩的的世界,当然还包括我们人类的生命和精神意识。 第二朵乌云导致了量子力学的诞生,由哥本哈根学派创立,在他们的解释里,它冲击我们原有的因果律,否定我们身外存在一个客观的物理实在,在其推论中更将精神意识引入了物理学的领域里面来。这个理论倔强地与相对论发生冲突,倔强地与很多其它解释争夺在物理学中的霸主地位。 限于篇幅,我们不去关注第一朵乌云,就让我们只关注第二朵乌云吧,看它怎样演变成了满天乌云,怎样演变成了狂风暴雨,怎样冲击经典物理学的根基。 2。 对大学物理有些概念的人肯定都会记得大名鼎鼎的普朗克。普朗克当时是德国柏林大学(柏林一所大学?)的物理学教授,他对黑体辐射问题发生了兴趣,他想一举解决这个难题。虽然他当时只知道维恩的公式(适合短波),但他也知道黑体辐射在长波时的关系,虽然他不知道瑞利-金斯公式。 然而,经过了六年的艰苦努力,他没有成功,这很令他沮丧。那时他已从朋友那儿知道了在长波时的瑞利-金斯公式。后来普朗克想,要不我先玩个小聪明,利用数学的内差法,先凑一个通用的公式出来,在短波时变成维恩公式,在长波时变成瑞利-金斯公式,其它以后再说。当然,这个不用有物理理论支持,细心凑就行了。 很快普朗克就凑了一个公式出来,他把新鲜出炉的公式发表在1900年10月在柏林召开的德国物理学会的一个会议上。令人惊讶的是,他的公式很快就被证实与实验数据十分精确的符合。普朗克自己也很惊讶,没想到他侥幸凑的公式竟然有这么大的威力。 虽然普朗克不知道这个凑出来的公式背后到底隐藏着什么样的秘密,但普朗克通过六年的探索已经敏锐地感觉到那是个惊人的大秘密,会对整个热力学和电磁学至关重要。他决定背水一战,破釜沉舟,除了热力学的两个基本定律不能动外,他决定什么都可以去挑战。但他万万没有想到的是,当他找到了那个秘密后,他自己先给吓得魂不附体。 经过了一段时间的艰苦奋战,普朗克终于找到了那个他后来得诺贝尔奖时说的"意想不到"的东西,就是: "仅仅引入分子运动理论还是不够的,在处理熵和几率的关系时,如果要使得我们的新方程成立,就必须做一个假定,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。" 大家可能觉得这并没有什么了不起的,就"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"不就行了吗?但当你真正了解了这句话的含义后,你也就会胆战心惊了。 大家要特别注意普朗克假设中的"不连续性",因为连续性和平滑性假设是数学微积分的坚实基础,而经典物理学的庞大体系就是建立在这个数学体系之上。在经典物理学中,有了任何难以解决的问题,你动什么都可以,唯独这个基础你连要碰的想法都不能有。就象普朗克最后想的那样,他豁出去了,拼命了,他除了热力学中的两个基本定律不能动外,他在热力学中什么都愿意去挑战。但那只是热力学啊,他连那个基础都不敢动。现在,他发现自己被迫要动整个经典物理学大厦的根基,他能不吓坏吗? 最后,普朗克还是在1900年12月14日在德国物理学会的学术会议上发表了他的论文,提出了自己的假设。 他的假设令所有听到这个假设的物理学家都震惊不已。但人们没有想到的是,正是普朗克的假设启动了量子力学的革命,而更多更大的震惊便接踵而来,一发而不可收拾。 量子力学革命在20世纪的第一年的最后一个月就爆发了,而能量的不连续性就是后来讲的能量的量子化。 如果能量真是量子化的,那么首当其冲受到质疑的就应该是麦克斯韦尔的电磁理论,在普朗克看来,这是不可能的。他宁愿相信能量的量子化只是数学上为了方便引入的一个假设而已,不是物理上的真实。 但很快,普朗克的量子化假设便被广泛传播,具有反叛精神的物理学家们开始把普朗克开创的量子化领域不断推向前进,十几年就出现了一个个意想不到反传统的结果。普朗克则越来越害怕,终于抛弃了自己开创的量子化领域,并一再提醒大家,不到万不得已,不要在量子化领域胡思乱想。 然而,普朗克一旦放出了"量子化"这个幽灵,他就再也收不回去了,也就注定了"量子化"这个幽灵要将经典的物理世界搅个天昏地暗。 3。 量子化的幽灵被伟大的普朗克放了出来,他自己被这个幽灵所展现的魔力所吓倒,而想千方百计赶走这个幽灵。但为时已晚,这个幽灵落在了极具反叛精神的爱因斯坦手里,爱因斯坦如获至宝,要借着"量子化"的幽灵给江湖一个震惊,比他震惊江湖的相对论更甚。 这要从一个著名实验的附属品说起。 1887年到1888年间,德国卡斯鲁尔大学的物理学家赫兹做了一系列著名的光电实验,证明了电磁波的存在,从而证实了买克斯韦的电磁理论,光也作为一种电磁波很好地纳入了电磁理论的解释范围,为经典物理学的成功写上了重重的一笔。这时,光的波动说凭借着电磁理论的强大威力,很快就统治了物理学界,老老年前光的粒子说不得不销声匿迹。 然而,正是赫兹的实验也打下了挑战麦克斯韦电磁理论的伏笔,只是他当时没有意识到罢了。 因为,当时赫兹的实验主要是观察电火花以验证电磁理论,但偶然间他却观察到了一种怪现象,当有一定的光线照射到金属表面电火花的发生处时,电火花的出现就更容易一些,就会产生更多的电火花。赫兹把这个附带的发现写在了论文中,但没人注意,大家都沉浸于麦克斯韦电磁理论成功被验证的喜悦之中。 到了1897年,电子被发现了。 人们也很快发现当年赫兹不可理解的附带现象是有由于光线照射到金属表面时,打出了金属表面的电子,产生了电火花。后来很多实验室对此现象进行了深入研究,发现不同种类的光线打到给定的金属表面上时,有些能打出能量很高的电子,有些甚至打不出任何电子。也就是说,光能否打出电子,与光的频率有关。这就是著名的"光电效应"。 这时,经典的电磁理论解释不了这个现象了。照理说电子是被束缚在金属表面上的,要它脱离金属表面,外部就要给予电子足够的能量让它逃出。而光这时被公认为是波,那么增强光的强度,就有更多的能量,为什么有些光再增强它的强度也打不出电子,而对能打出电子的光来说,即使强度很弱也能打出电子? 没人知道为什么,伟大的麦克斯韦电磁理论不灵光了,这令物理学家很沮丧。一个小小的电子和光竟然不顺服电磁理论! 该当量子理论要横空出世,这时就是显伸手的时候,给物理学界一个震动的时候到了。爱因斯坦来了,他要以反叛的面目给世人一个惊人的亮相,把量子革命的浪潮推向前进。 4。 爱因斯坦认真研究了那个令物理学家们沮丧的光电效应问题,1905年他在《物理学纪事》杂志上发表了一篇划时代的论文,题目叫做《关于光的产生和转化的一个启发性观点》,这篇论文一举解决了令电磁理论失色的光电效应难题。 爱因斯坦正是借助了前面说的普朗克放出来的"量子化"的幽灵,这个量子化是把能量看成不连续的,分成一份一份的,能量子就是能量的最小单位,叫量子。爱因斯坦深深地理解了普朗克量子化的精义,认为光电效应是个瞬间的过程,某种量子化的东西在起作用,而麦克斯韦的电磁理论是描述平均现象的,不能适用于瞬间过程。爱因斯坦决定反叛电磁理论。 爱因思坦顺着普朗克的思路,把光也看成不连续的,其能量的最小单位就是"光量子",正是这些单个的光量子与电子进行能量交换,从而打出电子。光量子强的光线就能打出能量高的电子,而光量子弱的光线甚至不能打出电子。这就是为什么能否打出电子跟光的频率有关,因为从普朗克的能量分布的公式出发,一个光量子的能量与光的频率有关。由此,爱因斯坦推导出了一系列光电效应的公式。 爱因斯坦的这个假设把光电效应一下解释得清清楚楚,他的光量子概念后来叫做"光子"。 爱因斯坦解决了这个难题,可能大家都很高兴,心想一个难题终于解决了。然而大家可能没有想到,爱因斯坦在这里捅了一个天大的篓子,他把光线量子化后成为一个一个不连续的光子,分明是在说光是"粒子"。 但在经典物理学里,不是才刚刚由麦克斯韦理论和赫兹的实验把光定性为波了吗?怎么又由赫兹的附带实验结果和量子化概念搞出光是"粒子"呢? 爱因斯坦的光量子假设虽然提出来,但不被物理学界接受,光是一种电磁波已经被实验证明,并有伟大的电磁理论作后盾,想轻易挑战这些谈何容易。人们要实验证实爱因斯坦的假设。 到了1915年,美国物理学家密立根想要用实验证明爱因斯坦的光量子假设是错误的,但他的实验偏偏证明爱因斯坦的假设是对的。到了1923年,物理学家康普顿才由X射线实验证明了光子象小球一样不但有能量,还有冲量,这样光子和电子相撞才能发生能量交换,打出金属表面的电子。 看来,麻烦大了!后来爱因斯坦用"非常革命"的字眼来描述他的光量子概念,而对他的革命性成果相对论他也没有用这些字眼。 一方面,光作为一种电磁波有实验支持,有电磁波理论支持;另外一方面,光作为粒子现在也有实验支持,也有量子化的理论支持。新一轮的"波-粒"大战开始了。这次大战与以往不同,它从光的领域开始慢慢延伸到一切微观粒子的领域,最后演变成了物理学界一场惨烈的混战。而爱因斯坦自己最后也害怕了,象伟大的普朗克一样,终于走到了量子化的反面,成了对抗量子革命的反对派精神领袖。但量子革命本身却以迅雷不及掩耳之势迅速发展,"彻底的革命者",后来成为哥本哈根学派"教皇"的玻尔要粉墨登场了。 5。 1897年,英国剑桥的物理学家汤姆逊在研究阴极射线的时候,发现了原子中电子的存在。汤姆逊就假设了一个原子的结构模型。后来到了1910年姆汤逊的门生卢瑟福在曼彻斯特做教授,由于实验中的新发现,不满意恩师的模型而提出了自己的新原子模型,既"行星系统原子模型"。 这个新模型,他假设,有一个占据了绝大部分质量的"原子核"在原子的中心。而在这原子核的四周,带负电的电子则沿着特定的轨道绕着它运行,像 一个行星系统(比如太阳系),原子核就像是我们的太阳,而电子则是围绕太阳运行的行星们。 但其他物理学很快就发现这个新模型有致命的缺陷。因为如果他的模型是正确的话,那么他要面对一个不可能的结果,那就是,"带负电的电子绕着带正电的原子核运转,这个体系是不 稳定的。两者之间会放射出强烈的电磁辐射,从而导致电子一点点地失去自己的能量。作为代价,它便不得不逐渐缩小运行半径,直到最终'坠毁'在原子核上为 止,整个过程用时不过一眨眼的工夫。换句话说,就算世界如同卢瑟福描述的那样,也会在转瞬之间因为原子自身的坍缩而毁于一旦。原子核和电子将不可避免地放 出辐射并互相中和,然后把卢瑟福和他的实验室,乃至整个英格兰,整个地球,整个宇宙都变成一团混沌"。 但我们的世界并没有坍缩,是卢瑟福的原子结构模型有大问题,却不能解决。这时年轻的丹麦籍留学生玻尔,来到了卢瑟福的实验室,对这个原子模型难题产生了很大兴趣。正是以这个问题为契机,玻尔走上了量子革命的不归路。 作为年轻的革命青年,玻尔从一开始就把目标定在了量子假设这一目标上,他要用快速发展起来的量子观念研究原子模型。到1912年他就发表了自己的第一篇关于原子结构方面的论文,虽然后来证明这篇论文并不那么有意义,但量子革命的火种从此在玻尔的心里扎下了根。 他在同年完成了学业,回到了丹麦的哥本哈根,在那里他开始创造哥本哈根学派在量子革命中辉煌。 6。 玻尔在原子模型上遇到的困境和爱因斯坦在光电效应难题上遇到的困境在思想方法上有非常相似的地方,那就是是否要放弃伟大的麦克斯韦和他的伟大理论 – 电磁理论。玻尔毅然决然地选择了放弃电磁理论和他的创立者。 年轻的玻尔很有直觉和敏锐的洞察力,他非常善于捕捉那些在别人看来不起眼但却真正有价值的东西。 一次偶然的机会,玻尔认识的一个人与玻尔谈起了原子光谱的问题,那人说原子光谱虽然繁多,但有一定规律可循,瑞士的一位数学教师巴尔末就从中总结出了一个简单明了的公式,其中有一个至关重要的数N是大于2的正整数。 这是一个经验公式,从来没有人知道这个公式背后隐藏的含义,也不知道用什么理论才能推导出这个公式。但当玻尔看到这个公式后,他一下惊呆了,他马上就把巴尔末公式与普朗克提出的能量的量子化公式联系了起来。很快他就形成了一个革命性的想法:"原子内部只能释放特定量的能量,说明电子只能在特定的'势能位置'之间转换。也就是说,电子只能按照某些'确定的'轨道运行,这些轨道,必须符合一定的势 能条件,从而使得电子在这些轨道间跃迁时,只能释放出符合巴耳末公式的能量来",而这些能级是离散的,量子化的,被神秘的规律控制着。 随后他把这种量子化的大胆设想转化成了理论推导和数学方程,一举发表了三篇论文论原子结构的量子化解释,于1913年发表在了《哲学杂志》上。玻尔完成了量子革命的第三部曲,使得量子革命走到了青年时期,尽管还没有完全摆脱旧的经典体系,但她已经显示了震惊世界的力量。 玻尔推导的公式完全符合巴尔末经验公式描述的原子谱线,其跟实验误差仅为千分之一。玻尔的公式更预测了一些新的谱线,后来都得到了实验的证实。而且,玻尔的理论描述的更多,解释力达到了空前的程度。他后来在1922年以他的量子化原子理论获得了诺贝尔奖。 但在当时,这个理论却不被正统的物理学界接受,有物理学家公开表示"如果这些要用量子力学才能解释的话,那么我情愿不予解释。"另有人声称,要是量子模型是真实的话,他们宁愿退出物理学界。因为,他们觉得玻尔的理论有推翻传统电磁理论的企图。但玻尔的量子化原子理论是那样的成功,两年后就被大家普遍接受了。 玻尔的理论虽然很成功,却仍然不能完全取代麦克斯韦的电磁理论。在被迫无奈的情况下,玻尔企图调和他的量子理论与经典的电磁理论,提出了一个折衷的"对应"模型。他折衷的对应模型注定是短命的,因为量子革命的大潮不能容许这种妥协。 从根本思想上,量子化的离散性与传统的连续性是对立的,而且,玻尔的量子化原子结构理论体系已经蕴藏了"随机性"这个不见容于经典力学的重大思想。在玻尔的量子化体系中,我们不能判断一个电子何时何地会发生跃迁,从一个能级到另外一个能级,它是自发的,它表现为一种理论上不可能描述的随机过程,而这个过程不同于一般的随机过程。一般的随机过程,是有原因的,只是我们没有足够的信息描述这种原因,但理论上不排除描述的可能性。而玻尔量子化原子结构中电子的跃迁的随机性是无因之果,是自发的,至少从理论上没有计算电子跃迁条件的可能性。这实际上是在冲击传统的因果律,是相当严重的问题。 据说1919年,当时量子物理的三大巨头,玻尔,普朗克和爱因斯坦,聚集柏林就这个问题进行了探讨。爱因斯坦对玻尔理论中冲击因果律的反叛思想大为不满,也埋下了玻尔与爱因斯坦这两位科学巨匠长达几十年大辩论的种子。 正因为这样,玻尔折衷理论的短命就是是不可避免的,而玻尔也最终跨过了他那个折衷理论的尸体,领导他的团队创立了量子革命正宗的"哥本哈根"学派。1921年哥本哈根物理研究所成立,36岁的玻尔任所长。那些在量子力学中赫赫有名的大师们,就要正式登场了,他们将演绎一场惊心动魄的量子江湖战争。 7。 首先登场的叫德布罗意,一个法国物理学家曾经师从鼎鼎大名的朗之万。就是这个德布落意,在玻尔量子化原子结构理论遇到困境时,提出了一个革命性的设想,把电子也纳入了波动的范畴,后来成为爱因斯坦阵营的一员猛将,与玻尔的哥本哈根阵营拼死角斗。 前面说到玻尔的量子化原子结构模型虽然取得了巨大的成功,为量子革命立下了汗马功劳,但他的理论还不足以替代经典的麦克斯韦电磁理论,迫使玻尔走与电磁理论的折衷路线。 