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來(lái)自專欄Classic經(jīng)典回顧 | 閱讀思考志
—文—
“上帝擲骰子嗎”來(lái)自愛(ài)因斯坦著名的一句話:無(wú)論如何，我都確信，上帝不會(huì)擲骰子。
愛(ài)因斯坦的這句話經(jīng)常被認(rèn)為是他反對(duì)非決定論即概率論的標(biāo)志。而與概率論相對(duì)應(yīng)的就是決定論。
宇宙到底是從出生的一剎那起就有了一個(gè)確定的命運(yùn)，像上好發(fā)條的鐘表，沿著固定的軌跡滴滴答答的走著？還是，宇宙擁有很多不確定性，像在擲一粒骰子，充滿著隨機(jī)性？
這兩種對(duì)立的觀點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)著物理上兩種不同的理論，即經(jīng)典物理的決定論和量子物理的概率論。我們已經(jīng)知道決定論在科學(xué)上是行不通的，而經(jīng)典物理成了過(guò)往的輝煌歲月，取而代之的是量子物理及其概率論。
至于量子物理及其概率論是什么，這將是本文的重點(diǎn)，也是本文的主角所講述的故事。
本文的主角——《上帝擲骰子嗎》是一本關(guān)于量子物理的科普書，講述了一個(gè)關(guān)于量子論如何建立的故事。作者帶領(lǐng)我們沿著量子論建立的道路展開(kāi)了一次探險(xiǎn)，見(jiàn)證了一段充滿著困惑、激動(dòng)、狂喜、震驚的奇妙之旅。
故事從經(jīng)典物理開(kāi)始。經(jīng)典物理在建立了經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)、經(jīng)典熱力學(xué)（加上統(tǒng)計(jì)力學(xué)）三大支柱后達(dá)到了全盛時(shí)期，物理學(xué)家們認(rèn)為一切物理現(xiàn)象幾乎都可以在現(xiàn)成的理論中得到解釋，力、熱、光、電、磁……一位著名的科學(xué)家說(shuō)：“物理學(xué)的未來(lái)，將只有在小數(shù)點(diǎn)第六位后面去尋找?！?/strong>
事實(shí)上，這個(gè)強(qiáng)大的物理帝國(guó)在經(jīng)歷了曇花一現(xiàn)的輝煌后就像泡沫一樣凋零了。凋零最開(kāi)始的預(yù)兆來(lái)自天空漂浮的兩朵烏云。
第一朵烏云是邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是邁克爾遜用來(lái)測(cè)量光以太對(duì)于地球的漂移速度。
（以太是經(jīng)典物理中物理學(xué)家們?yōu)榻忉尮庠谡婵罩械膫鞑ザ岢龅臎](méi)有質(zhì)量但有極大剛性，并且無(wú)處不在的一種介質(zhì)）
這個(gè)實(shí)驗(yàn)是物理史上有名的“失敗的實(shí)驗(yàn)”，不管改變什么條件，這個(gè)速度都測(cè)量不出來(lái)，現(xiàn)在我們知道這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)測(cè)量的是一個(gè)根本不存在的東西。
“以太”作為一種假定的介質(zhì)，是當(dāng)時(shí)經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)，而這個(gè)基礎(chǔ)卻被一個(gè)實(shí)現(xiàn)無(wú)情地否定了。盡管當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家們?yōu)榻忉屵@個(gè)現(xiàn)象又提出了許多假說(shuō)來(lái)修補(bǔ)，但建立在理論意義上的假設(shè)物理量想來(lái)也是弱不禁風(fēng)的。
第二朵烏云是黑體輻射實(shí)驗(yàn)和理論的不一致。量子論的誕生最初就是來(lái)源于黑體輻射問(wèn)題。
（黑體指的是那些可以吸收全部外來(lái)輻射的物體，比如一個(gè)空心的球體，內(nèi)壁上涂滿吸收輻射的涂料，外壁開(kāi)一個(gè)小孔，那么這樣一個(gè)球體就是黑體）
物理學(xué)家們?cè)谘芯亢隗w輻射問(wèn)題時(shí)發(fā)現(xiàn)，不論是從粒子還是波的角度出發(fā)去推導(dǎo)，得出的黑體輻射公式都沒(méi)辦法完全適用。
（粒子和波是經(jīng)典物理對(duì)光的兩種認(rèn)識(shí)，關(guān)于光到底是粒子還是波，物理學(xué)史上一直存在著兩大派別的爭(zhēng)論，就是著名的波粒戰(zhàn)爭(zhēng)）
