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《上帝掷骰子吗》
铛铛铃2025-09-13【科普】1人已围观
简介
今天要为你解读的书是《上帝掷骰子吗》。
啊，骰子，也就是俗称的色子。掷骰子这件事，充满了随机性。书名《上帝掷骰子吗》，其实是在探讨上帝在创造这个世界的时候，是不是随机的。我们身处的宏观世界看似稳定、客观，事实上呢，从微观维度来看，这个世界充满着不确定性，这就是量子力学所讨论的范畴。
量子力学听起来有些遥远，却是20世纪物理学两大支柱之一，另一根支柱是广义相对论。你所使用的手机、电脑，都是拜量子力学所赐。《上帝掷骰子吗》这本书的主题，是量子力学的发展史，讲述了从20世纪初量子概念诞生以来，普朗克、爱因斯坦、波尔、海森堡、薛定谔，一直到霍金，众多科学牛人围绕量子进行的争论。为什么说薛定谔是虐猫狂人？爱因斯坦怎么在争论当中输给了波尔？平行世界又是怎么回事？这些问题都能够从这本书当中找到答案。
这本书出版的时候，编辑玩了一个噱头，称作者不愿意透露具体身份，是一个谜一般的存在，大概是为了增加神秘感吧。事实上呢，作者曹天元是个八零后，写作这本书的时候，他还在香港读大学。他在写作的时候非常注重故事性，把很多人看来难以理解的科学发展过程，写成了一部富有激情的科学武侠剧。历年来呀，这本书在中文科普图书榜上销量仅次于《时间简史》。
量子力学的故事错综复杂，这里呢，我总结出了三条主线，分别是光的本质的争论、原子结构模型的建立，以及关于量子状态本质的争论。
量子力学的开端源于对光的本质的研究。早在17世纪，关于光的本质就有了两种可能的假设：微粒说和波动说。微粒说认为光是由细小的微粒构成，波动说则认为光是由于介质的振动产生的波，还假设一种看不见摸不着的介质，叫做以太来传播光波。啊，光究竟是微粒还是波动呢？这场争论持续了两个多世纪。牛顿是微粒说阵营的代表人物，他做了一个色散实验，一束白光通过一个三棱镜折射到墙上，就变成了七彩光。这说明什么呢？牛顿认为白光是不同颜色的微粒混合在一起，通过三棱镜，这些微粒就分开了。当时牛顿的微粒说压倒了波动说。波动说呢，也有着实验做支撑。19世纪初，托马斯·杨做了一个双缝干涉试验，他把一张纸放在光源和屏幕之间，这张纸上有两条平行的缝隙，光穿过缝隙投到屏幕上，出现了明暗交替的条纹，也就是干涉条纹。这证明光是一种波动，黑暗的地方因为波峰和波谷相遇，相互抵消了，明亮的地方就是波峰与波峰叠加增强了。这时波动说又压过了微粒说。
说到这儿啊，物理学家还是在宏观现象上探究光的本质，谁也没有想到，对光的进一步研究，会打开量子力学的大门，带我们走进了微观世界。
咱们呢，接着往下说。到了19世纪末，人们开始对热辐射问题产生兴趣。很早人们就发现，铁在火上加热会变得暗红，继续加热呢，就会变得橙黄。物体的颜色与它发射的光波的频率有关，这说明在加热之后，不同温度下，铁发射的光波的频率变了，它的辐射能量也就变了。物体的辐射能量和温度有什么关系呢？1900年底，德国科学家布朗克找到了这个关系，他写出了表示辐射能量的公式。这个公式要求能量必须是不连续分割的，就像台阶一样，只是一份一份的存在。这种最小的单位，就是量子。但是布朗克这位量子之父，受经典物理学影响太深了，他当时就不待见量子这个亲生儿子，因为经典物理学认为能量应该无限可分，没有最小单位。
第一个向量子论伸出援手的是爱因斯坦。1905年，26岁的爱因斯坦在一篇论文当中，用量子概念解释了光电效应。光能够从有些金属材料表面打出电子来，也就是今天的太阳能发电的基本原理。他要求光的能量必须被分成一份一份儿，这就是光子。光竟然也能称子，是一份一份的，这不就是微粒说吗？微粒说由此开始抬头，它和波动说这对冤家又相遇了。
