第 一 章 黄 金 时 代 一 我 们 的 故 事 要 从 1887 年 的 德 国 开 始 位 于 莱 茵 河 边 的 卡 尔 斯 鲁 厄 是 一 座 风 景 秀 丽 的 城 市, 在 它 的 城 中 心, 矗 立 着 著 名 的 18 世 纪 的 宫 殿 郁 郁 葱 葱 的 森 林 和 温 暖

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1 上 帝 掷 骰 子 吗 量 子 物 理 史 话 版 权 所 有 :castor_v_pollux 原 作 提 交 时 间 :04:39:19 05 月 17 日 上 帝 掷 骰 子 吗 量 子 物 理 史 话 序 如 果 要 评 选 物 理 学 发 展 史 上 最 伟 大 的 那 些 年 代, 那 么 有 两 个 时 期 是 一 定 会 入 选 的 :17 世 纪 末 和 20 世 纪 初 前 者 以 牛 顿 自 然 哲 学 之 数 学 原 理 的 出 版 为 标 志, 宣 告 了 现 代 经 典 物 理 学 的 正 式 创 立 ; 而 后 者 则 为 我 们 带 来 了 相 对 论 和 量 子 论, 并 最 彻 底 地 推 翻 和 重 建 了 整 个 物 理 学 体 系 所 不 同 的 是, 今 天 当 我 们 再 谈 论 起 牛 顿 的 时 代, 心 中 更 多 的 已 经 只 是 对 那 段 光 辉 岁 月 的 怀 旧 和 祭 奠 ; 而 相 对 论 和 量 子 论 却 仍 然 深 深 地 影 响 和 困 扰 着 我 们 至 今, 就 像 两 颗 青 涩 的 橄 榄, 嚼 得 越 久, 反 而 更 加 滋 味 无 穷 我 在 这 里 先 要 给 大 家 讲 的 是 量 子 论 的 故 事 这 个 故 事 更 像 一 个 传 奇, 由 一 个 不 起 眼 的 线 索 开 始, 曲 径 通 幽, 渐 渐 地 落 英 缤 纷, 乱 花 迷 眼 正 在 没 个 头 绪 处, 突 然 间 峰 回 路 转, 天 地 开 阔, 如 河 出 伏 流, 一 泄 汪 洋 然 而 还 未 来 得 及 一 览 美 景, 转 眼 又 大 起 大 落, 误 入 白 云 深 处 不 知 归 路 量 子 力 学 的 发 展 史 是 物 理 学 上 最 激 动 人 心 的 篇 章 之 一, 我 们 会 看 到 物 理 大 厦 在 狂 风 暴 雨 下 轰 然 坍 塌, 却 又 在 熊 熊 烈 焰 中 得 到 了 洗 礼 和 重 生 我 们 会 看 到 最 革 命 的 思 潮 席 卷 大 地, 带 来 了 让 人 惊 骇 的 电 闪 雷 鸣, 同 时 却 又 展 现 出 震 撼 人 心 的 美 丽 我 们 会 看 到 科 学 如 何 在 荆 棘 和 沼 泽 中 艰 难 地 走 来, 却 更 加 坚 定 了 对 胜 利 的 信 念 量 子 理 论 是 一 个 复 杂 而 又 难 解 的 谜 题 她 像 一 个 神 秘 的 少 女, 我 们 天 天 与 她 相 见, 却 始 终 无 法 猜 透 她 的 内 心 世 界 今 天, 我 们 的 现 代 文 明, 从 电 脑, 电 视, 手 机 到 核 能, 航 天, 生 物 技 术, 几 乎 没 有 哪 个 领 域 不 依 赖 于 量 子 论 但 量 子 论 究 竟 带 给 了 我 们 什 么? 这 个 问 题 至 今 却 依 然 难 以 回 答 在 自 然 哲 学 观 上, 量 子 论 带 给 了 我 们 前 所 未 有 的 冲 击 和 震 动, 甚 至 改 变 了 整 个 物 理 世 界 的 基 本 思 想 它 的 观 念 是 如 此 地 革 命, 乃 至 最 不 保 守 的 科 学 家 都 在 潜 意 识 里 对 它 怀 有 深 深 的 惧 意 现 代 文 明 的 繁 盛 是 理 性 的 胜 利, 而 量 子 论 无 疑 是 理 性 的 最 高 成 就 之 一 但 是 它 被 赋 予 的 力 量 太 过 强 大, 以 致 有 史 以 来 第 一 次, 我 们 的 理 性 在 胜 利 中 同 时 埋 下 了 能 够 毁 灭 它 自 身 的 种 子 以 致 量 子 论 的 奠 基 人 之 一 玻 尔 (Niels Bohr) 都 要 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 掐 指 算 来, 量 子 论 创 立 至 今 已 经 超 过 100 年, 但 它 的 一 些 基 本 思 想 却 仍 然 不 为 普 通 的 大 众 所 熟 知 那 么, 就 让 我 们 再 次 回 到 那 个 伟 大 的 年 代, 再 次 回 顾 一 下 那 场 史 诗 般 壮 丽 的 革 命, 再 次 去 穿 行 于 那 惊 涛 骇 浪 之 间, 领 略 一 下 晕 眩 的 感 觉 吧 我 们 的 快 艇 就 要 出 发, 当 你 感 到 恐 惧 或 者 震 惊 时, 请 务 必 抓 紧 舷 边 但 大 家 也 要 时 刻 记 住, 当 年, 物 理 史 上 最 伟 大 的 天 才 们 也 走 过 同 样 的 航 线, 而 他 们 的 感 觉, 和 我 们 是 一 模 一 样 的

2 第 一 章 黄 金 时 代 一 我 们 的 故 事 要 从 1887 年 的 德 国 开 始 位 于 莱 茵 河 边 的 卡 尔 斯 鲁 厄 是 一 座 风 景 秀 丽 的 城 市, 在 它 的 城 中 心, 矗 立 着 著 名 的 18 世 纪 的 宫 殿 郁 郁 葱 葱 的 森 林 和 温 暖 的 气 候 也 使 得 这 座 小 城 成 为 了 欧 洲 的 一 个 旅 游 名 胜 然 而 这 些 怡 人 的 景 色 似 乎 没 有 分 散 海 因 里 希 鲁 道 夫 赫 兹 (Heinrich Rudolf Hertz) 的 注 意 力 : 现 在 他 正 在 卡 尔 斯 鲁 厄 大 学 的 一 间 实 验 室 里 专 心 致 志 地 摆 弄 他 的 仪 器 那 时 候, 赫 兹 刚 刚 30 岁, 也 许 不 会 想 到 他 将 在 科 学 史 上 成 为 和 他 的 老 师 赫 耳 姆 霍 兹 (Hermann von Helmholtz) 一 样 鼎 鼎 有 名 的 人 物, 不 会 想 到 他 将 和 卡 尔 本 茨 (Carl Benz) 一 样 成 为 这 个 小 城 的 骄 傲 现 在 他 的 心 思, 只 是 完 完 全 全 地 倾 注 在 他 的 那 套 装 置 上 赫 兹 的 装 置 在 今 天 看 来 是 很 简 单 的 : 它 的 主 要 部 分 是 一 个 电 火 花 发 生 器, 有 两 个 相 隔 很 近 的 小 铜 球 作 为 电 容 赫 兹 全 神 贯 注 地 注 视 着 这 两 个 相 对 而 视 的 铜 球, 然 后 合 上 了 电 路 开 关 顿 时, 电 的 魔 力 开 始 在 这 个 简 单 的 系 统 里 展 现 出 来 : 无 形 的 电 流 穿 过 装 置 里 的 感 应 线 圈, 并 开 始 对 铜 球 电 容 进 行 充 电 赫 兹 冷 冷 地 注 视 着 他 的 装 置, 在 心 里 面 想 象 着 电 容 两 段 电 压 不 断 上 升 的 情 形 在 电 学 的 领 域 攻 读 了 那 么 久, 赫 兹 对 自 己 的 知 识 是 有 充 分 信 心 的, 他 知 道, 随 着 电 压 的 上 升, 很 快 两 个 小 球 之 间 的 空 气 就 会 被 击 穿, 然 后 整 个 系 统 就 会 形 成 一 个 高 频 的 振 荡 回 路 (LC 回 路 ), 但 是, 他 现 在 想 要 观 察 的 不 是 这 个 果 然, 过 了 一 会 儿, 随 着 细 微 的 啪 的 一 声, 一 束 美 丽 的 蓝 色 电 花 爆 开 在 两 个 铜 球 之 间, 整 个 系 统 形 成 了 一 个 完 整 的 回 路, 细 小 的 电 流 束 在 空 气 中 不 停 地 扭 动, 绽 放 出 幽 幽 的 荧 光 赫 兹 反 而 更 加 紧 张 了, 他 盯 着 那 串 电 火 花, 还 有 电 火 花 旁 边 的 空 气, 心 里 面 想 象 了 一 幅 又 一 幅 的 图 景 他 不 是 要 看 这 个 装 置 如 何 产 生 火 花 短 路, 他 这 个 实 验 的 目 的, 是 为 了 求 证 那 虚 无 飘 渺 的 电 磁 波 的 存 在 那 是 一 种 什 么 样 的 东 西 啊, 它 看 不 见, 摸 不 着, 到 那 时 为 止 谁 也 没 有 见 过, 验 证 过 它 的 存 在 可 是, 赫 兹 是 坚 信 它 的 存 在 的, 因 为 它 是 麦 克 斯 韦 (Maxwell) 理 论 的 一 个 预 言 而 麦 克 斯 韦 理 论 哦, 它 在 数 学 上 简 直 完 美 得 像 一 个 奇 迹! 仿 佛 是 上 帝 的 手 写 下 的 一 首 诗 歌 这 样 的 理 论, 很 难 想 象 它 是 错 误 的 赫 兹 吸 了 一 口 气, 又 笑 了 : 不 管 理 论 怎 样 无 懈 可 击, 它 毕 竟 还 是 要 通 过 实 验 来 验 证 的 呀 他 站 在 那 里 看 了 一 会 儿, 在 心 里 面 又 推 想 了 几 遍, 终 于 确 定 自 己 的 实 验 无 误 : 如 果 麦 克 斯 韦 是 对 的 话, 那 么 在 两 个 铜 球 之 间 就 应 该 产 生 一 个 振 荡 的 电 场, 同 时 引 发 一 个 向 外 传 播 的 电 磁 波 赫 兹 转 过 头 去, 在 实 验 室 的 另 一 边, 放 着 一 个 开 口 的 铜 环, 在 开 口 处 也 各 镶 了 一 个 小 铜 球 那 是 电 磁 波 的 接 收 器, 如 果 麦 克 斯 韦 的 电 磁 波 真 的 存 在 的 话, 那 么 它 就 会 穿 越 这 个 房 间 到 达 另 外 一 端, 在 接 收 器 那 里 感 生 一 个 振 荡 的 电 动 势, 从 而 在 接 收 器 的 开 口 处 也 激 发 出 电 火 花 来 实 验 室 里 面 静 悄 悄 的, 赫 兹 一 动 不 动 地 站 在 那 里, 仿 佛 他 的 眼 睛 已 经 看 见 那 无 形 的 电 磁 波 在 空 间 穿 越 铜 环 接 受 器 突 然 显 得 有 点 异 样, 赫 兹 简 直 忍 不 住 要 大 叫 一 声, 他 把 自 己 的 鼻 子 凑 到 铜 环 的 前 面, 明 明 白 白 地 看 见 似 乎 有 微 弱 的 火 花 在 两 个 铜 球 之 间 的 空 气 里 闪 烁 赫 兹 飞 快 地 跑 到 窗 口, 把 所 有 的 窗 帘 都 拉 上, 现 在 更 清 楚 了 : 淡 蓝 色 的 电 花 在 铜 环 的 缺 口 不 断 地 绽 开, 而 整 个 铜 环 却 是 一 个 隔 离 的 系 统, 既 没 有 连 接 电 池 也 没 有 任 何 的 能 量 来 源 赫 兹 注 视 了 足 足 有 一 分 钟 之 久, 在 他 眼 里, 那 些 蓝 色 的 火 花 显 得 如 此 的 美 丽 终 于 他 揉 了 揉 眼 睛, 直 起 腰 来 : 现 在 不 用 再 怀 疑 了, 电 磁 波 真 真 实 实 地 存 在 于 空 间 之 中, 正 是 它 激 发 了 接 收 器 上 的 电 火 花 他 胜 利 了, 成 功 地 解 决 了 这 个 8 年 前 由 柏 林 普 鲁 士 科 学 院 提 出 悬 赏 的 问 题 ; 同 时,

3 麦 克 斯 韦 的 理 论 也 胜 利 了, 物 理 学 的 一 个 新 高 峰 电 磁 理 论 终 于 被 建 立 起 来 伟 大 的 法 拉 第 (Michael Faraday) 为 它 打 下 了 地 基, 伟 大 的 麦 克 斯 韦 建 造 了 它 的 主 体, 而 今 天, 他 伟 大 的 赫 兹 为 这 座 大 厦 封 了 顶 赫 兹 小 心 地 把 接 受 器 移 到 不 同 的 位 置, 电 磁 波 的 表 现 和 理 论 预 测 的 丝 毫 不 爽 根 据 实 验 数 据, 赫 兹 得 出 了 电 磁 波 的 波 长, 把 它 乘 以 电 路 的 振 荡 频 率, 就 可 以 计 算 出 电 磁 波 的 前 进 速 度 这 个 数 值 精 确 地 等 于 30 万 公 里 / 秒, 也 就 是 光 速 麦 克 斯 韦 惊 人 的 预 言 得 到 了 证 实 : 原 来 电 磁 波 一 点 都 不 神 秘, 我 们 平 时 见 到 的 光 就 是 电 磁 波 的 一 种, 只 不 过 它 的 频 率 限 定 在 某 一 个 范 围 内, 而 能 够 为 我 们 所 见 到 罢 了 无 论 从 哪 一 个 意 义 上 来 说, 这 都 是 一 个 了 不 起 的 发 现 古 老 的 光 学 终 于 可 以 被 完 全 包 容 于 新 兴 的 电 磁 学 里 面, 而 光 是 电 磁 波 的 一 种 的 论 断, 也 终 于 为 争 论 已 久 的 光 本 性 的 问 题 下 了 一 个 似 乎 是 不 可 推 翻 的 定 论 ( 我 们 马 上 就 要 去 看 看 这 场 旷 日 持 久 的 精 彩 大 战 ) 电 磁 波 的 反 射 衍 射 和 干 涉 实 验 很 快 就 做 出 来 了, 这 些 实 验 进 一 步 地 证 实 了 电 磁 波 和 光 波 的 一 致 性, 无 疑 是 电 磁 理 论 的 一 个 巨 大 成 就 赫 兹 的 名 字 终 于 可 以 被 闪 光 地 镌 刻 在 科 学 史 的 名 人 堂 里, 可 是, 作 为 一 个 纯 粹 的 严 肃 的 科 学 家, 赫 兹 当 时 却 没 有 想 到 他 的 发 现 里 面 所 蕴 藏 的 巨 大 的 商 业 意 义 在 卡 尔 斯 鲁 厄 大 学 的 那 间 实 验 室 里, 他 想 的 只 是 如 何 可 以 更 加 靠 近 大 自 然 的 终 极 奥 秘, 根 本 没 有 料 到 他 的 实 验 会 带 来 一 场 怎 么 样 的 时 代 革 命 赫 兹 英 年 早 逝, 还 不 到 37 岁 就 离 开 了 这 个 他 为 之 醉 心 的 世 界 然 而, 就 在 那 一 年, 一 位 在 伦 巴 底 度 假 的 20 岁 意 大 利 青 年 读 到 了 他 的 关 于 电 磁 波 的 论 文 ; 两 年 后, 这 个 青 年 已 经 在 公 开 场 合 进 行 了 无 线 电 的 通 讯 表 演, 不 久 他 的 公 司 成 立, 并 成 功 地 拿 到 了 专 利 证 到 了 1901 年, 赫 兹 死 后 的 第 7 年, 无 线 电 报 已 经 可 以 穿 越 大 西 洋, 实 现 两 地 的 实 时 通 讯 了 这 个 来 自 意 大 利 的 年 轻 人 就 是 古 格 列 尔 莫 马 可 尼 (Guglielmo Marconi), 与 此 同 时 俄 国 的 波 波 夫 (Aleksandr Popov) 也 在 无 线 通 讯 领 域 做 了 同 样 的 贡 献 他 们 掀 起 了 一 场 革 命 的 风 暴, 把 整 个 人 类 带 进 了 一 个 崭 新 的 信 息 时 代 不 知 赫 兹 如 果 身 后 有 知, 又 会 做 何 感 想? 但 仍 然 觉 得 赫 兹 只 会 对 此 置 之 一 笑 他 是 那 种 纯 粹 的 科 学 家, 把 对 真 理 的 追 求 当 作 人 生 最 大 的 价 值 恐 怕 就 算 他 想 到 了 电 磁 波 的 商 业 前 景, 也 会 不 屑 去 把 它 付 诸 实 践 的 吧? 也 许, 在 美 丽 的 森 林 和 湖 泊 间 散 步, 思 考 自 然 的 终 极 奥 秘, 在 秋 天 落 叶 的 校 园 里, 和 学 生 探 讨 学 术 问 题, 这 才 是 他 真 正 的 人 生 吧 今 天, 他 的 名 字 已 经 成 为 频 率 这 个 物 理 量 的 单 位, 被 每 个 人 不 断 地 提 起, 可 是, 或 许 他 还 会 嫌 我 们 打 扰 他 的 安 宁 呢? 二 上 次 我 们 说 到,1887 年, 赫 兹 的 实 验 证 实 了 电 磁 波 的 存 在, 也 证 实 了 光 其 实 是 电 磁 波 的 一 种, 两 者 具 有 共 同 的 波 的 特 性 这 就 为 光 的 本 性 之 争 画 上 了 一 个 似 乎 已 经 是 不 可 更 改 的 句 号 说 到 这 里, 我 们 的 故 事 要 先 回 一 回 头, 穿 越 时 空 去 回 顾 一 下 有 关 于 光 的 这 场 大 战 这 也 许 是 物 理 史 上 持 续 时 间 最 长, 程 度 最 激 烈 的 一 场 论 战 它 几 乎 贯 穿 于 整 个 现 代 物 理 的 发 展 过 程 中, 在 历 史 上 烧 灼 下 了 永 不 磨 灭 的 烙 印 光, 是 每 个 人 见 得 最 多 的 东 西 ( 见 得 最 多 在 这 里 用 得 真 是 一 点 也 不 错 ) 自 古 以 来, 它 就 被 理 所 当 然 地 认 为 是 这 个 宇 宙 最 原 始 的 事 物 之 一 在 远 古 的 神 话 中, 往 往 是 一 道 亮 光