如果從粒子的角度推導(dǎo)得到的就是適用于短波的維恩公式，從經(jīng)典電磁波的角度推導(dǎo)得到的就是適用于長(zhǎng)波的瑞利-金斯公式。
量子物理在這里出現(xiàn)了一個(gè)關(guān)鍵人物，就是普朗克。
帥氣年輕的普朗克
他決定出手將兩個(gè)公式進(jìn)行調(diào)和，找到一個(gè)普遍使用的黑體輻射公式。結(jié)果我們知道，這個(gè)公式被他找到了，即著名的普朗克黑體公式。
盡管這個(gè)公式的意義當(dāng)時(shí)還不為人所知，但普朗克卻清楚地知道，經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解決這個(gè)問(wèn)題。為了解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)，普朗克決定放下經(jīng)典物理的傳統(tǒng)成見(jiàn)，尋找新的突破。
他首先做出了不連續(xù)性的假定：假設(shè)能量在發(fā)射和吸收的時(shí)候，不是連續(xù)不斷，而是分成一份一份的。
這一假設(shè)打破了長(zhǎng)久以來(lái)物理學(xué)們的觀念，經(jīng)典物理學(xué)家認(rèn)為能量的釋放是連續(xù)的，它總可以在某個(gè)時(shí)刻到達(dá)范圍內(nèi)的任何可能值。這種連續(xù)性的假設(shè)是整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)的根基，現(xiàn)在經(jīng)典物理學(xué)的根基被輕易地動(dòng)搖了。
普朗克認(rèn)為能量只有有限個(gè)可能態(tài)，在發(fā)射的時(shí)候分成有限的一份份，每次按照確定的量傳輸。這個(gè)確定的量就是一個(gè)“量子”，量子是能量的最小單位，能量可以傳輸一個(gè)量子、兩個(gè)量子，但卻不能傳輸二分之一個(gè)量子，這就是能量的不連續(xù)性。
普朗克提出“量子”的概念被認(rèn)為是量子誕生的標(biāo)志。
在量子論之后的發(fā)展道路上我們將看到更多著名的物理學(xué)家們，愛(ài)因斯坦、玻爾、薛定諤、波恩、德布羅意、泡利、海森堡……這些都是量子物理建立的關(guān)鍵人物。
首先登場(chǎng)的是愛(ài)因斯坦。
調(diào)皮的愛(ài)因斯坦
當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家們做了光電效應(yīng)的一系列實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與當(dāng)時(shí)的經(jīng)典電磁理論相矛盾。
經(jīng)典電磁理論認(rèn)為，光作為一種波動(dòng)，強(qiáng)度代表了能量，增強(qiáng)光的強(qiáng)度可以打擊出金屬表面更高能量的電子。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明增強(qiáng)光的強(qiáng)度只能打擊出更多數(shù)量的電子，不能增加電子的能量。要打基礎(chǔ)更高能量的電子，必須提高光的頻率。
愛(ài)因斯坦針對(duì)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)與經(jīng)典電磁理論的矛盾，打破了經(jīng)典物理中光是連續(xù)性的電磁波這一觀念，繼承了普朗克的不連續(xù)性，提出了光量子假說(shuō)。
他假設(shè)光以量子的形式吸收能量，沒(méi)有連續(xù)性，不能積累，一個(gè)光子擊打出一個(gè)對(duì)應(yīng)的電子。
這就很好地解釋了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。頻率高的光線單個(gè)量子比頻率低的光線擁有更高的能量，因此照射到金屬表面可以擊打出擁有更高動(dòng)能的電子。
愛(ài)因斯坦在光電效應(yīng)上的研究成果成為量子論的奠基石之一。
接下來(lái)登場(chǎng)的是盧瑟福和他的學(xué)生玻爾。
盧瑟福
1
玻爾
2
盧瑟福在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了一種原子模型，這個(gè)模型中有一個(gè)占據(jù)了絕大部分質(zhì)量但體積卻非常小的“原子核”在原子的中心。在原子核四周帶負(fù)電的電子沿著特點(diǎn)的軌道繞著原子核運(yùn)行。這一模型當(dāng)時(shí)被稱為“行星系統(tǒng)”模型。