1924年，法国一位年轻人德布罗意提出来，应该把光看作波和粒子的混合体，这种性质叫做波粒二象性，这才给关于光的波粒战争画上了句号。不仅仅是光，电子也是波和粒子的混合体，它具有速度、频率。德布罗意提出了物质波的概念，一切物质粒子都具有波粒二象性。他以这篇简短的论文革命性的贡献，获得了博士学位。经过实验验证了电子波动性之后，他又拿到了1929年的诺贝尔奖，这一年他才37岁。原来包括光在内，微观粒子本性既是波也是粒子。牛顿以来已经建立辉煌战绩的科学家们认为，光的本质单纯的要么是粒子，要么是波，量子概念的发展告诉我们，以前的认识竟然都是错误的。这意味着经典物理学大厦的根基被动摇了，整个物质世界的结构和运动，都必须用量子概念重写，物理学需要重新建立理论基础。
我们应该怎么样描述微观世界呢？这就需要对微观粒子构建起一个模型，把原子继续分割，它的内部结构包括原子核与电子。量子模型不仅要给出原子核与电子的关系，还要解释电子的运动规律。接下来就说一说原子结构模型的建立。
其实在19世纪即将结束的时候，物理学领域突然出现了好几项非常重要的发现。比如1895年，伦琴发现了X射线，这也是1901年的第一项诺贝尔物理学奖。紧接着，贝克勒尔发现了天然放射性物质，居里夫人发现了铀，这实际上是原子核内部结构的反应。1897年，J·J·汤姆逊发现了电子，从而开始了对原子内部结构的讨论。汤姆逊认为，电子就像布丁里的葡萄干一样，嵌在原子里。但是他的学生卢瑟福却发现，带正电的原子核其实很小，原子核外边儿有着很多圈的轨道，带负电荷的电子应该像太阳系的行星一样，在轨道上运动。1913年，卢瑟福的学生波尔结合光谱学知识，引入了量子化假设。他认为电子在轨道上的能量是不连续的，而是具有某些特定的能级，就像台阶一样。原子核外面不同的轨道代表着不同的能级，电子在能级台阶之间的上下跃迁，就能够发射或者是吸收谱线。波尔原子模型完美的解释了氢原子光谱，但是呢，它也存在着致命的局限，面对有两个电子的氦原子，或者两个氢原子结构的分子，就根本无能为力了。这说明波尔原子模型只是伟大革命的序曲。
有意思的是，尽管波尔模型电子轨道的概念早已经被科学家们废弃，但是呢，对大众来说，三条轨道围绕原子核的图形，依然是科学的代表形象之一，在科普图书、网络媒体上依然可见。这大概也说明作为普通人，我们热爱可视化的形象，但是科学家们必须勇于抛弃不适用的旧概念。革命尚未成功，波尔仍在努力。1921年，波尔在丹麦首都哥本哈根建立了理论物理学研究所，吸引了世界各地的青年学者来学习和访问。波尔不仅仅是伟大科学家，而且呢，是量子力学领域的带头大哥，以他为中心形成了哥本哈根学派，其中的VIP成员，比如说海森堡、泡利，还有狄拉克，在做出重要发现的时候都还不到30岁。量子力学就是由这些大男孩儿搞出来的，所以说呢，也被戏称为男孩物理学。
当时有一种物理学思潮，认为只有可以观测的物理量才是有意义的，观察不到或者是推论的东西没有意义。基于这一哲学思想，来自哥廷根的海森堡从可观测的谱线原子运动出发，建立起用数据表格进行计算的矩阵力学，从而得出量子化的能级和频率，尤其是可以计算有两个电子的氦原子的谱925年，海森堡刚刚24岁。和他比起来，36岁的薛定谔算是个大叔，不过呢，年龄不是问题，他看到德布罗意的物质波假设之后呢，很快用经典力学的微分方程，写成了薛定谔波动方程。这是从牛顿以来，物理学家们都非常熟悉的微积分数学形式，比如我们在中学里计算单摆、弹簧、圆周运动，都可以看作波动的形式。这个方程引入了波函数，把电子看成一种波的振动，这种波就像是两端固定的琴弦一样，振动模式是量子化的，从而可以计算原子光谱。薛定谔还证明，新生的量子波动力学跟古老的经典力学是可以统一的。有意思的是，矩阵力学、波动力学这两种看似形式迥异的方法，可以给出同样的物理结果，薛定谔、泡利、约尔当、狄拉克都证明他们在数学上也是等价的，可以完美的统一起来。
