书评

《上帝掷骰子吗—量子物理史话》

人人都有追求快乐的方式,对我来说,读万卷书,行万里路,看万部电影,世间之乐莫过于此。

前一段与《苏菲的世界》相见恨晚,让我第一次系统性的了解了哲学的大体框架,对千百年来人类对这个世界和我们自己的万千思考的方法和历史有了了解,拓展了新的领域和乐趣。哲学是通过思考希望得到真相,而自然科学则是通过实践来探索奥秘。前者让人有海阔天空的酣畅感,后者则让人有以事实为基础的踏实感。而这两者到一定深度必然是相通的,从《苏菲的世界》到《量子物理史话》,就是一个从两个方向殊途同归的过程。

20世纪初是个璀璨美好的年代,人类生活真正迈入现代化的这一过程,远比今天坐享现代化的日子更加令人激动。就像电影《雨果》里描绘的那样,那个年代诞生了拉近世界的飞机,让生活加速的汽车,被誉为造梦机器的电影,以及各种各样激动人心的发明,一切都生机勃勃。同时,这也是物理学焕发新生的年代,几朵乌云让经典力学的大厦轰然崩塌,拔地而起的量子物理让几乎每一个参与者都能创造重大发现。相比之下,在我们出生后的年代,虽然技术突飞猛进,但理论科学已并无大的进展。

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这本《量子物理史话》便是回顾那段光辉岁月的。起初我以为会很难看懂,至少也有《时间简史》的难度(如果想了解相对论请阅读《时间简史》,本书不涉及),事实上它是网帖连载出身,相当亲民,大概初中的知识储备就够了,作者还煞费苦心地把量子世界里千奇百怪的现象尽力用直观易懂的事物来比喻,虽然肯定损失了不少严谨和准确性,但科普的意义是深远的。不过毕竟是网帖出身,戏说的废话有点过多,鼓吹海森堡的矩阵那一段可谓又臭又长,文采也一般,有点理工出身的国产科幻味。

为什么说量子物理和哲学殊途同归呢?物理学的相当一部分历史可以归结于波和粒子之争。而20世纪揭晓的答案-不确定性原理和波粒二象性告诉我们,我们只能观测到大自然的样子,无法知道大自然’本来’是什么,‘本来’是什么是没有意义的。这和18世纪英国哲学家休谟的经验主义理论不谋而合,柏拉图式的“理形世界”(一切事物背后的真相模板)是没有意义的。

本书的副标题叫“上帝掷骰子吗”。经典物理包括相对论都告诉我们,这个世界是符合决定论和因果律的,也就是说,只要给定初始条件,就能通过物理定律预测未来走向。尼采说上帝已死,其含义包括上帝最初制定好规律后就撒手了,爱因斯坦说上帝不掷骰子,告诉我们的也是这一点。然而这种看似天经地义的世界观,却被量子论所颠覆了。微观量子的行为是不可准确预测的,只能用概率描述,上帝原来是掷骰子的。

再如,哥本哈根理论认为观测行为会使粒子的薛定谔波函数坍缩,薛定谔用一只猫的比喻来讥讽这种理论:“一只受哥本哈根量子论影响的猫,我们观测它前它是既活又死的,只要看它一眼,它就要么是死要么是活了。” 哥本哈根理论辩解这个观测行为的本质是我们意识的影响。但意识究竟是什么?物理学家们语焉不详。哲学家们早就思考这个问题上千年了,笛卡尔的二元论认为意识和物质是宇宙的两种不同形式的实体,休谟认为意识是人对世界自发性的感觉,伯克莱认为意识是上帝意志的表现,谢林认为物质与意识是同一种“世界精神”的可见与不可见的两种表现,黑格尔认为意识是人类理性的反映,萨特则说意识是每个人各自的选择…… 如果按唯物主义的说法,意识是由物质以特殊的结构模式组成后产生的,那么可以复制或变换形式的载体本身就不重要,不仅是人脑,算法足够强大的计算机也可以有意识。如果对意识的定义更加宽泛点,总是指向北边的指南针和趋光的变形虫也算有意识。了解不可知论就知道,这个问题是不会有确切答案的。但是自然科学可不允许一个模糊不清的概念起到如此决定性的作用。