4 劈 开 了 混 沌 和 黑 暗, 于 是 世 界 开 始 了 运 转 光 在 人 们 的 心 目 中, 永 远 代 表 着 生 命, 活 力 和 希 望 在 圣 经 里, 神 要 创 造 世 界, 首 先 要 创 造 的 就 是 光, 可 见 它 在 这 个 宇 宙 中 所 占 的 独 一 无 二 的 地 位 可 是, 光 究 竟 是 一 种 什 么 东 西? 或 者, 它 究 竟 是 不 是 一 种 东 西 呢? 远 古 时 候 的 人 们 似 乎 是 不 把 光 作 为 一 种 实 在 的 事 物 的, 光 亮 与 黑 暗, 在 他 们 看 来 只 是 一 种 环 境 的 不 同 罢 了 只 有 到 了 古 希 腊, 科 学 家 们 才 开 始 好 好 地 注 意 起 光 的 问 题 来 有 一 样 事 情 是 肯 定 的 : 我 们 之 所 以 能 够 看 见 东 西, 那 是 因 为 光 在 其 中 作 用 的 结 果 人 们 于 是 猜 想, 光 是 一 种 从 我 们 的 眼 睛 里 发 射 出 去 的 东 西, 当 它 到 达 某 样 事 物 的 时 候, 这 样 事 物 就 被 我 们 所 看 见 了 比 如 恩 培 多 克 勒 (Empedocles) 就 认 为 世 界 是 由 水 火 气 土 四 大 元 素 组 成 的, 而 人 的 眼 睛 是 女 神 阿 芙 罗 狄 忒 (Aphrodite) 用 火 点 燃 的, 当 火 元 素 ( 也 就 是 光 古 时 候 往 往 光 火 不 分 ) 从 人 的 眼 睛 里 喷 出 到 达 物 体 时, 我 们 就 得 以 看 见 事 物 但 显 而 易 见, 这 种 解 释 是 不 够 的 它 可 以 说 明 为 什 么 我 们 睁 着 眼 可 以 看 见, 而 闭 上 眼 睛 就 不 行 ; 但 它 解 释 不 了 为 什 么 在 暗 的 地 方, 我 们 即 使 睁 着 眼 睛 也 看 不 见 东 西 为 了 解 决 这 个 困 难, 人 们 引 进 了 复 杂 得 多 的 假 设 比 如 认 为 有 三 种 不 同 的 光, 分 别 来 源 于 眼 睛, 被 看 到 的 物 体 和 光 源, 而 视 觉 是 三 者 综 合 作 用 的 结 果 这 种 假 设 无 疑 是 太 复 杂 了 到 了 罗 马 时 代, 伟 大 的 学 者 卢 克 莱 修 (Lucretius) 在 其 不 朽 著 作 物 性 论 中 提 出, 光 是 从 光 源 直 接 到 达 人 的 眼 睛 的, 但 是 他 的 观 点 却 始 终 不 为 人 们 所 接 受 对 光 成 像 的 正 确 认 识 直 到 公 元 1000 年 左 右 才 被 一 个 波 斯 的 科 学 家 阿 尔 哈 桑 (al-haytham) 所 提 出 : 原 来 我 们 之 所 以 能 够 看 到 物 体, 只 是 由 于 光 从 物 体 上 反 射 到 我 们 眼 睛 里 的 结 果 他 提 出 了 许 多 证 据 来 证 明 这 一 点, 其 中 最 有 力 的 就 是 小 孔 成 像 的 实 验, 当 我 们 亲 眼 看 到 光 通 过 小 孔 后 成 了 一 个 倒 立 的 像, 我 们 就 无 可 怀 疑 这 一 说 法 的 正 确 性 了 关 于 光 的 一 些 性 质, 人 们 也 很 早 就 开 始 研 究 了 基 于 光 总 是 走 直 线 的 假 定, 欧 几 里 德 (Euclid) 在 反 射 光 学 (Catoptrica) 一 书 里 面 就 研 究 了 光 的 反 射 问 题 托 勒 密 (Ptolemy) 哈 桑 和 开 普 勒 (Johannes Kepler) 都 对 光 的 折 射 作 了 研 究, 而 荷 兰 物 理 学 家 斯 涅 耳 (W.Snell) 则 在 他 们 的 工 作 基 础 上 于 1621 年 总 结 出 了 光 的 折 射 定 律 最 后, 光 的 种 种 性 质 终 于 被 有 业 余 数 学 之 王 之 称 的 费 尔 马 (Pierre de Fermat) 所 归 结 为 一 个 简 单 的 法 则, 那 就 是 光 总 是 走 最 短 的 路 线 光 学 终 于 作 为 一 门 物 理 学 科 被 正 式 确 立 起 来 但 是, 当 人 们 已 经 对 光 的 种 种 行 为 了 如 指 掌 的 时 候, 却 依 然 有 一 个 最 基 本 的 问 题 没 有 得 到 解 决, 那 就 是 : 光 在 本 质 上 到 底 是 一 种 什 么 东 西? 这 个 问 题 看 起 来 似 乎 并 没 有 那 么 难 回 答, 但 人 们 大 概 不 会 想 到, 对 于 这 个 问 题 的 探 究 居 然 会 那 样 地 旷 日 持 久, 而 这 一 探 索 的 过 程, 对 物 理 学 的 影 响 竟 然 会 是 那 么 地 深 远 和 重 大, 其 意 义 超 过 当 时 任 何 一 个 人 的 想 象 古 希 腊 时 代 的 人 们 总 是 倾 向 于 把 光 看 成 是 一 种 非 常 细 小 的 粒 子 流, 换 句 话 说 光 是 由 一 粒 粒 非 常 小 的 光 原 子 所 组 成 的 这 种 观 点 一 方 面 十 分 符 合 当 时 流 行 的 元 素 说, 另 外 一 方 面, 当 时 的 人 们 除 了 粒 子 之 外 对 别 的 物 质 形 式 也 了 解 得 不 是 太 多 这 种 理 论, 我 们 把 它 称 之 为 光 的 微 粒 说 微 粒 说 从 直 观 上 看 来 是 很 有 道 理 的, 首 先 它 就 可 以 很 好 地 解 释 为 什 么 光 总 是 沿 着 直 线 前 进, 为 什 么 会 严 格 而 经 典 地 反 射, 甚 至 折 射 现 象 也 可 以 由 粒 子 流 在 不 同 介 质 里 的 速 度 变 化 而 得 到 解 释 但 是 粒 子 说 也 有 一 些 显 而 易 见 的 困 难 : 比 如 人 们 当 时 很 难 说 清 为 什 么 两

5 道 光 束 相 互 碰 撞 的 时 候 不 会 互 相 弹 开, 人 们 也 无 法 得 知, 这 些 细 小 的 光 粒 子 在 点 上 灯 火 之 前 是 隐 藏 在 何 处 的, 它 们 的 数 量 是 不 是 可 以 无 限 多, 等 等 当 黑 暗 的 中 世 纪 过 去 之 后, 人 们 对 自 然 世 界 有 了 进 一 步 的 认 识 波 动 现 象 被 深 入 地 了 解 和 研 究, 声 音 是 一 种 波 动 的 认 识 也 逐 渐 为 人 们 所 接 受 人 们 开 始 怀 疑 : 既 然 声 音 是 一 种 波, 为 什 么 光 不 能 够 也 是 波 呢? 十 七 世 纪 初, 笛 卡 儿 (Des Cartes) 在 他 方 法 论 的 三 个 附 录 之 一 折 光 学 中 率 先 提 出 了 这 样 的 可 能 : 光 是 一 种 压 力, 在 媒 质 里 传 播 不 久 后, 意 大 利 的 一 位 数 学 教 授 格 里 马 第 (Francesco Maria Grimaldi) 做 了 一 个 实 验, 他 让 一 束 光 穿 过 两 个 小 孔 后 照 到 暗 室 里 的 屏 幕 上, 发 现 在 投 影 的 边 缘 有 一 种 明 暗 条 纹 的 图 像 格 里 马 第 马 上 联 想 起 了 水 波 的 衍 射 ( 这 个 大 家 在 中 学 物 理 的 插 图 上 应 该 都 见 过 ), 于 是 提 出 : 光 可 能 是 一 种 类 似 水 波 的 波 动, 这 就 是 最 早 的 光 波 动 说 波 动 说 认 为, 光 不 是 一 种 物 质 粒 子, 而 是 由 于 介 质 的 振 动 而 产 生 的 一 种 波 我 们 想 象 一 下 水 波, 它 不 是 一 种 实 际 的 传 递, 而 是 沿 途 的 水 面 上 下 振 动 的 结 果 光 的 波 动 说 容 易 解 释 投 影 里 的 明 暗 条 纹, 也 容 易 解 释 光 束 可 以 互 相 穿 过 互 不 干 扰 关 于 直 线 传 播 和 反 射 的 问 题, 人 们 很 快 就 认 识 到 光 的 波 长 是 很 短 的, 在 大 多 数 情 况 下, 光 的 行 为 就 犹 同 经 典 粒 子 一 样 而 衍 射 实 验 则 更 加 证 明 了 这 一 点 但 是 波 动 说 有 一 个 基 本 的 难 题, 那 就 是 任 何 波 动 都 需 要 有 介 质 才 能 够 传 递, 比 如 声 音, 在 真 空 里 就 无 法 传 播 而 光 则 不 然, 它 似 乎 不 需 要 任 何 媒 介 就 可 以 任 意 地 前 进 举 一 个 简 单 的 例 子, 星 光 可 以 穿 过 几 乎 虚 无 一 物 的 太 空 来 到 地 球, 这 对 波 动 说 显 然 是 非 常 不 利 的 但 是 波 动 说 巧 妙 地 摆 脱 了 这 个 难 题 : 它 假 设 了 一 种 看 不 见 摸 不 着 的 介 质 来 实 现 光 的 传 播, 这 种 介 质 有 一 个 十 分 响 亮 而 让 人 印 象 深 刻 的 名 字, 叫 做 以 太 (Aether) 就 在 这 样 一 种 奇 妙 的 气 氛 中, 光 的 波 动 说 登 上 了 历 史 舞 台 我 们 很 快 就 会 看 到, 这 个 新 生 力 量 似 乎 是 微 粒 说 的 前 世 冤 家, 它 命 中 注 定 要 与 后 者 开 展 一 场 长 达 数 个 世 纪 之 久 的 战 争 他 们 两 个 的 命 运 始 终 互 相 纠 缠 在 一 起, 如 果 没 有 了 对 方, 谁 也 不 能 说 自 己 还 是 完 整 的 到 了 后 来, 他 们 简 直 就 是 为 了 对 手 而 存 在 着 这 出 精 彩 的 戏 剧 从 一 开 始 的 伏 笔, 经 过 两 个 起 落, 到 达 令 人 眼 花 缭 乱 的 高 潮 而 最 后 绝 妙 的 结 局 则 更 让 我 们 相 信, 他 们 的 对 话 几 乎 是 一 种 可 遇 而 不 可 求 的 缘 分 17 世 纪 中 期, 正 是 科 学 的 黎 明 到 来 之 前 那 最 后 的 黑 暗, 谁 也 无 法 预 见 这 两 朵 小 火 花 即 将 要 引 发 一 场 熊 熊 大 火 ******** 饭 后 闲 话 : 说 说 以 太 (Aether) 正 如 我 们 在 上 面 所 看 到 的, 以 太 最 初 是 作 为 光 波 媒 介 的 假 设 而 提 出 的 但 以 太 一 词 的 由 来 则 早 在 古 希 腊 : 亚 里 士 多 德 在 论 天 一 书 里 阐 述 了 他 对 天 体 的 认 识 他 认 为 日 月 星 辰 围 绕 着 地 球 运 转, 但 其 组 成 却 不 同 与 地 上 的 四 大 元 素 水 火 气 土 天 上 的 事 物 应 该 是 完 美 无 缺 的, 它 们 只 能 由 一 种 更 为 纯 洁 的 元 素 所 构 成, 这 就 是 亚 里 士 多 德 所 谓 的 第 五 元 素 以 太 ( 希 腊 文 的 αηθηρ) 而 自 从 这 个 概 念 被 借 用 到 科 学 里 来 之 后, 以 太 在 历 史 上 的 地 位 可 以 说 是 相 当 微 妙 的, 一 方 面, 它 曾 经 扮 演 过 如 此 重 要 的 角 色, 以 致 成 为 整 个 物 理 学 的 基 础 ; 另 一 方 面, 当 它 荣 耀 不 再 时, 也 曾 受 尽 嘲 笑 虽 然 它 不 甘 心 地 再 三 挣 扎, 改 换 头 面, 赋 予 自 己 新 的 意 义, 却 仍 然 逃 不 了 最 终 被 抛 弃 的 命 运, 甚 至 有 段 时 间 几 乎 成 了 伪 科 学 的 专 用 词 但 无 论 怎 样, 以 太 的 概 念 在 科 学 史 上 还 是 占 有 它 的 地 位 的, 它 曾 经 代 表 的 光 媒 以 及 绝 对 参 考 系, 虽 然 已 经 退 出 了 舞 台, 但 直 到 今 天, 仍 然 能 够 唤 起 我 们 对 那 段 黄 金 岁 月 的 怀 念 它 就 像 是 一 张 泛 黄 的 照 片, 记 载 了 一 个 贵 族 光 荣 的 过 去 今 天, 以 太 (Ether) 作 为 另 外 一 种 概 念 用 来 命 名 一 种 网 络 协 议 (Ethernet), 看 到 这 个 词 的 时 候, 是 不 是 也 每 每 生 出 几 许 慨 叹?

6 向 以 太 致 敬 三 上 次 说 到, 关 于 光 究 竟 是 什 么 的 问 题, 在 十 七 世 纪 中 期 有 了 两 种 可 能 的 假 设 : 微 粒 说 和 波 动 说 然 而 在 一 开 始 的 时 候, 双 方 的 武 装 都 是 非 常 薄 弱 的 微 粒 说 固 然 有 着 悠 久 的 历 史, 但 是 它 手 中 的 力 量 是 很 有 限 的 光 的 直 线 传 播 问 题 和 反 射 折 射 问 题 本 来 是 它 的 传 统 领 地, 但 波 动 方 面 军 队 在 发 展 了 自 己 的 理 论 后, 迅 速 就 在 这 两 个 战 场 上 与 微 粒 平 分 秋 色 而 波 动 论 作 为 一 种 新 兴 的 理 论, 格 里 马 第 的 光 衍 射 实 验 是 它 发 家 的 最 大 法 宝, 但 它 却 拖 着 一 个 沉 重 的 包 袱, 就 是 光 以 太 的 假 设, 这 个 凭 空 想 象 出 来 的 媒 介, 将 在 很 长 一 段 时 间 里 成 为 波 动 军 队 的 累 赘 两 支 力 量 起 初 并 没 有 发 生 什 么 武 装 冲 突 在 笛 卡 儿 的 方 法 论 那 里, 他 们 还 依 然 心 平 气 和 地 站 在 一 起 供 大 家 检 阅 导 致 第 一 次 微 波 战 争 爆 发 的 导 火 索 是 波 义 耳 (Robert Boyle, 中 学 里 学 过 波 马 定 律 的 朋 友 一 定 还 记 得 这 个 讨 厌 的 爱 尔 兰 人?) 在 1663 年 提 出 的 一 个 理 论 他 认 为 我 们 看 到 的 各 种 颜 色, 其 实 并 不 是 物 体 本 身 的 属 性, 而 是 光 照 上 去 才 产 生 的 效 果 这 个 论 调 本 身 并 没 有 关 系 到 微 粒 波 动 什 么 事, 但 是 却 引 起 了 对 颜 色 属 性 的 激 烈 争 论 在 格 里 马 第 的 眼 里, 颜 色 的 不 同, 是 因 为 光 波 频 率 的 不 同 而 引 起 的 他 的 实 验 引 起 了 胡 克 (Robert Hooke) 的 兴 趣 胡 克 本 来 是 波 义 耳 的 实 验 助 手, 当 时 是 英 国 皇 家 学 会 的 会 员, 同 时 也 兼 任 实 验 管 理 员 他 重 复 了 格 里 马 第 的 工 作, 并 仔 细 观 察 了 光 在 肥 皂 泡 里 映 射 出 的 色 彩 以 及 光 通 过 薄 云 母 片 而 产 生 的 光 辉 根 据 他 的 判 断, 光 必 定 是 某 种 快 速 的 脉 冲, 于 是 他 在 1665 年 出 版 的 显 微 术 (Micrographia) 一 书 中 明 确 地 支 持 波 动 说 显 微 术 这 本 著 作 很 快 为 胡 克 赢 得 了 世 界 性 的 学 术 声 誉, 波 动 说 由 于 这 位 大 将 的 加 入, 似 乎 也 在 一 时 占 了 上 风 然 而 不 知 是 偶 然, 还 是 冥 冥 之 中 自 有 安 排, 一 件 似 乎 无 关 的 事 情 改 变 了 整 个 战 局 的 发 展 1672 年, 一 位 叫 做 艾 萨 克 牛 顿 的 年 轻 人 向 皇 家 学 会 评 议 委 员 会 递 交 了 一 篇 论 文, 名 字 叫 做 关 于 光 与 色 的 新 理 论 牛 顿 当 时 才 30 岁, 刚 刚 当 选 为 皇 家 学 会 的 会 员 这 是 牛 顿 所 发 表 的 第 一 篇 正 式 科 学 论 文, 其 内 容 是 关 于 他 所 做 的 光 的 色 散 实 验 的, 这 也 是 牛 顿 所 做 的 最 为 有 名 的 实 验 之 一 实 验 的 情 景 在 一 些 科 学 书 籍 里 被 渲 染 得 十 分 impressive: 炎 热 难 忍 的 夏 天, 牛 顿 却 戴 着 厚 重 的 假 发 呆 在 一 间 小 屋 里 四 面 窗 户 全 都 被 封 死 了, 屋 子 里 面 又 闷 又 热, 一 片 漆 黑, 只 有 一 束 亮 光 从 一 个 特 意 留 出 的 小 孔 里 面 射 进 来 牛 顿 不 顾 身 上 汗 如 雨 下, 全 神 贯 注 地 在 屋 里 走 来 走 去, 并 不 时 地 把 手 里 的 一 个 三 棱 镜 插 进 那 个 小 孔 里 每 当 三 棱 镜 被 插 进 去 的 时 候, 原 来 的 那 束 白 光 就 不 见 了, 而 在 屋 里 的 墙 上, 映 射 出 了 一 条 长 长 的 彩 色 宽 带 : 颜 色 从 红 一 直 到 紫 牛 顿 凭 借 这 个 实 验, 得 出 了 白 色 光 是 由 七 彩 光 混 合 而 成 的 结 论 然 而 在 这 篇 论 文 中, 牛 顿 把 光 的 复 合 和 分 解 比 喻 成 不 同 颜 色 微 粒 的 混 合 和 分 开 胡 克 和 波 义 耳 正 是 当 时 评 议 会 的 成 员, 他 们 对 此 观 点 进 行 了 激 烈 的 抨 击 胡 克 声 称, 牛 顿 论 文 中 正 确 的 部 分 ( 也 就 是 色 彩 的 复 合 ) 是 窃 取 了 他 1665 年 的 思 想, 而 牛 顿 原 创 的 微 粒 说 则 不 值 一 提 牛 顿 大 怒, 马 上 撤 回 了 论 文, 并 赌 气 般 地 宣 称 不 再 发 表 任 何 研 究 成 果 其 实 在 此 之 前, 牛 顿 的 观 点 还 是 在 微 粒 和 波 动 之 间 有 所 摇 摆 的, 并 没 有 完 全 否 认 波 动 说 1665 年, 胡 克 发 表 他 的 观 点 时, 牛 顿 还 刚 刚 从 剑 桥 三 一 学 院 毕 业, 也 许 还 在 苹 果 树 前 面 思 考 他 的