来到这儿，数学计算技术上的发展，让量子力学能够相当精确的计算物质结构。让我们一起稍作停留，欣赏一下这难得的和谐啊，然后呢，请调整一下呼吸，因为我们马上会进入量子力学的核心。
第三部分，我们就来说一说关于量子状态本质的争论。随着矩阵力学、波动力学方程的建立，微观粒子的结构模型搭建起来了，但是对于如何解释它，分歧却越来越大。大家一致都认为，数学方程必然解释了某种物理真实，各派不同意的是，所谓物理真相究竟是什么。
我们先来说一说哥本哈根学派对量子力学的三大核心解释。第一，波恩提出的概率解释。薛定谔波动力学方程里，给出一个在空间上连续分布的波函数，它的物理意义是什么呢？薛定谔认为他描述的是电子，就像是面包上的黄油那样被涂抹开来，成为了一团连续的波。但是呢，来自哥廷根的波恩，也就是海森堡的老师，他认为这个波函数描述的其实是电子位置出现的频率，电子本身不会像黄油一样扩展开来，但是它出现的位置是随机的，总体上概率像一个波，按照波函数分布。这里让我们非常尴尬的发现，其实薛定谔本人最初也不理解他自己的方程，物理学家们说薛定谔方程啊，其实比薛定谔本人更为聪明。就拿开头提到的双缝干涉实验来说，无论是光子还是电子，或者是其他的粒子，假如控制发射器的速度，一次只能发射一个粒子，当发射数量还比较小的时候，你会发现粒子在显示屏上出现的位置，有的时候在这儿，有的时候在那儿，完全不确定。但是有大量的粒子出现之后呢，屏幕上就出现了干涉条纹。虽然每一个粒子的行为都是随机的，但是总的分布模式却是遵从薛定谔方程的波函数。我们无法预言每一个粒子的准确位置，只能够用概率来描述它。在这里追问电子究竟是从两条狭缝的哪一条通过这个经典问题是没有意义的，因为量子力学里面没有这样的运动路线。要学习量子力学，必须放弃经典物理学里边的很多观念，我们后面就会看到许多物理学家难以接受这样做。
第二点是海森堡的不确定性原理。在矩阵力学里边，A乘B不等于B乘A，如果A和B分别代表一个粒子的位置和速度，两次不同顺序的乘法表示，当我们先观测粒子的位置，就会影响它的速度，反过来测量速度又会影响到位置。因为任何的测量行为都需要一个工具来进行，比如说用光去照射粒子，用于探测的光子必须撞到这个粒子上，才能够知道这个粒子的状态，但是在撞到的同时，他也已经改变了粒子的状态。所以呀，想要同时高精度的测量这两个物理量是办不到的，甚至呢，绝对精确的测量某一个物理量也是办不到的。这个原理原来被称为测不准原理，当然，它更准确的称呼是不确定性原理。测量这个在经典物理学当中看来非常客观的行为，在量子力学里边儿并不是客观的，因为它会干扰测量对象。因此，在量子力学看来，除非你首先描述测量这个物理量的方式，否则谈论任何物理量都是没有意义的。问题还不止如此，量子力学从根本上颠覆了我们的世界观，这些物理量并不是因为测量而测不准，是它们本性就是不确定性。我们不可能测量到电子准确的位置和速度，只能得到电子分布的概率。
好，我们一起再来看第三点，一起来说一说波尔的互补原理。在牛顿时代，人们把整个世界看成一台庞大而精密的机器，科学家们相信，从这个世界诞生的那一瞬间，他未来的命运就已经完全的确定了。科学家们所要做的就是找到控制这台机器的完整规律和组成这个世界的那些零件的状态，就像是拉普拉斯说的，只要知道了全部初始条件，我就可以计算出整个宇宙的未来。可是，薛定谔方程的概率解释和不确定性原理告诉我们，不但运动过程像是掷骰子一样是随机的，就连找到初始条件都是不可能的，物质本性是不确定的。这一切都是因为物质本身既是粒子又是波，那么，要如何理解我们所看到的这个经典世界的规律性呢？