在量子世界这个难以用直观经验去揣度的领域,想象力是推进进步的有力武器。在书中我们可以看到不少理论具有“科幻”色彩,其中尤以多世界理论为最。虽然多世界理论不能简单等同于我们在科幻片里看到的平行宇宙之类,但也不得不感叹,小小的电子把人类逼迫到了用这样天马行空的理论来解释的境地。前一段我看了一个带有科幻色彩的动漫《命运石之门》,其主要内容是平行世界和时间旅行。在对它的评论中我提出了这样一个问题:假设宇宙的时空由无数的世界线组成,那么对于在这个世界线的我们来说,周围的事物自然是客观存在的,其他世界线的人和事就是梦境一类的东西。然而,对于生活在其他世界线的“我们”来说,也许这个世界线的我们又是梦境了。存在的概念变成了一个主观的标准,是否可以认为世界线的理论实质上是唯心的?

其实早在中世纪的一个僧侣就提出了解决这类问题的思路:奥卡姆剃刀原理。其理论很简单,当有多种说法都能解释一个相同事实时,应该采信假设最少的那个。因为假设越多,也就意味着观测不到的东西越多,而观测不到的东西就没有实际意义。那么作为梦境般的存在,平行世界之间既然是无法观测的,去严肃的讨论它是主观或客观也就没有意义了。

我们必须意识到,从小被灌输的唯物主义决定论,并没有那么不可动摇。连坚信决定论和因果论的爱因斯坦都在《论科学与宗教》里说:没有宗教的科学是跛足的,没有科学的宗教是盲目的。我们应反省事实上禁锢了思想的唯物教条,真正做到“解放思想”,不用怕犯错误。在本书里可以看到,爱因斯坦、玻尔、海森堡等等,都出现过重大的错误,但这丝毫不妨碍他们成为20世纪最重量级的人物。这也从侧面反映出他们也不是神人,他们都是人类探索世界奥秘征途中的冲锋者。

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虽然这本科普读物民科范浓厚,许多理论的阐述都有失偏颇,但对于我们门外汉来讲,仍然是一歌激发对科学和宇宙奥秘兴趣的好帮手。如果对严谨的量子物理感兴趣,可以延伸阅读《费曼物理讲义》。

我一直认为人类是如此的渺小,宇宙有太多我们可能永远无法理解的秘密,科幻作品也不断暗示我们和宇宙中可能存在的先进文明存在着不可思议的差距。但是本书告诉我们,统一四种基本力场的万能理论有行将出炉的迹象,霍金也说“人类可能已经接近探寻终极奥义的终点。”虽然可能又会出现经典物理黄金时代的“几朵乌云”推翻一切,但是我对自己的种族还是增添了不少信心。

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读书笔记:

经典物理的黄金时代:牛顿力学、热力学三定律、光的波动说(双缝干涉、泊松亮斑)、麦克斯韦电磁方程
两朵乌云:光在以太中的相对速度(迈克尔逊-莫雷实验)、黑体辐射和温度的关系长短波公式不一致

普朗克常数:能量是以最小单位一份份传输的-量子的含义 E=hv(常数*频率)
证实:
光电效应:打出电子的能量由光的频率决定,数量由光强决定 — 光能量是一份一份非连续的
康普顿散射:被自由电子散射的X射线的波长发生变化 — 光能量给了电子,波长变化

玻尔能级理论:电子只能有固定几种能量,在此之间量子化的变化称为跃迁,释放或吸收能量(hv)
证实:缺乏观测证实“电子轨道”的存在,反常塞曼效应还必须引入半个能级
泡利不相容原理:每个能级给电子的容量有限,电子总优先填充低能级