正是在这种困境中,德布罗意剑走偏锋,力图完全甩开麦克斯韦的电磁理论,考虑如何能够在玻尔的原子模型里面自然地引进一个周期的概念,以符合观测到的数据。而这个条件在玻尔的模型里是被是强加在电子的量子化模式里的,不是理论的推导。 德布罗意的思想很奇特。他从爱因斯坦的相对论出发,开始推论:把爱因斯坦的相对论用到电子身上,爱因斯坦相对论的著名公式把电子的能量与电子的质量和光速连接了起来,而普朗克著名的能量量子化公式又把能量和频率连接了起来,这样把两者一合并,用公式一推导,对一个电子来说,就有一个内禀的频率与之相随相伴。 这样就不得了!德布罗意继续推算,电子有一个内禀的频率,可以换算成电子在运行时必定伴随一个波! 结果便开始令人震惊了。 在此之前,无论是经典力学还是玻尔的量子化原子理论,都把电子看作是一个粒子,天经地义。但到了德布罗意这里,怎么七拐八拐把电子跟波扯到一块去了?这不麻烦大了吗?在前面,我们看到爱因斯坦反叛传统,用量子化思想挑战传统认定的光的波动性,引出了光的粒子性,使得光的波-粒对决空前火热,气氛相当火爆。而在光特性上的大战硝烟正浓的时候,德布罗意却在电子上把电子引向了波动的特性上来。 如果说光的波-粒大战已经够麻烦的了,那么电子的波-粒大战一定是不可收拾的烂摊子,因为电子是构成我们整个实实在在的宏观物质的一种微观粒子啊!当然,在后面我们可以看到,量子革命把构成实在物质的所有微观粒子都拉入了这一范畴,发动了名符其实的世界大战。 伴随电子的这种波,后来被成为"德布罗意波",尽管它的速度可以比光速快很多,但据说由于这种波被德布罗证明不携带能量和信息,所以不违背爱因斯坦相对论。 当德布罗意宣布他的理论说明电子是个波的时候,几乎没人相信。德高望重的物理学大师们,为年轻一辈的反叛精神而大摇其头,直呼"人心不古,世道乱了"。据说德布罗意的恩师朗之万也对弟子的出格很伤脑筋,但还是把弟子的论文转交给爱因斯坦。令人没想到的是,爱因斯坦对德布罗意的理论却给予了高度评价。 有爱因斯坦撑腰,电子的波动性才得到学术界的重视。现在需要是实验证据,证明电子是波。 该当德布罗意成名,后来在1925年美国纽约的贝尔电话实验室的一个失败实验,却奇迹般地证明了电子的波动性,电子能够象光波一样发生衍射图案,其波动性数据与德布罗意的理论符合的非常好。 德布罗意成功了,理论和实验都证明了电子是波。但物理学麻烦了,光到底是波还是粒子?电子到底是波还是粒子?它们都有实验做自己的后盾,都有理论做自己的后盾。各路人马一起加入了这场的火热的大战,战局正酣。但问题是,这场战争怎么收场? 就在这个时候,玻尔哥本哈根阵营的一员猛将,海森保,要扬名立万,威震江湖了。由于海森堡的加入,使得战局更加混乱,更扑朔迷离。 8。 那是1925年,哥本哈根,慕尼黑和哥廷根成为量子革命的"金三角"。无疑哥本哈根是龙头老大,由德高望重的玻尔执掌,聚集了一批精英天才。 当时,海森堡在哥廷根,但跟哥本哈根的玻尔有很深的渊源,并在哥本哈根访问工作过,深受玻尔的赏识,他们关系很密切。 年轻而天才的海森堡决定对量子物理动大手术,彻底改变玻尔量子化原子结构理论的困境。他对当时玻尔的理论提出两方面的革命性思想。 一个是不能把不能观察的想象图像引入到理论中来,其实这也是当时哥本哈根学派内部慢慢出现的一种学术思想倾向。例如在玻尔的量子化原子模型中,就假定电子沿着不同的"轨道"以不同的频率绕原子核运转,而不同"轨道"有不同的能级,电子可以在这些不同能级的"轨道"间随机跃迁。这里海森堡要问的问题,谁证实过电子绕原子核运转的"轨道"?谁证实过电子绕原子核运转的"频率"? 海森堡的第二个革命性思想是,量子力学不同于经典力学,量子力学根本上要从数学来着手建立,而暂时不管其物理图像是什么,在这里,数学说了算。这个思想那是相当地革命。因为我们知道,在经典力学中,我们都是先从物理意义出发,寻求相关物理量之间的关系。例如,我们知道物体的运行速度(假设匀速运动),再知道物体的运行时间,然后我们寻求物体运行的距离等于速度乘以时间来获得距离的关系式。而在量子力学中,海森堡要先把数学描述引进来,然后再去寻求各个变量的物理意义。 这个革命性思想是一个双刃剑,可以给量子革命打开广阔的前景,也会给量子革命带来巨大的困惑。而这里的问题是,不采用这些革命性的思想,量子力学就不能有突破。与其停滞不前,还是先突破为好。 当时海森堡要找出原子结构中能量体系的基本原理,他认为的突破口还应该是研究原子的谱线问题,引入数学的虚振子方法。但当他把电子辐射按照虚振子的代数方法展开时,遇到了数学上几乎难以突破的困难,最后他不得不放弃了这个方向。 被逼无奈,海森堡把眼光放到了电子的运动上,他要通过数学来建立电子在原子中的运动方程,这就是后来称为量子力学的新体系,是相对于玻尔的老理论而言。 作为一个年轻的物理学家,海森堡开始摆弄一种奇怪而神秘的数学形式-矩阵。在当时的物理学界,真正懂得矩阵的人并不多,实际上听说过这种数学形式的人都不多。海森堡自己对矩阵也不熟,也在摸索。 无疑,矩阵这种数学形式是艰涩的,令人望而生畏的,至少对当时的物理学家来说。但是,矩阵最大特点是离散化,正好特别适合量子化的思维模式。所以当海森堡将矩阵这种数学形式应用到描述电子在原子内的运动方程时,很快就获得了巨大的成功。 他把所有物理规则都按照矩阵形式书写,把已有的经典动力学方程和许多传统的物理量都按照矩阵数学来处理。在玻尔的量子化原子模型里,已经有了电子的运动方程和量子化条件。原来是用傅立叶变换化作一系列简谐运动的叠加,展开式的每项都代表了特定的频率。现在,海森堡把它们彻底地改变成了矩阵形式。 这样,描述原子中电子的运动就有了一套矩阵数学形式的坚实基础。从海森堡建立的量子力学体系里,可以很自然地推导出量子化的原子能级和辐射频率,不需要象玻尔的模型要强加进去这些东西。更重要的是,量子力学的基本形式已经在海森堡这里得到了突破性的进展,为量子革命的气势磅礴奠定了坚实的数学基础。海森堡建立的量子论基础后来被成为"矩阵力学",海森堡后来去剑桥讲学,他的革命性工作由他的前辈波恩于1925年寄给了《物理学杂志》得以发表,标志着量子力学体系首次公开亮相。那年海森堡才24岁! 然而,海森堡的"矩阵力学"导致的一个奇特现象令人百思不解,那就是把传统的动量P和位置Q这两个变量写成矩阵形式后相乘所得到的奇妙结果。 在经典力学里,如果要把两个量相乘,就是简单的乘法,与这两个量在乘法中的次序没有关系,这就是乘法的交换律。例如,牛顿第二定律:f=am和f=ma是等同的。但在海森堡的矩阵力学里,动量P与位置Q相乘的次序却对结果有很大影响,也就是说,P*Q不等于Q*P,不遵守乘法交换律。 这给海森堡提出了很大的挑战,质疑矩阵力学的人以此来发起攻击。而海森堡的回答是,量子力学不同于经典力学,在量子力学里,数学压倒一切。既然计算表明动量和位置的乘积与次序有很大关系,我们就应当相信。至于其背后隐藏的意义,再慢慢寻找。也就是说,在量子力学里游戏规则变了,数学前行,物理意义在后。 但人们没想到的是,这个P与Q相乘不遵守乘法交换律的数学背后隐藏着一个惊天大秘密,后来才被证明它就是大名鼎鼎的"测不准原理"。"测不准原理"这个中文翻译有误,容易引起误导,准确地翻译应该是"不确定性原理"(UNCERTAINTY PRINCIPLE)。这是后话。 海森堡离开哥廷根一段时间, 去剑桥讲学。海森堡不在哥廷根的日子里,海森堡的矩阵力学迷住了前辈波恩,波恩很快就找到了与他一起工作的年轻的数学天才约尔当一起合作发表了另一篇论文,《论量子力学》,用大量篇幅来阐明矩阵运算的基本规则,并把经典力学的哈密顿变换统统改造成为矩阵的形式。他们也算出了P*Q和Q*P之间的差值。后来,海森堡回来后,他们三人又合作在1925年年底发表了《论量子力学II》,从而彻底建立了新量子力学的主体。 "在这种新力学体系的魔法下,普朗克常数和量子化从我们的基本力学方程中自然而然地跳了出来,成为自然界的内在禀性。如果认真地对这种力学形式做一下探讨, 人们会惊奇地发现,牛顿体系里的种种结论,比如能量守恒,从新理论中也可以得到。这就是说,新力学其实是牛顿理论的一个扩展,老的经典力学其实被'包含' 在我们的新力学中,成为一种特殊情况下的表现形式。" 新生的矩阵力学一出世,就有雷霆万钧之力,很快就解决了电子自旋的难题,解决有着两个电子的原子——氦原子的问题,其威力很快扩大了前所未知的领域中。注定了要在物理学的历史上留下色彩斑斓的一页。 如果说海森堡将成为玻尔哥本哈根学派的一员猛将的话,那么爱因斯坦阵营也将出现另一员猛将,他就是赫赫有名的薛定谔。薛定谔要推出他的波动方程与海森堡的矩阵理论相抗衡,其威力很快就盖过了海森堡的矩阵理论,而他后来他驯养的"薛定谔的猫"更是令量子江湖中人闻"猫"丧胆,谈"猫"色变。 9。 哥本哈根阵营推出了矩阵力学建立了量子力学的基本体系,威震江湖。爱因斯坦阵营也不是吃干饭,薛定谔出场了。 那时,薛定谔已经是瑞士苏黎世大学的一位知名教授。他不在原子结构里折腾,而是另辟蹊径,很自然地从本阵营的德布罗意"相波"为出发点,建立理论。薛定谔在1925年底对爱因斯坦表达了他对德布罗意工作的极大兴趣和信任,决心创立他伟大的波动力学来与海森堡等创立的矩阵力学一较高下。 薛定谔仔细研究了德布罗意的思想,然后比较了玻尔当年的量子化原子理论和海森堡的矩阵理论。他意识到,玻尔当年是强加一个"电子分立能级"的假设,而海森堡用复杂的矩阵力学推出这一结果。海森堡想,老夫不走你们的路,也不用引入外部假设,只要把电子看成本门的德布罗意波来建立方程,就可大功告成。 薛定谔最后从经典力学的哈密顿-亚可比方程出发,利用数学的变分法和德布罗意方程,求出了一个非相对论的波动方程。后来这个方程成了20世纪威震整部物理学史的薛定谔波函数。 在薛定谔波函数方程里包含波函数,普朗克常数,体系的总能量,势能,等等。该方程的解是不连续的,依赖于整数N,其结果很精确地与实验结果吻合。这样,原子的光谱也同样可以从薛定谔的波动方程里被推导出来。 到1926年6月,薛定谔连续发表四篇重要论文,彻底建立了一种全新的量子力学体系-波动力学,与海森堡等的矩阵力学争霸龙头老大。 薛定谔的波动力学体系,从它一出世,就赢得了物理学界的一片赞扬,守旧的老夫子们,似乎看到了薛定谔的波动力学体系能够回归传统,而其他物理学家则喜欢其体系的形式 – 微分方程,比起矩真力学的艰涩要可爱多了。爱因斯坦更是称赞薛定谔的体系是"源自于真正的天才"。 也正因为薛定谔的成功,把波-粒大战的战火烧的更加猛烈。因为现在量子力学有了两套完整的理论体系,一个是海森堡等的矩阵力学,它明显地拥抱电子的粒子性;另外一个就是薛定谔的波动力学,它明显地拥抱电子的波动性。在这两种理论的支持下,波-粒大战分外惨烈,大有鱼死网破之势。 尽管矩阵力学和波动力学彼此仇视,互不买账,但似乎它们有一个共同点,就是从数学出发建立理论体系,完全区别于传统的从物理意义出发建立理论(只是波动力学方面更愿意谈论物理图像)。这就给它们带来了一个共同的尴尬,有时不知道自己的理论表达的是什么意思。 在海森堡的矩阵力学里,我们不知道动量P与位置Q不遵从乘法交换律蕴藏着什么稀世珍宝。同样在薛定谔的波动力学里,也没人知道其波动函数隐藏什么惊天秘密。这就导致这轮波-粒大战既惨烈又神秘,而令人惊奇的是,薛定谔用来对抗敌手的波函数最后却成了地方阵营大厦的基石之一。 10。 "回顾一下量子论在发展过程中所经历的两条迥异的道路是饶有趣味的。第一种办法的思路是直接从观测到的原子谱线出发,引入矩阵的数学工具,用 这种奇异的方块去建立起整个新力学的大厦来。它强调观测到的分立性,跳跃性,同时又坚持以数学为唯一导向,不为日常生活的直观经验所迷 惑。但是,如果追究根本的话,它所强调的光谱线及其非连续性的一面,始终可以看到微粒势力那隐约的身影。这个理论的核心人物自然是海森堡,波恩,约 尔当,而他们背后的精神力量,那位幕后的'教皇',则无疑是哥本哈根的那位伟大的尼尔斯·玻尔。这些关系密切的科学家们集中资源和火力,组成一个 坚强的战斗集体,在短时间内取得突破,从而建立起矩阵力学这一壮观的堡垒来。 而沿着另一条道路前进的人们在组织上显然松散许多。大致说来,这是以德布罗意的理论为切入点,以薛定谔为主将的一个派别。而在波动力学的创建过程中起到关键的指导作用的爱因斯坦,则是他们背 后的精神领袖。但是这个理论的政治观点也是很明确的:它强调电子作为波的连续性一面,以波动方程来描述它的行为。它热情地拥抱直观的解释,试图恢 复经典力学那种形象化的优良传统,有一种强烈的复古倾向,但革命情绪不如对手那样高涨。打个不太恰当的比方,矩阵方面提倡彻底的激进的改革,摒弃 旧理论的直观性,以数学为唯一基础,是革命的左派。而波动方面相对保守,它强调继承性和古典观念,重视理论的形象化和物理意义,是革命的右派。这两派的大战将交织在之后量子论发展的每一步中,从而为人类的整个自然哲学带来极为深远的影响。" 作为创立矩阵力学和波动力学的两位中心人物的海森堡和薛定谔互相极其厌恶对方的理论体系。哥本哈根学派的精神领袖玻尔为了消除矛盾,特意把薛定谔邀请到丹麦去进行讨论,但直到由于双方争论过于激烈,把薛定谔累病倒了,也没能消除隔阂。 到了1926年4月,两派的天才们如薛定谔,泡利,约尔当,都各自证明了虽然矩阵力学和波动力学看起来在形式上差异很大,但在数学本质上却是完全等价的,实际上它们都从经典的哈密顿方程而来,只是一个从粒子的运动方程为起点,一个从波动方程为起点。这样,两种力学实际上是可以互换的。 这虽然在表面上缓和了两派的矛盾,但对这些数学的诠释却难统一,而且隔阂越来越深。首先,他们的较量就从波动方程中神秘的"波函数"展开。 "波函数"是薛定谔建立自己理论体系时从数学上引进的一个函数形式,他自己根本不直到这个函数在物理上代表什么。实际上,大家谁也不知道这个波函数到底是什么东西,虽然大家都同意它是一件无价之宝。 这些物理学的天才们只有靠猜谜来探究这个神秘而无价的宝物"波函数"到底是什么了 (很好玩哈,物理学家竟然不知道自己发现的东西是什么,要靠猜谜来解决)。 他们大概只知道这个神秘的"波函数"一些特性; (1)。不知其名,强曰之"波函数"。 (2)。它连续不断。 (3)。它没有量纲,却与电子的位置有联系。对于每一个电子来说,它都在一个虚拟的三维空间里扩展开去。 就是说,这个神秘的波函数如影随形地伴随着每一个电子,在电子所处的位置上如同一团云彩般地扩散开来。这云彩时而浓厚时而稀薄,但却是按照某种确定的方式演化。而且,这种扩散及其演化都是经典的,连续的,确定的。 这些特性神秘莫测,扑朔迷离,使得当时的物理学家们如坠云里雾里。 薛定谔自然猜自己发现的波函数是电子作为波在空间中的分布,因为把这个神秘的波函数与电子的电荷相乘,就代表了电荷在空间的分布。薛定谔把电子(或者不管什么微观粒子)看成是一团波,象云彩一样在空间中扩展开来。而波函数就是描述这种电子云彩在空间的分布的。很明显,薛定谔要强调一种传统的连续,他很不喜欢自己对手倡导的不连续性,诸如,光谱,跃迁,能级,矩阵,等这些概念。 