7 万 有 引 力 问 题 呢 但 在 这 件 事 之 后, 牛 顿 开 始 一 面 倒 地 支 持 微 粒 说 这 究 竟 是 因 为 报 复 心 理, 还 是 因 为 科 学 精 神, 今 天 已 经 无 法 得 知 了, 想 来 两 方 面 都 有 其 因 素 吧 不 过 牛 顿 的 性 格 是 以 小 气 和 斤 斤 计 较 而 闻 名 的, 这 从 以 后 他 和 莱 布 尼 兹 关 于 微 积 分 发 明 的 争 论 中 也 可 见 一 斑 但 是, 一 方 面 因 为 胡 克 的 名 气, 另 一 方 面 也 因 为 牛 顿 的 注 意 力 更 多 地 转 移 到 了 运 动 学 和 力 学 方 面, 牛 顿 暂 时 仍 然 没 有 正 式 地 全 面 论 证 微 粒 说 ( 只 是 在 几 篇 论 文 中 反 驳 了 胡 克 ) 而 这 时 候, 波 动 方 面 军 开 始 了 他 们 的 现 代 化 进 程 用 理 论 来 装 备 自 己 荷 兰 物 理 学 家 惠 更 斯 (Christiaan Huygens) 成 为 了 波 动 说 的 主 将 惠 更 斯 在 数 学 理 论 方 面 是 具 有 十 分 高 的 天 才 的, 他 继 承 了 胡 克 的 思 想, 认 为 光 是 一 种 在 以 太 里 传 播 的 纵 波, 并 引 入 了 波 前 的 概 念, 成 功 地 证 明 和 推 导 了 光 的 反 射 和 折 射 定 律 他 的 波 动 理 论 虽 然 还 十 分 粗 略, 但 是 所 取 得 的 成 功 却 是 杰 出 的 当 时 随 着 光 学 研 究 的 不 断 深 入, 新 的 战 场 不 断 被 开 辟 :1665 年, 牛 顿 在 实 验 中 发 现 如 果 让 光 通 过 一 块 大 曲 率 凸 透 镜 照 射 到 光 学 平 玻 璃 板 上, 会 看 见 在 透 镜 与 玻 璃 平 板 接 触 处 出 现 一 组 彩 色 的 同 心 环 条 纹, 也 就 是 著 名 的 牛 顿 环 ( 对 图 象 和 摄 影 有 兴 趣 的 朋 友 一 定 知 道 ) 到 了 1669 年, 丹 麦 的 巴 塞 林 那 斯 (E.Bartholinus) 发 现 当 光 在 通 过 方 解 石 晶 体 时, 会 出 现 双 折 射 现 象 惠 更 斯 将 他 的 理 论 应 用 于 这 些 新 发 现 上 面, 发 现 他 的 波 动 军 队 可 以 容 易 地 占 领 这 些 新 辟 的 阵 地, 只 需 要 作 小 小 的 改 制 即 可 ( 比 如 引 进 椭 圆 波 的 概 念 ) 1690 年, 惠 更 斯 的 著 作 光 论 (Traite de la Lumiere) 出 版, 标 志 着 波 动 说 在 这 个 阶 段 到 达 了 一 个 兴 盛 的 顶 点 不 幸 的 是, 波 动 方 面 暂 时 的 得 势 看 来 注 定 要 成 为 昙 花 一 现 的 泡 沫 因 为 在 他 们 的 对 手 那 里 站 着 一 个 光 芒 四 射 的 伟 大 人 物 : 艾 萨 克 牛 顿 先 生 ( 而 且 马 上 就 要 成 为 爵 士 ) 这 位 科 学 巨 人 不 管 他 是 出 于 什 么 理 由 已 经 决 定 要 给 予 波 动 说 的 军 队 以 毫 不 留 情 的 致 命 打 击 为 了 避 免 再 次 引 起 和 胡 克 之 间 的 争 执, 导 致 不 必 要 的 误 解, 牛 顿 在 战 术 上 也 进 行 了 精 心 的 安 排 直 到 胡 克 去 世 后 的 第 二 年, 也 就 是 1704 年, 牛 顿 才 出 版 了 他 的 煌 煌 巨 著 光 学 (Opticks) 在 这 本 划 时 代 的 作 品 中, 牛 顿 详 尽 地 阐 述 了 光 的 色 彩 叠 合 与 分 散, 从 粒 子 的 角 度 解 释 了 薄 膜 透 光, 牛 顿 环 以 及 衍 射 实 验 中 发 现 的 种 种 现 象 他 驳 斥 了 波 动 理 论, 质 疑 如 果 光 如 同 声 波 一 样, 为 什 么 无 法 绕 开 障 碍 物 前 进 他 也 对 双 折 射 现 象 进 行 了 研 究, 提 出 了 许 多 用 波 动 理 论 无 法 解 释 的 问 题 而 粒 子 方 面 的 基 本 困 难, 牛 顿 则 以 他 的 天 才 加 以 解 决 他 从 波 动 对 手 那 里 吸 收 了 许 多 东 西, 比 如 将 波 的 一 些 有 用 的 概 念 如 振 动, 周 期 等 引 入 微 粒 论, 从 而 很 好 地 解 答 了 牛 顿 环 的 难 题 在 另 一 方 面, 牛 顿 把 粒 子 说 和 他 的 力 学 体 系 结 合 在 了 一 起, 于 是 使 得 这 个 理 论 顿 时 呈 现 出 无 与 伦 比 的 力 量 这 完 全 是 一 次 摧 枯 拉 朽 般 的 打 击 那 时 的 牛 顿, 已 经 再 不 是 那 个 可 以 在 评 议 会 上 被 人 质 疑 的 青 年 那 时 的 牛 顿, 已 经 是 出 版 了 数 学 原 理 的 牛 顿, 已 经 是 发 明 了 微 积 分 的 牛 顿 那 个 时 候, 他 已 经 是 国 会 议 员, 皇 家 学 会 会 长, 已 经 成 为 科 学 史 上 神 话 般 的 人 物 在 世 界 各 地, 人 们 对 他 的 力 学 体 系 顶 礼 膜 拜, 仿 佛 见 到 了 上 帝 的 启 示 而 波 动 说 则 群 龙 无 首 ( 惠 更 斯 也 早 于 1695 年 去 世 ), 这 支 失 去 了 领 袖 的 军 队 还 没 有 来 得 及 在 领 土 上 建 造 几 座 坚 固 一 点 的 堡 垒, 就 遭 到 了 毁 灭 性 的 打 击 他 们 惊 恐 万 状, 溃 不 成 军, 几 乎 在 一 夜 之 间 丧 失 了 所 有 的 阵 地 这 一 方 面 是 因 为 波 动 自 己 的 防 御 工 事 有 不 足 之 处, 它 的 理 论 仍 然 不 够 完 善, 另 一 方 面 也 实 在 是 因 为 对 手 的 实 力 过 于 强 大 : 牛 顿 作 为 光 学 界 的 泰 斗, 他 的 才 华 和 权 威 是 不 容 质 疑 的 第 一 次 微 波 战 争 就 这 样 以 波 动 的 惨 败 而 告 终, 战 争 的 结 果 是 微 粒 说 牢 牢 占 据 了 物 理 界 的 主 流 波 动 被 迫 转 入 地 下, 在 长 达 整 整 一 个 世 纪 的 时 间 里 都 抬 不 起 头 来 然 而, 它 却 仍 然 没 有 被 消 灭, 惠 更 斯 等 人 所 做 的 开 创 性 工 作 使 得 它 仍 然 具 有 顽 强 的 生 命 力, 默 默 潜 伏 着 以 待 东 山 再 起 的 那

8 天 ********* 饭 后 闲 话 : 胡 克 与 牛 顿 胡 克 和 牛 顿 在 历 史 上 也 算 是 一 对 欢 喜 冤 家 两 个 人 都 在 力 学, 光 学, 仪 器 等 方 面 有 着 伟 大 的 贡 献 两 人 互 相 启 发, 但 是 之 间 也 存 在 着 不 少 的 争 论 除 了 关 于 光 本 性 的 争 论 之 外, 他 们 之 间 还 有 一 个 争 执, 那 就 是 万 有 引 力 的 平 方 反 比 定 律 究 竟 是 谁 发 现 的 问 题 胡 克 在 力 学 与 行 星 运 动 方 面 花 过 许 多 心 血, 他 深 入 研 究 了 开 普 勒 定 律, 于 1964 年 提 出 了 行 星 轨 道 因 引 力 而 弯 曲 成 椭 圆 的 观 点 1674 年 他 根 据 修 正 的 惯 性 原 理, 提 出 了 行 星 运 动 的 理 论 1679 年, 他 在 写 给 牛 顿 的 信 中, 提 出 了 引 力 大 小 与 距 离 的 平 方 成 反 比 这 个 概 念, 但 是 说 得 比 较 模 糊, 并 未 加 之 量 化 ( 原 文 是 : my supposition is that the Attraction always is in a duplicate proportion to the distance from the center reciprocal) 在 牛 顿 的 原 理 出 版 之 后, 胡 克 要 求 承 认 他 对 这 个 定 律 的 优 先 发 现, 但 牛 顿 最 后 的 回 答 却 是 把 所 有 涉 及 胡 克 的 引 用 都 从 原 理 里 面 给 删 掉 了 应 该 说 胡 克 也 是 一 位 伟 大 的 科 学 家, 他 曾 帮 助 波 义 耳 发 现 波 义 耳 定 律, 用 自 己 的 显 微 镜 发 现 了 植 物 的 细 胞, 他 在 地 质 学 方 面 的 工 作 ( 尤 其 是 对 化 石 的 观 测 ) 影 响 了 这 个 学 科 整 整 30 年, 他 发 明 和 制 造 的 仪 器 ( 如 显 微 镜 空 气 唧 筒 发 条 摆 轮 轮 形 气 压 表 等 ) 在 当 时 无 与 伦 比 他 所 发 现 的 弹 性 定 律 是 力 学 最 重 要 的 定 律 之 一 在 那 个 时 代, 他 在 力 学 和 光 学 方 面 是 仅 次 于 牛 顿 的 伟 大 科 学 家, 可 是 似 乎 他 却 永 远 生 活 在 牛 顿 的 阴 影 里 今 天 的 牛 顿 名 满 天 下, 但 今 天 的 中 学 生 只 有 从 课 本 里 的 胡 克 定 律 ( 弹 性 定 律 ) 才 知 道 胡 克 的 名 字, 胡 克 死 前 已 经 变 得 愤 世 嫉 俗, 字 里 行 间 充 满 了 挖 苦 他 死 后 连 一 张 画 像 也 没 有 留 下 来, 据 说 是 因 为 他 太 丑 了 四 上 次 说 到, 在 微 粒 与 波 动 的 第 一 次 交 锋 中, 以 牛 顿 为 首 的 微 粒 说 战 胜 了 波 动, 取 得 了 在 物 理 上 被 普 遍 公 认 的 地 位 转 眼 间, 近 一 个 世 纪 过 去 了 牛 顿 体 系 的 地 位 已 经 是 如 此 地 崇 高, 令 人 不 禁 有 一 种 目 眩 的 感 觉 而 他 所 提 倡 的 光 是 一 种 粒 子 的 观 念 也 已 经 是 如 此 地 深 入 人 心, 以 致 人 们 几 乎 都 忘 了 当 年 它 那 对 手 的 存 在 然 而 1773 年 的 6 月 13 日, 英 国 米 尔 沃 顿 (Milverton) 的 一 个 教 徒 的 家 庭 里 诞 生 了 一 个 男 孩, 叫 做 托 马 斯 杨 (Thomas Young) 这 个 未 来 反 叛 派 领 袖 的 成 长 史 是 一 个 典 型 的 天 才 历 程, 他 两 岁 的 时 候 就 能 够 阅 读 各 种 经 典,6 岁 时 开 始 学 习 拉 丁 文,14 岁 就 用 拉 丁 文 写 过 一 篇 自 传, 到 了 16 岁 时 他 已 经 能 够 说 10 种 语 言, 并 学 习 了 牛 顿 的 数 学 原 理 以 及 拉 瓦 锡 的 化 学 纲 要 等 科 学 著 作 杨 19 岁 的 时 候, 受 到 他 那 当 医 生 的 叔 父 的 影 响, 决 定 去 伦 敦 学 习 医 学 在 以 后 的 日 子 里, 他 先 后 去 了 爱 丁 堡 和 哥 廷 根 大 学 攻 读, 最 后 还 是 回 到 剑 桥 的 伊 曼 纽 尔 学 院 终 结 他 的 学 业 在 他 还 是 学 生 的 时 候, 杨 研 究 了 人 体 上 眼 睛 的 构 造, 开 始 接 触 到 了 光 学 上 的 一 些 基 本 问 题, 并 最 终 形 成 了 他 的 光 是 波 动 的 想 法 杨 的 这 个 认 识, 是 来 源 于 波 动 中 所 谓 的 干 涉 现 象 我 们 都 知 道, 普 通 的 物 质 是 具 有 累 加 性 的, 一 滴 水 加 上 一 滴 水 一 定 是 两 滴 水, 而 不 会 一 起 消 失 但 是 波 动 就 不 同 了, 一 列 普 通 的 波, 它 有 着 波 的 高 峰 和 波 的 谷 底, 如 果 两 列 波 相 遇, 当

9 它 们 正 好 都 处 在 高 峰 时, 那 么 叠 加 起 来 的 这 个 波 就 会 达 到 两 倍 的 峰 值, 如 果 都 处 在 低 谷 时, 叠 加 的 结 果 就 会 是 两 倍 深 的 谷 底 但 是, 等 等, 如 果 正 好 一 列 波 在 它 的 高 峰, 另 外 一 列 波 在 它 的 谷 底 呢? 答 案 是 它 们 会 互 相 抵 消 如 果 两 列 波 在 这 样 的 情 况 下 相 遇 ( 物 理 上 叫 做 反 相 ), 那 么 在 它 们 重 叠 的 地 方, 将 会 波 平 如 镜, 既 没 有 高 峰, 也 没 有 谷 底 这 就 像 一 个 人 把 你 往 左 边 拉, 另 一 个 人 用 相 同 的 力 气 把 你 往 右 边 拉, 结 果 是 你 会 站 在 原 地 不 动 托 马 斯 杨 在 研 究 牛 顿 环 的 明 暗 条 纹 的 时 候, 被 这 个 关 于 波 动 的 想 法 给 深 深 打 动 了 为 什 么 会 形 成 一 明 一 暗 的 条 纹 呢? 一 个 思 想 渐 渐 地 在 杨 的 脑 海 里 成 型 : 用 波 来 解 释 不 是 很 简 单 吗? 明 亮 的 地 方, 那 是 因 为 两 道 光 正 好 是 同 相 的, 它 们 的 波 峰 和 波 谷 正 好 相 互 增 强, 结 果 造 成 了 两 倍 光 亮 的 效 果 ( 就 好 像 有 两 个 人 同 时 在 左 边 或 者 右 边 拉 你 ); 而 黑 暗 的 那 些 条 纹, 则 一 定 是 两 道 光 处 于 反 相, 它 们 的 波 峰 波 谷 相 对, 正 好 互 相 抵 消 了 ( 就 好 像 两 个 人 同 时 在 两 边 拉 你 ) 这 一 大 胆 而 富 于 想 象 的 见 解 使 杨 激 动 不 已, 他 马 上 着 手 进 行 了 一 系 列 的 实 验, 并 于 1801 年 和 1803 年 分 别 发 表 论 文 报 告, 阐 述 了 如 何 用 光 波 的 干 涉 效 应 来 解 释 牛 顿 环 和 衍 射 现 象 甚 至 通 过 他 的 实 验 数 据, 计 算 出 了 光 的 波 长 应 该 在 1/36000 至 1/60000 英 寸 之 间 在 1807 年, 杨 总 结 出 版 了 他 的 自 然 哲 学 讲 义, 里 面 综 合 整 理 了 他 在 光 学 方 面 的 工 作, 并 在 里 面 第 一 次 描 述 了 他 那 个 名 扬 四 海 的 实 验 : 光 的 双 缝 干 涉 后 来 的 历 史 证 明, 这 个 实 验 完 全 可 以 跻 身 于 物 理 学 史 上 最 经 典 的 前 五 个 实 验 之 列, 而 在 今 天, 它 已 经 出 现 在 每 一 本 中 学 物 理 的 教 科 书 上 杨 的 实 验 手 段 极 其 简 单 : 把 一 支 蜡 烛 放 在 一 张 开 了 一 个 小 孔 的 纸 前 面, 这 样 就 形 成 了 一 个 点 光 源 ( 从 一 个 点 发 出 的 光 源 ) 现 在 在 纸 后 面 再 放 一 张 纸, 不 同 的 是 第 二 张 纸 上 开 了 两 道 平 行 的 狭 缝 从 小 孔 中 射 出 的 光 穿 过 两 道 狭 缝 投 到 屏 幕 上, 就 会 形 成 一 系 列 明 暗 交 替 的 条 纹, 这 就 是 现 在 众 人 皆 知 的 干 涉 条 纹 杨 的 著 作 点 燃 了 革 命 的 导 火 索, 物 理 史 上 的 第 二 次 微 波 战 争 开 始 了 波 动 方 面 军 在 经 过 了 百 年 的 沉 寂 之 后, 终 于 又 回 到 了 历 史 舞 台 上 来 但 是 它 当 时 的 日 子 并 不 是 好 过 的, 在 微 粒 大 军 仍 然 一 统 天 下 的 年 代, 波 动 的 士 兵 们 衣 衫 褴 褛, 缺 少 后 援, 只 能 靠 游 击 战 来 引 起 人 们 对 它 的 注 意 杨 的 论 文 开 始 受 尽 了 权 威 们 的 嘲 笑 和 讽 刺, 被 攻 击 为 荒 唐 和 不 合 逻 辑, 在 近 20 年 间 竟 然 无 人 问 津 杨 为 了 反 驳 专 门 撰 写 了 论 文, 但 是 却 无 处 发 表, 只 好 印 成 小 册 子, 但 是 据 说 发 行 后 只 卖 出 了 一 本 不 过, 虽 然 高 傲 的 微 粒 仍 然 沉 醉 在 牛 顿 时 代 的 光 荣 之 中, 一 开 始 并 不 把 起 义 的 波 动 叛 乱 分 子 放 在 眼 睛 里 但 他 们 很 快 就 发 现, 这 些 反 叛 者 虽 然 人 数 不 怎 么 多, 服 装 并 不 那 么 整 齐, 但 是 他 们 的 武 器 却 今 非 昔 比 在 受 到 了 几 次 沉 重 的 打 击 后, 干 涉 条 纹 这 门 波 动 大 炮 的 杀 伤 力 终 于 惊 动 整 个 微 粒 军 团 这 个 简 单 巧 妙 的 实 验 所 揭 示 出 来 的 现 象 证 据 确 凿, 几 乎 无 法 反 驳 无 论 微 粒 怎 么 样 努 力, 也 无 法 躲 开 对 手 的 无 情 轰 炸 : 它 就 是 难 以 说 明 两 道 光 叠 加 在 一 起 怎 么 会 反 而 造 成 黑 暗 而 波 动 的 理 由 却 是 简 单 而 直 接 的 : 两 个 小 孔 距 离 屏 幕 上 某 点 的 距 离 会 有 所 不 同 当 这 个 距 离 是 波 长 的 整 数 值 时, 两 列 光 波 正 好 互 相 加 强, 就 形 成 亮 点 反 之, 当 距 离 差 刚 好 造 成 半 个 波 长 的 相 位 差 时, 两 列 波 就 正 好 互 相 抵 消, 造 成 暗 点 理 论 计 算 出 的 明 亮 条 纹 距 离 和 实 验 值 分 毫 不 差

