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无病呻吟

有时候,我不知道我是真的病了,还是只是无病呻吟

 
 
 

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亲爱的爱因斯坦,上帝掷筛子  

2010-03-29 16:18:56|  分类: 评头品足 |  标签: |举报 |字号 订阅

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时间倒回到一年多以前,考研复试的那天,我第二个走进考场,面对各位面试的老师们正襟危坐,我被问到在《量子力学》这门课里学到了什么东西。那时的我,支支吾吾地说着“波函数”之类的词汇,但大脑里关于这一门课程的部分显然已经空空如也。在得知我第一次考试挂了,第二次重修打了76以后,老师丢下了一句“我觉得你第二次也该挂。”

 

一年多以后,当我再次重温《上帝掷筛子吗——量子物理史话》之后,掩卷自问,也许现在的自己会说:“亲爱的老师,上帝是掷筛子的。”也许你会笑话我这一年多来毫无进展,除了学会一句故作玄虚的话,不过,量子论的创始人之一的波尔就曾说:“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论。”

 

人类从来都没有放弃过思考那些终极的命题,无穷大的世界里,人们对整个宇宙都还所知甚少;无穷小的世界里,人们发现自己的眼睛已经越来越迟钝。当物理与实验科学渐行渐远的时候,现代的物理学,或者说从光怪陆离的量子物理诞生一刻起,科学与哲学之间的界限也越来越模糊了,如果写下《西方哲学史》的罗素能预见到今天的这一切,也许会为把量子物理放到哪个领域里而伤神吧。

 

《上帝掷筛子吗——量子物理史话》一书的作者曹天元是个神秘的人物,拒不肯透露自己的身份让人对他的身份有着很多猜测,但不可否认的是他在理论物理和文学、历史的深厚造诣让这本书读来妙趣横生。故事从19世纪末波动-粒子争论,到爱因斯坦-波尔的“华山论剑”,再到当代炙手可热的“万有理论”,像作者所说,这本书旨在写历史,因此只要你对中学物理还有个基本的概念,大概也不至于重现我高中时候生啃霍金的《时间简史》的窘况。

 

19世纪的物理学是辉煌的,建立在牛顿的经典力学上的经典物理学枝繁叶茂,经过优美的麦克斯韦理论的总结,似乎世界的一切都已经尽在人类的掌握。那是一个真正的黄金时代,一个确定无疑的年代,以至于普朗克(第一个提出“量子”概念的物理学家)的导师诚恳地劝他不要把时间花费在物理学这门“没有什么大的发现可能出现”的科学上。现在的大部分人,也许也还保存着那个时代的一种“完美主义”,我们所熟知的马克思主义哲学大概也就是这个时期产生的,然而当我们走进量子物理学,大家心目中那个经典的可知的确切的世界也许就瞬间分崩离析了。

 

量子论中最为主流的解释,也是至今没有人能证明其确实错误的解释,即“哥本哈根解释”,它由波恩的概率解释,海森堡的不确定性原理和波尔的互补原理三者构成。

 

首先说说概率解释。也许即使是现在还有很多人认为科学与决定论相随的,牛顿的经典力学让人以为万事万物的运行都是严格按照牛顿方程进行,对天体运行规律的总结可以说是经典力学的巅峰,而宇宙的发展也当是以此为依据,过去与未来一切都尽在科学家的掌握之中。19世纪初,法国科学家拉普拉斯计算出行星轨道以后,将它展示给拿破仑看,拿破仑问道:“在你的理论中,上帝在哪里呢?拉普拉斯平静地说:“陛下,我的理论不需要上帝这个假设。”科学家的骄傲可见一斑。回到量子论中,当波动论的支持者薛定谔第一次使用波函数来描述电子的时候,他却无法解释方程中的ψ到底是何方神圣。波恩敏锐地指出ψ代表的是电子分布的概率,对于数量巨大的电子形成的总体效应是可以估计的,但是对于单个电子,它的分布是一种概率,我们无法准确的说它位于何方,只能说“它有10%的概率在这里,10%的概率在那里”。波恩在论文里写道:“这里出现的是整个决定论的问题了。”举个不恰当的例子,由于我的人也是无数个基本粒子组成,因此即使我此刻吉大的寝室里在写这篇文章,并不代表我一定就在电脑前面,我仍然有非常微小的概率出现在美国纽约,或者半人马座某星球(当组成我的所有粒子都恰巧同时出现在美国纽约或半人马座时)。

 

不确定性原理更加奇妙。当我们研究一个电子的确切状态时,我们必须知道它的位置和动量。但是不确定性原理告诉我们,位置和动量是一对共轭量,即我们不可能得到同样精确的位置和动量,当我们对电子的位置测量越精确,对它动量的测量就越不精确,反之亦然。这意味着如果我们能完全精确的测量电子的动量,那么电子的位置就变成完全不可知,它可能会出现在宇宙中的任何位置!其实仔细一想,这也很好理解,当我们要测量一个宏观物体的位置的时候,我们需要“观察”他,而观察的过程,无疑是光线从物体的表面入射到我们眼睛里,光线又是有无数个光子组成的。对于宏观的物体,数以亿计的光子不会对它的位置造成影响,但对于电子来说,一个光子就足够把它撞开了。不确定性原理就像一个上帝开的玩笑,就好比一对恋人约好见面,但是他们要么只约定在哪里见面,要么只约定见面的时间,我想这一对恋人只怕就是天生无缘吧。类似这样“天生无缘”的物理量还有时间t和能量E,也就是说,在一段十分确定的很短的时间t内,其实宇宙空间本身会无缘无故地产生巨大的能量起伏,这种能量完全是凭空产生,只要时间足够确定,这种能量的起伏完全可能比原子弹爆炸还强,比太阳的燃烧还强。