几个月后薛定谔在慕尼黑大学演讲时提出了自己的猜测。薛定谔把电子和其它亚原子都说成是云彩一样的波,这很骇人听闻的。试想,那些组成我们的物质的"子们"都是云彩一样的波,那我们的物质世界是什么?是由波组成的? 尽管薛定谔说法很骇人听闻,但被哥本哈根学派的观点却要那么不骇人听闻,所以薛定谔的解释博得了台下听众的热烈掌声。 但就在这些掌声还没有平息的时候,哥本哈根学派的波恩教授(也就是海森堡的老师)站了起来,和蔼可亲地问薛定谔,你能肯定你发现的希世珍宝"波函数"就是彩云般电子波的空间分布吗? 这样的问话令薛定谔很是尴尬,他只能犹犹豫豫地说,不确定。听众便觉得惊异。薛定谔便反问波恩教授,那您说那"波函数"是什么? 波恩便说出了他的猜测,他的猜测令所有的物理学家都大吃一惊,他的猜测成了哥本哈根学派的基石之一,他的猜测在28年后才获得了诺贝尔奖。 波恩的猜测是:那个神秘的波函数是"骰子"! 11。 波恩说薛定谔发现的神秘"波函数"是骰子,是说它并不是象薛定谔猜测的,电子是象彩云般在空间分布的波,而这个波按"波函数"分布。波恩认为这个神秘的波函数是电子出现在空间某个位置上的概率分布(严格说这个波函数的平方是概率分布),也就是说一个电子出现在空间某个位置上完全是随机的,不确定,不可预测的。我们从理论上只能知道电子在某个给定位置上出现的概率是多少。 同学们可能觉得不以为然,说我们在现实中遇见的概率分布多了,就说掷骰子,每次掷出来几点就是个概率分布的问题。但是波恩说的概率分布却是真正比掷骰子要离奇的多得多。 从理论上讲,既是对于真正的掷骰子,只要我们知道骰子的大小,质量,质地,初速度,高度,角度,空气阻力,桌子的质地,摩擦系数,等等一切所需要的信息,并且假定我们拥有足够的运算能力,理论上我们就可 以预计这个骰子将会掷出几点来。 但波恩说的电子出现的概率分布和随机性,不是象上面所说的真正掷骰子的概率,而是说,从理论上无论我们的计算能力多么强大,无论我们有多少必须的信息,我们都不能准确预测一个电子出现的位置,只能由这个神秘的概率分布来控制电子的出现。 波恩的这个概率解释是个非常严重的问题,他在这里宣布了一个令人绝望的思想,那就是,从理论上讲我们的物理学在精细的结构里面不能准确地预测这个世界。当然,这不是说,我们不能发展高精尖的技术。就技术层面来讲,我们可以用各种理论获得我们想要的东西。但在对世界的深刻理解方面,我们从理论上有不可逾越的障碍。 波恩当年自己在论文中就指出了这一点,说波函数的概率解释是关于科学上"整个决定论"问题。也就是说对传统的认为随着科学的发展,世界在深层次上是可以预测的,宇宙的走向也是可以预测的这样的决定论的挑战。当然,后来其它科学领域挑战决定论的还有例如混沌理论里面著名的"蝴蝶效应",是说哪怕一只蝴蝶轻微地扇动它的翅膀,也能给整个天气系统造成戏剧性的变化。所以,现在的天气预报已经普遍改用概率性的说法. 波恩的概率解释当然不能被当时的对手,也就是爱因斯坦阵营所接受。在爱因斯坦看来,如果接受波恩的概率解释,就等于放弃了传统的因果率,因为电子出现的严格位置从理论上是不可预测的,也就是说没有一个紧紧相连的原因可以让你去追寻,是这个原因造成了电子出现在那个位置。这种不遵循因果律的解释,是绝对不能被爱因斯坦接受的。所以,爱因斯坦的那句名言"上帝不掷骰子"就是针对哥本哈根学派打破因果律的解释提出来的。 然而,爱因斯坦错了。波恩28年后由于他的概率解释获得了诺贝尔奖,而这个概率解释构成了哥本哈根学说的三大支柱之一。 我们怎么知道波恩的解释是对的呢? 这里让我们考虑那个著名的电子或者光子的双缝干涉实验。这个实验是说,当大量电子穿过两道狭狭缝后,便在感应屏上组成了一个明暗相间的图案,展示了波峰和波谷的相互增强和抵消。尽管这个实验是电子具有波动性的最好证明,但它却不是象薛定谔解释的那样,说每个电子本身是云彩般的波。 如果薛定谔是对的,那我们就可以做一个思维实验,想象我们有一台仪器,它每次只发射出一个电子。由于这个电子是在整个空间分布的波(当然强度按波函数分布),这个电子穿过双缝,打到感光屏上,感光屏上应该出现一团模糊不清的图像,其强度按波函数分布。 而实际情况不是这样,实际情况是每个穿过狭缝的电子只在感光屏上出现一个点,而这个点的位置却是按波函数的平方形成的概率分布的,也就是我们看到的干涉图案。 这样,我们是否就能说电子就只是一个粒子呢?也不能,如果电子只是一个粒子,那么问题也就来了。假设单个的电子穿过狭缝后,它怎么知道它的行动要按照波函数的概率控制,在某些地方出现的机率大,而在某些地方出现的机率小,还形成干涉条纹呢? 这些难题需要解释,哥本哈根学派还需要更多的理论支柱。下个出现的就是更加令人惊奇的"不确定性原理",它的发现者就是矩阵力学的创始人,哥本哈根学派的虎狼之将海森堡。 12。 哥本哈根学派的海森堡,波恩和约尔当共同建立了量子理论的矩阵力学体系,爱因斯坦阵营的薛定谔另辟蹊径也建立了量子力学的波动力学体系,两派互相对峙,争夺霸主。 幸好,从数学上证明这两个系统在本质上是一致的,只是两种不同的表达形式,可以互相转换,原来他们本是一家人。但数学本质上的一致并没有使得他们两派言归于好,而真正的困难是对数学表达的解释,这才是量子论不同于经典理论的最具区别的地方。正因为对数学解释的不同,他们才打得天翻地覆,日月变色。 海森堡在哥廷根创立了矩阵力学后,有幸来到哥本哈根"教皇"玻尔的身边工作,成了他的得力助手。 科学家也和我们一般人一样,比较喜欢简单明了,明快易懂的数学表达形式。薛定谔的波动力学体系就是这样讨人喜欢的理论,它用了科学家们喜欢并熟悉的微分方程的形式,就被艰涩难懂的矩阵力学体系占尽了优势,反正大家觉得数学本质上他们是一样的,何不采用简单易懂的形式呢。 这使得矩阵力学的创始者海森堡很是生气,他就是看不惯对手的理论。后来,自己阵营(哥本哈根学派)的波恩和玻尔也都开始喜欢薛定谔的理论形式,这使得海森堡更加郁闷,他对自己精神领袖们对自己引以为骄傲的矩阵力学的"背叛"感到很伤心。 然而,海森堡大可不必过份伤心,因为虽然自己的精神导师们喜欢薛定谔的理论形式,但不代表他们接受薛定谔的解释,象波恩对波函数的概率解释就是例子。但海森堡可能当时还没有深刻意识到这点,所以他很伤心。 1927年2月,玻尔出外度假去了,海森堡怀着复杂的心情反思自己的矩阵力学,他感觉矩阵力学在某些方面的优点是对手薛定谔那"该死"的波动力学所不能取代的。他慢慢地想到了那个令人难以理解的不遵守乘法交换率的难题,也就是在矩阵力学里面,动量P和位置Q相乘的次序不同会带来不同的结果。 这时,爱因斯坦的一句话反复在海森堡的脑海回荡,那就是:"理论决定了我们能够观察到的东西。"正是爱因斯坦的这句话,使其对方阵营的海森堡发现了一个惊天大秘密。 海森堡顺着这个思路想下去。 理论说,P*Q不等于Q*P,这是想要我们观察什么呢?他的脑海一亮,滑过了一道闪电。难道理论是在告诉我们先观测动量P后再观测位置Q,和先观测位置Q后再观测动量P,两者的结果是不一样的? 当这个念头一出现,他就大吃一惊。在宏观世界里,对一个物体来讲,你无论是先观测其动量P或者其位置Q,不都是一样的吗?因为P和Q都是确定的,跟你先观测哪个没关系。难道,这在微观世界里不成立?难道说在微观世界里,动量P和位置Q不能同时确定和观测吗?也就是说先确定了P,Q就不能确定了,或者先确定了Q,而后P就不能确定了? 对这一不可思议的理论结果,海森堡首先能想到的就是测量本身对测量对象的干扰,他用思维实验设计了各种情况,都证明同时准确测量微观例子的动量P和位置Q是不可能的。这更坚信了他对理论的解释。最后,他更是从理论上推导出了观测P和观测Q的误差,其乘积必定大于一个常数,与著名的普朗克常数有关。也就是说随着对动量P或者位置Q中任何一个变量知道的越精确,另外一个就越模糊,其模糊程度急剧曾大。当100%地确定其中某一个量时,另一个就无穷大的模糊,也就是完全不知道怎么回事了。 这就是后来名震整个科学界的"不确定性原理",其表述是:我们没法同时既准确知道一个微观粒子的位置,同时又准确知道其动量,反之亦然。这是继波恩对波函数的概率解释之后,哥本哈根学派的第二个基本支柱。 象薛定谔发现了波函数却对波函数的解释错误一样,海森堡发现了"不确定性原理"也对该原理的解释存在很大的偏差。 在海森堡那里,他一直钟爱他的矩阵力学系统,在他的脑海里一直有一个传统的"粒子"形象,所以他起初对"不确定性原理"的解释就停留在"测量的干扰"这个层次。他认为微观粒子是有确定的动量P和确定的位置Q的,只是我们的任何测量手段都会对微观粒子本身造成很大的干扰,所以,测量结果就存在不确定性。 然而,哥本哈根学派的精神领袖波尔对海森堡的这种错误理解给予了严厉的批评。玻尔敏锐地指出,海森堡应该放弃传统粒子的观念,"不确定性原理"告诉我们的是更深层次的东西。也就是说,理论告诉我们不能同时准确知道电子的动量P和位置Q,就象理论告诉我们没有永动机一样,而实验观测的不可能性只是验证了理论,而不是实验误差造成的。在任何时候,大自然都固执地坚守这一底线,绝不让我们有任何的花招得逞,同时准确知道电子的动量和位置。 更进一步,玻尔认为:没有确定动量P同时有确定位置Q的粒子,我们要么看一个有确定动量P的粒子,要么看一个确定位置Q的粒子,鱼与熊掌不可兼得。 玻尔的思想不容易理解,我们在介绍玻尔天才而伟大的的"互补原理"时再详细讨论,而这个"互补原理"与"波函数的概率解释"和"不确定性原理"共同构成哥本哈根学派量子论的正宗解释,一直出于霸主地位。 当然,在"不确定性原理"的解释上,海森堡最后接受了玻尔的思想,他的论文发表在1927年3月份的《物理学杂志》上。 后来我们知道,在物理上这种奇特的鱼与熊掌不可兼得的物理量叫"共轭量",有不少,海森堡很快就发现了微观世界的能量E与时间T,也是一对冤家,也不共戴天,同样遵守"不确定性原理"。 这个"不确定性原理"给我们深刻理解宇宙带来的问题不是很严重,而是相当相当的严重。 首先,波恩对波函数的概率解释将传统理论的"决定论"拉下了马,也就是说,即使我们知道目前宇宙中所有粒子的信息,并且我们拥有无限能力的计算机系统,从理论上我们也不能准确预测宇宙的行为,只能有个概率可能性。然而,到了海森堡的"不确定性原理"这儿,事情干的更绝,这个原理告诉我们,我们宇宙中粒子的目前状况的准确信息从理论上你也永远都没有,那你想要准确预测宇宙的将来,不是痴人说梦吗? 第二,海森堡的这个"不确定性原理"和波恩对波函数的概率解释,共同对传统的因果律提出挑战。波恩对波函数的概率解释是说,一个电子出现的位置是真正随机的,概率性的,没有原因可以追踪,可以描述,所以就"电子出现的位置"这一事件来说就成了无因之果。如果有原因,理论上那我们就可以追踪,只要我们的信息慢慢增多,我们就可以了解这些原因。而这里说的是,理论上无因可寻。 同学们,我这里要提醒大家一句,我们的描述会越来越不可思议,大家要做好思想准备,时刻记住玻尔的名言:"谁要不对量子论感到困惑,谁就是没有真正理解量子力学"。 我们再看海森堡的"不确定性原理"带来的对因果律的挑战,以能量E与时间T这对冤家为例。 我们平时理解的"空"就是空无一物,但我们后来知道空无一物的空气并不"空",有大量的空气分子。那我们就说真空是"空",把空气抽走。这也不行,因为真空中有各种"场",什么电磁场啊,引力场啊,等等。那我们干脆说,就只有空间是"空",也不行,爱因斯坦的相对论说空间是个东西,它能弯曲变形,引力就是空间的弯曲变形。这些好像都是有原因可以追寻的东西。 到了海森堡不确定性原理这儿,我们才真正有了没有原因的生成物,有了真正的"无中生有"。能量E与时间T是一对冤家,遵守不确定性原理。当时间T控制在极其小的一刹那间时,能量就极其不稳定,会发生巨大的能量起伏,而这些瞬时出现的能量起伏并不是从我们这个世界现有的能量来的,而是完全靠不确定性原理凭空出现的,在瞬间这个能量起伏是违背能量守恒原理的。这些巨大的能量起伏会瞬时有消失的无影无踪,但在平均上维持能量守恒原理不被打破。这称为"量子态能量起伏"。 然而,这种量子太的能量起伏就是一个无因之果,违背传统的因果律。也就是说微观世界一直在沸腾着,到处都有神秘的能量产生来到我们的空间里,很快又消失。由于爱因斯坦的相对论告诉了我们能量与物质的转换关系,所以在微观世界里不断有"幽灵"般的物质出现又很快消失。 这种巨大的量子态能量起伏在物理上被称为"涨落",著名的宇宙暴涨理论就是根据这种量子太的能量涨落原理提出来的,以解释宇宙的"从无到有"和宇宙发展的"各向同性"。他们的出发点是,宇宙起源时,没有时间,没有空间,没有物质,当然也没有能量,只有数学控制的"不确定性原理"。在时间开始的一刹那间,产生能量极其巨大的涨落,也可以说是产生物质的巨大涨落。由于物质,时间,空间和引力那扯不断的关系,量子效应使得瞬间从"无"产生的宇宙迅速暴涨,然后就一切都发生了。所以,从根本上说,我们的宇宙就是违背因果律的,是从"无"中来的,物理上没有原因。 实际上,如果我们承认这种宇宙从无到有的生成论,我们看到的是不确定性原理产生了我们的宇宙,而不确定性原理只是一个原理,一个数学表达,一个数学思维。难道是数学思维产生了我们的物质世界? 这里我们还只看到的是不确定性原理和波函数的概率解释对因果律的冲击,不确定性原理还会引起更不可思议的结果,它将与后来的"互补原理"对我们传统理解的客观物理实在构成巨大的威胁。下面我们就要讨论玻尔的天才思想 – 互补原理,看看它是怎样更把这个世界搅的天昏地暗。 13。 光是波还是粒子,牵动了量子力学出现前从牛顿开始的物理学界几乎所有的牛派泰斗,到出现量子力学时,更是火上加油,连电子和一切微观粒子都被拉下了水,都成了波-粒大战的对象。 这很可怕! 当只是争论光时,我们还好受些,那就去争论光吧。但当把所有的微观粒子拉下水后,我们的处境就极其不妙了。我们这个世界的一切物质包括我们自己都是这些微粒组成的,如果组成我们的粒子是波,我们是什么? 我们就以电子为例。玻尔的电子跃迁,原子里的光谱,海森堡的矩阵力学的不连续性,更有电子通过狭缝打到感光屏幕上的小点,都说明电子是个粒子。但薛定谔的波动力学的连续性,还有电子在双缝实验中形成的干涉条纹,又都说明电子是波。 那么,电子到底是粒子还是波?你怎么看,电子都没法不是个粒子;你怎么看,电子都没法不是波。在这里,我们陷入了绝境。而波-粒大战又打得不可开交。 这时,天才的玻尔出手了。 他认为,既然电子没法不是个粒子,既然电子没法不是波,那么只有一种可能性,那就是:电子既是粒子,同时又是波!很简单,这就是玻尔提出的微观粒子的"互补原理"。 问题是,你不认为玻尔的说法过分吗?你能理解电子既是粒子,同时又是波这样的图像吗?粒子是硬棒棒的实体,波是一片难以琢磨的彩云般的幽灵,这能统一吗? 实际上波尔是在海森堡发现了微观粒子的不确定性原理后,逐渐发现了了这个惊世骇俗的互补原理。玻尔敏锐地意识到海森堡的不确定性原理,不光是在讨论不能同时确定粒子的动量和位置的问题,其背后隐藏着更加秘密,更加深远的意义。