10 在 节 节 败 退 后, 微 粒 终 于 发 现 自 己 无 法 抵 挡 对 方 的 进 攻 于 是 它 采 取 了 以 攻 代 守 的 战 略 许 多 对 波 动 说 不 利 的 实 验 证 据 被 提 出 来 以 证 明 波 动 说 的 矛 盾 其 中 最 为 知 名 的 就 是 马 吕 斯 (Etienne Louis Malus) 在 1809 年 发 现 的 偏 振 现 象, 这 一 现 象 和 已 知 的 波 动 论 有 抵 触 的 地 方 两 大 对 手 开 始 相 持 不 下, 但 是 各 自 都 没 有 放 弃 自 己 获 胜 的 信 心 杨 在 给 马 吕 斯 的 信 里 说 : 您 的 实 验 只 是 证 明 了 我 的 理 论 有 不 足 之 处, 但 没 有 证 明 它 是 虚 假 的 决 定 性 的 时 刻 在 1819 年 到 来 了 最 后 的 决 战 起 源 于 1818 年 法 国 科 学 院 的 一 个 悬 赏 征 文 竞 赛 竞 赛 的 题 目 是 利 用 精 密 的 实 验 确 定 光 的 衍 射 效 应 以 及 推 导 光 线 通 过 物 体 附 近 时 的 运 动 情 况 竞 赛 评 委 会 由 许 多 知 名 科 学 家 组 成, 这 其 中 包 括 比 奥 (J.B.Biot) 拉 普 拉 斯 (Pierre Simon de Laplace) 和 泊 松 (S.D.Poission), 都 是 积 极 的 微 粒 说 拥 护 者 组 织 这 个 竞 赛 的 本 意 是 希 望 通 过 微 粒 说 的 理 论 来 解 释 光 的 衍 射 以 及 运 动, 以 打 击 波 动 理 论 但 是 戏 剧 性 的 情 况 出 现 了 一 个 不 知 名 的 法 国 年 轻 工 程 师 菲 涅 耳 (Augustin Fresnel, 当 时 他 才 31 岁 ) 向 组 委 会 提 交 了 一 篇 论 文 关 于 偏 振 光 线 的 相 互 作 用 在 这 篇 论 文 里, 菲 涅 耳 采 用 了 光 是 一 种 波 动 的 观 点, 但 是 革 命 性 地 认 为 光 是 一 种 横 波 ( 也 就 是 类 似 水 波 那 样, 振 子 作 相 对 传 播 方 向 垂 直 运 动 的 波 ) 而 不 像 从 胡 克 以 来 一 直 所 认 为 的 那 样 是 一 种 纵 波 ( 类 似 弹 簧 波, 振 子 作 相 对 传 播 方 向 水 平 运 动 的 波 ) 从 这 个 观 念 出 发, 他 以 严 密 的 数 学 推 理, 圆 满 地 解 释 了 光 的 衍 射, 并 解 决 了 一 直 以 来 困 扰 波 动 说 的 偏 振 问 题 他 的 体 系 完 整 而 无 缺, 以 至 委 员 会 成 员 为 之 深 深 惊 叹 泊 松 并 不 相 信 这 一 结 论, 对 它 进 行 了 仔 细 的 审 查, 结 果 发 现 当 把 这 个 理 论 应 用 于 圆 盘 衍 射 的 时 候, 在 阴 影 中 间 将 会 出 现 一 个 亮 斑 这 在 泊 松 看 来 是 十 分 荒 谬 的, 影 子 中 间 怎 么 会 出 现 亮 斑 呢? 这 差 点 使 得 菲 涅 尔 的 论 文 中 途 夭 折 但 菲 涅 耳 的 同 事 阿 拉 果 (Franois Arago) 在 关 键 时 刻 坚 持 要 进 行 实 验 检 测, 结 果 发 现 真 的 有 一 个 亮 点 如 同 奇 迹 一 般 地 出 现 在 圆 盘 阴 影 的 正 中 心, 位 置 亮 度 和 理 论 符 合 得 相 当 完 美 菲 涅 尔 理 论 的 这 个 胜 利 成 了 第 二 次 微 波 战 争 的 决 定 性 事 件 他 获 得 了 那 一 届 的 科 学 奖 (Grand Prix), 同 时 一 跃 成 为 了 可 以 和 牛 顿, 惠 更 斯 比 肩 的 光 学 界 的 传 奇 人 物 圆 盘 阴 影 正 中 的 亮 点 ( 后 来 被 相 当 有 误 导 性 地 称 作 泊 松 亮 斑 ) 成 了 波 动 军 手 中 威 力 不 下 于 干 涉 条 纹 的 重 武 器, 给 了 微 粒 势 力 以 致 命 的 一 击 起 义 者 的 烽 火 很 快 就 燃 遍 了 光 学 的 所 有 领 域, 把 微 粒 从 统 治 的 地 位 赶 了 下 来, 后 者 在 严 厉 的 打 击 下 捉 襟 见 肘, 节 节 溃 退, 到 了 19 世 纪 中 期, 微 粒 说 挽 回 战 局 的 唯 一 希 望 就 是 光 速 在 水 中 的 测 定 结 果 了 因 为 根 据 粒 子 论, 这 个 速 度 应 该 比 真 空 中 的 光 速 要 快, 而 根 据 波 动 论, 这 个 速 度 则 应 该 比 真 空 中 要 慢 才 对 然 而 不 幸 的 微 粒 军 团 终 于 在 1819 年 的 莫 斯 科 严 冬 之 后, 又 于 1850 年 迎 来 了 它 的 滑 铁 卢 这 一 年 的 5 月 6 日, 傅 科 (Foucault, 他 后 来 以 傅 科 摆 实 验 而 闻 名 ) 向 法 国 科 学 院 提 交 了 他 关 于 光 速 测 量 实 验 的 报 告 在 准 确 地 得 出 光 在 真 空 中 的 速 度 之 后, 他 也 进 行 了 水 中 光 速 的 测 量, 发 现 这 个 值 小 于 真 空 中 的 速 度 这 一 结 果 彻 底 宣 判 了 微 粒 说 的 死 刑, 波 动 论 终 于 在 100 多 年 后 革 命 成 功, 登 上 了 物 理 学 统 治 地 位 的 宝 座 在 胜 利 者 的 一 片 欢 呼 声 中, 第 二 次 微 波 战 争 随 着 微 粒 的 战 败 而 宣 告 结 束 但 是 波 动 内 部 还 是 有 一 个 小 小 的 困 难, 就 是 以 太 的 问 题 光 是 一 种 横 波 的 事 实 已 经 十 分 清 楚,

11 它 传 播 的 速 度 也 得 到 了 精 确 测 量, 这 个 数 值 达 到 了 30 万 公 里 / 秒, 是 一 个 惊 人 的 高 速 通 过 传 统 的 波 动 论, 我 们 必 然 可 以 得 出 它 的 传 播 媒 介 的 性 质 : 这 种 媒 介 必 定 是 十 分 的 坚 硬, 比 最 硬 的 物 质 金 刚 石 还 要 硬 上 不 知 多 少 倍 然 而 事 实 是 从 来 就 没 有 任 何 人 能 够 看 到 或 者 摸 到 这 种 以 太, 也 没 有 实 验 测 定 到 它 的 存 在 星 光 穿 越 几 亿 亿 公 里 的 以 太 来 到 地 球, 然 而 这 些 坚 硬 无 比 的 以 太 却 不 能 阻 挡 任 何 一 颗 行 星 或 者 彗 星 的 运 动, 哪 怕 是 最 微 小 的 也 不 行! 波 动 对 此 的 解 释 是 以 太 是 一 种 刚 性 的 粒 子, 但 是 它 却 是 如 此 稀 薄, 以 致 物 质 在 穿 过 它 们 时 几 乎 完 全 不 受 到 任 何 阻 力, 就 像 风 穿 过 一 小 片 丛 林 ( 托 马 斯 杨 语 ) 以 太 在 真 空 中 也 是 绝 对 静 止 的, 只 有 在 透 明 物 体 中, 可 以 部 分 地 被 拖 曳 ( 菲 涅 耳 的 部 分 拖 曳 假 说 ) 这 个 观 点 其 实 是 十 分 牵 强 的, 但 是 波 动 说 并 没 有 为 此 困 惑 多 久 因 为 更 加 激 动 人 心 的 胜 利 很 快 就 到 来 了 伟 大 的 麦 克 斯 韦 于 1856,1861 和 1865 年 发 表 了 三 篇 关 于 电 磁 理 论 的 论 文, 这 是 一 个 开 天 辟 地 的 工 作, 它 在 牛 顿 力 学 的 大 厦 上 又 完 整 地 建 立 起 了 另 一 座 巨 构, 而 且 其 辉 煌 灿 烂 绝 不 亚 于 前 者 麦 克 斯 韦 的 理 论 预 言, 光 其 实 只 是 电 磁 波 的 一 种 这 段 文 字 是 他 在 1861 年 的 第 二 篇 论 文 论 物 理 力 线 里 面 特 地 用 斜 体 字 写 下 的 而 我 们 在 本 章 的 一 开 始 已 经 看 到, 这 个 预 言 是 怎 么 样 由 赫 兹 在 1887 年 用 实 验 证 实 了 的 波 动 说 突 然 发 现, 它 已 经 不 仅 仅 是 光 领 域 的 统 治 者, 而 是 业 已 成 为 了 整 个 电 磁 王 国 的 最 高 司 令 官 波 动 的 光 辉 到 达 了 顶 点, 只 要 站 在 大 地 上, 它 的 力 量 就 像 古 希 腊 神 话 中 的 巨 人 那 样, 是 无 穷 无 尽 而 不 可 战 胜 的 而 它 所 依 靠 的 大 地, 就 是 麦 克 斯 韦 不 朽 的 电 磁 理 论 ********* 饭 后 闲 话 : 阿 拉 果 (Dominique Fran ois Jean Arago) 的 遗 憾 阿 拉 果 一 向 是 光 波 动 说 的 捍 卫 者, 他 和 菲 涅 耳 在 光 学 上 其 实 是 长 期 合 作 的 菲 涅 耳 关 于 光 是 横 波 的 思 想, 最 初 还 是 来 源 于 托 马 斯 杨 写 给 阿 拉 果 的 一 封 信 而 对 于 相 互 垂 直 的 两 束 偏 振 光 线 的 相 干 性 的 研 究, 是 他 和 菲 涅 耳 共 同 作 出 的, 两 人 的 工 作 明 确 了 来 自 同 一 光 源 但 偏 振 面 相 互 垂 直 的 两 支 光 束, 不 能 发 生 干 涉 但 在 双 折 射 和 偏 振 现 象 上, 菲 涅 耳 显 然 更 具 有 勇 气 和 革 命 精 神, 在 两 人 完 成 了 关 于 偏 振 光 线 的 相 互 作 用 这 篇 论 文 后, 菲 涅 耳 指 出 只 有 假 设 光 是 一 种 横 波, 才 能 完 满 地 解 释 这 些 现 象, 并 给 出 了 推 导 然 而 阿 拉 果 对 此 抱 有 怀 疑 态 度, 认 为 菲 涅 耳 走 得 太 远 了 他 坦 率 地 向 菲 涅 耳 表 示, 自 己 没 有 勇 气 发 表 这 个 观 点, 并 拒 绝 在 这 部 分 论 文 后 面 署 上 自 己 的 名 字 于 是 最 终 菲 涅 耳 以 自 己 一 个 人 的 名 义 提 交 了 这 部 分 内 容, 引 起 了 科 学 院 的 震 动, 而 最 终 的 实 验 却 表 明 他 是 对 的 这 大 概 是 阿 拉 果 一 生 中 最 大 的 遗 憾, 他 本 有 机 会 和 菲 涅 耳 一 样 成 为 在 科 学 史 上 大 名 鼎 鼎 的 人 物 当 时 的 菲 涅 耳 还 是 无 名 小 辈, 而 他 在 学 界 却 已 经 声 名 显 赫, 被 选 入 法 兰 西 研 究 院 时, 得

12 票 甚 至 超 过 了 著 名 的 泊 松 其 实 在 光 波 动 说 方 面, 阿 拉 果 做 出 了 许 多 杰 出 的 贡 献, 不 在 菲 涅 耳 之 下, 许 多 还 是 两 人 互 相 启 发 而 致 的 在 菲 涅 耳 面 临 泊 松 的 质 问 时, 阿 拉 果 仍 然 站 在 了 菲 涅 耳 一 边, 正 是 他 的 实 验 证 实 了 泊 松 光 斑 的 存 在, 使 得 波 动 说 取 得 了 最 后 的 胜 利 但 关 键 时 候 的 迟 疑, 却 最 终 使 得 他 失 去 了 物 理 光 学 之 父 的 称 号 这 一 桂 冠 如 今 戴 在 菲 涅 耳 的 头 上 五 上 次 说 到, 随 着 麦 克 斯 韦 的 理 论 为 赫 兹 的 实 验 所 证 实, 光 的 波 动 说 终 于 成 为 了 一 个 板 上 钉 钉 的 事 实 波 动 现 在 是 如 此 的 强 大 凭 借 着 麦 氏 理 论 的 力 量, 它 已 经 彻 底 地 将 微 粒 打 倒, 并 且 很 快 就 拓 土 开 疆, 建 立 起 一 个 空 前 的 大 帝 国 来 不 久 后, 它 的 领 土 就 横 跨 整 个 电 磁 波 的 频 段, 从 微 波 到 X 射 线, 从 紫 外 线 到 红 外 线, 从 γ 射 线 到 无 线 电 波 普 通 光 线 只 是 它 统 治 下 的 一 个 小 小 的 国 家 罢 了 波 动 君 临 天 下, 振 长 策 而 御 宇 内, 四 海 之 间 莫 非 王 土 而 可 怜 的 微 粒 早 已 销 声 匿 迹, 似 乎 永 远 也 无 法 翻 身 了 赫 兹 的 实 验 也 同 时 标 志 着 经 典 物 理 的 顶 峰 物 理 学 的 大 厦 从 来 都 没 有 这 样 地 金 壁 辉 煌, 令 人 叹 为 观 止 牛 顿 的 力 学 体 系 已 经 是 如 此 雄 伟 壮 观, 现 在 麦 克 斯 韦 在 它 之 上 又 构 建 起 了 同 等 规 模 的 另 一 幢 建 筑, 它 的 光 辉 灿 烂 让 人 几 乎 不 敢 仰 视 电 磁 理 论 在 数 学 上 完 美 得 难 以 置 信, 著 名 的 麦 氏 方 程 组 刚 一 问 世, 就 被 世 人 惊 为 天 物 它 所 表 现 出 的 深 刻 对 称 优 美 使 得 每 一 个 科 学 家 都 陶 醉 在 其 中, 玻 尔 兹 曼 (Ludwig Boltzmann) 情 不 自 禁 地 引 用 歌 德 的 诗 句 说 : 难 道 是 上 帝 写 的 这 些 吗? 一 直 到 今 天, 麦 氏 方 程 组 仍 然 被 公 认 为 科 学 美 的 典 范, 即 使 在 还 没 有 赫 兹 的 实 验 证 实 之 前, 已 经 广 泛 地 为 人 们 所 认 同 许 多 伟 大 的 科 学 家 都 为 它 的 魅 力 折 服, 并 受 它 深 深 的 影 响, 有 着 对 于 科 学 美 的 坚 定 信 仰, 甚 至 认 为 : 对 于 一 个 科 学 理 论 来 说, 简 洁 优 美 要 比 实 验 数 据 的 准 确 来 得 更 为 重 要 无 论 从 哪 个 意 义 上 来 说, 电 磁 论 都 是 一 种 伟 大 的 理 论 罗 杰 彭 罗 斯 (Roger Penrose) 在 他 的 名 著 皇 帝 新 脑 (The Emperor's New Mind) 一 书 里 毫 不 犹 豫 地 将 它 和 牛 顿 力 学, 相 对 论 和 量 子 论 并 列, 称 之 为 Superb 的 理 论 物 理 学 征 服 了 世 界 在 19 世 纪 末, 它 的 力 量 控 制 着 一 切 人 们 所 知 的 现 象 古 老 的 牛 顿 力 学 城 堡 历 经 岁 月 磨 砺 风 雨 吹 打 而 始 终 屹 立 不 倒, 反 而 更 加 凸 现 出 它 的 伟 大 和 坚 固 来 从 天 上 的 行 星 到 地 上 的 石 块, 万 物 都 必 恭 必 敬 地 遵 循 着 它 制 定 的 规 则 1846 年 海 王 星 的 发 现, 更 是 它 所 取 得 的 最 伟 大 的 胜 利 之 一 在 光 学 的 方 面, 波 动 已 经 统 一 了 天 下, 新 的 电 磁 理 论 更 把 它 的 光 荣 扩 大 到 了 整 个 电 磁 世 界 在 热 的 方 面, 热 力 学 三 大 定 律 已 经 基 本 建 立 ( 第 三 定 律 已 经 有 了 雏 形 ), 而 在 克 劳 修 斯 (Rudolph Clausius) 范 德 瓦 尔 斯 (J.D. Van der Waals) 麦 克 斯