德布罗意波:电子以及所有物质都具有波动性E=mc^2=hv,或波长*动量=h
证实:戴尔逊和革末电子衍射实验
玻色-爱因斯坦统计法:光作为粒子可以推导出普朗克黑体公式

海森堡:量子公式应基于矩阵(二维的相对观测值) – 波恩和约尔当完善成矩阵力学
狄拉克:矩阵可以和泊松括号类比 – q数

薛定谔:电子的德布罗意波这一连续的波动方程的整数解n解释了能级这一量子化的特征。建立了波动力学,证明经典力学是波动力学的特殊情况。
波恩:薛定谔方程表示的是电子位置的概率(而非空间分布),不确定性是物理规律的本身属性。
狄拉克:统一薛定谔的波动力学和海森堡的矩阵力学,相对论化量子力学 – 量子场论

海森堡不确定性原理:电子如此微小,观测它(例如光子撞击或其他观测的波)会对其位置和动量产生显著影响,位置和动量的误差的乘积大于h/4pi。能量和时间的误差乘积大于h,则说明在极短的时间内可能有极大的能量起伏,但宏观上能量仍守恒。
玻尔互补原理:光和电子的波粒二象性-表现为粒子还是波取决于如何观测它 – 观测主体和客观世界是不可分的整体,观测前处于不确定的叠加状态,观测瞬间波函数坍缩为一个点
奥卡姆剃刀原理:两种说法都能解释相同事实时,应采信假设少的那个 -> 观测不到的东西就没有实际意义(多了个假设)
哥本哈根派理论核心:不确定性原理、互补原理、量子世界的随机性本质(反客观、反因果)

玻尔(波恩、海森堡)的哥本哈根派-爱因斯坦(薛定谔、德布罗意)的因果论之争,玻尔胜 – EPR佯谬、爱因斯坦光箱实验
薛定谔的猫:量子的不确定性放大到宏观世界 – 一只猫在被观测前是又活又死的叠加状态

冯·诺依曼:建立量子力学的数学基础。观测仪器只是卷入了波函数的叠加态。
维格纳:只有观测的人的意识才真正造成波函数的坍缩 – 意识可以作用于外部世界。
关于意识的本质没有定论。图灵实验:人和计算机在幕后无法被区分,那就可视为计算机有意识。
人择原理:意识甚至决定了历史,直到拥有意识的智能生物观测时,宇宙几百亿年的演化才被确定。没有观测者的宇宙没有意义 -解释了宇宙为何以如此精确的速度膨胀(多点少点我们就都不存在了)- 惠勒延迟观测的实验
多世界理论:每一个质点都包含位置和动量的维度,多少个质点就有多少倍的维度。波函数从未坍缩,而是世界和观测者本身进入了叠加状态。这并非简单的多世界分裂,而是宇宙只有一个波函数,整体态矢量是许多子矢量的叠加,子矢量就是在某个维度(或称世界)中的投影,而我们看到的只是子矢量,也就是在我们这个世界中的投影。薛定谔的猫在两个世界里,一活一死。

退相干理论:描述一个电子不同行为的空间维数很低,是相交的,而观测者介入后,维数高了很多,让两个电子的世界相互正交而互相没有投影,也就是世界的分裂。这只是比喻,可以通过密度矩阵严格数学推导。
量子自杀实验:在多世界理论中,用观测者取代薛定谔的猫,根据人择原理,所有观测者死掉的世界都没意义,所以观测者只会一直活下来。事实上任何自杀的人“主观”上都会在一个世界里活下来(量子永生) – 但只有他自己知道,因为其他人所在的世界里他基本上是死的。哥本哈根理论则认为这是纯概率问题,观测死活->坍缩。
量子计算机:量子的叠加态特性可使其保存处理更多信息(n比特可以存载2^n个信息)。大卫德义奇证明这是可能的,无论是多宇宙同时计算还是一个宇宙里的多个叠加计算。目前的加密技术(如RSA加密法)主要靠大数分解,即数字位数增大,分解其质因数的时间指数级增长。量子计算机的计算能力可能会破解它,同样也可能创造更为强大的加密技术
哥本哈根理论的问题在于如何定义“观测者的意识”,多世界理论的问题在于世界不断分裂为何自我意识仍是平滑连续的
隐变量理论:量子论只是不完备的统计解释,其随机性是由于存在未知的隐变量。理论应当是决定论因果律的。德布罗意导波理论 -> 冯·诺依曼证明否定 -> 玻姆证实冯·诺依曼有误,创立完整体系,用“量子势”来解释电子行为 -> 贝尔不等式

