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《上帝掷骰子吗》这本书是关于量子论的故事。量子论是一个极为奇妙的理论：从物理角度来说，它在科学家中间引起了最为激烈的争议和关注；从现实角度来说，它给我们的社会带来了无与伦 …… [ 展开全部 ]
  • 作者：曹天元
  • 出版社：辽宁教育出版社
  • 定价：35.00元
  • ISBN：7538281770
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终于，在经典物理还没有来得及多多体味一下自己的盛世前，一连串意想不到的事情在19世纪的最后几年连续发生了，仿佛是一个不祥的预兆。1895年，伦琴发现了X射线。1896年，贝克勒尔发现铀兀素的放射现象。1897年，居里夫人(和她的丈夫皮埃尔•居里研究了放射性，并发现了更多的放射性元素:钍、钋、镭。1897年，J.J.汤姆逊在研究了阴极射线后认为它是一种带负电的粒子流。电子被发现了。1899年，卢瑟福发现了兀素的嬗变现象。如此多的新发现接连涌现，令人一时间眼花療乱。每一个人都开始感觉到了一种不安，似乎有什么重大的事件即将发生。物理学这座大厦依然耸立，看上去依然那么雄伟，那么牢不可破，但气氛却突然变得异常凝重起来，一种山雨欲来的压抑感觉在人们心中扩散。新的世纪很快就要来到，人们不知道即将发生什么，历史将要何去何从。眺望天边，人们隐约可以看到两朵小小的乌云，小得那样不起眼。没人知道，它们即将带来一场狂风暴雨，将旧世界的一切从大地上彻底抹去。
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1900年12月14日，普朗克在柏林宣读了他关于黑体辐射的论文，宣告了量子的诞生。那一年他42岁。就在那一年，一个名叫阿尔伯特•爱因斯坦的青年从苏黎世联邦工业大学毕业，正在为将来的生活发愁。他在大学里旷了无穷多的课，以致他的教授闵可夫斯基愤愤地骂他是“懒狗”。……在丹麦，十五岁的尼尔斯•玻尔正在哥本哈根的中学里读书。玻尔有着好动的性格，每次打架或争斗，总是少不了他。学习方面，他在数学和科学方面显示出了非凡的天才，……埃尔文•薛定谔比玻尔小两岁，当时在维也纳的一所著名的高级中学上学。这所中学也是物理前辈玻尔兹曼、著名剧作家施尼茨勒和茨威格的母校。……马克斯•波恩和薛定谔有着相似的教育背景，……他那时疯狂地喜欢上了天文，梦想着将来成为一个天文学家。路易斯•德布罗意当时八岁，正在他那显赫的贵族家庭里接受良好的幼年教育。……沃尔夫同•恩斯特•泡利才出生八个月。……再过十二个月，维尔兹堡的一位希腊哲学教师就要喜滋滋地看着他的宝贝儿子小海森堡呱呱坠地。稍早前，罗马的一位公务员把他的孩子命名为恩里科•费米。二十个月后，保罗•狄拉克诞生于英国的布里斯托尔港，而汉诺威的帕斯卡•约尔当也很快就紧跟着来到人间。
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就在差不多的时候，爱因斯坦也收到了一封陌生的来信，寄信地址让他吃惊不已：居然是来自遥远的印度！写信的人自称名叫玻色（S.N. Bose)，他谦虚地请求爱因斯坦审阅一下他的论文，看看有没有可能发表在《物理学杂志》上面。爱因斯坦一开始不以为意，随手翻了翻这篇文章，但马上他就意识到，他收到的是一个意义极为重大的证明。玻色把光看成是不可区分的粒子的集合，从这个简单的假设出发，他一手推导出了普朗克的黑体公式！爱因斯坦亲自把这篇重要的论文翻译成德文发表，他随即又进一步完善玻色的思想，发展出了后来在量子力学中具有举足轻重地位的玻色-爱因斯坦统计方法。服从这种统计的粒子(比如光子)称为“玻色子”(boson)，它们不服从泡利不相容原理，这使得我们可以预言，它们在低温下将表现得非常不同，形成著名的玻色-爱因斯坦凝聚现象。2001年，三位分别来自美国和德国的科学家因为以实验证实了这一现象而获得诺贝尔物理学奖。
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不过有一个例外，就是泡利，他一直对自旋深恶痛绝。在他看来，原本电子已经在数学当中被表达得很充分了——现在可好，什么形状、轨道、大小、旋转……种种经验性的概念又幽灵般地回来了。原子系统比任何时候都像个太阳系，本来只有公转，现在连自转都有了。他始终按照自己的路子走，绝不向任何力学模型低头。事实上，在某种意义上泡利是对的，电子的自旋并不能想象成传统行星的那种自转，它具有1/2的量子数，也就是说，它要转两圈才露出同一个面孔，这里面的意义只能由数学来把握。后来泡利真的从特定的矩阵出发，推出了这一性质，而一切又被伟大的狄拉克于1928年统统包含于他那相对论化了的量子体系中，成为电子内禀的自然属性。