13 韦 玻 尔 兹 曼 和 吉 布 斯 (Josiah Willard Gibbs) 等 天 才 的 努 力 下, 分 子 运 动 论 和 统 计 热 力 学 也 被 成 功 地 建 立 起 来 了 更 令 人 惊 奇 的 是, 这 一 切 都 彼 此 相 符 而 互 相 包 容, 形 成 了 一 个 经 典 物 理 的 大 同 盟 经 典 力 学 经 典 电 动 力 学 和 经 典 热 力 学 ( 加 上 统 计 力 学 ) 形 成 了 物 理 世 界 的 三 大 支 柱 它 们 紧 紧 地 结 合 在 一 块 儿, 构 筑 起 了 一 座 华 丽 而 雄 伟 的 殿 堂 这 是 一 段 伟 大 而 光 荣 的 日 子, 是 经 典 物 理 的 黄 金 时 代 科 学 的 力 量 似 乎 从 来 都 没 有 这 样 的 强 大, 这 样 地 令 人 神 往 人 们 也 许 终 于 可 以 相 信, 上 帝 造 物 的 奥 秘 被 他 们 所 完 全 掌 握 了, 再 没 有 遗 漏 的 地 方 从 当 时 来 看, 我 们 也 许 的 确 是 有 资 格 这 样 骄 傲 的, 因 为 所 知 道 的 一 切 物 理 现 象, 几 乎 都 可 以 从 现 成 的 理 论 里 得 到 解 释 力 热 光 电 磁 一 切 的 一 切, 都 在 控 制 之 中, 而 且 用 的 是 同 一 种 手 法 物 理 学 家 们 开 始 相 信, 这 个 世 界 所 有 的 基 本 原 理 都 已 经 被 发 现 了, 物 理 学 已 经 尽 善 尽 美, 它 走 到 了 自 己 的 极 限 和 尽 头, 再 也 不 可 能 有 任 何 突 破 性 的 进 展 了 如 果 说 还 有 什 么 要 做 的 事 情, 那 就 是 做 一 些 细 节 上 的 修 正 和 补 充, 更 加 精 确 地 测 量 一 些 常 数 值 罢 了 人 们 开 始 倾 向 于 认 为 : 物 理 学 已 经 终 结, 所 有 的 问 题 都 可 以 用 这 个 集 大 成 的 体 系 来 解 决, 而 不 会 再 有 任 何 真 正 激 动 人 心 的 发 现 了 一 位 著 名 的 科 学 家 ( 据 说 就 是 伟 大 的 开 尔 文 勋 爵 ) 说 : 物 理 学 的 未 来, 将 只 有 在 小 数 点 第 六 位 后 面 去 寻 找 普 朗 克 的 导 师 甚 至 劝 他 不 要 再 浪 费 时 间 去 研 究 这 个 已 经 高 度 成 熟 的 体 系 19 世 纪 末 的 物 理 学 天 空 中 闪 烁 着 金 色 的 光 芒, 象 征 着 经 典 物 理 帝 国 的 全 盛 时 代 这 样 的 伟 大 时 期 在 科 学 史 上 是 空 前 的, 或 许 也 将 是 绝 后 的 然 而, 这 个 统 一 的 强 大 帝 国 却 注 定 了 只 能 昙 花 一 现 喧 嚣 一 时 的 繁 盛, 终 究 要 像 泡 沫 那 样 破 灭 凋 零 今 天 回 头 来 看, 赫 兹 1887 年 的 电 磁 波 实 验 ( 准 确 地 说, 是 他 于 年 进 行 的 一 系 列 的 实 验 ) 的 意 义 应 该 是 复 杂 而 深 远 的 它 一 方 面 彻 底 建 立 了 电 磁 场 论, 为 经 典 物 理 的 繁 荣 添 加 了 浓 重 的 一 笔 ; 在 另 一 方 面, 它 却 同 时 又 埋 藏 下 了 促 使 经 典 物 理 自 身 毁 灭 的 武 器, 孕 育 出 了 革 命 的 种 子 我 们 还 是 回 到 我 们 故 事 的 第 一 部 分 那 里 去 : 在 卡 尔 斯 鲁 厄 大 学 的 那 间 实 验 室 里, 赫 兹 铜 环 接 收 器 的 缺 口 之 间 不 停 地 爆 发 着 电 火 花, 明 白 无 误 地 昭 示 着 电 磁 波 的 存 在 但 偶 然 间, 赫 兹 又 发 现 了 一 个 奇 怪 的 现 象 : 当 有 光 照 射 到 这 个 缺 口 上 的 时 候, 似 乎 火 花 就 出 现 得 更 容 易 一 些

14 赫 兹 把 这 个 发 现 也 写 成 了 论 文 发 表, 但 在 当 时 并 没 有 引 起 很 多 的 人 的 注 意 当 时, 学 者 们 在 为 电 磁 场 理 论 的 成 功 而 欢 欣 鼓 舞, 马 可 尼 们 在 为 了 一 个 巨 大 的 商 机 而 激 动 不 已, 没 有 人 想 到 这 篇 论 文 的 真 正 意 义 连 赫 兹 自 己 也 不 知 道, 量 子 存 在 的 证 据 原 来 就 在 他 的 眼 前, 几 乎 是 触 手 可 得 不 过, 也 许 量 子 的 概 念 太 过 爆 炸 性, 太 过 革 命 性, 命 运 在 冥 冥 中 安 排 了 它 必 须 在 新 的 世 纪 中 才 可 以 出 现, 而 把 怀 旧 和 经 典 留 给 了 旧 世 纪 吧 只 是 可 惜 赫 兹 走 得 太 早, 没 能 亲 眼 看 到 它 的 诞 生, 没 能 目 睹 它 究 竟 将 要 给 这 个 世 界 带 来 什 么 样 的 变 化 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 (Wilhelm Konrad Rontgen) 发 现 了 X 射 线 1896 年, 贝 克 勒 尔 (Antoine Herni Becquerel) 发 现 了 铀 元 素 的 放 射 现 象 1897 年, 居 里 夫 人 (Marie Curie) 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 (Joseph John Thomson) 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 (Ernest Rutherford) 发 现 了 元 素 的 嬗 变 现 象 如 此 多 的 新 发 现 接 连 涌 现, 令 人 一 时 间 眼 花 缭 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 但 是, 在 暴 风 雨 到 来 之 前, 还 是 让 我 们 抬 头 再 看 一 眼 黄 金 时 代 的 天 空, 作 为 最 后 的 怀 念 金 色 的 光 芒 照 耀 在 我 们 的 脸 上, 把 一 切 都 染 上 了 神 圣 的 色 彩 经 典 物 理 学 的 大 厦 在 它 的 辉 映 下, 是 那 样 庄 严 雄 伟, 溢 彩 流 光, 令 人 不 禁 想 起 神 话 中 宙 斯 和 众 神 在 奥 林 匹 斯 山 上 那 亘 古 不 变 的 宫 殿 谁 又 会 想 到, 这 震 撼 人 心 的 壮 丽, 却 是 斜 阳 投 射 在 庞 大 帝 国 土 地 上 最 后 的 余 辉

15 第 二 章 乌 云 一 1900 年 的 4 月 27 日, 伦 敦 的 天 气 还 是 有 一 些 阴 冷 马 路 边 的 咖 啡 店 里, 人 们 兴 致 勃 勃 地 谈 论 着 当 时 正 在 巴 黎 举 办 的 万 国 博 览 会 街 上 的 报 童 在 大 声 叫 卖 报 纸, 那 上 面 正 在 讨 论 中 国 义 和 团 运 动 最 新 的 局 势 进 展 以 及 各 国 在 北 京 使 馆 人 员 的 状 况 一 位 绅 士 彬 彬 有 礼 地 扶 着 贵 妇 人 上 了 马 车, 赶 去 听 普 契 尼 的 歌 剧 波 希 米 亚 人 两 位 老 太 太 羡 慕 地 望 着 马 车 远 去, 对 贵 妇 帽 子 的 式 样 大 为 赞 叹, 但 不 久 后, 她 们 就 找 到 了 新 的 话 题, 开 始 对 拉 塞 尔 伯 爵 的 离 婚 案 评 头 论 足 起 来 看 来, 即 使 是 新 世 纪 的 到 来, 也 不 能 改 变 这 个 城 市 古 老 而 传 统 的 生 活 方 式 相 比 之 下, 在 阿 尔 伯 马 尔 街 皇 家 研 究 所 (Royal Institution, Albemarle Street) 举 行 的 报 告 会 就 没 有 多 少 人 注 意 了 伦 敦 的 上 流 社 会 好 像 已 经 把 他 们 对 科 学 的 热 情 在 汉 弗 来 戴 维 爵 士 (Sir Humphry Davy) 那 里 倾 注 得 一 干 二 净, 以 致 在 其 后 几 十 年 的 时 间 里 都 表 现 得 格 外 漠 然 不 过, 对 科 学 界 来 说, 这 可 是 一 件 大 事 欧 洲 有 名 的 科 学 家 都 赶 来 这 里, 聆 听 那 位 德 高 望 重, 然 而 却 以 顽 固 出 名 的 老 头 子 开 尔 文 男 爵 (Lord Kelvin) 的 发 言 开 尔 文 的 这 篇 演 讲 名 为 在 热 和 光 动 力 理 论 上 空 的 19 世 纪 乌 云 当 时 已 经 76 岁, 白 发 苍 苍 的 他 用 那 特 有 的 爱 尔 兰 口 音 开 始 了 发 言, 他 的 第 一 段 话 是 这 么 说 的 :

16 动 力 学 理 论 断 言, 热 和 光 都 是 运 动 的 方 式 但 现 在 这 一 理 论 的 优 美 性 和 明 晰 性 却 被 两 朵 乌 云 遮 蔽, 显 得 黯 然 失 色 了 ( The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured by two clouds. ) 这 个 乌 云 的 比 喻 后 来 变 得 如 此 出 名, 以 致 于 在 几 乎 每 一 本 关 于 物 理 史 的 书 籍 中 都 被 反 复 地 引 用, 成 了 一 种 模 式 化 的 陈 述 联 系 到 当 时 人 们 对 物 理 学 大 一 统 的 乐 观 情 绪, 许 多 时 候 这 个 表 述 又 变 成 了 在 物 理 学 阳 光 灿 烂 的 天 空 中 漂 浮 着 两 朵 小 乌 云 这 两 朵 著 名 的 乌 云, 分 别 指 的 是 经 典 物 理 在 光 以 太 和 麦 克 斯 韦 - 玻 尔 兹 曼 能 量 均 分 学 说 上 遇 到 的 难 题 再 具 体 一 些, 指 的 就 是 人 们 在 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 和 黑 体 辐 射 研 究 中 的 困 境 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 的 用 意 在 于 探 测 光 以 太 对 于 地 球 的 漂 移 速 度 在 人 们 当 时 的 观 念 里, 以 太 代 表 了 一 个 绝 对 静 止 的 参 考 系, 而 地 球 穿 过 以 太 在 空 间 中 运 动, 就 相 当 于 一 艘 船 在 高 速 行 驶, 迎 面 会 吹 来 强 烈 的 以 太 风 迈 克 尔 逊 在 1881 年 进 行 了 一 个 实 验, 想 测 出 这 个 相 对 速 度, 但 结 果 并 不 十 分 令 人 满 意 于 是 他 和 另 外 一 位 物 理 学 家 莫 雷 合 作, 在 1886 年 安 排 了 第 二 次 实 验 这 可 能 是 当 时 物 理 史 上 进 行 过 的 最 精 密 的 实 验 了 : 他 们 动 用 了 最 新 的 干 涉 仪, 为 了 提 高 系 统 的 灵 敏 度 和 稳 定 性, 他 们 甚 至 多 方 筹 措 弄 来 了 一 块 大 石 板, 把 它 放 在 一 个 水 银 槽 上, 这 样 就 把 干 扰 的 因 素 降 到 了 最 低 然 而 实 验 结 果 却 让 他 们 震 惊 和 失 望 无 比 : 两 束 光 线 根 本 就 没 有 表 现 出 任 何 的 时 间 差 以 太 似 乎 对 穿 越 于 其 中 的 光 线 毫 无 影 响 迈 克 尔 逊 和 莫 雷 不 甘 心 地 一 连 观 测 了 四 天, 本 来 甚 至 想 连 续 观 测 一 年 以 确 定 地 球 绕 太 阳 运 行 四 季 对 以 太 风 造 成 的 差 别, 但 因 为 这 个 否 定 的 结 果 是 如 此 清 晰 而 不 容 质 疑, 这 个 计 划 也 被 无 奈 地 取 消 了 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 是 物 理 史 上 最 有 名 的 失 败 的 实 验 它 当 时 在 物 理 界 引 起 了 轰 动, 因 为 以 太 这 个 概 念 作 为 绝 对 运 动 的 代 表, 是 经 典 物 理 学 和 经 典 时 空 观 的 基 础 而 这 根 支 撑 着 经 典 物 理 学 大 厦 的 梁 柱 竟 然 被 一 个 实 验 的 结 果 而 无 情 地 否 定, 那 马 上 就 意 味 着 整 个 物 理 世 界 的 轰 然 崩 塌 不 过, 那 时 候 再 悲 观 的 人 也 不 认 为, 刚 刚 取 得 了 伟 大 胜 利, 到 达 光 辉 顶 峰 的 经 典 物 理 学 会 莫 名 其 妙 地 就 这 样 倒 台, 所 以 人 们 还 是 提 出 了 许 多 折 衷 的 办 法, 爱 尔 兰 物 理 学 家 费 兹 杰 惹 (George FitzGerald) 和 荷 兰 物 理 学 家 洛 伦 兹 (Hendrik Antoon Lorentz) 分 别 独 立 地 提 出 了 一 种 假 说, 认 为 物 体 在 运 动 的 方 向 上 会 发 生 长 度 的 收 缩, 从 而 使 得 以 太 的 相 对 运 动 速 度 无 法 被 测 量 到 这 些 假 说 虽 然 使 得 以 太 的 概 念 得 以 继 续 保 留, 但 业 已 经 对 它 的 意 义 提 出 了 强 烈 的 质 问, 因 为 很 难 想 象, 一 个 只 具 有 理 论 意 义 的 假 设 物 理 量 究 竟 有 多 少 存 在 的 必 要 开 尔 文 所 说 的 第 一 朵 乌 云 就 是 在 这 个 意 义 上 提 出 来 的, 不 过 他 认 为 长 度 收 缩 的 假 设 无 论 如 何 已 经 使 人 们 摆 脱 了 困 境, 所 要 做 的 只 是 修 改 现 有 理 论 以 更 好 地 使 以 太 和 物 质 的 相 互 作 用 得 以 自 洽 罢 了

17 至 于 第 二 朵 乌 云, 指 的 是 黑 体 辐 射 实 验 和 理 论 的 不 一 致 它 在 我 们 的 故 事 里 将 起 到 十 分 重 要 的 作 用, 所 以 我 们 会 在 后 面 的 章 节 里 仔 细 地 探 讨 这 个 问 题 在 开 尔 文 发 表 演 讲 的 时 候, 这 个 问 题 仍 然 没 有 任 何 能 够 得 到 解 决 的 迹 象 不 过 开 尔 文 对 此 的 态 度 倒 也 是 乐 观 的, 因 为 他 本 人 就 并 不 相 信 玻 尔 兹 曼 的 能 量 均 分 学 说, 他 认 为 要 驱 散 这 朵 乌 云, 最 好 的 办 法 就 是 否 定 玻 尔 兹 曼 的 学 说 ( 而 且 说 老 实 话, 玻 尔 兹 曼 的 分 子 运 动 理 论 在 当 时 的 确 还 是 有 着 巨 大 的 争 议, 以 致 于 这 位 罕 见 的 天 才 苦 闷 不 堪, 精 神 出 现 了 问 题 当 年 玻 尔 兹 曼 就 尝 试 自 杀 而 未 成, 但 他 终 于 在 6 年 后 的 一 片 小 森 林 里 亲 手 结 束 了 自 己 的 生 命, 留 下 了 一 个 科 学 史 上 的 大 悲 剧 ) 年 迈 的 开 尔 文 站 在 讲 台 上, 台 下 的 听 众 对 于 他 的 发 言 给 予 热 烈 的 鼓 掌 然 而 当 时, 他 们 中 间 却 没 有 一 个 人 ( 包 括 开 尔 文 自 己 ) 会 了 解, 这 两 朵 小 乌 云 对 于 物 理 学 来 说 究 竟 意 味 着 什 么 他 们 绝 对 无 法 想 象, 正 是 这 两 朵 不 起 眼 的 乌 云 马 上 就 要 给 这 个 世 界 带 来 一 场 前 所 未 有 的 狂 风 暴 雨, 电 闪 雷 鸣, 并 引 发 可 怕 的 大 火 和 洪 水, 彻 底 摧 毁 现 在 的 繁 华 美 丽 他 们 也 无 法 知 道, 这 两 朵 乌 云 很 快 就 要 把 他 们 从 豪 华 舒 适 的 理 论 宫 殿 中 驱 赶 出 来, 放 逐 到 布 满 了 荆 棘 和 陷 阱 的 原 野 里 去 过 上 二 十 年 颠 沛 流 离 的 生 活 他 们 更 无 法 预 见, 正 是 这 两 朵 乌 云, 终 究 会 给 物 理 学 带 来 伟 大 的 新 生, 在 烈 火 和 暴 雨 中 实 现 涅 磐, 并 重 新 建 造 起 两 幢 更 加 壮 观 美 丽 的 城 堡 来 第 一 朵 乌 云, 最 终 导 致 了 相 对 论 革 命 的 爆 发 第 二 朵 乌 云, 最 终 导 致 了 量 子 论 革 命 的 爆 发 今 天 看 来, 开 尔 文 当 年 的 演 讲 简 直 像 一 个 神 秘 的 谶 言, 似 乎 在 冥 冥 中 带 有 一 种 宿 命 的 意 味 科 学 在 他 的 预 言 下 打 了 一 个 大 弯, 不 过 方 向 却 是 完 全 出 乎 开 尔 文 意 料 的 如 果 这 位 老 爵 士 能 够 活 到 今 天, 读 到 物 理 学 在 新 世 纪 里 的 发 展 历 史, 他 是 不 是 会 为 他 当 年 的 一 语 成 谶 而 深 深 震 惊, 在 心 里 面 打 一 个 寒 噤 呢? ********* 饭 后 闲 话 : 伟 大 的 意 外 实 验 我 们 今 天 来 谈 谈 物 理 史 上 的 那 些 著 名 的 意 外 实 验 用 意 外 这 个 词, 指 的 是 实 验 未 能 取 得 预 期 的 成 果, 可 能 在 某 种 程 度 上, 也 可 以 称 为 失 败 实 验 吧