也就是说不确定性原理是个根本的普适的原理,在电子的动量和位置那里,一个量出现的越清晰,另外一个量就越模糊,此消彼长,不共戴天,又不可分离。在电子的波-粒两种特性方面,也是遵循不确定性原理,电子的粒子性越清晰,电子的波特性就越模糊,反之亦然,他们不共戴天,又不可分离,互补互存使得电子的特性成为完整。 继续,玻尔的思想是:电子在没有观察时是处于粒子性和波动性的一个混合叠加状态,而电子要表现出粒子性还是波动性,完全取决于我们想看到什么,也就是我们的测量方式。你要看到粒子性,就把电子打到荧光屏上,你就看到一个小点,你看到了粒子。如果你要看电子是波,也成,让电子通过双缝,你就看到了干涉图样,你看到了波。 这时候你可能要说,玻尔同学,你别给我这样胡搅蛮缠,照你说的,电子就是个幽灵,一会是粒子,一会儿又是波,完全取决于我们的观察方式,没有一个客观实在。你倒是告诉我,电子到底根本是什么吧,我不想跟你泡蘑菇。 玻尔的回答会使得你很愤怒,很想发疯。 玻尔的观点是:电子本来就没有一个客观实在,就是个幽灵,就是粒子性和波动性叠加起来的一个混合态幽灵。那种特性出现就是取决于我们的观察,而"电子真正的客观实在是什么"这样的提法根本就没有意义,我们的观察决定了电子是粒子还是波。 或许你认为玻尔这家伙肯定是疯了,这样的思维怎么能搞科学。但是,且慢下这样的结论,我来举个简单的例子,我们来看看玻尔的理论是否有道理。 著名的艺术家风满楼同学(绿岛掌柜)画过一幅白马图,曾经名动江湖。如果我要问大家,风同学画的那匹马颜色是什么?大家肯定异口同声回答:白色,如果你不是色盲的话。 但问题恰好就出在这里。 我们一般人,如果不是色盲,我们在普通光线下,也就是我们能感受的可见光波长在400到760纳米左右,在这个范围内,我们看到那匹马是"白色"。也就是说,我们首先选定了一个感受400到760纳米左右波长范围的仪器(我们的眼睛)来观察那匹马是"白色"。 现在我们把观察那匹马的观察者换了,换成了蜜蜂。蜜蜂的眼睛感受的光谱与我们正常人差别很大,它看不见比黄光波长还长的光,但对紫外线很敏感。蜜蜂看了半天那匹马,看到的是一匹"蓝紫色"的马。这时,如果蜜蜂会说话,我们就和蜜蜂争论了。我们说马是"白色",蜜蜂说马是"蓝紫色"。我们说我们明明看是"白色",蜜蜂说它明明看是"蓝紫色"。这样,从科学的角度讲,我们并没有比蜜蜂有优先权决定马是什么颜色,我们确实看到的"白色",蜜蜂确实看到的是"蓝紫色"。 这儿的关键问题是,当选取了不同的观察仪器(我们的眼睛和蜜蜂的眼睛),就得到了不同的颜色"白色"和"蓝紫色"。而马的颜色则完全取决于我们怎样观察马。当然,如果改变仪器的感光波长范围,我们就会得到其它不同的颜色。 这里,一个深刻的问题是,你已经不能说那匹马的"本来"颜色是什么了,它没有本来颜色。你说是"白色",前提是在人类眼睛的正常感光波长范围;而蜜蜂说是"蓝紫色",前提是在蜜蜂眼睛的感光波长范围;在其它感光波长范围的仪器观察下,马呈现不同颜色。所以,马"本来是什么颜色"这样的客观描述是不存在的,是没有意义的,马的颜色完全取决于观察方式。 这个思想又是一个很可怕! 当玻尔说电子(其实包括所有的微观粒子)是呈现粒子性或者波动性取决于我们想看到什么时,他是在告诉我们微观粒子根本就没有原本的客观存在,而微观粒子存在的表现形式完全取决于我们的观察方式。这种天才的思维在量子力学里会推广到我们整个的外部世界,都与我们的观察方式有关, 我们看看玻尔具体是怎么说的: "电子的'真身'?或者换几个词,电子的原型?电子的本来面目?电子的终极理念?这些都是毫无意义的单词,对于我们来说,唯一知道的只是每次我们看到的电子 是什么。我们看到电子呈现出粒子性,又看到电子呈现出波动性,那么当然我们就假设它是粒子和波的混合体。我一点都不关心电子'本来'是什么,我觉得那是没 有意义的。事实上我也不关心大自然'本来'是什么,我只关心我们能够'观测'到大自然是什么。电子又是个粒子又是个波,但每次我们观察它,它只展现出其中 的一面,这里的关键是我们'如何'观察它,而不是它'究竟'是什么。" 一旦我们的观察方式确定了, 电子就必须做出选择, 表现一种特性, 再也不能处以混合叠加特性的幽灵方式了。但究竟怎样定义这个"观察方式",大有学问, 是另外一个难缠的问题, 它会把"精神意识"引进物理学中来, 这个我们以后再论述。 玻尔的思想很难理解,很难被接受。你大可不必为自己的不能理解它而生气,而愤怒。实际上,比我们更愤怒的大有人在,他们的脑袋瓜比我们要聪明不知多少倍,他们就是以爱因斯坦为精神领袖的反对派阵营。 到此为止我们介绍了哥本哈根学派创立的正统量子力学的三大支柱:波恩对波函数的概率解释,海森堡的不确定性原理,以及玻尔的互补原理。前两个支柱挑战传统的因果律,后两个支柱挑战我们外部世界的客观实在性。 而以爱因斯坦为精神领袖的反对派阵营要为"因果律"和"外部世界的客观实在性"做"强有力的辩护",要与哥本哈根的正统量子力学阵营决一死战。一场震惊量子江湖的大决战即将拉开战幕,就是那个传说中的超一流"华山论剑"。 14. 哥本哈根学派以三大原理为根基,构筑了量子力学的坚实堡垒. 这三大根基是: 波恩的波函数的概率解释, 海森堡的不确定性原理, 和玻尔的互补原理. 前两个根基挑战传统的因果律, 后两个根基挑战物理世界的客观实在性. 正宗量子力学的解释就围绕这三大根基展开. 让我们看看哥本哈根学派对电子通过双缝的行为解释. 一个电子在双缝前受不确定性原理和互补原理控制,它没有行踪, 没有轨迹,是叠加态的"幽灵". 我们可以选择不同的观察方式让电子显出不同的特性来. 首先,我们选择任其通过双缝, 则电子的波动性占上风,它以某种方式同时通过了左狭缝和右狭缝,完全按照波动方程的波函数在空间,自我发生干涉. 然后,我们在双缝后放一个感应屏幕, 改变了观察方式, 这也就迫使以波为形式的电子转换它的特性, 因为我们要看电子的位置, 粒子性必须接管电子的特性. 这时在一刹那间, 电子突然从波动的分布状态凝聚成一个点出现在了屏幕的一个确定的位置上, 我们看到了粒子性. 这个位置遵守波恩的概率分布. 而电子从波动的空间分布突然凝聚成一点, 叫波函数的"坍缩" 实际上, 上面我们只是电子为例, 一切微观粒子都遵守这个规则. 由于我们的物质世界是由微观粒子组成的,那么我们的物质世界也是去取决于观察测量吗? 也没有客观实在性吗? 哥本哈根创立的量子力学对这些问题的回答是肯定的, 也就是说我们的物质世界也是去取决于观察测量, 没有客观实在性. 可想而知,这些革命性的思想受到人们巨大的反击是百分之一万二千肯定的. 15. 哥本哈根学派提出了他们的三大理论支柱, 完成了量子力学的解释框架. 其反对派阵营也积极地集聚力量, 要与哥本哈根学派决战. 对于反对派阵营的精神领袖爱因斯坦来说, 一个没有严格因果律的物理世界是不可想象的. 爱因斯坦认为, 物理规律应该统治一切, 物理学的简单明确性不可置疑: A导致了B, B导致了C, 而C又导致了D, 等等, 应该构成一个严格的链条. 他不能接受一个没有明晰原因的"随机性", 象哥本哈根学派的什么"概率解释"就没有原因, 什么"不确定性原理"就从理论上排出你同时准确知道微观粒子的动量和位置的可能性, 完全没有原因可寻. 令爱因斯坦更不能接受的是什么"不确定性原理"和"互补原理"联合起来否定物理世界的"客观实在"性, 而要依赖于什么"观察测量方式". 当年玻尔的原子模型提出电子在不同能级间的跃迁就是这种可恶的"随机性"而不遵守因果律, 爱因斯坦就非常反感, 他在1924年给波恩写信严厉地声言: "我决不愿意被迫放弃严格的因果性,并将对其进行强有力的辩护。我觉得完全不能容忍这样的想法,即认为电子受到辐射的照射,不仅它的跃迁时刻,而且它的跃 迁方向,都由它自己的'自由意志'来选择。"现在以玻尔为首的哥本哈根学派创立的量子力学以三大理论支柱为堡垒, 更加疯狂, 竟然要否定物理世界的客观实在性, "是可忍, 孰不可忍"! 哥本哈根学派门前遇到的挑战从此便层出不穷,永无宁日,谁叫他们要与这些超一流的高手为敌呢? 以电子为例。哥本哈根学派不是说电子在屏幕上打出一点是完全随机的,是完全概率分布的吗?这说明什么?这说明电子在屏幕上出现之前是没有连续轨迹的,如果有连续轨迹,我们就可以追寻这个轨迹,那么电子出现在屏幕上的点就是可以往前追寻原因的,那就不是完全随机的,是有连续原因的。如果可以追寻这个连续的原因,那么哥本哈根学派的纯粹"概率解释"理论上就不成立。而且,我们通过电子的这个连续轨迹,就可以既不但可以精确知道电子的瞬间位置,通过经过的时间记录我们也可以计算电子的精确速度(即动量)。这样,哥本哈根学派的第二大支柱"不确定性原理"也就跟着破产。 这可真是一箭双雕的高招阿!而现成的实验就有,反对派大喜过望,"真是天助我们也!" 那是在1911年,英国的科学家威尔逊发明了一种仪器,叫云室。它的工作原理是让微观粒子通过水蒸汽,当微观粒子过后,会以它们为中心凝结成一串水珠,而形成一条清晰可辩的轨迹,就象天空中的喷气式飞机在天空中留下一条白雾带一样。 反对派很高兴说,看,在威尔逊云室实验中,电子有连续的轨迹可寻,哥本哈根的解释宣告破产。然而当人们兴致勃勃地深入研究这种水珠的电子轨迹时,才发现大谬不然。原来宏观清晰可见的水珠式电子轨迹到了微观放大后不但变的模糊不清,而且再也不是连续的了,成了间断跳跃的虚线。这样不但没有打倒哥本哈根学派的理论,反而从某种意义上证明了人家的观点。 一计不成,再来一计。反对派这下就从电子通过双缝的实验着手。 哥本哈根学派不是说了吗?一个电子在双缝前受不确定性原理和互补原理控制,它没有行踪, 没有轨迹,是叠加态的"幽灵". 如果我们任其通过双缝, 则电子的波动性占上风,它以某种方式同时通过了左狭缝和右狭缝,完全按照波动方程的波函数在空间,自我发生干涉. 现在我们就不信这个邪,不信电子以某种方式"同时"通过了左狭缝和右狭缝,我们要用实验揭穿这个谎言。 实验是这样,在两个狭缝的任意一个上面安装仪器, 我们来测量电子通过了哪一个狭缝,看是否一个电子同时通过了双缝,就可以很容易揭穿哥本哈根学派的谎言。当然,这样的实验你肯定确实发现电子只通过了一个狭缝。反对派很高兴说, 看, 电子并没有同时通过两个狭缝,而是只通过了一个狭缝。 然而, 反对派又高兴的太早了。哥本哈根学派的解释给他们有力地回击出去。哥本哈根学派说,因为, 当你在一个狭缝上安装了仪器后, 你就是选择了另外一种观察方式, 暗示电子你要看电子的粒子性, 因为你要探测电子的位置是在哪个狭缝.。由于你想看电子的粒子性, 电子就显示其粒子性,只在一个狭缝出现。这时, 你会惊讶地发现, 由于你要看电子的粒子性, 电子就不会再显示波动性了, 你就看不到电子的干涉现象了。果然,电子不再形成干涉图案,而成了一个白条。 反对派又输了一招。这个实验又从某种意义上说明了我们的测量意图规定了电子显示什么特性, 电子也善解人意, 就顺着我们的意图显示我们想看的。 当然反对派的招数是层出不穷的,都让哥本哈根学派的解释给无情地反击了回去。反对派又在想,你们哥本哈根学派认为没有确定位置和动量的微观粒子,我们也好像是没有本领同时准确测量微观粒子的位置和动量(在花样繁多的各种尝试之后),但或许微观粒子是同时具有确定的位置和动量的,只是我们没办法测量罢了。 对反对派的这些意见,哥本哈根学派给予了有力的回击。他们认为,在物理上如果一个物理量不能被测量到,那么它就应该认为是不存在的,就象有人说他车库里有一条龙,但你摸不见,看不见,它也不留下任何痕迹,那我们就认为那条龙是不存在的。既然我们不能同时准确测量到微观粒子的位置和动量,我们就认为电子同时没有位置和动量。实际上,哥本哈根学派走的更远,他们把外界物理世界和我们的测量方式连接起来,连存在一个脱离我们的观察测量的客观外部世界都不承认。 哥本哈根学派与反对派的不断冲突和局部战争终于酿成了一场面对面的激战,华山论剑的日子终于来临了。 16。 华山论剑的地方选在了美丽的欧洲名地布鲁塞尔,虽然不在西岳华山。时间是1927年,在那个载入史册的第五届索尔维会议上。 哥本哈根学派出动了强大的阵容参战,以玻尔为领袖,波恩,海森堡,泡利等战将一同前往,剑桥的约尔当因故未能出席。反对派阵营也有同等强大的阵容,以爱因斯坦为领袖,赫赫有名的德布罗意和薛定谔为战将。初了这两派势不两立的势力外,当然还有其它各色门派,我们不去管他们了。这些量子物理学方面的重量级人物面对面较量,从一开始就注定了这场华山论剑必定震动江湖,也必定青史留名。据说后来江湖上一直流传的那张神秘的"物理学全明星梦之队"的照片就是这次华山论剑的见证。 比剑从一开始气氛就很火爆,真是仇人相见,分开眼红。想想从前,都是打的笔墨官司,你来我往,总要借助学术杂志等媒体,费时费力,又多有误会,使人总觉得不那么痛快淋漓,不能过瘾。现在,同处一室,短兵相接,兵来将挡,水来土淹,沧海横流,方显英雄本色,好不畅快。 开始时,双方的主帅都在冷静观阵,任凭各自的战将互相撕杀。 爱因斯坦阵营的战将德布罗意首先挺枪出马,来个精彩的阵前亮相。他狠狠地抨击哥本哈根学派的关于电子粒子性和波动性的互补解释,完全不同意这种放弃客观存在性的离经叛道思维。德布罗意亮出他多年的看家本领,认为电子本身就是一个波,而粒子性可以看作是波动方程的一个奇点,他提出一种"导波"的思想,正是这个紧紧围绕电子的"导波"在无限空间中随处分布,来指导电子的一切行为。 德布罗意的思想受到了哥本哈根学派第一狙击手泡利的凌厉反击,泡利旁征博引,从理论从实验两方面对德布罗意猛烈轰击,德布罗意招架不住,一路败下阵来。 爱因斯坦阵营的薛定谔眼看己方的德布罗意兄狼狈败北,急忙催马出阵来援。遗憾的是,哥本哈根的泡利火力太猛,又有波恩和海森堡在旁助阵,薛定谔对德布罗意兄也无力回天。薛定谔的助阵力度连德布罗意自己也不满意。 随着战局的深入,哥本哈根学派逐渐占了绝对的上风,他们竟然扬言:"量子力学是一种完备的理论,它的基本假设和数学假设是不能进一步修改的。"在反对派的败相面前,哥本哈根学派更是乘胜追击,对薛定谔的"电子云"思想大加抨击。最后迫使薛定谔承认自己的"计算还不太令人满意"。 对这场硝烟弥漫的混战中,爱因斯坦开初一直保持着可怕的沉默。但他最后忍不住了,便迅猛出击。 爱因斯坦不愧是个久经战阵的超一流好手,一出手便剑法凌厉,快捷,有力。他首先提出了一个模型:一个电子通过一个小孔得到衍射图像,对哥本哈根的电子概率分布解释进行无情的攻击。他指出,哥本哈根的随机性解释表明,"同一个过程会产生许多不同的结果,而且这样一来,感应屏上的许多区域就要同时对电子的观测作出反应,这似乎暗示了一种超距作用,从而违背相对论。"不光这些,爱因斯坦在后面几天的会议中不断地提出各种思想实验来证明量子理论有重大错误。 在爱因斯坦的精纯剑法面前,哥本哈根阵营的波恩,海森堡和泡利基本都退居二线,爱因斯坦阵营的德布罗意和薛定谔也退居二线,只有哥本哈根阵营的主帅玻尔从幕后走向前台力敌敌方主帅,成了两大巨头的单挑决斗。