贝尔不等式基于经典背景推出,量子论不符合其情况。重做EPR佯谬实验(阿斯派克特实验)测出其不符合贝尔不等式,否定了基于经典的隐变量理论。物理必须放弃定域性(放弃相对论,允许超光速)和实在性(放弃决定论和因果论)之一。
系综理论:量子论只是统计概念,对单个事件没有意义 – 保守和现实的解释
GRW理论:任何系统都会受外界影响,引发扰动,系统中的任何粒子受扰就引发整个系统“自发的定域过程”(叠加态时间极短),即“坍缩”,而不是观测引起的。

退相干历史:精细的历史会互相干涉而无法用经典概率描述,事件条件粗略的历史(历史族)中,所包含的精细历史的干涉都相加抵消了,形成了退相干。避免了观测者和坍缩加入理论。反对者认为历史族的选择就是主观的
时间之矢:时间只有一个流向,宏观上表现为热力学第二定律,量子论里还没有好的理论能解释时间为何一定要是单向的
量子场论:多粒子相互作用下的量子论
电磁力和弱相互作用力已被证实统一;强相互作用力与这两者有多种理论来统一,尚未证实;引力则更难被统一进来(广义相对论和量子场论矛盾),但超弦理论包容了它们 – 可能的万能理论。
超弦理论:任何粒子都是开放或闭合的弦,它们以不同方式振动时,就对应自然界中的不同粒子。我们生活在十维空间里,六个维度是高度卷曲的。在普朗克空间的尺度上,可以看到时空中的点其实是六维的小球,它的扰动造成了量子的不确定性。五种十维超弦论被理论证明为一个11维的“膜理论”的5种特殊形式。

2 comments

  1. 你最近受什么刺激了,这种书当小说看看就好。
    作为物理系学生,也喜欢哲学,但是经常受不了别人拿量子力学和相对论作为某些哲学理论的依据,因为只是似是而非,一知半解。
    量子力学对因果率其实没有那么大的颠覆。只不过经典力学承载因果关系的是状态。而量子力学里因果变化表现在概率的变化上。比如经典力学,input1,得到的是0,这个是因果。量子力学里面,input1,得到是0的可能为50%,这个也是不变的因果。可以想想的哲学问题是,什么是因果律的载体?我们只是有很多自己都不意识到的default 偏见,这些东西,学量子力学,很可以突破。
    另外波粒二象性其实也没有那么玄乎,因为能级的离散性,所以看起来有了粒子性,比如能级的跃迁会放出或吸收光子。因为微观粒子的状态有波函数描述,所以看起来又是个波动性。其实不矛盾。你很鄙视的海德堡矩阵就能把这两者联系起来。每个状态都是某些波函数的线性组合,每个函数前的参数列起来,可以表示成一个矢量。然后每个作用或者操作可以写成一个矩阵,作用在一个矢量上,你就得到了另外一个矢量。这个矩阵对角化了,你可以得到离散的本征量。波粒二象性就统一起来了。张开这个空间的是连续的波函数,离散的是本征量。我也觉得海德堡矩阵怎么过誉都不过分。不过不知道这个作者是怎么吹嘘的。

    另外,我倒不觉得量子力学充满想象力。好比你无法想象四维空间,只能用数学表示一样。量子力学是在逻辑的作用下,不得不放弃人的直觉,是一种尊重实验结果的妥协。一种很唯象的理论。
    如果最近精力过剩,可以去看看费曼的物理学讲义。通俗易懂。这种科普文章,就当激发兴趣用。

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