太阳每天都照常升起，又大又圆，你走在路上不用担心会陷入波动状态，更不会随机的穿越到地球的对面去，计算机、电视机、手机都可以显示出完美的画面，而不是模糊一片。本质上，随机性的微观粒子是如何形成这个稳定而精确的世界呢？面对物理学研究和哲学问题的挑战，哥本哈根学派的带头大哥波尔在1928年提出了互补原理，讨论任何事物都要结合特定的观测手段才有意义。比如说，你看一匹马的颜色是红色，如果你身边有个朋友是色盲，那他会觉得马是绿色，当你戴上了墨镜，又会觉得这匹马呀是另外一种颜色。光子也是一样，用康普顿效应的观测方式，它是粒子，换成双缝来观察它就是波。波尔认为跟经典物理学、经典哲学不一样，量子世界当中没有独立存在的客观世界，主观和客观形成的一个统一、不可分割的整体。按照波尔的看法，物质不同的形态既互斥又互补，波动性和粒子性在同一时刻是互斥的，却在更高的层次上统一在一起，只有同时接纳这些相互矛盾的性质，才能够得到对于光子性质的完整描述。
波尔的互补原理、海森堡的不确定性原理、波恩的概率解释，构成了哥本哈根解释的三大核心，他们一直是被当作量子力学的正统解释，写进各类的教科书，深刻影响着人们对于宇宙的终极认识。哥本哈根解释告诉我们，量子世界的本质是随机性，客观绝对的世界是不存在的，唯一存在的就是能够观测到的世界，或者说我们所参与的世界。这种观点让深受经典物理学、经典哲学影响的其他科学家们深感不安，就连为量子力学发展出力很大的爱因斯坦，也对哥本哈根解释表示反对。爱因斯坦认为，没有严格因果关系的物理世界是不可想象的，我们不能够抛弃客观实在决定论的概念，让微观粒子拥有莫名其妙的自由意志。当然，我们不能误会，认为爱因斯坦是量子力学的反对者，爱因斯坦一手建立起来狭义相对论和广义相对论，他提出了光量子激光波色爱因斯坦凝聚，探索统一场论，也是量子力学建立过程当中的重要人物。正因为他是量子力学发展的深度参与者，所以能够从他的角度提出各种质疑挑战波尔为首的哥本哈根学派解释。他反对的只是取消决定论的概率解释，而不是量子力学本身。用本书的书名来说，他无论如何都不能够接受上帝掷骰子这回事儿。直到去世，他还认为，即使量子论是正确的，那也是不完备的，也就是说，量子过程表面上的随机性，是背后一些尚未被发现的更加深刻过程的结论，如果说能够找到某种更加完备的理论，或许就能够解释并且消除随机性。
在20世纪二三十年代，连续两届索尔维会议上，众多物理学大师新发现和新思想相互辩驳，最后变成了爱因斯坦和波尔两位领袖的单挑。啊，会议期间呢，爱因斯坦几乎每天早晨都能够提出出人意料的思想实验进行质疑，令人觉得哥本哈根解释是自相矛盾的，但是到了傍晚时分，波尔就能够找到化解质疑的方法，让爱因斯坦无法反驳。爱因斯坦的质疑也促使哥本哈根学派对量子力学的基础概念进行更为深入的思考和完善。著名的量子纠缠概念就来自于这个争论的过程。量子纠缠也叫做EPR效应，这个效应是爱因斯坦企图用归谬法，也就是承认哥本哈根解释目前是对的，推想一个明显是荒谬的结果，来反证前提的错误。他设想一个粒子的自旋是零，但是它本身是不稳定，分裂成两个小粒子，向相反的两个方向飞去，让这两个粒子呢，必然是具有自旋性质，你可以理解为一个向左旋转，一个呢向右旋转。根据哥本哈根解释，在我们观察到其中任何一个之前，他们的状态都是不确定的，但是我们对其中任何一个进行观察的时候，它的性质就被确定下来了，根据守恒定律，另一个粒子的性质也同时确定了下来。但是，假如这两个粒子已经离得非常非常远的话，他们之间是如何知道对方的状态的呢？这显然需要超过光速的信号，从而违反了任何信号不可能超过光速的相对论原理。波尔对此作出的解释是，爱因斯坦理解错了，错误在于它仍然使用经典物理学的粒子概念，以为有客观存在的两个粒子，但是实际上，无论他们两个离得多远，在被观测之前仍然是一个相互关联的整体，也就是只有一个粒子，两个粒子不是相互独立的，在观测到任何一个的同时，就会干扰到另一个的状态，这恰恰说明我们必须放弃经典的客观独立的概念，才能够理解哥本哈根解释和量子力学。有意思的是，爱因斯坦虽然理解错了，但量子纠缠却是他为量子力学做出又一个伟大贡献。