一时间两大掌门龙虎相争,各出奇招,变幻莫测,打得是天昏地暗,月落星稀。 然而,尽管爱因斯坦当年凭一己之力就提出了震惊江湖的相对论,在量子革命初期也是一招惊江湖,其内力其剑术已经是炉火纯青,如入化境,但敌方主帅玻尔总能在烟雾缭绕的险境中找到反击的招数,将爱因斯坦的攻击化为乌有。在这些思维较量中,爱因斯坦终于败下阵来,他输的很惨。 但爱因斯坦并不服气,尽管从量子理论的自洽方面,他没能攻破敌方的阵营,但他认为量子力学是错的,他虔诚地坚信因果律,他不相信"上帝会掷骰子",他不相信量子力学的概率解释,不确定性,和互补原理。在1926年写给波恩的信里,他说:"量子力学令人印象深刻,但是一种内在的声音告诉我它并不是真实的。这个理论产生了许多好的结果,可它并没有使我们更接近'老头 子'的奥秘。我毫无保留地相信,'老头子'是不掷骰子的。" 夕阳西下,古道秋风,残阳如血。爱因斯坦和他的勇士们擦干了身上的血迹,提枪上马,他们要苦练神功,再战哥本哈根学派,与量子理论不共戴天,誓与经典理论共存亡。 1930年,爱因斯坦在闭门苦练三年后,再度向哥本哈根学派的量子力学重拳出击。他用自己的独门绝技相对论,设计了一个电子箱思想实验,力图釜底抽薪从理论上重创量子力学的核心基础 – 不确定性原理。那成想,哥本哈根学派的掌门人玻尔,大智若愚,重剑无锋,大巧不工,以其人之道还治其人之身,硬生生地用爱因斯坦的独门绝技相对论把爱因斯坦给挡了回去,砸的爱因斯坦吐血。 然而,爱因斯坦虽败犹荣,让我们见证了这位物理大师的精湛武功,精奇招数和横溢才气。也见证了玻尔这位量子力学开山鼻祖的致密思虑,深远视野和敏捷才智。他们两位旷世奇才的这次比拼实为江湖上所罕见。 既生爱,何生玻? 毕竟爱因斯坦不是周瑜,他不会给玻尔气死。爱因斯坦还要向哥本哈根学派的量子力学投掷出一个威力无比的手雷-EPR佯谬,薛定谔也趁机放出了他那驯养多年的"毒猫",量力江湖不断地出现着高智慧的较量。有爱因斯坦在,哥本哈根学派就永无宁日,玻尔也永无宁日。直到爱因斯坛去世,他和玻尔的论战还没有结束。到上世纪八十年代,一系列精巧的实验才给玻尔和爱因斯坦的世纪之争,做出了最后的决定性裁决,才真正用实验解答了爱因斯坦的EPR 佯谬,爱因斯坦彻底地错了,但他却不能看到那个决定性的实验。这是后话,我们这里暂且按下不表,我们先看看令量子江湖"谈猫色变"、"闻猫丧胆"的薛定谔的"猫"。 17。 华山论剑及之后的较量,都没能摧毁哥本哈根学派创立的量子力学及其解释,量子力学反而更被很多人普遍接受。爱因斯坦也无力回天,当他和同事们提出EPR佯谬时,不再提量子力学是错误的,而是改成量子力学是不完备的,存在解释的漏洞。这时,薛定谔非常高兴,趁机放出了他那驯养已久的"猫",要来撕裂哥本哈根学派的灵魂,其论文在1935年发表。 薛定谔这样来建立他的挑战:根据哥本哈根学派的解释,一个微观粒子在没有被观察测量前,这个粒子是处于一个模棱两可的叠加态,象个幽灵。只有观察测量后,微观粒子才从幽灵的叠加混合状态坍缩成物理实在。很好,那我们就来设计一个实验来拆穿这个谎言。 我们设计一个不透明的密闭箱子,箱子里放一个猫进去,再放一个放射性原子进去,还放一瓶巨毒的毒气。进一步,我们有一个非常巧妙的理想装置也在箱子里面(反正是思想实验,你想是什么装置都成),这个理想装置受放射性原子衰变出来的中子控制。如果放射性原子衰变出中子,这个中子就会启动那个理想装置,而理想装置就把毒气瓶打开,放出毒气,猫就一命呜呼,魂归西天。如果放射性原子不衰变,就不会有中子,理想装置也不启动,毒气就不放出来,猫就幸福地活着。 现在我们用哥本哈根学派创立的量子力学来解释这个实验。放射性原子是微观粒子,符合哥本哈根学派的量子力学描述对象。那么在我们还没打开箱子观察测量之前,这个放射性原子处于幽灵状态,确切地说,它处于衰变与不衰变中子的叠加态,或者说两可态。正因为这样,那么理想装置也处于打开和不打开毒气瓶的两可混合态,进而,猫也就处于被毒死和活着的两可混合态。只有当我们打开箱子观察测量的那一瞬间,一切才从两可的混合态坍缩,或者看到死猫,或者看到活猫,两者比居其一。 薛定谔这下高兴了。他要看哥本哈根学派的笑话,他说,我就不打开箱子观看,我就让那个可怜的猫处于要死要活、半死不活、又死又活的两可混合叠加态。要说这么折磨这个可怜的猫,那全是哥本哈根学派的功劳,谁让他们发明那些古怪的量子力学解释呢? 同学们,你们大家能想象得出一个处于死和活的两可混合叠加状态猫吗?薛定谔真是够狠的,这种撕裂我们理性思维的绝活就他能干出来。 在这个绝活面前,哥本哈根学派也没脾气,只能硬着脖子说:就是那样,谁让你用猫来做实验呢? 其实,这不是用不用猫来做实验的问题。薛定谔的猫只是把哥本哈根学派的解释从微观粒子世界拉到了我们宏观世界而已。哥本哈根学派的三大解释,不确定性原理、互补原理和概率解释就以这样的形式影响到了我们所处的世界,影响到了我们的生活层面。也就是说,按照哥本哈根学派创立的量子力学及其解释,我们周围的一切,如果没有被观察测量时,都是处于一个叠加的混合幽灵状态,只有观察测量才使得这一切瞬间成为实在。 这也太玄了吧? 玄是玄了点,但想想也不太算离谱,因为有人早就这样想过。据说中国文化中的心学大师王阳明就说过:"你未看此花时,此花与汝同归于寂;你来看此花时,则此花颜色一时明白起来",就是说你看花时花才是花,没看时什么都不是 。好象西方有位贝克莱主教也有句名言:"存在就是被感知",也就是说,你感知了才有了存在,你没感知时就什么都不是。这些都与哥本哈根学派创立的量子力学解释有异曲同工之妙。 虽然我们这里说着,觉得好玩,但在物理学上却不象我们说说这么惬意。悄悄地,一只令玻尔也胆战心惊的"意识猛兽"站在了哥本哈根学派的面前。 18。 前面我们已经述及哥本哈根学派创立的量子力学有三大解释理论支柱:不确定性原理,互补原理和概率解释,这适用于任何微观粒子,我们就特别以电子为例。 互补原理是说,在我们没有观察测量之前,电子本身什么都不是,它就是一个"幽灵",按照薛定谔的波动方程发展 。当我们一旦采取某种方式观察测量这个电子时,不确定性原理起作用,给我们展现电子的某一种特性,由概率解释来跳出一个实际的结果供我们观察。电子由幽灵状态突然变成可观察的实际状态的过程,称为"波函数的坍缩"。 这里出现了两种截然不同的图景。在没有观察测量前,电子是一个幽灵处于各种特性的混合叠加状态,严格按照方程发展,是个连续的过程,数学上是可逆的。但当观察测量发生后,波函数坍缩了,一个确定的状态出现了,是不可逆的,而这个确定状态的出现是完全随机的,概率性的。 现在的问题是,是什么东西,或者什么机理使得波函数坍缩,然后产生了这么巨大的变化,使得一个幽灵变成了实在? 同学们可能说了,这不很简单吗?前面不是说观察测量使得波函数坍缩吗?不是观察测量使得幽灵电子出现了我们想看到的物理特性吗? 你说的对,是测量观察使得波函数坍缩了。但问题是这个观察测量怎么定义?我们拿眼睛看算观察测量,还是要用仪器才算观察测量? 首先我们考虑仪器的测量算观察测量。其实这不用我们来考虑,有位天才的大脑已经为我们考虑过了,这个天才的大脑就是伟大的冯诺伊曼。他是现代计算机的奠基人之一,非常杰出的一位数学家,在量子力学的发展中贡献卓著,于1932年出版了他的名著《量子力学的数学基础》。 冯诺伊曼详细考察了量子力学中遇到的这个观察测量难题,提出一种理论叫"无限后退理论"。他的理论大概是这样的:假设电子波函数的坍缩是由我们观察测量电子的仪器(例如仪器A)引起的,那么这个仪器A就需要另外的仪器B来测量,才能使得A自己的波函数坍缩成为实体,因为A本身也是由无数微观粒子组成,有自己的波函数需要首先坍缩。这样我们将B仪器拉进来了去坍缩A的波函数,但问题是,B仪器的波函数也需要其它仪器C来坍缩。 这样就麻烦了,我们需要一系列的仪器的波函数先坍缩,直到我们无限后退,总有仪器没有别的仪器来坍缩它的波函数。这样,整个链条就轰然倒塌了,波函数都没法坍缩。如果我们继续思考整个宇宙物质这个大体系,它的波函数由什么仪器来观察测量使其波函数坍缩? 真的麻烦了。显然,认为一个电子的波函数坍缩是由测量仪器造成的这个论点在理论上站不住脚。 这里大家要小心了,继续的思考就会引出更大的麻烦,你会非常震惊,可能都不相信自己的理智推理能力了。 好,大家稳住神,我们继续推理,管它刀山火海。 19。 在我们的电子双缝实验中,当我们选取了一种测量方式,确定了我们想要看到电子的某种特性后,我们就看到了电子的这种特性,电子的波函数就从幽灵状态坍缩了,一切结束。如果我们排除了物理的测量仪器使得电子波函数坍缩这个可能性(前边伟大的冯诺伊曼已经给我们做了),那还剩下那种可能性? 我们只剩下"精神意识"!对,是我们的"精神意识"使得我们要观察的电子波函数坍缩了!"精神意识"被引进了物理学中来,是它创造了物质的实在性! 我想现在很多同学已经很愤怒了,为我把"精神意识"说成是微观粒子幽灵变成物质实在需要的波函数坍缩的原因而愤怒。 我很理解同学们的愤怒,我也很愤怒。我愤怒的原因是,前面的推论不是我的推论,那是一个鼎鼎大名的量子力学名家的推论,他获得过诺贝尔物理学奖,他就是伟大的尤金·维格纳! 这个维格纳是20世纪最伟大的物理学家之一,也是量子力学的奠基人之一。他与前面提到的天才冯诺伊曼是一对互补的搭档,一个在数学上绝顶聪明,一个在物理上绝顶聪明。正是这两个绝顶,一个排除了仪器使得波函数坍缩的可能性,另外一个把"精神意识"引进来了。 维格纳论证,精神意识作用于外部世界,使得波函数坍缩很好理解。因为外部世界能引起我们精神意识的改变,说明外部世界和我们的精神意识能发生某种微妙的作用,那么我们的精神意识能作用于外部世界也就不是什么大问题,因为牛顿定律告诉我们,作用与反作用总是相辅相成的。维格纳的论文题目是《对于灵肉问题的评论》,收入他1967年的论文集里。 实际上,精神意识与物质的相互作用问题是个非常有意义的科学问题。试想想我们的精神意识是怎样与我们的身体行为相作用的。我们的头脑中出现一个思想说想上网,我们的手就去打开计算机,联网,然后上网。现在的问题是,作为精神意识的思想,是通过什么机理与我们身体的各种敏感元件作用的,去触动这些敏感元件发出信号,使得我们能完成各种动作? 不管怎么样,维格纳从哥本哈根学派的正统量子力学理论中推论得出结论,精神意识使得微观粒子从幽灵的量子叠加态坍缩成为真正的物理现实。但这使得我们要面对更加难缠的严峻问题,非常挑战我们的理性思维的极限。因为我们马上就会想到,当我们人类还没有来到这个世界上时,我们的宇宙是怎样从幽灵状态坍缩成为物理实在的? 对这个问题,爱因斯坦的同事,玻尔的密切合作者,著名物理学家约翰-惠勒提出了一个相当令人吃惊的构想,会使得各位同学们气的闭过气去。 那是1979年在爱因斯坦诞辰100周年的纪念会上,惠勒提出了一个独特的实验设想,使得电子双缝实验能出现一个惊人的结果,那就是当电子已经通过了双缝之后,实验人员再来选定是要电子通过一条缝还是两条缝。 同学们没有必要去思考他的实验是怎样设计的,我们只要明白惠勒这个实验的精髓就行,那就是当结果发生之后,我们再决定怎样使得这个结果发生。一句话就是,结果在前,引起这个结果的原因在后。这个实验被称为"逆动因果"或者"延迟决定"实验。这个实验如果成功,就意味着以玻尔为首的哥本哈根学派的量子力学解释是对的,而爱因斯坦是错的。 是否大家的理性听着这个思想就想发疯?前段时间在一个论坛上,有人听说了这个事后,就说"惠勒"是个神经病。 惠勒当然不是"神经病",他是著名的物理学家。在他的天才思想提出后五年,美国马里兰大学的物理学家就作出了这个实验,结果与玻尔的量子力学预言相一致,与爱因斯坦的预言相反。很快,德国慕尼黑大学的一个研究组也作出了相似的结果。 根据这个思想,惠勒他们提出一个宇宙创生模型,叫"参与性宇宙"模型。就是说我们人类的精神意识以某种方式倒回去参与了还没有我们人类时的宇宙实在生成过程,而后来才有了我们人类自己,包括我们的精神意识。 这个模型是个怪圈。尽管有那些"逆动因果"的实验作为基础,但我不相信这个宇宙生成模型。原因是,那些实验室中的"逆动因果"的实验是我们精心安排的,但现在是谁精心安排没有我们人类之前的宇宙生成这样的伟大实验呢? 或许,上帝的精神意识才是宇宙实在生成的根本原因。 不管怎么样,"精神意识"创造了我们外界的物理实在的奇妙思想激起了不少物理学家的热情和好奇心,他们沿着维格纳的方向继续前进,其中的佼者包括美国伯克利劳伦斯国家物理实验室的物理学家亨利?斯塔普和阿姆斯特丹大学的比尔曼,他们试图用理论和实验来支持他们的研究,我们只能拭目以待。 虽然从量子力学的正统哥本哈根解释出发,精神意识被引进了物理学的殿堂,但这令很多人不舒服,就像爱因斯坦一样。一个新的思想被提了出来,要对抗这种"精神意识"引起波函数坍缩的解释,这就是"平行多宇宙"理论。但令人意想不到的是,这个理论却导致了骇人听闻的"量子自杀"和"灵魂永生"困境。 20。 根据哥本哈根学派的正统量子力学解释,伟大的维格纳堂而皇之地把"精神意识"引入到了物理学的殿堂里。虽然物理学家们没有太多的理由去反驳维格纳的前卫,甚至很有不少人顺着这条路子摸索前行,例如惠勒提出的"逆动因果"的"参与模型",及后来者包括美国伯克利劳伦斯国家物理实验室的物理学家斯塔普和阿姆斯特丹大学的比尔曼等的理论及实验。 但是,把"精神意识"引入还是令很多物理学家不舒服,因为这与他们曾经信奉的客观物理实在性不一致。虽然,爱因斯坦等科学大师们已经在反对量子力学的道路上一输再输,可以说头破血流。但勇士们的信仰使得他们仍然会前仆后继,奋战不休。 也难怪,量子力学的思想太颠覆,太革命,太反传统,无疑会受到无休无止的攻击。可能从量子力学诞生的那天起,就注定了它要将物理学搞得天昏地暗,也注定对它的挑战会绵延不断。 我们仔细分析一下为什么精神意识会被伟大的维格纳堂而皇之地引入到了物理学的殿堂里?就是因为量子力学提出了波函数坍缩这个解释。那么为了避免"精神意识"的引入,那些反对派物理学家就认定,只有从波函数坍缩这一概念下手方可成功。 按照哥本哈根学派的解释,在波函数坍缩前,一切微观粒子不是处于模棱两可的线性叠加混合态吗?那我们就假定这些模棱两可的线性叠加混合态跟观察测量没有关系,它本身描述的就是不同的实际状态,只不过我们只能看到其中的某一态而已。每次对那怕一个粒子的小小的观察测量都使得包含这个粒子的宇宙以众多可能的状态分裂,成为多个宇宙。这个理论叫"平行多世界理论",是由物理学家埃弗莱特在1954年提出的,他是爱因斯坦的忠实信徒。 就以薛定谔的猫为例。在"平行多世界理论"中,猫并没有处于什么死和活的叠加状态,而是一旦原子衰变,就产生了两个世界,一个世界里猫是死的,另外一个世界里猫是活的,因为猫死猫活就两个状态。我们观测是只能看到一个状态,要么猫死,要么猫活,因为宇宙分裂时我们也分裂了,要么在猫死的世界里,要么在猫活的世界里。 