跟上帝掷骰子
2014-11-06 14:44 来源:经济观察报 作者:冯八飞 编辑:经济观察网
导语:我们热爱爱因斯坦,并非仅仅因为他是一个伟大的物理学家。

经济观察报 冯八飞/文

相对论如日中天,另一场物理学大风暴却已啸聚天边。一群年轻的物理学者云集丹麦哥本哈根,为首的玻尔比爱因斯坦小7岁,其他人更小,还有硕士生。这群嘴上没毛的小子戏剧性地修正了人类历史的轨道——他们创立了量子力学。

大家都听说过量子论,但具体是什么呢?看官须知,量子论并非一种理论,而是与牛顿物理学完全不同的一种新的思想方法。很多人认为量子力学出现于相对论之后,其实不确。1900年普朗克第一次提出量子论,那年爱因斯坦刚从ETH大学毕业,还在到处找饭碗。

量子论最基本的思想是:世上万事万物,包括运动,都不是连续的。

这个有啥子了不起?

了不起得很!

这句话翻转了人类的世界。原因是,此前人类认为物体的运动都是连续的。例如开汽车,时速总是从0公里到10公里到20公里……最后到100公里。哪怕目前世界上加速最快的汽车也是如此,只是间隔很短,没有哪辆汽车能够直接从0公里直接蹦到100公里的。同理,水的流动也是连续的,谁见过一截儿一截儿流的水?此即“运动是连续的”,意为运动可以无限细分,永不间断。这是牛顿力学的基础。

可是,古希腊哲学家芝诺提出“阿喀琉斯悖论”,提前2000多年挑战运动的连续性。阿喀琉斯是希腊神话中跑得最快的英雄,有天他遇到一只乌龟,该神龟居然说阿喀琉斯追不上它。阿喀琉斯仰天大笑,以为乌龟吃他的豆腐,说:“我就是慢跑,速度都是你的10倍,会追不上你?”乌龟说:“就算你的速度是我的10倍。那么假设你离我100米,现在你来追我,你跑到我这儿是100米,这时我已向前跑了10米了;等你又追了10米时,我又跑了1米了,等你再追1米,我又跑了10分之1米了……总之,虽然你的速度是我的10倍,但你只能无限接近我,却永远都追不上我。”大家都知道乌龟的这个话不对,却怎么也驳不倒它,因为我们认为世界上所有运动都是连续的,而连续的运动可以无限细分。

但是,到了原子以下的微观世界,事情就有了变化,物质的能量可以不再是连续的,而是一段儿一段儿的!

What? Are you joking? 真不是笑话。这个结论的来源是物理学史著名的“紫外灾难”。

19世纪后半叶,牛顿物理学解释地球上的物理现象获得巨大成功,日臻完美。德国最伟大的物理学家普郞克上大学时想跟慕尼黑大学物理教授若利学习,若利却劝他:“物理学已经被研究透了,只剩一些无足轻重的空隙”。此乃当时物理学界共识。

1900年4月27日,发现“开尔文温标”和绝对零度的英国著名物理学家开尔文在伦敦皇家研究所做报告展望20世纪物理学,他的话成为所有物理学史必须提及的著名论断:“物理学大厦已经落成,所剩的只是些修饰工作。”不过,他在论断的屁股后面跟了一句:“在物理学晴朗天空的远处,还有两朵小小的令人不安的乌云。”

这两朵“小小的乌云”即牛顿物理学无法解释的两个实验:迈克尔森的以太实验和黑体辐射实验中的“紫外灾难”。开尔文的这个屁股很快被证明是物理学史上最丰硕的屁股,因为,这两朵“小小的乌云”迅速铺满整个物理学天空,最终让牛顿物理学从云端跌落。以太实验咱们已经说过,它被爱因斯坦相对论一剑封喉。而结束“紫外灾难”的,就是普郞克。

那么,什么是“紫外灾难”?看官须知,世界上千姿百态的一切其实并无颜色,一个物体是白色,是因为它反射了所有频率的光波;一个东西看上去是黑色,是因为它不反射任何频率的光波。物理实验中使用的标准“黑体”是个空心球,其内壁涂了强烈吸收辐射的涂料,上面只开一个小孔,从小孔射进去的光线既无法穿出小球,也不会反射出来,所以这个小孔看上去就是绝对的黑色。