18 我 们 在 上 面 已 经 谈 到 了 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验, 这 个 实 验 的 结 果 是 如 此 的 令 人 震 惊, 以 致 于 它 的 实 验 者 在 相 当 的 一 段 时 期 里 都 不 敢 相 信 自 己 结 果 的 正 确 性 但 正 是 这 个 否 定 的 证 据, 最 终 使 得 光 以 太 的 概 念 寿 终 正 寝, 使 得 相 对 论 的 诞 生 成 为 了 可 能 这 个 实 验 的 失 败 在 物 理 史 上 却 应 该 说 是 一 个 伟 大 的 胜 利, 科 学 从 来 都 是 只 相 信 事 实 的 近 代 科 学 的 历 史 上, 也 曾 经 有 过 许 多 类 似 的 具 有 重 大 意 义 的 意 外 实 验 也 许 我 们 可 以 从 拉 瓦 锡 (AL Laroisier) 谈 起 当 时 的 人 们 普 遍 相 信, 物 体 燃 烧 是 因 为 有 燃 素 离 开 物 体 的 结 果 但 是 1774 年 的 某 一 天, 拉 瓦 锡 决 定 测 量 一 下 这 种 燃 素 的 具 体 重 量 是 多 少 他 用 他 的 天 平 称 量 了 一 块 锡 的 重 量, 随 即 点 燃 它 等 金 属 完 完 全 全 地 烧 成 了 灰 烬 之 后, 拉 瓦 锡 小 心 翼 翼 地 把 每 一 粒 灰 烬 都 收 集 起 来, 再 次 称 量 了 它 的 重 量 结 果 使 得 当 时 的 所 有 人 都 瞠 目 结 舌 按 照 燃 素 说, 燃 烧 后 的 灰 烬 应 该 比 燃 烧 前 要 轻 退 一 万 步, 就 算 燃 素 完 全 没 有 重 量, 也 应 该 一 样 重 可 是 拉 瓦 锡 的 天 平 却 说 : 灰 烬 要 比 燃 烧 前 的 金 属 重, 测 量 燃 素 重 量 成 了 一 个 无 稽 之 谈 然 而 拉 瓦 锡 在 吃 惊 之 余, 却 没 有 怪 罪 于 自 己 的 天 平, 而 是 将 怀 疑 的 眼 光 投 向 了 燃 素 说 这 个 庞 然 大 物 在 他 的 推 动 下, 近 代 化 学 终 于 在 这 个 体 系 倒 台 的 轰 隆 声 中 建 立 了 起 来 到 了 1882 年, 实 验 上 的 困 难 同 样 开 始 困 扰 剑 桥 大 学 的 化 学 教 授 瑞 利 (J.W.S Rayleigh) 他 为 了 一 个 课 题, 需 要 精 确 地 测 量 各 种 气 体 的 比 重 然 而 在 氮 的 问 题 上, 瑞 利 却 遇 到 了 麻 烦 事 情 是 这 样 的 : 为 了 保 证 结 果 的 准 确, 瑞 利 采 用 了 两 种 不 同 的 方 法 来 分 离 气 体 一 种 是 通 过 化 学 家 们 熟 知 的 办 法, 用 氨 气 来 制 氮, 另 一 种 是 从 普 通 空 气 中, 尽 量 地 除 去 氧 氢 水 蒸 气 等 别 的 气 体, 这 样 剩 下 的 就 应 该 是 纯 氮 气 了 然 而 瑞 利 却 苦 恼 地 发 现 两 者 的 重 量 并 不 一 致, 后 者 要 比 前 者 重 了 千 分 之 二 虽 然 是 一 个 小 差 别, 但 对 于 瑞 利 这 样 的 讲 究 精 确 的 科 学 家 来 说 是 不 能 容 忍 的 为 了 消 除 这 个 差 别, 他 想 尽 了 办 法, 几 乎 检 查 了 他 所 有 的 仪 器, 重 复 了 几 十 次 实 验, 但 是 这 个 千 分 之 二 的 差 别 就 是 顽 固 地 存 在 在 那 里, 随 着 每 一 次 测 量 反 而 更 加 精 确 起 来 这 个 障 碍 使 得 瑞 利 几 乎 要 发 疯, 在 百 般 无 奈 下 他 写 信 给 另 一 位 化 学 家 拉 姆 塞 (William Ramsay) 求 救 后 者 敏 锐 地 指 出, 这 个 重 量 差 可 能 是 由 于 空 气 里 混 有 了 一 种 不 易 察 觉 的 重 气 体 而 造 成 的 在 两 者 的 共 同 努 力 下, 氩 气 (Ar) 终 于 被 发 现 了, 并 最 终 导 致 了 整 个 惰 性 气 体 族 的 发 现, 成 为 了 元 素 周 期 表 存 在 的 一 个 主 要 证 据

19 另 一 个 值 得 一 谈 的 实 验 是 1896 年 的 贝 克 勒 尔 (Antoine Herni Becquerel) 做 出 的 当 时 X 射 线 刚 被 发 现 不 久, 人 们 对 它 的 来 由 还 不 是 很 清 楚 有 人 提 出 太 阳 光 照 射 荧 光 物 质 能 够 产 生 X 射 线, 于 是 贝 克 勒 尔 对 此 展 开 了 研 究, 他 选 了 一 种 铀 的 氧 化 物 作 为 荧 光 物 质, 把 它 放 在 太 阳 下 暴 晒, 结 果 发 现 它 的 确 使 黑 纸 中 的 底 片 感 光 了, 于 是 他 得 出 初 步 结 论 : 阳 光 照 射 荧 光 物 质 的 确 能 产 生 X 射 线 但 是, 正 当 他 要 进 一 步 研 究 时, 意 外 的 事 情 发 生 了 天 气 转 阴, 乌 云 一 连 几 天 遮 蔽 了 太 阳 贝 克 勒 尔 只 好 把 他 的 全 套 实 验 用 具, 包 括 底 片 和 铀 盐 全 部 放 进 了 保 险 箱 里 然 而 到 了 第 五 天, 天 气 仍 然 没 有 转 晴 的 趋 势, 贝 克 勒 尔 忍 不 住 了, 决 定 把 底 片 冲 洗 出 来 再 说 铀 盐 曾 受 了 一 点 微 光 的 照 射, 不 管 如 何 在 底 片 上 应 该 留 下 一 些 模 糊 的 痕 迹 吧? 然 而, 在 拿 到 照 片 时, 贝 克 勒 尔 经 历 了 每 个 科 学 家 都 梦 寐 以 求 的 那 种 又 惊 又 喜 的 时 刻 他 的 脑 中 一 片 晕 眩 : 底 片 曝 光 得 是 如 此 彻 底, 上 面 的 花 纹 是 如 此 的 清 晰, 甚 至 比 强 烈 阳 光 下 都 要 超 出 一 百 倍 这 是 一 个 历 史 性 的 时 刻, 元 素 的 放 射 性 第 一 次 被 人 们 发 现 了, 虽 然 是 在 一 个 戏 剧 性 的 场 合 下 贝 克 勒 尔 的 惊 奇, 终 究 打 开 了 通 向 原 子 内 部 的 大 门, 使 得 人 们 很 快 就 看 到 了 一 个 全 新 的 世 界 在 量 子 论 的 故 事 后 面, 我 们 会 看 见 更 多 这 样 的 意 外 这 些 意 外, 为 科 学 史 添 加 了 一 份 绚 丽 的 传 奇 色 彩, 也 使 人 们 对 神 秘 的 自 然 更 加 兴 致 勃 勃 那 也 是 科 学 给 我 们 带 来 的 快 乐 之 一 啊 二 上 次 说 到, 开 尔 文 在 世 纪 之 初 提 到 了 物 理 学 里 的 两 朵 小 乌 云 其 中 第 一 朵 是 指 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 令 人 惊 奇 的 结 果, 第 二 朵 则 是 人 们 在 黑 体 辐 射 的 研 究 中 所 遇 到 的 困 境 我 们 的 故 事 终 于 就 要 进 入 正 轨, 而 这 一 切 的 一 切, 都 要 从 那 令 人 困 惑 的 黑 体 开 始 大 家 都 知 道, 一 个 物 体 之 所 以 看 上 去 是 白 色 的, 那 是 因 为 它 反 射 所 有 频 率 的 光 波 ; 反 之, 如 果 看 上 去 是 黑 色 的, 那 是 因 为 它 吸 收 了 所 有 频 率 的 光 波 的 缘 故 物 理 上 定 义 的 黑 体, 指 的 是 那 些 可 以 吸 收 全 部 外 来 辐 射 的 物 体, 比 如 一 个 空 心 的 球 体, 内 壁 涂 上 吸 收 辐 射 的 涂 料,

20 外 壁 上 开 一 个 小 孔 那 么, 因 为 从 小 孔 射 进 球 体 的 光 线 无 法 反 射 出 来, 这 个 小 孔 看 上 去 就 是 绝 对 黑 色 的, 即 是 我 们 定 义 的 黑 体 19 世 纪 末, 人 们 开 始 对 黑 体 模 型 的 热 辐 射 问 题 发 生 了 兴 趣 其 实, 很 早 的 时 候, 人 们 就 已 经 注 意 到 对 于 不 同 的 物 体, 热 和 辐 射 似 乎 有 一 定 的 对 应 关 联 比 如 说 金 属, 有 过 生 活 经 验 的 人 都 知 道, 要 是 我 们 把 一 块 铁 放 在 火 上 加 热, 那 么 到 了 一 定 温 度 的 时 候, 它 会 变 得 暗 红 起 来 ( 其 实 在 这 之 前 有 不 可 见 的 红 外 线 辐 射 ), 温 度 再 高 些, 它 会 变 得 橙 黄, 到 了 极 度 高 温 的 时 候, 如 果 能 想 办 法 不 让 它 汽 化 了, 我 们 可 以 看 到 铁 块 将 呈 现 蓝 白 色 也 就 是 说, 物 体 的 热 辐 射 和 温 度 有 着 一 定 的 函 数 关 系 ( 在 天 文 学 里, 有 红 巨 星 和 蓝 巨 星, 前 者 呈 暗 红 色, 温 度 较 低, 通 常 属 于 老 年 恒 星 ; 而 后 者 的 温 度 极 高, 是 年 轻 恒 星 的 典 范 ) 问 题 是, 物 体 的 辐 射 能 量 和 温 度 究 竟 有 着 怎 样 的 函 数 关 系 呢? 最 初 对 于 黑 体 辐 射 的 研 究 是 基 于 经 典 热 力 学 的 基 础 之 上 的, 而 许 多 著 名 的 科 学 家 在 此 之 前 也 已 经 做 了 许 多 基 础 工 作 美 国 人 兰 利 (Samuel Pierpont Langley) 发 明 的 热 辐 射 计 是 一 个 最 好 的 测 量 工 具, 配 合 罗 兰 凹 面 光 栅, 可 以 得 到 相 当 精 确 的 热 辐 射 能 量 分 布 曲 线 黑 体 辐 射 这 个 概 念 则 是 由 伟 大 的 基 尔 霍 夫 (Gustav Robert Kirchhoff) 提 出, 并 由 斯 特 藩 (Josef Stefan) 加 以 总 结 和 研 究 的 到 了 19 世 纪 80 年 代, 玻 尔 兹 曼 建 立 了 他 的 热 力 学 理 论, 种 种 迹 象 也 表 明, 这 是 黑 体 辐 射 研 究 的 一 个 强 大 理 论 武 器 总 而 言 之, 这 一 切 就 是 当 威 廉 维 恩 (Wilhelm Wien) 准 备 从 理 论 上 推 导 黑 体 辐 射 公 式 的 时 候, 物 理 界 在 这 一 课 题 上 的 一 些 基 本 背 景 维 恩 是 东 普 鲁 士 一 个 地 主 的 儿 子, 本 来 似 乎 命 中 注 定 也 要 成 为 一 个 农 场 主, 但 是 当 时 的 经 济 危 机 使 他 下 定 决 心 进 入 大 学 学 习 在 海 德 堡 哥 廷 根 和 柏 林 大 学 度 过 了 他 的 学 习 生 涯 之 后, 维 恩 在 1887 年 进 入 了 德 国 帝 国 技 术 研 究 所 (Physikalisch Technische Reichsanstalt,PTR), 成 为 了 赫 尔 姆 霍 兹 实 验 室 的 主 要 研 究 员 就 是 在 柏 林 的 这 个 实 验 室 里, 他 准 备 一 展 他 在 理 论 和 实 验 物 理 方 面 的 天 赋, 彻 底 地 解 决 黑 体 辐 射 这 个 问 题 维 恩 从 经 典 热 力 学 的 思 想 出 发, 假 设 黑 体 辐 射 是 由 一 些 服 从 麦 克 斯 韦 速 率 分 布 的 分 子 发 射 出 来 的, 然 后 通 过 精 密 的 演 绎, 他 终 于 在 1893 年 提 出 了 他 的 辐 射 能 量 分 布 定 律 公 式 : u = b(λ^-5)(e^-a/λt)( 其 中 λ^-5 和 e^-a/λt 分 别 表 示 λ 的 -5 次 方 以 及 e 的 -a/λt 次 方 u 表 示 能 量 分 布 的 函 数,λ 是 波 长,T 是 绝 对 温 度,a,b 是 常 数 当 然, 这 里 只 是 给 大 家 看

21 一 看 这 个 公 式 的 样 子, 对 数 学 和 物 理 没 有 研 究 的 朋 友 们 大 可 以 看 过 就 算, 不 用 理 会 它 具 体 的 意 思 ) 这 就 是 著 名 的 维 恩 分 布 公 式 很 快, 另 一 位 德 国 物 理 学 家 帕 邢 (F.Paschen) 在 兰 利 的 基 础 上 对 各 种 固 体 的 热 辐 射 进 行 了 测 量, 结 果 很 好 地 符 合 了 维 恩 的 公 式, 这 使 得 维 恩 取 得 了 初 步 胜 利 然 而, 维 恩 却 面 临 着 一 个 基 本 的 难 题 : 他 的 出 发 点 似 乎 和 公 认 的 现 实 格 格 不 入, 换 句 话 说, 他 的 分 子 假 设 使 得 经 典 物 理 学 家 们 十 分 地 不 舒 服 因 为 辐 射 是 电 磁 波, 而 大 家 已 经 都 知 道, 电 磁 波 是 一 种 波 动, 用 经 典 粒 子 的 方 法 去 分 析, 似 乎 让 人 感 到 隐 隐 地 有 些 不 对 劲, 有 一 种 南 辕 北 辙 的 味 道 果 然, 维 恩 在 帝 国 技 术 研 究 所 (PTR) 的 同 事 很 快 就 做 出 了 另 外 一 个 实 验 卢 梅 尔 (Otto Richard Lummer) 和 普 林 舍 姆 (Ernst Pringsheim) 于 1899 年 报 告, 当 把 黑 体 加 热 到 1000 多 K 的 高 温 时, 测 到 的 短 波 长 范 围 内 的 曲 线 和 维 恩 公 式 符 合 得 很 好, 但 在 长 波 方 面, 实 验 和 理 论 出 现 了 偏 差 很 快,PTR 的 另 两 位 成 员 鲁 本 斯 (Heinrich Rubens) 和 库 尔 班 (Ferdinand Kurlbaum) 扩 大 了 波 长 的 测 量 范 围, 再 次 肯 定 了 这 个 偏 差, 并 得 出 结 论, 能 量 密 度 在 长 波 范 围 内 应 该 和 绝 对 温 度 成 正 比, 而 不 是 维 恩 所 预 言 的 那 样, 当 波 长 趋 向 无 穷 大 时, 能 量 密 度 和 温 度 无 关 在 19 世 纪 的 最 末 几 年,PTR 这 个 由 西 门 子 和 赫 尔 姆 霍 兹 所 创 办 的 机 构 似 乎 成 为 了 热 力 学 领 域 内 最 引 人 瞩 目 的 地 方, 这 里 的 这 群 理 论 与 实 验 物 理 学 家, 似 乎 正 在 揭 开 一 个 物 理 内 最 大 的 秘 密 维 恩 定 律 在 长 波 内 的 失 效 引 起 了 英 国 物 理 学 家 瑞 利 ( 还 记 得 上 次 我 们 闲 话 里 的 那 位 苦 苦 探 究 氮 气 重 量, 并 最 终 发 现 了 惰 性 气 体 的 爵 士 吗?) 的 注 意, 他 试 图 修 改 公 式 以 适 应 u 和 T 在 高 温 长 波 下 成 正 比 这 一 实 验 结 论, 最 终 得 出 了 他 自 己 的 公 式 不 久 后 另 一 位 物 理 学 家 金 斯 (J.H.Jeans) 计 算 出 了 公 式 里 的 常 数, 最 后 他 们 得 到 的 公 式 形 式 如 下 : u = 8π(υ^2)kT / c^3 这 就 是 我 们 今 天 所 说 的 瑞 利 - 金 斯 公 式 (Rayleigh-Jeans), 其 中 υ 是 频 率,k 是 玻 尔 兹 曼 常 数,c 是 光 速 同 样, 没 有 兴 趣 的 朋 友 可 以 不 必 理 会 它 的 具 体 涵 义, 这 对 于 我 们 的 故 事 没 有 什 么 影 响 这 样 一 来, 就 从 理 论 上 证 明 了 u 和 T 在 高 温 长 波 下 成 正 比 的 实 验 结 果 但 是, 也 许 就 像 俗 话 所 说 的 那 样, 瑞 利 - 金 斯 公 式 是 一 个 拆 东 墙 补 西 墙 的 典 型 因 为 非 常 具 有 讽 刺 意 义 的 是, 它 在 长 波 方 面 虽 然 符 合 了 实 验 数 据, 但 在 短 波 方 面 的 失 败 却 是 显 而 易 见 的 当 波 长 λ 趋 于 0,