波尔和爱因斯坦之间的争论一直持续到1955年，爱因斯坦去世7年之后波尔去世，他去世之前仍然在思考爱因斯坦提出的质疑。波尔与爱因斯坦这两位物理学大宗师之间的过招，至今仍是科学争论的经典案例。不过爱因斯坦不是唯一的反对者，波动力学的建立者薛定谔也跟爱因斯坦站在一起，他发明了薛定谔的猫这个思想实验，把微观世界的量子效应放大到日常世界，制造一只既死又活的猫，来反对和嘲讽哥本哈根解释对观测行为的强调。哥本哈根学派认为，微观粒子本身处于波函数定义的所有可能状态的叠加态，只有被观测时，波函数才坍缩到某个特定的值，物质的本质状态是不确定的。爱因斯坦对此的反驳是，难道如果我们看不见月亮，月亮就是不存在的吗？薛定谔设想，在一个封闭盒子里，有一只猫和一瓶毒气，以及少量的放射性物质，还有一把锤子，如果放射性物质发生衰变，就触发锤子，打破毒气瓶，释放出毒气来杀死这只猫。按照哥本哈根解释，在打开盒子之前，由于放射性衰变的量子过程处于发生和未发生两种状态的叠加态，那么在打开盒子之前，这只可怜的猫显然应该处于既是死的又是活的两种状态的叠加态，只有当我们打开盒子进行观测时，它才从那种诡异的叠加态坍缩到某一种状态。薛定谔试图用这只看来荒谬的猫来推翻哥本哈根解释，这只具有深刻内涵的猫被戏称为物理学的神兽，至今是让物理学家们争论不休，连物理学家霍金都说过，当我听说薛定谔的猫时，我就跑去拿枪，意思呢，是赶紧结束这只猫的痛苦。
从微观粒子的量子力学规律到猫这样的宏观物体，为什么会出现无法解决的矛盾？根本原因在于哥本哈根解释把观测和观测者引入物理过程，打破了主观客观的界限。这一种新的统一高度，也超出了我们长久以来的日常经验。我们一般认为观测者是具有自主意识的，可是如果连观测都是物理过程的一种，那么这种自主意识还是不是自主的意识呢？在宇宙演化大历史当中，意识是否起作用，又起到了什么样的作用？这场争论蔓延开来，已经远远超出了物理学界。在物理学界内部，循着爱因斯坦薛定谔的思路，或者循着哥本哈根解释，出于赞同或者反对，科学家们又发展出了其他的解释。多世界理论认为，当我们观测量子叠加态的时候，比如双缝干涉或者是那只可怜的薛定谔的猫，不是波函数发生了坍缩，而是整个世界发生了分裂，光子或者猫选择了其中一个态而已，连同我们也成为被分裂世界的一部分。比如我们看到猫还活着，还有另一个跟我们已经无关的世界选择了另一种态，在那儿我们看到的猫是死的。这种世界分裂造就了科幻作品当中热门的平行世界概念。
尽管对于量子力学的基础解释存在很大分歧，量子力学无疑是已经成为了当前最成功的应用也最广泛的物理理论。它不仅仅是几乎统一了物理学，建立了我们对物质世界的基本理解，而且呢，在半导体、激光、核能、发电甚至生物学方面都有应用。连金融大鳄索罗斯都把他的基金会起名量子基金。没有量子力学，我们所处的这个世界就不可能是这个样子。
听到这儿啊，也许你有些晕菜了，哼，不过呢，你也不必为此感到愧疚，因为哥本哈根学派的领袖波尔就说过，如果谁不为量子理论感到困惑，他就没有理解量子理论。后来物理学家费曼更是说过，没有人能够理解量子理论。无论你是否认为上帝是在掷骰子，量子力学都值得你来了解一下，因为你也是这个宇宙的观察者、参与者，甚至是创造者。
好，《上帝掷骰子吗》这本书就为你解读到这精华笔记，在音频下方，我们明天见。
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