那么,它为什么成为牛顿物理学天空中“一朵小小的乌云”呢?因为,当时物理学家发现,如果使用牛顿物理学公式,实验时小球内的辐射强度会无限增大,而实验中辐射强度并未无限增大。可无论大家如何努力,就是找不到原因。这些公式得出的荒谬结果都落在波长较短的紫外区,因此该问题被称为“紫外灾难”。

1900年10月,开尔文断言之后半年,普朗克发表论文说,要解决紫外灾难,只能假设物质辐射/吸收能量并非连续过程,就是说,能量只能一小截儿一小截儿地辐射/吸收,就像买水果糖,最小也只能一块儿一块儿地卖,没见过半块儿或四分之一块地卖的。普郞克把这个最小能量单位(这块水果糖)称为“量子”,其公式是:E=hv。

E是辐射光波的能量,v是辐射光波的频率,而h描述量子的大小,通称“普朗克常数”。普郞克常数是现代物理学中最重要的常数,它打破了牛顿物理学的神话“一切自然过程(例如运动)都是连续的”。普朗克,凭这个方程式成为德国最伟大的物理学家。

运动不是连续的,芝诺的“阿喀琉斯悖论”就解决了。因为,所有物质(包括时空)和运动都不是连续的,都不能无限细分。阿喀琉斯之所以能够轻松地追上乌龟,正是因为空间不可无限细分下去。

物质的连续性,只是人类的一种美好想像。

量子论是物理学史上最有故事的理论。首先,连普朗克本人都不相信这个惊人的发现。量子论出现后的14年里,它最坚定的反对者是其发现者普朗克!他一直努力想用牛顿物理学来证明量子论是错误的。可是,5年后,他得到了科学史上最伟大的同盟军——爱因斯坦。

爱因斯坦说,光也是一段儿一段儿的。他把这些小段儿称为光量子(光子),光电效应因此得到圆满解释。后来,爱因斯坦又提出了“光的波粒二重性”,欧洲物理学家集体崩溃。因为,牛顿物理学认为世上万事万物,包括人和光线,要么是波,要么是粒子,不可能既是波,又是粒子。这实在太违反人类日常经验了。灯光都是连续的,谁见过探照灯柱在夜空中是一截儿一截儿的?

不仅物理学界不相信,爱因斯坦1911年也差点放弃这个理论,不过,这时他也获得了援军——物理学家卢瑟福做出了第一个原子核模型,该模型看上去很像太阳系:原子内部大部分是空的,中间是原子核,体积虽小,但质量很大并带正电荷;带负电荷的电子则绕原子核运动。

这个天才模型出生后差点被经典的麦克斯韦电磁理论淹死,因为,按照麦克斯韦理论,当电子围绕原子核运动时,正负电荷相互吸引靠近,同时释放能量,因此原子的能量会越来越小,最后电子会落到原子核上消失。所以,按照这个模型,所有原子存在不会超过1秒钟。

这是什么意思?意思就是:所有原子一秒钟之后都会消失,因此,人类世界根本不会存在,更甭说人了。这显然无法自圆其说,因为人显然是存在的。因此,卢瑟福理论刚出生即面临夭折。

这时,他又获得了物理学史上第二伟大的同盟军——他的学生玻尔。玻尔1913年发现原子光谱线也是一段儿一段儿的,于是他提出,电子围绕原子核旋转时不是连续不断的,而是像咱们上楼梯一样是一个台阶一个台阶的,我们不可能一步踏在两个楼梯之间。同样,电子运动的轨迹也非连续。在能量最低的轨道上,电子等于是在平地上运动,获得能量后它就向上攀登一个阶梯,在新轨道上运行,而这两个轨道之间没有联结,就像楼梯一样。如果能量耗尽,它就又跌落到平地上,此即量子力学的“电子跃迁”。正因为如此,原子才不会在一秒钟之后消失。这样,才有世界和我们这些吃饱了没事儿干写文章玩儿的人。