22 也 就 是 频 率 υ 趋 向 无 穷 大 时, 大 家 可 以 从 上 面 的 公 式 里 看 出 我 们 的 能 量 辐 射 也 将 不 可 避 免 地 趋 向 无 穷 大 换 句 话 说, 我 们 的 黑 体 将 在 波 长 短 到 一 定 程 度 的 时 候 释 放 出 几 乎 是 无 穷 的 能 量 来 这 个 戏 剧 性 的 事 件 无 疑 是 荒 谬 的, 因 为 谁 也 没 见 过 任 何 物 体 在 任 何 温 度 下 这 样 地 释 放 能 量 辐 射 ( 如 果 真 要 这 样 的 话, 那 么 原 子 弹 什 么 的 就 太 简 单 了 ) 这 个 推 论 后 来 被 加 上 了 一 个 耸 人 听 闻 的, 十 分 适 合 在 科 幻 小 说 里 出 现 的 称 呼, 叫 做 紫 外 灾 变 显 然, 瑞 利 - 金 斯 公 式 也 无 法 给 出 正 确 的 黑 体 辐 射 分 布 我 们 在 这 里 遇 到 的 是 一 个 相 当 微 妙 而 尴 尬 的 处 境 我 们 的 手 里 现 在 有 两 套 公 式, 但 不 幸 的 是, 它 们 分 别 只 有 在 短 波 和 长 波 的 范 围 内 才 能 起 作 用 这 的 确 让 人 们 非 常 的 郁 闷, 就 像 你 有 两 套 衣 服, 其 中 的 一 套 上 装 十 分 得 体, 但 裤 腿 太 长 ; 另 一 套 的 裤 子 倒 是 合 适 了, 但 上 装 却 小 得 无 法 穿 上 身 最 要 命 的 是, 这 两 套 衣 服 根 本 没 办 法 合 在 一 起 穿 总 之, 在 黑 体 问 题 上, 如 果 我 们 从 经 典 粒 子 的 角 度 出 发 去 推 导, 就 得 到 适 用 于 短 波 的 维 恩 公 式 如 果 从 类 波 的 角 度 去 推 导, 就 得 到 适 用 于 长 波 的 瑞 利 - 金 斯 公 式 长 波 还 是 短 波, 那 就 是 个 问 题 这 个 难 题 就 这 样 困 扰 着 物 理 学 家 们, 有 一 种 黑 色 幽 默 的 意 味 当 开 尔 文 在 台 上 描 述 这 第 二 朵 乌 云 的 时 候, 人 们 并 不 知 道 这 个 问 题 最 后 将 得 到 一 种 怎 么 样 的 解 答 然 而, 毕 竟 新 世 纪 的 钟 声 已 经 敲 响, 物 理 学 的 伟 大 革 命 就 要 到 来 就 在 这 个 时 候, 我 们 故 事 里 的 第 一 个 主 角, 一 个 留 着 小 胡 子, 略 微 有 些 谢 顶 的 德 国 人 马 克 斯 普 朗 克 登 上 了 舞 台, 物 理 学 全 新 的 一 幕 终 于 拉 开 了 三 上 次 说 到, 在 黑 体 问 题 的 研 究 上, 我 们 有 了 两 套 公 式 可 惜, 一 套 只 能 对 长 波 范 围 内 有 效, 而 另 一 套 只 对 短 波 有 效 正 当 人 们 为 这 个 Dilemma 头 痛 不 已 的 时 候, 马 克 斯 普 朗 克 登 上 了 历 史 舞 台 命 中 注 定, 这 个 名 字 将 要 光 照 整 个 20 世 纪 的 物 理 史 普 朗 克 (Max Carl Ernst Ludwig Planck) 于 1858 年 出 生 于 德 国 基 尔 (Kiel) 的 一 个 书 香 门 第 他 的 祖 父 和 曾 祖 父 都 是 神 学 教 授, 他 的 父 亲 则 是 一 位 著 名 的 法 学 教 授, 曾 经 参 予 过 普 鲁 士 民 法 的 起 草 工 作 1867 年, 普 朗 克 一 家 移 居 到 慕 尼 黑, 小 普 朗 克 便 在 那 里 上 了 中 学 和 大 学 在 俾 斯 麦 的 帝 国 蒸 蒸 日 上 的 时 候, 普 朗 克 却 保 留 着 古 典 时 期 的 优 良 风 格, 对 文 学 和 音 乐 非 常 感 兴 趣, 也 表 现 出 了 非 凡 的 天 才 来 不 过, 很 快 他 的 兴 趣 便 转 到 了 自 然 方 面 在 中 学 的 课 堂 里, 他 的 老 师 形 象 地 给 学 生 们 讲 述 一 位 工 人 如 何 将 砖 头 搬 上 房 顶, 而 工 人 花 的 力 气 储 存 在 高 处 的 势 能 里, 一 旦 砖 头 掉 落 下 来, 能 量 便 又 随 之 释 放 出 来 能 量 这 种 神 奇 的 转 换 与 守 恒 极 大 地 吸 引 了 好 奇 的 普 朗 克, 使 得 他 把 目 光 投 向 了 神 秘 的 自 然 规 律 中 去, 这 也 成 为 了 他 一 生 事 业 的 起 点 德 意 志 失 去 了 一 位 音 乐 家, 但 是 失 之 东 隅 收 之 桑 榆, 她 却 因 此 得 到 了 一 位 开 天 辟 地 的 科 学 巨 匠 不 过, 正 如 我 们 在 前 一 章 里 面 所 说 过 的 那 样, 当 时 的 理 论 物 理 看 起 来 可 不 是 一 个 十 分 有 前 途

23 的 工 作 普 朗 克 在 大 学 里 的 导 师 祖 利 (Philipp von Jolly) 劝 他 说, 物 理 的 体 系 已 经 建 立 得 非 常 成 熟 和 完 整 了, 没 有 什 么 大 的 发 现 可 以 做 出 了, 不 必 再 花 时 间 浪 费 在 这 个 没 有 多 大 意 义 的 工 作 上 面 普 朗 克 委 婉 地 表 示, 他 研 究 物 理 是 出 于 对 自 然 和 理 性 的 兴 趣, 只 是 想 把 现 有 的 东 西 搞 搞 清 楚 罢 了, 并 不 奢 望 能 够 做 出 什 么 巨 大 的 成 就 讽 刺 地 是, 由 今 天 看 来, 这 个 很 没 出 息 的 表 示 却 成 就 了 物 理 界 最 大 的 突 破 之 一, 成 就 了 普 朗 克 一 生 的 名 望 我 们 实 在 应 该 为 这 一 决 定 感 到 幸 运 1879 年, 普 朗 克 拿 到 了 慕 尼 黑 大 学 的 博 士 学 位, 随 后 他 便 先 后 在 基 尔 大 学 慕 尼 黑 大 学 和 柏 林 大 学 任 教, 并 接 替 了 基 尔 霍 夫 的 职 位 普 朗 克 的 研 究 兴 趣 本 来 只 是 集 中 于 经 典 热 力 学 的 领 域, 但 是 1896 年, 他 读 到 了 维 恩 关 于 黑 体 辐 射 的 论 文, 并 对 此 表 现 出 了 极 大 的 兴 趣 在 普 朗 克 看 来, 维 恩 公 式 体 现 出 来 的 这 种 物 体 的 内 在 规 律 和 物 体 本 身 性 质 无 关 的 绝 对 规 律 代 表 了 某 种 客 观 的 永 恒 不 变 的 东 西 它 独 立 于 人 和 物 质 世 界 而 存 在, 不 受 外 部 世 界 的 影 响, 是 科 学 追 求 的 最 崇 高 的 目 标 普 朗 克 的 这 种 偏 爱 正 是 经 典 物 理 学 的 一 种 传 统 和 风 格, 对 绝 对 严 格 规 律 的 一 种 崇 尚 这 种 古 典 而 保 守 的 思 想 经 过 了 牛 顿 拉 普 拉 斯 和 麦 克 斯 韦, 带 着 黄 金 时 代 的 全 部 贵 族 气 息, 深 深 渗 透 在 普 朗 克 的 骨 子 里 面 然 而, 这 位 可 敬 的 老 派 科 学 家 却 没 有 意 识 到, 自 己 已 经 在 不 知 不 觉 中 走 到 了 时 代 的 最 前 沿, 命 运 已 经 在 冥 冥 之 中, 给 他 安 排 了 一 个 离 经 叛 道 的 角 色 让 我 们 言 归 正 传 在 那 个 风 云 变 幻 的 世 纪 之 交, 普 朗 克 决 定 彻 底 解 决 黑 体 辐 射 这 个 困 扰 人 们 多 时 的 问 题 他 的 手 上 已 经 有 了 维 恩 公 式, 可 惜 这 个 公 式 只 有 在 短 波 的 范 围 内 才 能 正 确 地 预 言 实 验 结 果 另 一 方 面, 虽 然 普 朗 克 自 己 声 称, 他 当 时 不 清 楚 瑞 利 公 式, 但 他 无 疑 也 知 道, 在 长 波 范 围 内,u 和 T 成 简 单 正 比 关 系 这 一 事 实 这 是 由 他 的 一 个 好 朋 友, 实 验 物 理 学 家 鲁 本 斯 (Heinrich Rubens, 上 一 章 提 到 过 ) 在 1900 年 的 10 月 7 号 的 中 午 告 诉 他 的 到 那 一 天 为 止, 普 朗 克 在 这 个 问 题 上 已 经 花 费 了 6 年 的 时 光 (1894 年, 在 他 还 没 有 了 解 到 维 恩 的 工 作 的 时 候, 他 就 已 经 对 这 一 领 域 开 始 了 考 察 ), 但 是 所 有 的 努 力 都 似 乎 徒 劳 无 功 现 在, 请 大 家 肃 静, 让 我 们 的 普 朗 克 先 生 好 好 地 思 考 问 题 摆 在 他 面 前 的 全 部 事 实, 就 是 我 们 有 两 个 公 式, 分 别 只 在 一 个 有 限 的 范 围 内 起 作 用 但 是, 如 果 从 根 本 上 去 追 究 那 两 个 公 式 的 推 导, 却 无 法 发 现 任 何 问 题 而 我 们 的 目 的, 在 于 找 出 一 个 普 遍 适 用 的 公 式 来 10 月 的 德 国 已 经 进 入 仲 秋 天 气 越 来 越 阴 沉, 厚 厚 的 云 彩 堆 积 在 天 空 中, 黑 夜 一 天 比 一 天 来 得 漫 长 落 叶 缤 纷, 铺 满 了 街 道 和 田 野, 偶 尔 吹 过 凉 爽 的 风, 便 沙 沙 作 响 起 来 白 天 的 柏 林 热 闹 而 喧 嚣, 入 夜 的 柏 林 静 谧 而 庄 重, 但 在 这 静 谧 和 喧 嚣 中, 却 不 曾 有 人 想 到, 一 个 伟 大 的 历 史 时 刻 即 将 到 来 在 柏 林 大 学 那 间 堆 满 了 草 稿 的 办 公 室 里, 普 朗 克 为 了 那 两 个 无 法 调 和 的 公 式 而 苦 思 冥 想 终 于 有 一 天, 他 决 定, 不 再 去 做 那 些 根 本 上 的 假 定 和 推 导, 不 管 怎 么 样, 我 们 先 尝 试 着 凑 出 一 个 可 以 满 足 所 有 波 段 的 公 式 出 来 其 他 的 问 题, 之 后 再 说 吧 于 是, 利 用 数 学 上 的 内 插 法, 普 朗 克 开 始 玩 弄 起 他 手 上 的 两 个 公 式 来 要 做 的 事 情, 是 让 维 恩 公 式 的 影 响 在 长 波 的 范 围 里 尽 量 消 失, 而 在 短 波 里 独 家 发 挥 出 来 普 朗 克 尝 试 了 几 天, 终 于 遇 上 了 一 个 Bingo Moment, 他 凑 出 了 一 个 公 式, 看 上 去 似 乎 正 符 合 要 求 在 长 波 的 时 候, 它 表 现 得 就 像 正 比 关 系 一 样 而 在 短 波 的 时 候, 它 则 退 化 为 维 恩 公 式 的 原 始 形 式

24 10 月 19 号, 普 朗 克 在 柏 林 德 国 物 理 学 会 (Deutschen Physikalischen Gesellschaft) 的 会 议 上, 把 这 个 新 鲜 出 炉 的 公 式 公 诸 于 众 当 天 晚 上, 鲁 本 斯 就 仔 细 比 较 了 这 个 公 式 与 实 验 的 结 果 结 果, 让 他 又 惊 又 喜 的 是, 普 朗 克 的 公 式 大 获 全 胜, 在 每 一 个 波 段 里, 这 个 公 式 给 出 的 数 据 都 十 分 精 确 地 与 实 验 值 相 符 合 第 二 天, 鲁 本 斯 便 把 这 个 结 果 通 知 了 普 朗 克 本 人, 在 这 个 彻 底 的 成 功 面 前, 普 朗 克 自 己 都 不 由 得 一 愣 他 没 有 想 到, 这 个 完 全 是 侥 幸 拼 凑 出 来 的 经 验 公 式 居 然 有 着 这 样 强 大 的 威 力 当 然, 他 也 想 到, 这 说 明 公 式 的 成 功 绝 不 仅 仅 是 侥 幸 而 已 这 说 明 了, 在 那 个 神 秘 的 公 式 背 后, 必 定 隐 藏 着 一 些 不 为 人 们 所 知 的 秘 密 必 定 有 某 种 普 适 的 原 则 假 定 支 持 着 这 个 公 式, 这 才 使 得 它 展 现 出 无 比 强 大 的 力 量 来 普 朗 克 再 一 次 地 注 视 他 的 公 式, 它 究 竟 代 表 了 一 个 什 么 样 的 物 理 意 义 呢? 他 发 现 自 己 处 在 一 个 相 当 尴 尬 的 地 位, 知 其 然, 但 不 知 其 所 以 然 普 朗 克 就 像 一 个 倒 霉 的 考 生, 事 先 瞥 了 一 眼 参 考 书, 但 是 答 辩 的 时 候 却 发 现 自 己 只 记 得 那 个 结 论, 而 完 全 不 知 道 如 何 去 证 明 和 阐 述 它 实 验 的 结 果 是 确 凿 的, 它 毫 不 含 糊 地 证 明 了 理 论 的 正 确 性, 但 是 这 个 理 论 究 竟 为 什 么 正 确, 它 建 立 在 什 么 样 的 基 础 上, 它 究 竟 说 明 了 什 么? 却 没 有 一 个 人 可 以 回 答 然 而, 普 朗 克 却 知 道, 这 里 面 隐 藏 的 是 一 个 至 关 重 要 的 东 西, 它 关 系 到 整 个 热 力 学 和 电 磁 学 的 基 础 普 朗 克 已 经 模 糊 地 意 识 到, 似 乎 有 一 场 风 暴 即 将 袭 来, 对 于 这 个 不 起 眼 的 公 式 的 剖 析, 将 改 变 物 理 学 的 一 些 面 貌 一 丝 第 六 感 告 诉 他, 他 生 命 中 最 重 要 的 一 段 时 期 已 经 到 来 了 多 年 以 后, 普 朗 克 在 给 人 的 信 中 说 : 当 时, 我 已 经 为 辐 射 和 物 质 的 问 题 而 奋 斗 了 6 年, 但 一 无 所 获 但 我 知 道, 这 个 问 题 对 于 整 个 物 理 学 至 关 重 要, 我 也 已 经 找 到 了 确 定 能 量 分 布 的 那 个 公 式 所 以, 不 论 付 出 什 么 代 价, 我 必 须 找 到 它 在 理 论 上 的 解 释 而 我 非 常 清 楚, 经 典 物 理 学 是 无 法 解 决 这 个 问 题 的 (Letter to R. W. Wood, 1931) 在 人 生 的 分 水 岭 上, 普 朗 克 终 于 决 定 拿 出 他 最 大 的 决 心 和 勇 气, 来 打 开 面 前 的 这 个 潘 多 拉 盒 子, 无 论 那 里 面 装 的 是 什 么 为 了 解 开 这 个 谜 团, 普 朗 克 颇 有 一 种 破 釜 沉 舟 的 气 概 除 了 热 力 学 的 两 个 定 律 他 认 为 不 可 动 摇 之 外, 甚 至 整 个 宇 宙, 他 都 做 好 了 抛 弃 的 准 备 不 过, 饶 是 如 此, 当 他 终 于 理 解 了 公 式 背 后 所 包 含 的 意 义 之 后, 他 还 是 惊 讶 到 不 敢 相 信 和 接 受 所 发 现 的 一 切 普 朗 克 当 时 做 梦 也 没 有 想 到, 他 的 工 作 绝 不 仅 仅 是 改 变 物 理 学 的 一 些 面 貌 而 已 事 实 上, 整 个 物 理 学 和 化 学 都 将 被 彻 底 摧 毁 和 重 建, 一 个 新 的 时 代 即 将 到 来 1900 年 的 最 后 几 个 月, 黑 体 这 朵 飘 在 物 理 天 空 中 的 乌 云, 内 部 开 始 翻 滚 动 荡 起 来