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现在让我们来做一个思维实验，想象我们有一台仪器，它每次只发射出一个电子。这个电子穿过双缝，打到感光屏上，激发出一个小亮点3那么，对于这一个电子，我们可以说些什么呢？很明显，我们不能预言它组成类波的干涉条纹，因为一个电子只会留下一个点而已。事实上，对于这个电子将会出现在屏幕上的什么地方，我们是一点头绪都没有的，多次重复我们的实验，它有时出现在这里，有时出现在那里，完全不是一个确定的过程。……关键是，单个电子总是以一个点的面貌出现，它从来不会像薛定谔所说的那样，在屏幕上打出一个图案来。只有大量电子接二连三地跟进，总的干涉图案才会逐渐出现。其中亮的地方也就是比较多的电子打中的地方，换句话说，就是单个电子比较容易出现的地方，暗的地带则正好相反。如果我们发现，有九成的粒子聚集在亮带，只有一成的粒子在暗带，那么我们就可以预言，对于单个粒子来说，它有90%的可能出现在亮带的区域，10%的可能出现在暗带。但是，究竟出现在哪里，我们是无法确定的，我们只能预言概率而已。
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哥本哈根解释的基本内容，全都围绕着三大核心原理而展开。我们在前面已经说到，首先，不确定性原理限制了我们对微观事物认识的极限，而这个极限也就是具有物理意义的一切。其次，因为存在着观测者对于被观测物的不可避免的扰动，现在主体和客体世界必须被理解成一个不可分割的整体。没有一个孤立地存在于客观世界的“事物”(being)，事实上一个纯粹的客观世界是没有的，任何事物都只有结合一个特定的观测手段，才谈得上具体意义。对象所表现出的形态，很大程度上取决于我们的观察方法。对同一个对象来说，这些表现形态可能是互相排斥的，但必须被同时用于这个对象的描述中，也就是互补原理。最后，因为我们的观测给事物带来各种原则上不可预测的扰动，量子世界的本质是“随机性”。传统观念中的严格因果关系在量子世界是不存在的，必须以一种统计性的解释来取而代之，波函数就是一种统计，它的平方代表了粒子在某处出现的概率。当我们说“电子出现在x处”时，我们并不知道这个事件的“原因”是什么，它是一个完全随机的过程，没有因果关系。
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不仅仅是猫，一切的一切，当我们不去观察的时候，都是处在不确定的叠加状态的，因为世间万物也都是由服从不确定性原理的原子组成，所以一切都不能免俗。量子派后来有一个被哄传得很广的论调说:“当我们不观察时，月亮是不存在的。”这稍稍偏离了本意，准确来说，因为月亮也是由不确定的粒子组成的，所以如果我们转过头不去看月亮，那一大堆粒子就开始按照波函数弥散开去。于是乎，月亮的边缘开始显得模糊而不确定，它逐渐“融化”，变成概率波扩散到周围的空间里去。当然这么大一个月亮完全融化成空间中的概率是需要很长很长时间的，不过问题的实质是:要是不观察月亮，它就从确定的状态变成无数不确定的叠加。不观察它时，一个确定的、客观的月亮是不存在的。但只要一回头，一轮明月便又高悬空中，似乎什么事也没发生过一样。
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事实上，历史和将来一切可能发生的事情，都已经实际上发生了，或者将要发生。只不过它们在另外一些宇宙里，和我们所在的这个没有任何物理接触。这些宇宙和我们的世界互相平行，没有联系，根据奥卡姆剌刀原理，这些奇妙的宇宙对我们都是没有意义的。多世界理论有时也称为“平行宇宙”(Parallel Universes)理论，就是因为这个道理。