玻尔这个理论招致强烈反弹,有的物理学家甚至宣布,如果量子论正确,他们将辞职,就此从物理江湖隐退。可实验观测很快证实了玻尔的理论,后来,玻尔的学生海森堡提出“测不准原理”,法国物理学家德布罗意提出“物质波粒二重性”,大大推进了量子论。

不过,量子论最后的工程师是奥地利的薛定谔,此人堪称史上第一疯狂物理学大师,他的“薛定谔方程”让量子力学圆满立于天地之间。但薛定谔在物理江湖名气这么大,主要归功于那只著名的“薛定谔的猫”。所有见过这只猫的人都发了疯,至少是短暂地发了疯。“薛定谔的猫”讲的是:把一只猫放进一个不透光盒子里,再放进一个放射性原子核和一个毒气玻璃瓶。放射性原子核衰变没有固定周期,完全是概率性的,就是说衰变可能发生在下一秒,或一年之后,也或一万年之后,只要我们没看见它发生衰变,就永远不能确认它是否已经衰变。现在假设盒子里的放射性原子核一小时之内有50%的概率会衰变,衰变时它将发射一个粒子,而这个粒子会打碎毒气瓶,毒气溢出杀死猫。如果原子衰变了,毒气瓶被打破,猫就死了。如果原子没衰变,那么猫就仍然活着。

您还没发疯吧?这不奇怪,因为令人发疯的是故事的后半截。

问题在于,猫死了没死,只有我们打开盒子看见它的那一刹那才能确认。在人类世界中,在我们打开盒子之前,盒子里的猫只有两种可能性:死了,或者没死。但在量子力学中,根据薛定谔方程,这只可恶的薛定谔的猫处于一种“活”与“不活”的叠加态。原子核既是已衰变的,又是未衰变的;毒气瓶既被打破了,又还未被打破;猫既是死的,又是活的;它既不是活的,也不是死的。我们只有在揭开盖子的那一刹那才能确认薛定谔的猫到底是死是活。

于是,按照量子论,在盒子没打开之前,薛定谔的猫处于“死/活叠加态”,就是说,这只可恶的猫已经死了,但同时还活着!只有等我们打开盒子看它一眼时,这种叠加态才突然结束。薛定谔的猫使量子力学中的微观不确定性变成宏观世界的不确定性:猫要么死了,要么活着,两者必居其一,不可能既死又活!怎么能既活着又死了呢?猫当然不能既死又活,也不能又死又活,这显然是个佯谬。问题是,在我们打开盒子看见薛定谔的猫之前,这个佯谬居然一直存在,并且无法推翻。

怎么样?您疯了有半分钟了吧?不过您不用沮丧,因为您不是第一个被薛定锷的猫搞发疯的。它已经让无数人发了疯。

薛定谔的猫说明了量子论与相对论的关系:宏观人类世界与微观原子世界完全不是一回事儿,就像牛顿地球力学与爱因斯坦的宇宙相对论完全不是一回事儿。薛定谔的猫证明了世界的不确定性。

实际上,直到今天,大部分物理学家仍然认为宇宙万事万物都可用物理方程来解释。如果事实如此,那就意味着宇宙从诞生起就注定了结局,而从诞生到结局之间的所有现象都只是物质的机械物理运动。也就是说,宇宙与每个人的命运早已注定,无论我们如何努力都无法更改。反过来说,如果我们掌握了足够的计算能力,我们就可以预测未来,因为未来已经注定,只是我们计算能力不够,无法解开这个方程式而已。在哲学上,这就叫机械主义宿命论。

量子论给了宿命论重重一击:它宣布宇宙之中一切皆有可能,未来的发展有千百种,每种出现的概率大小不一,但并没有必然会出现的事件。过去与未来一样,都是可以改变的。

也就是说,历史,或者说宇宙其实不见得只有一个。也也就是说,上帝不认可牛顿物理学的确定性。上帝是玩骰子的。他玩的是心跳。够不够震撼?