這一模型又被物理學(xué)家們指出與經(jīng)典物理理論相違背。根據(jù)經(jīng)典電磁理論，帶負(fù)電的電子繞著帶正電的原子核運(yùn)轉(zhuǎn)，是一個(gè)不穩(wěn)定的體系。
年輕的玻爾認(rèn)為這個(gè)模型沒(méi)有問(wèn)題，他決定引入量子的概念，以解決經(jīng)典電磁力學(xué)無(wú)法解決的問(wèn)題。
玻爾假設(shè)，電子圍繞原子核運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，只能處于一些特定的能量狀態(tài)，這些能量狀態(tài)是不連續(xù)的，稱為定態(tài)。
當(dāng)電子處在定態(tài)是它就是穩(wěn)定的，不會(huì)放射處任何形式的輻射而失去能量。電子除了處于穩(wěn)定的狀態(tài)，還可以在不同的能量態(tài)之間躍遷。當(dāng)電子從能量高的狀態(tài)躍遷到能量低的狀態(tài)時(shí)，電子就以輻射的方式釋放出能量；當(dāng)電子吸收了能量，它就可以從能量低的狀態(tài)躍遷到能量高的狀態(tài)。能量的躍遷是一個(gè)量子化的過(guò)程。
玻爾提出的假設(shè)建立起了一個(gè)完整的原子理論體系。
下面登場(chǎng)的將是海森堡、薛定諤和波恩。
海森堡
薛定諤
波恩
海森堡提出了矩陣方程。幾乎同時(shí)，薛定諤發(fā)布波動(dòng)方程。后來(lái)被證明，矩陣方程和波動(dòng)方程在數(shù)學(xué)上是完全等價(jià)的，只是薛定諤的波動(dòng)方程更為容易理解，他們建立的矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)被統(tǒng)稱為量子力學(xué)。
薛定諤的波動(dòng)方程是通過(guò)構(gòu)造一個(gè)新空間函數(shù)波函數(shù)建立的。這個(gè)波函數(shù)在當(dāng)時(shí)還是一個(gè)未知量，人們還不知道它到底是什么東西。
波恩認(rèn)為薛定諤波動(dòng)方程里的波函數(shù)是骰子，代表的是一種隨機(jī)、一種概率，更準(zhǔn)確的說(shuō)明是函數(shù)的平方代表了電子在空間某個(gè)地點(diǎn)出現(xiàn)的概率。
概率論的出現(xiàn)打破了經(jīng)典物理上的決定論，量子力學(xué)的概率論表明，世間的一切都是由超小的粒子構(gòu)成，每一種情況都是上文的量子波函數(shù)決定的，粒子在空間中出現(xiàn)的地點(diǎn)是一個(gè)概率，無(wú)法精確知道。
海森堡在波恩概率論的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出不確定性原理，即人們不能同時(shí)精確測(cè)量一個(gè)粒子的位置和它的速度。
量子物理認(rèn)為除非首先描述測(cè)量一個(gè)物理量的方式，否則任何物理量都是沒(méi)有意義的。比如電子的動(dòng)量，這是一個(gè)無(wú)意義的說(shuō)法，因?yàn)楦鶕?jù)測(cè)量方式的不同，結(jié)果可以有很多，從十分精確到萬(wàn)分模糊，結(jié)構(gòu)都是正確且可能的。一個(gè)電子的動(dòng)量，只有測(cè)量時(shí)才有意義。
同樣，在量子世界根本不可能說(shuō)出一個(gè)客觀確定的答案，一個(gè)電子沒(méi)有“客觀動(dòng)量”，有的只是“測(cè)量動(dòng)量”。換言之，不存在一個(gè)客觀的、絕對(duì)的世界。唯一存在的，就是我們能夠觀測(cè)到的世界。
事實(shí)上，量子物理到這里才是精彩的開(kāi)始。因?yàn)樗酉聛?lái)將顛覆我們的認(rèn)知，改變我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)方法。
不確定性的提出，使物理學(xué)上出現(xiàn)許多神奇的推論和解釋。比如量子態(tài)疊加與塌縮、薛定諤的貓實(shí)驗(yàn)、量子自殺。
正如玻爾曾說(shuō)：“如果誰(shuí)不為量子論感到困惑，那他就是沒(méi)有理解量子論。”
不妨你也去讀一讀這本書，跟著作者的腳步進(jìn)入量子論那奇怪的沼澤中時(shí)，你將見(jiàn)到無(wú)數(shù)稀奇古怪的東西，你會(huì)感覺(jué)如墜云霧中，找不到頭緒。費(fèi)曼說(shuō)過(guò)“沒(méi)人能理解量子論”，但這正是物理學(xué)家們?yōu)橹偪竦脑颉?/strong>
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