如果这个"平行多世界理论"是正确的,那么宇宙中的任何粒子的微小动作都有不同的可能状态,宇宙就跟着分裂,这样从宇宙创生到现在的一两百亿年中,宇宙已经分裂成了无穷无尽多的世界,我们在有生之年也被分裂到无穷多其它世界中去了。在不同的世界里,我们过着不同的生活,有不同的人生轨迹。 想想也挺好。如果在这个世界里,我深深地、刻骨铭心地爱着一个人,但由于某种现实的原因,我不能与心爱的人结合,有了这个"平行多世界理论",我们就会出现在其它无穷多的世界里,总有某些世界里我们可以如愿以偿,结合在一切,过着甜蜜而美好的生活。 这个"平行多世界理论"为了一个小小电子的跃迁,就把整个宇宙拖下水,让宇宙分裂,也没有太多令人信服的理由,更没有实验上的任何支持,但是由于它把"精神意识"排除在了物理学的外边,世界又成为了客观的外部世界,就获得了不少物理学家的支持。看来有时候科学界也不是那么客观,信仰的作用可以使得一些人强烈地反对一种理论(如爱因斯坦等),也可以使很多人支持一个没有多少依据的理论。这次爱因斯坦却相反,他非常反对"平行多世界理论",曾不无调侃地说:"我不能相信,仅仅是因为看了它一眼,一只老鼠就使得宇宙发生剧烈的变化"。 然而,就在"平行多世界理论"的倡导者和支持者高兴的时候,一个"灵魂不死"的幽灵随着可怕的"量子自杀"悄悄地出现了。 21。 量子力学已经带给我们太多的奇迹和困惑,我想大家可能都已经疲倦了这些量子革命的疯狂思想和各种无休无止的挑战。我不打算仔细介绍"平行多世界理论"遇到的"量子自杀"和"灵魂不死"的困境,只是给大家提一下。 令人毛骨悚然的"量子自杀"实验上上世纪80年代有两位物理学家提出,后在1998年被宇宙学家提格马克广为宣传。 这个实验是把薛定谔的猫实验中的猫还成了某个愿意为科学现身的仁人志士。根据哥本哈根的量子力学,这个实验中的同志,在箱子打开前是处于不死不活的叠加态;一旦箱子打开,这个同志不活就死,二者必选其一。 但到了"平行多世界理论"这里,每次实验,都要同时产生两两个结果,一个活人世界,一个死人世界。 或许大家刚才听过了"平行多世界理论"的世界裂变,不觉得这个"量子自杀"实验有什么稀奇。但你仔细想想就有了问题。 在"平行多世界理论"任何一次实验,或者选择,都会产生各种不同结果,使得宇宙分裂成不同的世界。那么我们想想,如果一个人想自杀,在自杀的一瞬间,总有两个结果,一个是这个人死了,另外一个就是这个人还活着,只不过在不同的世界里。同样的推理,我们只要来到这个宇宙里,无论我们是生老病死,或者自杀,或者他杀,当那个时间发生时,总有一个世界里我们是不死的。如果我们继续推理,那我们就不会完全从这个宇宙里消失,总会在某个世界里活着。 这就是"平行多世界理论"导致的"灵魂永生"问题。 这是否真有点乱套了,我们为了逃避"精神意识"进入物理学的殿堂,才提出"平行多世界理论",怎么七拐八拐又出现了"灵魂永生"的绝境? 算了,我不想管这些事情了,爱因斯坦攻击量子力学的EPR佯谬我也不想讲了,判定爱因斯坦EPR佯谬的神秘不等式及其爱因斯坦败北的最终决定性的实验我也不想讲了,其它诸多挑战哥本哈根量子力学解释的各种新理论,我也不想讲了。因为我累了,爱谁谁去。反正,我知道玻尔后来也累了,对任何新的挑战都麻木不仁,也是爱谁谁去。 但我负责地告诉大家,哥本哈根学派创立的量子力学至今还是屹立不倒,在最新的超弦理论里和更新的M理论里,哥本哈根学派创立的量子力学仍然是基础。将来量子力学会否被推翻,我不知道。 管它呢,爱谁谁去。本掌柜也潇洒一回!呵呵。(不知道什么时候,本掌柜可能又心动了,把最后一集的惊心动魄整理出来。) 附录一 花花公子德布罗意 量子物理的传奇人物:花花公子德布罗意 Resource: http://www.chinagonet.com/main/view_post.php?pid=2316090 一 故事发生在二十世纪初的法国。 巴黎。 一样的延续着千百年的灯红酒绿,香榭丽舍大道上散发着繁华和暧昧,红磨坊里弥漫着躁动与彷徨。 而在此时的巴黎,有一个年轻人,名字叫做德布罗意(De Broglie),从他的名字当中可以看出这是一个贵族,事实上德布罗意的父亲正是法国的一个伯爵,并且是正是一位当权的内阁部长。这样一个不愁吃不愁穿只是成天愁着如何打发时光的花花公子自然要找一个能消耗精力的东西来磨蹭掉那些无聊的日子(其实象他这样的花花公子大约都会面临这样的问题) 德布罗意则找到了一个很酷的"事业"——研究中世纪史。据说是因为中世纪史中有着很多神秘的东西吸引着这位年轻人。 时间一转就到了1919,这是一个科学界急剧动荡动着的年代。就在这一年,德布罗意突然移情别恋对物理产生了兴趣,尤其是感兴趣于当时正流行的量子论。 具体来说就是感兴趣于一个在当时很酷的观点:光具有粒子性。 这一观点早在十几年前由普朗克提出,而后被爱因斯坦用来解释了光电效应,但即便如此,也非常不见容于物理学界各大门派。德布罗意倒并不见得对这一观点的物理思想有多了解,也许他的理解也仅仅就是理解到这个观点是在说"波就是粒子"。 或许是一时冲动,或许是因为年轻而摆酷,德布罗意来到了一派宗师朗之万门下读研究生。 从此,德布罗意走出了一道足以让让任何传奇都黯然失色的人生轨迹。 二 历史上德布罗意到底花了多少精力去读他的研究生也许已经很难说清,事实上德布罗意在他的5年研究生生涯中几乎是一事无成。事实上也可以想象,一个此前对物理一窍不通的中世纪史爱好者很难真正的在物理上去做些什么。 白驹过隙般的五年转眼就过去了,德布罗意开始要为他的博士论文发愁了。 其实德布罗意大约只是明白普朗克爱因斯坦那帮家伙一直在说什么波就是粒子,(事实上对于普朗克大约不能用"一直"二字,此时的普朗克已经完全抛弃自己当初的量子假设,又回到了经典的就框架。)而真正其中包含的物理,他能理解多少大约只有上帝清楚。 五年的尽头,也就是在1924,德布罗意终于提交了自己的博士论文。 他的博士论文只有一页纸多一点,不过可以猜想这一页多一点的一份论文大约已经让德布罗意很头疼了,只可惜当时没有枪手可以雇来帮忙写博士论文。 他的博士论文只是说了一个猜想,既然波可以是粒子,那么反过来粒子也可以是波。 而进一步德布罗意提出波的波矢和角频率与粒子动量和能量的关系是: 动量＝普朗克常数/波矢 能量＝普朗克常数*角频率 这就是他的论文里提出的两个公式 而这两个公式的提出也完全是因为在爱因斯坦解释光电效应的时候提出光子的动量和能量与光的参数满足这一关系。 可以想象这样一个博士论文会得到怎样的回应。 在对论文是否通过的投票之前,德布罗意的老板朗之万就事先得知论文评审委员会的六位教授中有三位已明确表态会投反对票。 本来在欧洲,一个学生苦读数年都拿不到学位是件很正常的事情,时至今日的欧洲也依然如此。何况德布罗意本来就是这么一个来混日子的的花花公子。 然而这次偏偏又有些不一样-德布罗意的父亲又是一位权高望众的内阁部长,而德布罗意在此厮混五年最后连一个Ph.D都没拿到,双方面子上自然也有些挂不住。 情急之中,朗之万往他的一个好朋友那里寄了一封信。 当初的朗之万是不是碍于情面想帮德布罗意混得一个PhD已不得而知,然而事实上,这一封信却改变了科学发展的轨迹。 三 这封信的收信人是爱因斯坦。 信的内容大致如下: 尊敬的爱因斯坦阁下: 在我这里有一位研究生,已经攻读了五年的博士学位,如今即将毕业,在他提交的毕业论文中有一些新的想法……………… 请对他的论文作出您的评价。 另外顺便向您提及,该研究生的父亲是弊国的一位伯爵,内阁的＊＊部长,若您……,将来您来法国定会受到隆重的接待 朗之万 在信中,大约朗之万的潜台词似乎就是如果您不肯给个面子,呵呵,以后就甭来法国了。 不知是出于知趣呢,还是出于当年自己的离经叛道而产生的惺惺相惜,爱因斯坦很客气回了一封信,大意是该论文里有一些很新很有趣的思想云云。 此时的爱因斯坦虽不属于任何名门望派,却已独步于江湖,颇有威望。有了爱因斯坦的这一封信,评审委员会的几位教授也不好再多说些什么了。 于是,皆大欢喜。 浪荡子弟德布罗意就这样"攻读"下了他的PhD(博士)。 而按照当时欧洲的学术传统,朗之万则将德布罗意的博士论文印成若干份分寄到了欧洲各大学的物理系。 大约所有人都以为事情会就此了结,多少年以后德布罗意那篇"很新很有趣"博士论文也就被埋藏到了档案堆里了。 德布罗意大约也就从此以一个PhD的身份继续自己的浪荡生活。 但历史总是喜欢用偶然来开一些玩笑,而这种玩笑中往往也就顺带着改变了许多人的命运。 在朗之万寄出的博士论文中,有一份来到了维也纳大学。 四 1926年初。 维也纳。 当时在维也纳大学主持物理学术活动的教授是德拜,他收到这份博士论文后,将它交给了他的组里面一位已经年届中年的讲师。 这位讲师接到的任务是在两周后的seminar(学术例会)上将该博士论讲一下。 这位"老"讲师大约早已适应了他现在这种不知算是平庸还是算是平静的生活,可以想象,一个已到不惑之年而仍然只在讲师的位置上晃荡的人,其学术前途自然是朦胧而晦暗。而大约也正因为这位讲师的这种地位才使得它可以获得这个任务,因为德拜将任务交给这位讲师时的理由正是"你现在研究的问题不很重要,不如给我们讲讲德布罗意的论文吧"。 这位讲师的名字叫做——薛定谔(Schrodinger) 在接下来的两周里,薛定谔仔细的读了一下德布罗意的"博士论文",其实从内容上来讲也许根本就用不上"仔细"二字,德布罗意的这篇论文只不过一页纸多一点,通篇提出的式子也不过就两个而已,并且其原型是已经在爱因斯坦发表的论文中出现过的 。 然而论文里说的话却让薛定谔一头雾水,薛定谔只知道德布罗意大讲了一通"波即粒子,粒子即波",除此之外则是"两个黄鹂鸣翠柳"-不知所云。 两周之后,薛定谔硬着头皮把这篇论文的内容在seminar上讲了一下,讲者不懂 ,听者自然也是云里雾里,而老板德拜则做了一个客气的评价: "这个年轻人的观点还是有些新颖的东西的,虽然显得很孩子气,当然也许他需要更深入一步,比如既然提到波的概念,那么总该有一个波动方程吧" 多年以后有人问德拜是否后悔自己当初作出的这一个评论,德拜自我解嘲的说"你不觉得这是一个很好的评论吗?" 并且,德拜建议薛定谔做一做这个工作,在两周以后的seminar上再讲一下。 两周以后。 薛定谔再次在seminar上讲解德布罗意的论文,并且为德布罗意的"波"找了一个波动方程。 这个方程就是"薛定谔方程"! 当然,一开始德布罗意的那篇论文就已经认为是垃圾,而从垃圾产生出来的自然也不会离垃圾太远,于是没人真正把这个硬生生给德布罗意的"波"套上的方程当一回事,甚至还有人顺口编了一首打油诗讽刺薛定谔的方程: 欧文用他的psi,计算起来真灵通:但psi真正代表什么,没人能够说得清。 (欧文就是薛定谔,psi是薛定谔波动方程中的一个变量) 故事的情节好像又一次的要归于平庸了,然而平庸偏偏有时候就成了奇迹的理由。 大约正是薛定谔的"平庸"使得它对自己的这个波动方程的平庸有些心有不甘,他决定再在这个方程中撞一撞运气。 五 上面讲到的情节放到当时的大环境中来看就好像是湖水下的一场大地震——从湖面上看来却是风平浪静。 下面请允许我暂时停止对"老"讲师薛定谔的追踪,而回过头来看一看这两年发生物理学界这个大湖表面的风浪。 此前,玻尔由普朗克和爱因斯坦的理论的启发提出了著名的"三部曲",解释了氢光谱,在这十几年的发展当中,由玻尔掌门的哥本哈根学派已然是量子理论界的"少林武当"。 1925,玻尔的得意弟子海森堡提出了著名的矩阵力学,进一步抛弃经典概念,揭示量子图像,精确的解释了许多现象,已经成为哥本哈根学派的镇门之宝——量子届的"屠龙宝刀"。不过在当时懂矩阵的物理学家没有几个,所以矩阵力学的影响力仍然有限。事实上就是海森堡本人也并不懂"矩阵",而只是在他的理论出炉之后哥本哈根学派的另一位弟子玻恩告诉海森堡他用的东西在数学中就是矩阵。 再回过头来再关注一下我们那个生活风平浪静的老讲师薛定谔在干些什么—— 我指的是在薛定谔讲解他的波动方程之后的两个星期里。 事实上此时的他正浸在温柔乡中——带着他的情妇在维也纳的某个滑雪场滑雪。 不知道是宜人的风景还是身边的温香软玉,总之是冥冥之中有某种东西,给了薛定谔一个灵感,而就是这一个灵感,改变了物理学发展的轨迹。 薛定谔从他的方程中得出了玻尔的氢原子理论! 六 倚天一出,天下大惊。 从此谁也不敢再把薛定谔的波动方程当成nonsense(扯淡)了。 哥本哈根学派的掌门人玻尔更是大为惊诧,于是将薛定谔请到哥本哈根,详细切磋量子之精妙。 然而让玻尔遗憾的是,在十天的漫长"切磋"中,两个人根本都不懂对方在说些什么。在一场让两个人都疲惫不堪却又毫无结果的"哥本哈根论剑"之后,薛定谔回到了维也纳,薛定谔回到了维也纳之后仍然继续做了一工作,他证明了海森堡的矩阵力学和他的波动方程表述的量子论其实只是不同的描述方式。 从此"倚天""屠龙"合而为一。 此后,薛定谔虽也试图从更基本的假设出发导出更基本的方程,但终究没有成功,而不久,他也对这个失去了兴趣,转而去研究"生命是什么"。 历史则继续着演义他的历史喜剧。 德布罗意,薛定谔都在这场喜剧中成为诺奖得主而名垂青史。 尾声 其实在这一段让人啼笑皆非的历史当中,上帝还是保留了某种公正的。薛定谔得出它的波动方程仅在海森堡的矩阵力学的的诞生一年之后,倘若上帝把这个玩笑开得更大一点,让薛定谔在1925年之前就导出薛定谔方程,那恐怕矩阵力学就根本不可能诞生了(波动方程也就是偏微分方程的理论是为大多数物理学家所熟悉的,而矩阵在当时则没有多少人懂) 。如此则此前在量子领域已辛苦奋斗了十几年的哥本哈根学派就真要吐血了! 薛定谔方程虽然搞出了这么一个波动方程,却并不能真正理解这个方程精髓之处,而对它的方程给出了一个错误的解释——也许命中注定不该属于他的东西终究就不会让他得到。 对薛定谔方程的正确解释是有哥本哈根学派的玻恩作出的。(当然玻恩的解释也让物理界另一位大师——爱因斯坦极为震怒,至死也念念不忘"上帝不会用掷色子来决定这个世界的",此为后话)。 更基本的量子力学方程,也就是薛定谔试图获得但终究无力企及的的基本理论,则是由根本哈根学派的另一位少壮派弟子——狄拉克导出的,而狄拉克则最终领袖群伦,建起了量子力学的神殿. 附录二 古老的文化年轻的科学 古老的文化, 年轻的科学 凯文西 Resource: http://groups.***/discussion.php?gid=651&pid=66454 各位掌柜请注意,这篇小文可能长了点,很对不住大家。我总觉得要把一个问题说清楚不容易,每每写着写着就长了。即使这样,也不一定就把自己想说的表达清楚了,各位掌柜千万多担待。这是个引言,好些问题有空我们再慢慢讨论。我很喜欢庄里的气氛,希望自己在这里能畅所欲言,和各位掌柜共同探讨一些问题。好,不罗嗦了,言归正传。 卡卡卡!(卡卡卡是什么意思啊?)) 科学发展正在突飞猛进,它从方方面面改变着人们的物质生活,这是每一个生存在我们这个时代的人都能感觉到的。新鲜的东西不断出现,原有的东西不断被改进。无论是衣食住行还是休闲娱乐,我们都已经离不开高科技产品。