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玻姆的隐变量理论是德布罗意导波的一个增强版，只不过他把所谓的“导波”换成了“量子势"(quantum potential)的概念。在他的描述中，电子或者光子始终是一个实实在在的粒子，不论我们是否观察它，它都具有确定的位置和动量。但是，一个电子除了具有通常的一些性质，比如电磁势之外，还具有所谓的“量子势”。这就是一种类似波动的东西，它按照薛定愕方程发展，在电子的周围扩散开去。不过，量子势所产生的效应和它的强度无关，而只和它的形状有关，这使它可以一直延伸到宇宙的尽头，而不发生衰减。在玻姆理论里，我们必须把电子想象成这样一种东西:它本质上是一个经典的粒子，但以它为中心发散出一种势场，这种势弥漫在整个宇宙中，使它每时每刻都对周围的环境了如指掌。当一个电子向一个双缝进发时，它的量子势会在它到达之前便感应到双缝的存在，从而指导它按照标准的干涉模式行动。如果我们试图关闭一条狭缝，无处不在的量子势便会感应到这一变化，从而引导电子改变它的行为模式。特别地，如果你试图去测量一个电子的具体位置的话，你的测量仪器将首先与它的量子势发生作用，这将使电子本身发生微妙的变化。这种变化是不可预测的，因为主宰它们的是一些“隐变量”，你无法直接探测到它们。
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阿斯派克特在1982年的实验（准确地说，一系列实验）是20世纪物理史上影响最为深远的实验之一，它的意义甚至可以和1886年的迈克尔逊-莫雷实验相提并论。但是，相比迈克尔逊的那个让所有的人都瞠目结舌的实验来说，阿斯派克特所得到的结果却在“意料之中”。大多数人们一早便预计到，量子论的胜利是不在话下的。量子论自1925年创立以来，到那时为止已经经历了近60年的风风雨雨，它在每一个领域都显示出了如此强大的力量，没有任何实验结果能够对它提出哪怕一点点的质疑。最伟大的物理学家（如爱因斯坦和薛定谔）向它猛烈开火，试图把它从根本上颠覆掉，可是它的灿烂光辉却反而显得更加耀眼和悦目。从实用的角度来说，量子论是有史以来最成功的理论，它不但远超相对论和麦克斯韦电磁理论，甚至超越了牛顿的经典力学！
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量子论的出现彻底改变了世界的面貌，它比史上任何一种理论都引发了更多的技术革命。核能、计算机技术、新材料、能源技术、信息技术……这些都在根本上和量子论密切相关。牵强一点说，如果没有足够的关于弱相互作用力和晶体衍射的知识，DNA的双螺旋结构也就不会被发现，分子生物学也就无法建立，也就没有如今这般火热的生物技术革命。再牵强一点说，没有量子力学，也就没有欧洲粒子物理中心（CERN），而没有CERN，也就没有互联网的vvww服务，更没有划时代的网络革命。如果要评选20世纪最为深刻地影响了人类社会的事件，那么可以毫不夸张地说，这既不是两次世界大战，也不是共产主义运动的兴衰，也不是联合国的成立，或者女权运动，殖民主义的没落，人类探索太空……它应该被授予量子力学及其相关理论的创立和发展。
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在这里要特别感谢热情支持和鼓励过我的那些相识和不相识的网友们。本文会引起如此的热潮，是我所始料不及的，也教我深深感动：虽然时代变迁，带来了无边的喧嚣和烦躁，但人们心中对于自然的好奇和向往，却终究不曾更改。最后，把这篇文章送给那个女孩，以回赠她曾经送给我的那些可爱笑容。
dzter //
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不管事实怎样也好，海森堡的真实形象也许也就是一个普通人——毫无准备地被卷入战争岁月里去的普通德国人。他不是英雄，也不是恶棍，他坚持教授所谓的“犹太物理学”，他对于纳粹的不认同态度也是有目共睹。对于海森堡来说，他或许也只是身不由己地做着一切战争年代无奈的事情。尽管历史学家的意见逐渐在达成一致，但科学界的态度反而更趋于对他的同情。Rice大学的Duck和Texas大学的Sudarshan说:“再伟大的人也只有10%的时候是伟大的……重要的只是他们曾经做出过原创的，很重要，很重要的贡献……所以海森堡在他的后半生是不是一个完人对我们来说不重要，重要的是他创立了量子力学。”在科学史上，海森堡的形象也许一直还将是那个在赫尔格兰岛日出时分为物理学带来了黎明的大男孩吧？
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