 

互补原理有点像我们常常接触的辩证法,当百来年无数的科学家为电子到底是粒子还是波动而争论,而谁都无法拿出确切的证据证明对方错了的时候,波尔想起了大侦探福尔摩斯的名言:“当你把一切不可能的结论都排除后,剩下的,不管多么离奇,也必然是事实。”是的,也许你也想到了波尔的结论:电子“既是个粒子,同时又是波”。上帝又给我们开了个玩笑,当人类想观察它的粒子性,电子就表现粒子性;当人类想观察它的波动性,它就表现波动性。而电子本来是什么?对不起,没有“本来”。只有当人们试图观测电子的时候,它才发生了某种“坍缩”,表现出某种特性来。于是被经典力学熏陶过来的人们负隅顽抗道:也许电子本来还是有确定的位置和动量的,只不过我们人类本身由于某种限制无法确切得知。那么学文科的同学应该知道怎么祭出奥卡姆的剃刀将这些负隅顽抗者统统推掉了,一个具有确切位置和动量的电子——但是不能被精确测量,这和没有这样一个电子有什么区别呢?推而广之,其实也不存在一个“客观存在的”,“绝对的”宇宙,唯一存在的只有我们能够观测到的宇宙,世界的客观性和实在性也就自然而然的被互补原理和不确定性原理摧毁了。

 

量子论是如此让人难以理解,如果你不能接受,没有关系,爱因斯坦也和你一样。这也许是科学史上的一大悲剧,在量子论创立的初期,爱因斯坦第一次提出电子具有波粒二象性,这给他带来了第一个诺贝尔奖,但是对因果律和完美主义的信奉让他把自己的努力都放在了驳倒量子论的方向——一个曾经锐气青春的爱因斯坦,当年那个用相对论挥砍着旧世界的爱因斯坦,却成为了因循守旧的代言人,1927年开始的索尔维会议,爱因斯坦和波尔华山论剑,面对历史的洪流,爱因斯坦把自己置身于“那些徒劳地想要推翻相对论的人一样的位置上”(埃伦费特语),然而固执的爱因斯坦却直到生命的最后关头还没有接受量子论……如果说爱因斯坦为量子论做出了什么贡献,也许就是他曾经给量子论无数的考验,量子论在批评和诘难中得以完善。当然有的人就不那么客气了,亚伯拉罕·帕斯在《爱因斯坦曾经住在这里》一书中说,就算1925年以后爱因斯坦改行去钓鱼,对科学来说也没有什么损失了。这一年距离爱因斯坦提出狭义相对论才刚刚20年。

 

爱因斯坦没能驳倒量子论,可薛定谔又来了,这次他带来了大名鼎鼎的“薛定谔的猫”,他盯住了玄乎的“坍缩”:假设把一只猫放在一个不透明的箱子里,箱子里有个毒气瓶,由一个原子衰变的装置控制,原子衰变则毒瓶打破,猫被毒死,而原子是否衰变根据量子论是一个随机的概率性事件。因此当我们没有观测的时候,原子就是出于既衰变又不衰变的状态,猫也应该处于一种既是死的又是活的状态。但是一旦我们打开箱子,原子就随机选择了一种状态,猫的生死也就决定了。根据量子论这是完全合理的

 

于是问题来了,匈牙利人维格纳提出了个更好玩的说法“维格纳的朋友”,也就是说,如果装猫的箱子放在一个不透明的房间里,房间里有一个维格纳的朋友,当薛定谔的猫生死未卜的时候,维格纳的朋友就在这个房间里观测箱子里的猫。显然对于维格纳的朋友,猫的生死是确定的,但是对于房间外面的维格纳来说,是否房间里的猫仍然是一种即使死的又是活的状态呢?这时候已经不是了,由于朋友的存在,猫的生死被确定了,那么猫的命运为什么会改变呢,维格纳说,是因为“意识”。他进一步说,这没什么好奇怪的,我们的意识不是经常被外部世界改变么,那么根据作用于反作用原理,意识也能反作用于世界。

 

这就更奇怪了,难道薛定谔的猫既是死的又是活的,仅仅是因为它没有“意识”吗?那么在人类从人猿逐渐进化到产生“意识”之前,整个宇宙都是不确定的么?或者说整个宇宙就是一团混沌状态,直到第一个智能生物产生“意识”的一刻,宇宙就清晰了,具有了完整的历史?也就是说,在事情发生之后,再来决定事情是怎么发生的?无论这多么离奇,后来马里兰大学的卡洛尔通过实验证明了这种离奇的推论。

 

现在也许有人开始念叨起笛卡尔那一句著名的“我思故我在”了。事实上也许就是如此,比方说现在的宇宙似乎是在以一个“恰到好处”的速度膨胀着,若他稍微快一点点,所有的物质就会四散飞开业就没有任何的星系和行星;反之如果稍微慢一点点,引力就会把所有的东西全都吸收到一起,成为一个超级大黑洞。而我们的宇宙有多“恰到好处”呢,整个速度要精准到10的55次方分之一,这个概率大约等于你连中五期福彩双色球的一等奖(每次只买一注),从宇宙的一端瞄准并打中宇宙另一端(约100亿光年)的一只苍蝇所需的准确性也不过是10的30次方分之一。如果宇宙不是以这样的速度膨胀,那么也就不会有你来问这个问题了:意识的存在反过来创造了它自身的过去。

 

1982年,阿斯派克特的实验在巴黎完成,爱因斯坦信仰的因果律彻底战败,量子论离真理又近了一步。1926年,爱因斯坦在给写给波恩的信中说:我毫无保留的相信,上帝是不掷筛子的。然而我们所能观测到的那个“上帝”却确实是掷筛子的。

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