就说对我们这些网虫,不要说别的,要是没有了互联网,我们可能就会郁闷死。但是, 如果我们对科学只停留在这层认知上,那么就是低估了科学的力量,因为科学不但改变着我们的日常生活,它更改变着我们的思想和观念,特别是对世界的看法,也就是不断改变着我们的世界观。 我们稍稍回顾一下历史就能知道今天的科学已经比以前任何一个世代都更加有力量,更加受人推崇,也能了解到科学是怎样的改变着人们的世界观。 在现代科学出现之前,统治人们思维的是各种文化包括哲学和宗教。哲学和宗教给人们描述一个世界的起源、发展和去向,并给人们提供一套应该遵循的道德准则。那时,科学是如此不发达,人们只能从哲学和宗教中才可获得这些知识。 早在公元前三百多年前,希腊哲学家亚里斯多德和其他的希腊哲学家都相信人类和周围的世界一直就存在,还将继续永远存在下去。在他们那里,地球上的人类文明从诞生、发展到毁灭都是周期性的,这个周期发展的根源是由自然界的周期性洪水或者其它周期性的灾难决定的。 到了公元后413年,基督教神学家圣奥古斯丁完成了他那不朽的名著《上帝之城》。在这本巨著里,圣奥古斯丁根据他对圣经的研究力证时间有个起点,空间有个起点,物质有起点,这些起点就是上帝创世的开始。 圣奥古斯丁的论点是那么地令人不可思议,以致在科学上从来没有人会认真考虑他的观点,因为人们的理性想象不出没有时间没有空间没有物质是个什么状态。即使在基督教神学界,圣奥古斯丁的观点受到的待遇也是一波三折。 起初由于圣奥古斯丁的论证严密,得到了基督教神学界的广泛接受。但到了大概13世纪的时候,教会的很多人受了古希腊传统哲学的影响,对奥古斯丁关于上帝同时创造了时间空间和物质的论点提出了严重挑战。庆幸的是,在后来的第四次拉特兰会议上(1215年),支持圣奥古斯丁观点的神学家对亚里斯多德关于宇宙年龄无限的哲学进行了有力的反驳,认定宇宙包括时空物质有个起点,并以此作为基督教神学的一个信条。 然而,这个在现代物理学家看来是个极其伟大深刻的见解,当时一直没能在科学上有一席之地,甚至在科学上人们连想都未曾想到过。 1781年,哲学上再度掀起了对宇宙时间是否有开始,空间是否有开始的思索与批判。伟大的哲学家伊曼努尔•康德发表了他的里程碑名著《纯粹理性批判》。在书中康德深入地考察了宇宙时空有无开始的问题,最后得出的结论是:这个问题在逻辑上纯粹是个二律背反的矛盾体,没解。 在这个引言里,我们不准备详细介绍圣奥古斯丁和康德的的具体论证,在以后的正文里我们会详细介绍。 到了1687年,科学史上最伟大的科学家之一的伊萨克•牛顿发表了他那科学史上最伟大的著作《数学的自然哲学原理》。在迦利略、开普勒,哥白尼关于天体运行的实验观察和理论的基础上,牛顿创立了一套描述宇宙运行的力学理论。在这一套理论框架内,宇宙也被认为是以稳态的模式有序地运转,年复一年,日复一日,循环往复,以至无穷。科学史上将这些伟大的基督徒科学家们的成就称为现代科学的革命。 牛顿力学理论告诉我们时间是无头无尾的,空间是无穷尽的,物质也是无穷尽的。时间和空间是均匀的,对每一个观察者都一样,而物质就在时间和空间组成的舞台上表演着一出丰富多采,波澜壮阔的大剧。也就是整个宇宙是永恒的,既不能被创生,也不能被消灭,唯有的就是时间的均匀流失,物质形态的变化(或者质量和能量之间的转化)。这倒是很符合我们日常的直观观察。 这样在牛顿力学面前,那些认为这个世界(宇宙)曾经被创造的宗教哲学,就显得荒谬和无知。除了那些忠实的信徒外,有科学知识的人都不会相信这个世界的时间,空间和物质曾经有个开端。象牛顿这样的伟大基督徒科学家也只有用宇宙的宏伟壮观及有序来说明上帝的存在,在他那里,上帝蹬了宇宙一脚,宇宙就永远这样运转了,即所谓的"第一推动力"。 然而,到了20世纪初,也就是六七十年前,物理学中出现了两个划时代的理论,一个是相对论力学,另一个是量子力学。这两个理论的出现震撼了科学界,以令人不可思议的方式改变了科学家对宇宙的看法,现正在走向普通大众的视野。 相对论力学基本是爱因斯坦一人完成的。这个理论给我们展现的是一个动态的宇宙,与牛顿力学展现的稳态或者静态宇宙有极大的不同。在相对论力学里,时间不再是均匀的流逝,而是随着观察者本身的运动速度而变化。同样随着观察者本身运动速度的不同,不同观察者所观察到的空间大小也不同。 为了形象地说明爱因斯坦关于时空变化的相对论,有一个经典的例子就是爱因斯的提出的"双生子效应"。这个效应说,假如地球上有一对年轻的孪生兄弟,其中一个以光速去外太空旅行,另外一个继续留在地球上。当去外太空旅游的兄弟在外太空转了一年后回到地球上时,地球上的兄弟已经过了几十年而变成了老头。这个假想实验并不是说外太空的环境好,使得旅行的兄弟保养的好不衰老,而是说真正的这两个兄弟经历的时间是不一样的。同样,他们所观察的宇宙空间大小也不一样。 虽然人们很难理解时间和空间会随不同的速度的观察者会变化,(据说当时只有两个半科学家能明白),但这个理论确实经过了高度精密的实验验证。而物质也不再是永恒的了,物质也是会变的,会被创生。在相对论力学里,时间,空间和物质再也不是相互独立的,而是互相纠缠在一起,可以互相转化。 这个理论对人们世界观的冲击是震撼性的,它为宗教哲学所认定的宇宙时空和物质能被创造打开了一个缺口。而后来基于实际观察数据所建立起来的宇宙理论物理模型(标准模型)则把这个缺口更扩大化了。根据这个标准模型的计算,宇宙时空物质有一个开始、有个发展过程、最后会死亡和终结。这样,好像科学慢慢走进了宗教哲学曾经描述的框架里。 具体地说,就是根据这个宇宙标准理论模型,宇宙在被创生的时候,时间从那时开始(0时间),空间从那里开始(0空间),物质从那里开始(0物质)。一切可能的物理定律都在接近那个时刻时全部失效。然后,宇宙从那个点开始急速膨胀、展开,最后形成我们现在这个丰富多彩的世界。这就是所谓的宇宙大爆炸理论。 这时,你肯定至少想问二个问题。一个是,0时间之"前"是什么状态?另一个是,宇宙在膨胀时,是在什么空间里进行?(你实际想问,正在胀大的宇宙"外边"是什么?在什么"里面"膨胀?) 当你问这些问题时,物理学家会说你的问题是伪问题,不合逻辑,不能问。因为0时间就是时间的开始,你就不能问0时间"前"了,那个状态是没有时间的状态。你也不能问宇宙在什么里面膨胀,因为除正膨胀的宇宙空间就没有外边了。 对我们的头脑来说,实在很难想象没有时空会是个什么状态,而膨胀的宇宙又没有"外边",时空的变化就能产生出物质,而宇宙的大爆炸竟然爆出了我们这个宏伟壮观的,井井有条的,丰富多彩的世界,还有我们人类和精神意识。每次去想这些我都很绝望,不知大家怎么样。 这样的话,宇宙标准模型告诉我们宇宙有个开始,有个发展过程,最后又会死亡。这样,是否可以说科学上所显示给人们的世界观和宗教哲学吻合了呢? 不能那样说,只能说两者的距离拉近了。 这里,马上可能会有人要问了,在物理上宇宙标准模型也只是说明了宇宙有起始,有终结,这全是物理上的东西,好像跟精神或者意识没有一点关系。宗教哲学不是说由上帝或者什么精神意识创造了宇宙吗?这在物理上有没有一席之地呢? 我说有,你别奇怪。听我细说。 我们刚说了二十世纪两大震撼科学界的物理理论中的一个,就是相对论力学,还没说另外一个,它就是令人同样难以琢磨的量子力学。量子力学说起来很复杂,明白的科学家都不多。我们就说的简单一点,力求使得大家都能懂。 量子力学是在空间的量子尺度(大家知道那是一个非常非常小的尺度就行了)来研究物质的。在量子尺度下的物质粒子遵循测不准原理,是量子力学的基本要素。这个原理很简单,它说,对原子和亚原子来讲,其位置和速度你只能测量一个,也就是说在一给定时刻,如果你想知道一个粒子的位置,你可以准确测量它的位置,但你就不能测量它的速度,原则上都不行。而你如果想知道一个原子的速度,你可以准确测量该粒子的速度,但你不能同时测量它的位置,原则上都不能。 现在,你可能觉得这个原理有点怪,会想,为什么不能同时测量一个粒子的位置和速度呢?如果仅限于此,那还不严重。下面的推论就可能会让你惊讶了。 我们知道用物理学来定义一个物质的实在性时要同时知道物质的位置和动量(可以说速度)。也就是说,如果你不能同时知道物质的这两种特性,那么你说的物质就没有实在性,象幽灵一样。 用简单直观的语言来理解这个概念,我们可以举个例子。就说在你漂亮的饭桌上竖立着一个精美的高脚酒杯。你为什么能确定那个酒杯是个实实在在的东西在那儿呢?首先,你能看见它的位置是在桌子上,同时你知道它本身的速度(在这个例子中是零速度,静立在那儿)。这样,你就完全确定了这个实实在在的高脚杯。 如果情况变了,比如说你只知道高脚杯的位置在桌子上,但你不知道它的速度,也就是说你不知道它是静止的,还是运动的。这在什么情况下才是可能的呢?答案很简单,只有当这个高脚杯被隐蔽在空气的背后时,也就是穿上了哈利伯特的隐身衣。 另外的情况,比如说这时你不知道那个高脚杯在桌子上,只知道它的速度是静止的或者是运动的。在这种情况下,结果还是一样,同样是你看不见那个高脚杯,它还是穿上了哈利波特的隐身衣而隐藏在了空气的背后。 这岂不就是说你的高脚杯跟一个幽灵一样。假如你的高脚杯摸不着的话,那就是幽灵了。而实际上,量子力学描述的那些组成物质的微小粒子是模不着的,在测不准原理的制约下,它就是幽灵了。理论物理学家就把量子尺度下组成物质的粒子叫幽灵,这就是著名的"量子幽灵理论"。在这个理论下,组成实实在在物体的微小粒子不是物质实体,而是"幽灵"。并且,在这个幽灵的世界里,一个粒子可以同时出现在两个地方,我们常规的因果律也可以被打破,就是说有可能结果在先,而原因在后。 你肯定要问了,既然组成硬帮帮的可见物质在量子微观世界里是由琢磨不定的幽灵组成的,那么为什么我们在宏观世界里看到的是物质实体,而不是幽灵呢?量子力学对这个问题的回答是,微观世界的幽灵是在有精神意识的观察后才在宏观世界里显示出物质的实在性。 这时,我想你要跳脚了! 如果你觉得量子力学的论述简直不可思议,怎么可能硬帮帮的物质实体是由幽灵组成的,而精神或者意识的观察就能使得这些幽灵在宏观上成为物质实在?或者更进一步,你认为量子力学根本就是胡说八道。那我很能理解你的感受,不光我理解你的感受,伟大的物理学家爱因斯坦也很理解你的感受,就是那个发表相对论把时间空间搞得乱七八糟的天才头脑。 量子幽灵理论是与爱因斯坦差不多同样伟大的物理学家玻尔提出来的。上实际二十年代,玻尔刚提出量子理论的时候,就遭到了爱因斯坦的强烈反对,爱因斯坦提出了他那个著名的论断"上帝不掷骰子",并试图设计精妙的科学实验来对抗反驳玻尔那不可琢磨的幽灵理论。 玻尔和爱因斯坦的对决和交锋相持了几十年,但没有结果。直到上世纪六十年代以后,一系列精密巧妙的物理实验被设计和完成,最后大量的实验证明了玻尔的量子幽灵理论是正确的,天才的爱因斯坦输了! 爱因斯坦输了,量子幽灵理论赢了,这真是石破天惊,为更深刻地研究和理解宇宙的运行机制提供了更有力的手段。 然而,更严峻的考验也摆在了量子幽灵理论的科学家面前。既然我们看到的宏观物理实在是在有精神和意识观察之后才从微观的幽灵状态呈现出了宏观的物质实在,那么一个不可回避的问题是:在宇宙创始初期,宇宙的宏观物理实在是怎么来的?那时有象我们人一样的精神和意识观察宇宙吗? 这个问题确实够颠覆的。因为物理学家如果回答那时没有精神意识观察宇宙,那幽灵怎么变成物理实在?如果物理学家回答一定要有精神或意识的观察后宇宙的物理实在才能显现,那人们一定问那个精神意识是什么。 在这里,显然给哲学宗教所倡导的精神意识或者上帝创造了宇宙打开了一扇大门。 但遗憾的是,科学和哲学宗教没能在这个交汇点上联起手来。那些不同意哲学宗教的物理学家们,便开始寻求另外的途径解决这一难题。他们开始寻求一种"因果逆动"的物理解释:就是说可能存在一种机制使得结果在前,原因在后,在这种机制下我们现在的宇宙中的生命意识以倒退的形式对一两百亿年前的宇宙进行观察,从而形成那时的宇宙物理实在,后来才有了我们现在的生命。 当然这种设想是个怪圈,怪就怪在宇宙创生并发展长大了一两百亿年后,才有了我们人类的生命和精神意识,我们却要现在的这个精神和意识对一两百亿年前的幽灵宇宙进行逆动观察,使得宇宙变为实体。这不是说是我们的精神成就了我们自己吗?不知道以后有多少证据支持这个看法。 实际上不光量子幽灵理论指向宇宙起初时就有精神意识存在,而且数学定律的高度抽象化,智慧化,和永恒性,也指向独立于我们物理宇宙的精神世界存在。我们看到的那么多完美的数学定律定理并不是从数学家的头脑里产生出来的,而是数学家们发现和证明的。那些数学定律早就存在了,也将永远存在下去,不管数学家们是否发现或者证明了它们。 最近的几十年的理论物理界又出现了更加玄妙的理论,叫做"超弦理论"。在这个理论框架下,我们的宇宙并不只是我们能看到的三维空间加一维时间,而是还要再多加六维空间。也就是说,超弦理论认为我们大概处于十维空间里。在超弦理论的基础上最近出现的更统一的理论"M理论"预言我们的宇宙时空是有十一个维度,比超弦理多了一个维度。这不由使人想起宗教哲学中灵界的概念。 好象这个超弦理论和M理论现在只是理论物理学家的头脑产物,还没有多少实验证明。不过也对,我们所见的时空是四维世界,怎么去验证另外七维空间呢?我看这是相当地(宋丹丹语)地困难! 科学理论对我们所处的物质世界的描述越来越精妙,越来越高深,越来越不可琢磨,越来越不可实证,越来越遭遇到理性所能达到的极限。然而这一切,都只是在非生命的物质层面上。当我们把生命世界这个比宇宙物质世界不知要复杂多少倍的问题摆在科学面前时,那个沉重感,几乎使人窒息。 这时人们不禁要问:最终科学能走到哪儿去?科学是否能与宗教哲学殊途同归? 我不敢用理性轻易下这些结论,我想谁也用理性下不了这个结论。我想做的,就是把科学和宗教哲学这两个不同的领域连接起来。说他们走近了,我们看有多近。说他们距离还远,我们看有多远。 当然,要把这两个领域联系起来思考,需要复杂得多的知识。一方面你要把科学方面的很多领域有非常深刻准确的了解,同时你要把自己用以比较的哲学宗教教义有深入的了解。在这个题目下,要讨论的东西很多,例如,为什么会有个宇宙,关于宇宙的创生、发展和终结,生命的起源和结局,精神意识和物质的纠葛,自由意志的问题,自我和自指的逻辑问题及在研究宇宙和生命时的限制,秩序的起源和发展,科学理性的限制。。。。等等,都需要认真探讨。当然也需要探讨中国文化中的哲学宗教观念问题,毕竟我们是中国人,下次就从中国文化谈起。 我也不知道自己到底能走多远,但至少我对此很有兴趣,愿意与大家分享。最后让我用爱因斯坛的一句话为这个引言做结: "没有宗教的科学是瞎子,没有科学的宗教是瘸子。" 附录三 朱清时:物理学步入禅境 物理学步入禅境:缘起性空 朱清时(原中国科技大校长,现任南方科技大学创校校长) http://player.youku.com/player.php/sid/XNzY3ODAzMzY=/v.swf 文字版 Resource:http://bbs.99read.com/dispbbs.asp?boardid=18&Id=151269 二十世纪是人类历史上一个有趣的时期,这个时期的人类一面尽情地享受着自然科学创造的巨大物质财富: 核能、激光、电子技术,等等,一面却不了解甚至不接受它的一些基本观念。