列位看官,这就是量子论那摄人心魄而又令人疯狂的伟大历程。

有趣的是,量子论出现后的前14年,整个物理界只有爱因斯坦一个人相信它,连其发现者普朗克都坚决反对。可14年之后,几乎所有物理学家都宣布承认量子论,爱因斯坦却转而反对,从此成为最坚定的量子论反对派。

发现量子论后,玻尔遇到的阻力比爱因斯坦提出相对论时还大,于是他决定向爱因斯坦求助。爱因斯坦目光非凡,热心扶植后辈,而且说到底,光量子假说也是他提出来的,他本来就是量子力学的奠基者之一。

1920年,玻尔亲赴柏林拜访爱因斯坦,渴望得到科学新教皇的肯定。他万万没想到,最应该肯定他们的爱因斯坦,却一口否决量子论:爱因斯坦完全无法接受玻尔用概率来解释世界。他当天把嘴上没毛的玻尔训了一顿后说了一句物理学史名言:“记住,仁爱的上帝绝不会掷骰子!”

年轻气盛的玻尔不顾礼貌针锋相对地反驳说:“上帝不仅掷骰子,而且会把骰子掷到我们看不见的地方!”这句话成为物理学史的名名言。

玻尔对爱因斯坦的威胁很大,因为,他可是个真正的天才!从此,他俩成为物理学死敌,两人在学术会议上只要碰面就拔刀相见,张飞杀岳飞,杀得满天飞。每一次他们都跟张飞杀岳飞一样战成平手——他们确实不属于同一个时代,最后谁也没说服谁。直到1942年爱因斯坦还致信朋友:“想偷看上帝要出什么牌确实很困难,但我一秒钟也不会相信上帝会选择跟这个世界玩骰子。”

想知道玻尔听见这句话之后的回答吗?他针锋相对:“嗨,请不要再教上帝该做什么!”

从此,跟上帝打麻将就成为物理学史经典桥段。百年后霍金比玻尔更进一步,他说:上帝不仅掷骰子,而且他总是把骰子掷到我们看不见的地方!”

霍金是对的,上帝确实把骰子掷到了我们看不见的地方。他跟我们开了一个大玩笑。爱因斯坦是个绝对蔑视权威的人,1905年,还是物理青年的他居然在业余时间写5篇论文来否定牛顿,可到了1930他不得不自嘲:“作为对我蔑视权威的惩罚,命运把我自己变成了权威。”

爱因斯坦对量子论的否定持续到他生命的尽头,从未改变。但是,爱因斯坦并未变成牛顿那样的物理学暴君和独裁者。爱因斯坦后来还专门请玻尔去普林斯顿做过演讲。而理应仇恨爱因斯坦的玻尔后来说:“爱因斯坦的成果使人类地平线无限展开,而同时我们对宇宙的想像画获得了梦寐以求的完美与和谐”。

1922年11月,诺贝尔委员会将1921年空缺的物理奖补授爱因斯坦,同时把1922年物理奖授予玻尔。1922年11月11日,玻尔致信正在亚洲旅行的爱因斯坦:“关于授予诺贝尔奖金一事,我很高兴地致以最衷心的祝贺。这种外界推崇对您可能毫无意义,不过这笔钱或许有助于改善您的工作条件……倘若我竟被提名与您同时获奖,这可称我从外界所能得到的最大荣誉和愉快。我知道我根本配不上跟您同时获奖,但我想说——且不论您在人类思想方面付出的崇高努力——,仅仅您在我从事的专业领域里所奠定的基础就足以与卢瑟福和普朗克并肩。其实在考虑给我这个荣誉之前,应当首先考虑您的贡献。在下实乃三生有幸。”

1923年1月11日爱因斯坦回信说:“我在日本启程前不久收到您热诚的来信。毫不夸张地说,它像诺贝尔奖一样让我快乐。您觉得您在我之前获奖甚为不妥,您的忧虑让我倍觉可爱——它彰显了玻尔本色。”

此生得一友如爱因斯坦者,此生得一敌如玻尔者,足矣!

他们才是伟大的人。

我们热爱爱因斯坦,并非仅仅因为他是一个伟大的物理学家。

 

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