其实这些观念有大量严谨的科学根据,不过真正懂得它们的人太少,因此没有被人们重视和接受。 下面这则消息就说明了这种状况: [中新网]北京8月19日消息:霍金在昨天的科普报告过程中只赢得了两三次掌声,全场几乎没有会心的笑——他的理论太玄奥,以至于大多数来自北大、清华的学子都说没太听懂。据北京晨报报导,昨天下午,北京国际会议中心排起数百米的长队。门口有人私下兜售门票——最少500元一张。询问退票的人也不少,大家都期待着一睹霍金风采。但两个小时的公众科普报告尚未结束,已有人提前退场——实在听不懂。 霍金这次讲的《宇宙的起源》,其基础是当代自然科学的最新成就——弦论。真正懂得这个理论的人,都会产生一种强烈的敬畏、惊讶和震撼感。本文尝试用大家听得懂的语言,大致解说一下弦论的主要概念,以期让读者体会些敬畏和震撼,并一窥宇宙的奥秘。 我们从当代著名的哲学家施太格缪勒(Wolfgang Stegmuller)在《当代哲学主流》[1]一书中写的一段名言开始。他写道:"未来世代的人们有一天会问: 二十世纪的失误是什么呢? 对这个问题他们会回答说:在二十世纪, 一方面唯物主义哲学(它把物质说成是唯一真正的实在)不仅在世界上许多国家成为现行官方世界观的组成部分,而且即使在西方哲学中,譬如在所谓身心讨论的范围内,也常常处于支配地位。 但是另一方面,恰恰是这个物质概念始终是使这个世纪的科学感到最困难、最难解决和最难理解的概念。"这就是说,一方面以"唯物主义"为标记的哲学广为流行,而另一方面"物质"究竟是什么?却又说不清。 施太格缪勒正是在这里看到了"二十世纪的失误"[2]。 你可能会问,究竟什么是物质?它为什么是科学感到最困难、最难解决和最难理解的概念? 早在古希腊时代,原子论者就猜想,物质是构成宇宙的永恒的砖块,万物从它所出,最后又复归于它,它不生不灭,不增不减,是世界过程绝对同一的起点和终点。物质作为普遍的、不变的东西,必然是绝对的实体和基质。实体者,"实实在在"的客体之谓也。物质及其性质必须独立于人类的意识而存在,是客观的实体。 后来,以牛顿力学为基础的经典物理学,继承了上述古代原子论的观点,把物质归结为具有某些绝对不变属性的质点的集合。质点概念本来是对作整体运动的固体的一种抽象,但它在液体、气体乃至热现象中的应用也获得了成功。对于所有这些能够具有机械运动的物质形态,物理学称之为实物。在当时的自然哲学中,又称之为实体。把物质归结为物体,进而把物质看成实体,这同质量在牛顿力学中的特殊地位和作用有关。牛顿之所以把质量定义为"物质多少"的量度,就是因为在任何机械运动过程中,乃至在化学反应中,质量始终如一。质量被理所当然地看成是物质本身所绝对固有的,被看成物质不灭或实体不变原理的具体表现。 以牛顿力学为代表的经典物理学在十九世纪末所取得的巨大成功,使得认为物质是绝对实体的唯物主义成了在二十世纪处于支配地位的哲学,正如前面引用的施太格缪勒的名言所讲的。 然而,二十世纪爱因斯坦发明的相对论开始揭示出了物质的实体观的谬误。首先,相对论证明质量与速度有关, 同一个物体, 相对于不同的参考系, 其质量就有不同的值。 想象一个人在推一辆没有任何阻力的小板车,只要持续推它,速度就会越来越快,但随着时间的推移,它的质量也越来越大,起初像车上堆满了木柴,然后好像是装着钢铁,最后好像是装着一个地球……当小板车达到光速时,整个宇宙好像都装在了它上面——它的质量达到无穷大。这时,无论施加多大力,它也不能运动得再快一些。 当物体运动接近光速时,不断地对物体施加能量,可物体速度的增加越来越难,那施加的能量去哪儿了呢?其实能量并没有消失,而是转化为了质量。爱因斯坦在说明物体的质量与能量之间的相互转化关系时,提出了著名的质能方程:能量等于质量乘以光速的平方。不久后科学家们发现了核裂变和链式反应,把部分质量变成巨大能量释放出来。现在知道原子弹的人,都相信质量可以转化成能量。 既然质量不再是不变的属性,那种认为质量是物质多少的量度的概念就失去了意义。既然物质与能量是可以相互转化的,能量并非"实体",物质也就不能再被看作是实体。 与此同时,科学家对物质结构的认识也迅速深入发展。在本世纪30年代以前,经典物理学一直认为:物质是由分子构成的,分子是由原子构成的。原子是组成物质的最小"砖块"。1932年,科学家经过研究证实:原子是由电子、中子和质子组成的。以后,科学家们把比原子核次一级的小粒子,如质子、中子等看作是物质微观结构的第三个层次,统称为基本粒子。1964年,美国物理学家马雷?盖尔曼大胆地提出新理论:质子和中子并非是最基本的颗粒,它们是由一种更微小的东西——夸克构成的。为了寻找夸克,全世界优秀的物理学家奋斗了20年,虽然一些实验现象证实了夸克的存在,然而单个的夸克至今未找到,人们始终不识庐山真面目。对此,粒子学家们的解释是:夸克是极不稳定的、寿命极短的粒子,它只能在束缚态内稳定存在,而不能单个存在。 不仅如此,迄今人们所知道的300多种基本粒子中,除少数寿命特别长的稳定粒子(如光子、中微子、电子和质子)外,其它都是瞬息即逝的,也就是说,它们往往在诞生的瞬间就已夭折。例如,通过弱相互作用衰变的粒子有20余种。其中,π±介子的寿命大致为2.6×10-8秒,即π±介子经过一亿分之一秒就衰变成了其它粒子。通过电磁相互作用衰变的粒子共两种,它们的寿命就要短得多了。π0介子的寿命是0.84×10-16秒,η介子的寿命是3×10-19秒。比起π±介子来,它们的寿命竟分别要短8～11个数量级。寿命最短的,则要算通过强相互作用衰变的"共振态粒子"(如Δ粒子、Σ粒子等)。它们的伙伴特别多,占基本粒子家族成员的一半以上,共200多种。它们的寿命之短达到了惊人的地步,以致于人们很难用确切的形容词来描述它们的衰变过程;粒子物理学家即使利用最优的实验手段也已无法直接测量它们,而只能用间接的方法推算出它们的寿命。它们只能生活一千万亿亿分之一秒左右,即寿命大致是10-28秒。 为什么绝大多数基本粒子都如此短命?如何理解我们的物质世界就是建立在这些瞬息即逝的"砖块"上? 在二十世纪的后期,物理学的一个前沿领域——弦论的发展又使我们对物质的看法更进了一步。 什么是弦论呢?爱因斯坦在后半生中,一直在寻找统一场论,即一个能在单独的包罗万象的数学框架下描写自然界所有力的理论。他渴望以前人从未成功达到过的清晰来揭示宇宙活动的奥秘,由此而展示的自然界的动人美丽和优雅。爱因斯坦未能实现他的梦,因为当时人们还不知道自然界的许多基本特征。但在他去世以后的半个世纪中,人们已构筑起越来越完整的有关自然界的理论。如今,相当一部分物理学家相信他们终于发现了一个框架,有可能把这些知识缝合成一个无缝的整体——一个单一的理论,一个能描述一切现象的理论,这就是弦论。它正在实现当年爱因斯坦满怀热情追求的统一理论的理想。 弦论可以用来描述引力和所有基本粒子。它的一个基本观点就是自然界的基本单元, 如电子、光子、中微子和夸克等等, 看起来像粒子, 实际上都是很小很小的一维弦的不同振动模式。正如小提琴上的弦, 弦理论中的宇宙弦(我们把弦论中的弦称作宇宙弦,以免与普通的弦混淆)可以作某些模式的振动。每种振动模式都对应有特殊的共振频率和波长。小提琴弦的一个共振频率对应于一个音阶, 而宇宙弦的不同频率的振动对应于不同的质量和能量。所有的基本粒子, 如电子、光子、中微子和夸克等等, 都是宇宙弦的不同振动模式或振动激发态。每条宇宙弦的典型尺度约为长度的基本单位,即普朗克长度(10-33厘米)。简言之, 如果把宇宙看作是由宇宙弦组成的大海, 那末基本粒子就像是水中的泡沫, 它们不断在产生, 也不断在湮灭。我们现实的物质世界, 其实是宇宙弦演奏的一曲壮丽的交响乐! (参见[３]) 有人会说, 把物质世界看是宇宙弦演奏的一曲交响乐,不正是与物质的对立面—意识有些相同了吗?是的。按照当前流行的观点,意识是完全基于物质基础(我们的脑)而存在,但意识不是一种具体的物质实在, 因为没有人在进行脑科手术时在颅骨内发现过任何有形的"意识"的存在。我们都知道贝多芬的交响乐,可以用一套乐器把它们演奏出来。但这套乐器本身并不是交响乐。意识是大脑演奏的交响乐。这个图像为理解"心物一元",即意识和物质的统一,开辟了新途径。 有人还可能说,无论宇宙弦多小,无论人们能否观察到它们,宇宙弦总归是客观实在,它们是组成物质世界的基本单元,因此物质世界也应该是客观实在。此话不准确。组成物质世界的基本单元是宇宙弦的各种可能的振动态,而不是宇宙弦自身,就像组成交响乐的单本单元是乐器上发出的每一个音符,而不是乐器自身一样。 在弦论之前,物质的实在性体现在组成客观世界的砖块是上百种原子,这些原子都是由质子、中子和电子等基本粒子组成。这些基本粒子都被当作是物质实体,都是组成物质世界的"超级砖块",因而可以把物质世界看作是物质实体。在弦论之中,情况发生了根本变化。过去认为是组成客观世界的砖块的基本粒子,现在都是宇宙弦上的各种"音符"。多种多样的物质世界,真的成了"一切有为法,如梦幻泡影,如露亦如电,应作如是观。(《金刚经》)"物理学到此已进入了"自性本空"的境界! 有人会想,天啊!物质都不是客观实在了,那么世界上还有什么东西是实在的吗?回答是,有的。事物之间的关系就是实在的。我们根据二十世纪自然科学的进展, 可以用关系实在来取代绝对的物质实体, 即主张事物不是孤立的、由固有质构成的实体,而是多种潜在因素缘起、显现的结果。每一存有者都以他物为根据,是一系列潜在因素结合生成的。"现象、实在和存有被限定在一组本质上不可分离的关系结构中"[４]。 哲学家们在论述"关系实在"时使用的哲学词汇对你可能生涩难懂,我们还是用例子来解说。 我们看见一束红光,这是一个事件, 是一个"果"。这个果是由多种因缘聚合而产生的。首先是光的波长值, 借用哲学家们熟悉的语言,这是"第一类性质", 这类性质还有如物体的广延性等, 是物体自身内在所固有, 它既不依赖于观察者, 也不依赖它物,也就是说, 它是无对而自行确立的。我们把这些第一性质又称为"因"。其次,我们还需要具备一些其它条作, 如眼睛正好睁开,没有色盲,往正确方向看,以及眼与光源之间无障碍物,等等。我们把这些条件称为"关系参量",又称为"缘"。这些因缘聚合产生了红光这个果。"红色"这类颜色性质是"第二类性质",其存在至少部分地依赖于观察者。"关系实在论"就是说,关系参量是不可消除的,没有它们,就不会有"看见红光"这个果,因而是实在的。 再举一个更清楚的例子。要得到一颗苹果树,首先要有一粒苹果的种子,这是"因"。但是单靠这粒种子也不会长成一颗苹果树,比如把种子放在仓库里,无论放多久也不会长出树来,所以单有因是结不出果的。一定要将种子放在土壤中,并且要有适当的水分、阳光、温度、肥料等等的配合,种子才会发芽长大,最后长成一颗苹果树,结出苹果来。这里的土壤、水分、阳光、温度、肥料等等, 就是"缘"。所以"因"一定要配合适当的"缘",在因缘和合之下,才能生出果来。 缘是许多的配合条件。 缘有好缘,也有不好的("恶")缘。因此即使是同样的种子,结出的果也就很不相同了。比如,把种子放进贫瘠的泥土里,或者施肥不够,苹果树必然长得不大,结出的苹果也不会好吃。假如把种子放在肥沃的土壤中,加上细心照料,结出的果实就会香甜好吃。由此可见,同样的因遇到不同的缘,结出的果便会很不相同。同时,由于缘是由很多条件配合而成的,所以缘会不停地变化着。既然缘会影响果,而缘又在那么多条件配合下产生作用,假如某个条件改变了,甚至消失了,那么果便可能不再存在。在苹果的例子中。如果天旱缺水,苹果树便会因之枯萎。所以当因缘散尽之时,果就会灭。换句话说:"因缘和合而生, 因缘散尽而灭。" 有的读者可能已经发现, 以上这些关于苹果的文字,是转述潘宗光(香港理工大学校长)《佛教与人生》[５]一书有关缘起法内容。所谓"关系"者,"缘"也,"关系实在论"其实与佛学缘起说的基本思想一致。 总之,在二十一世纪开始的时候,以弦论为代表的物理学真正步入缘起性空的禅境了。回头再看一下本文起头的那则消息,不难明白为何人们难以听懂霍金的那么生动的报告,原因就是物质是实体的观念在人们的心中太执着了! 佛学认为物质世界的本质就是缘起性空。藏识海(又名如来海)是宇宙的本体。物质世界的万事万物,都是风缘引起的海上波涛,换言之,物质世界就是风缘吹奏宇宙本体产生的交响乐。 《入楞伽经》云:"譬如巨海浪。斯由猛风起。洪流鼓冥壑。无有断绝时。藏识海常住。境界风所动。种种诸识浪。腾跃而转生。" 这句偈语说:譬如一个大海,风平浪静,澄然湛寂,当阵阵烈风吹来时,使平静的大海,生起重重无尽的浪波,从此便如万壑怒号,天地晦冥,再没有停息澄清的时候了。宇宙的本体—藏识海(如来藏)本是澄然湛寂,随缘常住而不变的。因内外境风的吹荡,便使寂然清净的本体,随变为浪潮起伏,跟着生起前面七识的种种作用。由此波浪互相撞击,奔腾澎湃,便转生一切境界,而无有止境了。如经文所说:"青赤种种色。珂乳及石蜜。淡味众华果。日月与光明。非异非不异。海水起波浪。七识亦如是。心俱和合生。"(转引自[６])。这句偈语说:须知世间种种色相,乃至如地下的矿物,林中的植物,与天上的日月光华等等,追溯根源,也都是由如来藏识一体的变相。这些物体和藏识,在本质上并非相异,可是当它们形成为万物之后,却不能说与心识的作用是无异的了。譬如海水既然转变成为波浪,波浪的形式与作用,和整个的海水便不同了;可是波浪的根本,还是由海水所转变而来的。由物的方面来说,万类的分齐差别(分化和归类)也都是从此一体所化生。由心的方面来说,七种识的分别作用,也都是由如来藏识所转生。又因心与物的和合,发生世间种种事情,于是本来澄清的识海,便永无宁日了。(按:青赤等种种物色,是指眼根色尘的对象。珂佩是指耳根声尘的对象。乳及石蜜,是指鼻根香尘的对象。淡味众华果,是指舌根味尘的对象。日月与光明,是指身根触尘的对象。) 这里海水与波浪的关系,正是弦与音乐的关系。它们也正是物质世界与宇宙本体的关系。当我弄懂了这个道理的时候,心里充满了敬畏和震撼。读到这里,你可能感到:"科学家千辛万苦爬到山顶时,佛学大师已经在此等候多时了!" 注释: [1] 施太格缪勒:《当代哲学主流》,第536页,商务印书馆,1992年。 [2]罗嘉昌:《从物质实体到关系实在》,序言,中国社会科学出版社,1996年。 [3]B.格林:《宇宙的琴弦》,李泳译,湖南科学技技术出版社,2005年。 [4]罗嘉昌:《关系实在论:纲要和研究纲领》,载《场与有》(一),第78页,东方出版社1994。 [5]潘宗光:《佛教与人生》,复旦大学出版社,2005年。 [6]南怀瑾:《南怀瑾选集》,第九卷《愣伽大义今译》, 第三章,复旦大学出版社,2005年。 附录四 动画版电子双缝干涉实验 http://player.youku.com/player.php/sid/XMTQ0OTU3MTMy/v.swf