25 ********* 饭 后 闲 话 : 世 界 科 学 中 心 在 我 们 的 史 话 里, 我 们 已 经 看 见 了 许 许 多 多 的 科 学 伟 人, 从 中 我 们 也 可 以 清 晰 地 看 见 世 界 性 科 学 中 心 的 不 断 迁 移 现 代 科 学 创 立 之 初, 也 就 是 17,18 世 纪 的 时 候, 英 国 是 毫 无 争 议 的 世 界 科 学 中 心 ( 以 前 是 意 大 利 ) 牛 顿 作 为 一 代 科 学 家 的 代 表 自 不 用 说, 波 义 耳 胡 克 一 直 到 后 来 的 戴 维 卡 文 迪 许 道 尔 顿 法 拉 第 托 马 斯 杨, 都 是 世 界 首 屈 一 指 的 大 科 学 家 但 是 很 快, 这 一 中 心 转 到 了 法 国 法 国 的 崛 起 由 伯 努 利 (Daniel Bernoulli) 达 朗 贝 尔 (J.R.d'Alembert) 拉 瓦 锡 拉 马 克 等 开 始, 到 了 安 培 (Andre Marie Ampere) 菲 涅 尔 卡 诺 (Nicolas Carnot) 拉 普 拉 斯 傅 科 泊 松 拉 格 朗 日 的 时 代, 已 经 在 欧 洲 独 领 风 骚 不 过 进 入 19 世 纪 的 后 半, 德 国 开 始 迎 头 赶 上, 涌 现 出 了 一 大 批 天 才, 高 斯 欧 姆 洪 堡 沃 勒 (Friedrich Wohler) 赫 尔 姆 霍 兹 克 劳 修 斯 玻 尔 兹 曼 赫 兹 虽 然 英 国 连 出 了 法 拉 第 麦 克 斯 韦 达 尔 文 这 样 的 伟 人, 也 不 足 以 抢 回 它 当 初 的 地 位 到 了 20 世 纪 初, 德 国 在 科 学 方 面 的 成 就 到 达 了 最 高 峰, 成 为 了 世 界 各 地 科 学 家 心 目 中 的 圣 地, 柏 林 慕 尼 黑 和 哥 廷 根 成 为 了 当 时 自 然 科 学 当 之 无 愧 的 世 界 性 中 心 我 们 在 以 后 的 史 话 里, 将 会 看 到 越 来 越 多 德 国 人 的 名 字 不 幸 的 是, 纳 粹 上 台 之 后, 德 国 的 科 技 地 位 一 落 千 丈, 大 批 科 学 家 出 逃 外 国, 直 接 造 成 了 美 国 的 崛 起, 直 到 今 日 只 不 知, 下 一 个 霸 主 又 会 是 谁 呢? 四 上 次 说 到, 普 朗 克 在 研 究 黑 体 的 时 候, 偶 尔 发 现 了 一 个 普 适 公 式, 但 是, 他 却 不 知 道 这 个 公 式 背 后 的 物 理 意 义 为 了 能 够 解 释 他 的 新 公 式, 普 朗 克 已 经 决 定 抛 却 他 心 中 的 一 切 传 统 成 见 他 反 复 地 咀 嚼 新 公 式 的 含 义, 体 会 它 和 原 来 那 两 个 公 式 的 联 系 以 及 不 同 我 们 已 经 看 到 了, 如 果 从 玻 尔 兹 曼 运 动 粒 子 的 角 度 来 推 导 辐 射 定 律, 就 得 到 维 恩 的 形 式, 要 是 从 纯 麦 克 斯 韦 电 磁 辐 射 的 角 度 来 推 导, 就 得 到 瑞 利 - 金 斯 的 形 式 那 么, 新 的 公 式, 它 究 竟 是 建 立 在 粒 子 的 角 度 上, 还 是 建 立 在 波 的 角 度 上 呢? 作 为 一 个 传 统 的 保 守 的 物 理 学 家, 普 朗 克 总 是 尽 可 能 试 图 在 理 论 内 部 解 决 问 题, 而 不 是 颠 覆 这 个 理 论 以 求 得 突 破 更 何 况, 他 面 对 的 还 是 有 史 以 来 最 伟 大 的 麦 克 斯 韦 电 磁 理 论 但 是, 在 种 种 尝 试 都 失 败 了 以 后, 普 朗 克 发 现, 他 必 须 接 受 他 一 直 不 喜 欢 的 统 计 力 学 立 场, 从 玻 尔 兹 曼 的 角 度 来 看 问 题, 把 熵 和 几 率 引 入 到 这 个 系 统 里 来

26 那 段 日 子, 是 普 朗 克 一 生 中 最 忙 碌, 却 又 最 光 辉 的 日 子 20 年 后,1920 年, 他 在 诺 贝 尔 得 奖 演 说 中 这 样 回 忆 道 : 经 过 一 生 中 最 紧 张 的 几 个 礼 拜 的 工 作, 我 终 于 看 见 了 黎 明 的 曙 光 一 个 完 全 意 想 不 到 的 景 象 在 我 面 前 呈 现 出 来 ( until after some weeks of the most intense work of my life clearness began to dawn upon me, and an unexpected view revealed itself in the distance) 什 么 是 完 全 意 想 不 到 的 景 象 呢? 原 来 普 朗 克 发 现, 仅 仅 引 入 分 子 运 动 理 论 还 是 不 够 的, 在 处 理 熵 和 几 率 的 关 系 时, 如 果 要 使 得 我 们 的 新 方 程 成 立, 就 必 须 做 一 个 假 定, 假 设 能 量 在 发 射 和 吸 收 的 时 候, 不 是 连 续 不 断, 而 是 分 成 一 份 一 份 的 为 了 引 起 各 位 听 众 足 够 的 注 意 力, 我 想 我 应 该 把 上 面 这 段 话 重 复 再 写 一 遍 事 实 上 我 很 想 用 初 号 的 黑 体 字 来 写 这 段 话, 但 可 惜 论 坛 不 给 我 这 个 功 能 必 须 假 定, 能 量 在 发 射 和 吸 收 的 时 候, 不 是 连 续 不 断, 而 是 分 成 一 份 一 份 的 在 了 解 它 的 具 体 意 义 之 前, 不 妨 先 了 解 一 个 事 实 : 正 是 这 个 假 定, 推 翻 了 自 牛 顿 以 来 200 多 年, 曾 经 被 认 为 是 坚 固 不 可 摧 毁 的 经 典 世 界 这 个 假 定 以 及 它 所 衍 生 出 的 意 义, 彻 底 改 变 了 自 古 以 来 人 们 对 世 界 的 最 根 本 的 认 识 极 盛 一 时 的 帝 国, 在 这 句 话 面 前 轰 然 土 崩 瓦 解, 倒 坍 之 快 之 彻 底, 就 像 爱 伦 坡 笔 下 厄 舍 家 那 间 不 祥 的 庄 园 好, 回 到 我 们 的 故 事 中 来 能 量 不 是 连 续 不 断 的, 这 有 什 么 了 不 起 呢? 很 了 不 起 因 为 它 和 有 史 以 来 一 切 物 理 学 家 的 观 念 截 然 相 反 ( 可 能 某 些 伪 科 学 家 除 外, 呵 呵 ) 自 从 伽 利 略 和 牛 顿 用 数 学 规 则 驯 服 了 大 自 然 之 后, 一 切 自 然 的 过 程 就 都 被 当 成 是 连 续 不 间 断 的 如 果 你 的 中 学 物 理 老 师 告 诉 你, 一 辆 小 车 沿 直 线 从 A 点 行 驶 到 B 点, 却 不 经 过 两 点 中 间 的 C 点, 你 一 定 会 觉 得 不 可 思 议, 甚 至 开 始 怀 疑 该 教 师 是 不 是 和 校 长 有 什 么 裙 带 关 系 自 然 的 连 续 性 是 如 此 地 不 容 置 疑, 以 致 几 乎 很 少 有 人 会 去 怀 疑 这 一 点 当 预 报 说 气 温 将 从 20 度 上 升 到 30 度, 你 会 毫 不 犹 豫 地 判 定, 在 这 个 过 程 中 间 气 温 将 在 某 个 时 刻 到 达 25 度, 到 达 28 度, 到 达 29 又 1/2 度, 到 达 29 又 3/4 度, 到 达 29 又 9/10 度 总 之, 一 切 在 20 度 到 30 度 之 间 的 值, 无 论 有 理 的 还 是 无 理 的, 只 要 它 在 那 段 区 间 内, 气 温 肯 定 会 在 某 个 时 刻, 精 确 地 等 于 那 个 值 对 于 能 量 来 说, 也 是 这 样 当 我 们 说, 这 个 化 学 反 应 总 共 释 放 出 了 100 焦 耳 的 能 量 的 时 候, 我 们 每 个 人 都 会 潜 意 识 地 推 断 出, 在 反 应 期 间, 曾 经 有 某 个 时 刻, 总 体 系 释 放 的 能 量 等 于 50 焦 耳, 等 于 焦 耳, 等 于 焦 耳 总 之, 能 量 的 释 放 是 连 续 的, 它 总 可 以 在 某 个 时 刻 达 到 范 围 内 的 任 何 可 能 的 值 这 个 观 念 是 如 此 直 接 地 植 入 我 们 的 内 心 深 处, 显 得 天 经 地 义 一 般 这 种 连 续 性, 平 滑 性 的 假 设, 是 微 积 分 的 根 本 基 础 牛 顿 麦 克 斯 韦 那 庞 大 的 体 系, 便 建 筑 在 这 个 地 基 之 上, 度 过 了 百 年 的 风 雨 当 物 理 遇 到 困 难 的 时 候, 人 们 纵 有 怀 疑 的 目 光, 也 最 多 盯 着 那 巍 巍 大 厦, 追 问 它 是 不 是 在 建 筑 结 构 上 有 问 题, 却 从 未 有 丝 毫 怀 疑 它 脚 下 的 土 地 是 否 坚 实 而 现 在, 普 朗 克 的 假 设 引 发 了 一 场 大 地 震, 物 理 学 所 赖 以 建 立 的 根 本 基 础 开 始 动 摇 了

27 普 朗 克 的 方 程 倔 强 地 要 求, 能 量 必 须 只 有 有 限 个 可 能 态, 它 不 能 是 无 限 连 续 的 在 发 射 的 时 候, 它 必 须 分 成 有 限 的 一 份 份, 必 须 有 个 最 小 的 单 位 这 就 像 一 个 吝 啬 鬼 无 比 心 痛 地 付 帐, 虽 然 他 尽 可 能 地 试 图 一 次 少 付 点 钱, 但 无 论 如 何, 他 每 次 最 少 也 得 付 上 1 个 penny, 因 为 没 有 比 这 个 更 加 小 的 单 位 了 这 个 付 钱 的 过 程, 就 是 一 个 不 连 续 的 过 程 我 们 无 法 找 到 任 何 时 刻, 使 得 付 帐 者 正 好 处 于 付 了 元 这 个 状 态, 因 为 最 小 的 单 位 就 是 0.01 元, 付 的 帐 只 能 这 样 一 份 一 份 地 发 出 我 们 可 以 找 到 他 付 了 1 元 的 时 候, 也 可 以 找 到 他 付 了 1.01 元 的 时 候, 但 在 这 两 个 状 态 中 间, 不 存 在 别 的 状 态, 虽 然 从 理 论 上 说,1 元 和 1.01 元 之 间, 还 存 在 着 无 限 多 个 数 字 普 朗 克 发 现, 能 量 的 传 输 也 必 须 遵 照 这 种 货 币 式 的 方 法, 一 次 至 少 要 传 输 一 个 确 定 的 量, 而 不 可 以 无 限 地 细 分 下 去 能 量 的 传 输, 也 必 须 有 一 个 最 小 的 基 本 单 位 能 量 只 能 以 这 个 单 位 为 基 础 一 份 份 地 发 出, 而 不 能 出 现 半 个 单 位 或 者 四 分 之 一 单 位 这 种 情 况 在 两 个 单 位 之 间, 是 能 量 的 禁 区, 我 们 永 远 也 不 会 发 现, 能 量 的 计 量 会 出 现 小 数 点 以 后 的 数 字 1900 年 12 月 14 日, 人 们 还 在 忙 活 着 准 备 欢 度 圣 诞 节 这 一 天, 普 朗 克 在 德 国 物 理 学 会 上 发 表 了 他 的 大 胆 假 设 他 宣 读 了 那 篇 名 留 青 史 的 黑 体 光 谱 中 的 能 量 分 布 的 论 文, 其 中 改 变 历 史 的 是 这 段 话 : 为 了 找 出 N 个 振 子 具 有 总 能 量 Un 的 可 能 性, 我 们 必 须 假 设 Un 是 不 可 连 续 分 割 的, 它 只 能 是 一 些 相 同 部 件 的 有 限 总 和 (die Wahrscheinlichkeit zu finden, dass die N Resonatoren ingesamt Schwingungsenergie Un besitzen,un nicht als eine unbeschr?nkt teilbare,sondern al seine ganzen Zahl von endlichen gleichen Teilen aufzufassen ) 这 个 基 本 部 件, 普 朗 克 把 它 称 作 能 量 子 (Energieelement), 但 随 后 很 快, 在 另 一 篇 论 文 里, 他 就 改 称 为 量 子 (Elementarquantum), 英 语 就 是 quantum 这 个 字 来 自 拉 丁 文 quantus, 本 来 的 意 思 就 是 多 少, 量 量 子 就 是 能 量 的 最 小 单 位, 就 是 能 量 里 的 一 美 分 一 切 能 量 的 传 输, 都 只 能 以 这 个 量 为 单 位 来 进 行, 它 可 以 传 输 一 个 量 子, 两 个 量 子, 任 意 整 数 个 量 子, 但 却 不 能 传 输 1 又 1/2 个 量 子, 那 个 状 态 是 不 允 许 的, 就 像 你 不 能 用 现 钱 支 付 1 又 1/2 美 分 一 样 那 么, 这 个 最 小 单 位 究 竟 是 多 少 呢? 从 普 朗 克 的 方 程 里 可 以 容 易 地 推 算 出 这 个 常 数 的 大 小, 它 约 等 于 ^-27 尔 格 * 秒, 换 算 成 焦 耳, 就 是 ^-34 焦 耳 * 秒 这 个 单 位 相 当 的 小, 也 就 是 说 量 子 非 常 的 小, 非 常 精 细 因 此 由 它 们 组 成 的 能 量 自 然 也 十 分 细 密, 以 至 于 我 们 通 常 看 起 来, 它 就 好 像 是 连 续 的 一 样 这 个 值, 现 在 已 经 成 为 了 自 然 科 学 中 最 为 重 要 的 常 数 之 一, 以 它 的 发 现 者 命 名, 称 为 普 朗 克 常 数, 用 h 来 表 示 请 记 住 1900 年 12

28 月 14 日 这 个 日 子, 这 一 天 就 是 量 子 力 学 的 诞 辰 量 子 的 幽 灵 从 普 朗 克 的 方 程 中 脱 胎 出 来, 开 始 在 欧 洲 上 空 游 荡 几 年 以 后, 它 将 爆 发 出 令 人 咋 舌 的 力 量, 把 一 切 旧 的 体 系 彻 底 打 破, 并 与 联 合 起 来 的 保 守 派 们 进 行 一 场 惊 天 动 地 的 决 斗 我 们 将 在 以 后 的 章 节 里 看 到, 这 个 幽 灵 是 如 此 地 具 有 革 命 性 和 毁 坏 性, 以 致 于 它 所 过 之 处, 最 富 丽 堂 皇 的 宫 殿 都 在 瞬 间 变 成 了 断 瓦 残 垣 物 理 学 构 筑 起 来 的 精 密 体 系 被 毫 不 留 情 地 砸 成 废 铁, 千 百 年 来 亘 古 不 变 的 公 理 被 扔 进 垃 圾 箱 中 不 得 翻 身 它 所 带 来 的 震 撼 力 和 冲 击 力 是 如 此 地 大, 以 致 于 后 来 它 的 那 些 伟 大 的 开 创 者 们 都 惊 吓 不 已, 纷 纷 站 到 了 它 的 对 立 面 当 然, 它 也 决 不 仅 仅 是 一 个 破 坏 者, 它 更 是 一 个 前 所 未 有 的 建 设 者, 科 学 史 上 最 杰 出 的 天 才 们 参 予 了 它 成 长 中 的 每 一 步, 赋 予 了 它 华 丽 的 性 格 和 无 可 比 拟 的 力 量 人 类 理 性 最 伟 大 的 构 建 终 将 在 它 的 手 中 诞 生 一 场 前 所 未 有 的 革 命 已 经 到 来, 一 场 最 为 反 叛 和 彻 底 的 革 命, 也 是 最 具 有 传 奇 和 史 诗 色 彩 的 革 命 暴 风 雨 的 种 子 已 经 在 乌 云 的 中 心 酿 成, 只 等 适 合 的 时 候, 便 要 催 动 起 史 无 前 例 的 雷 电 和 风 暴, 向 世 人 昭 示 它 的 存 在 而 这 一 切, 都 是 从 那 个 叫 做 马 克 斯? 普 朗 克 的 男 人 那 里 开 始 的 ********* 饭 后 闲 话 : 连 续 性 和 悖 论 古 希 腊 有 个 学 派 叫 做 爱 利 亚 派, 其 创 建 人 名 叫 巴 门 尼 德 (Parmenides) 这 位 哲 人 对 运 动 充 满 了 好 奇, 但 在 他 看 来, 运 动 是 一 种 自 相 矛 盾 的 行 为, 它 不 可 能 是 真 实 的, 而 一 定 是 一 个 假 相 为 什 么 呢? 因 为 巴 门 尼 德 认 为 世 界 上 只 有 一 个 唯 一 的 存 在, 既 然 是 唯 一 的 存 在, 它 就 不 可 能 有 运 动 因 为 除 了 存 在 就 是 非 存 在, 存 在 怎 么 可 能 移 动 到 非 存 在 里 面 去 呢? 所 以 他 认 为 存 在 是 绝 对 静 止 的, 而 运 动 是 荒 谬 的, 我 们 所 理 解 的 运 动 只 是 假 相 而 已 巴 门 尼 德 有 个 学 生, 就 是 大 名 鼎 鼎 的 芝 诺 (Zeno) 他 为 了 为 他 的 老 师 辩 护, 证 明 运 动 是 不 可 能 的, 编 了 好 几 个 著 名 的 悖 论 来 说 明 运 动 的 荒 谬 性 我 们 在 这 里 谈 谈 最 有 名 的 一 个, 也 就 是 阿 喀 琉 斯 追 龟 辩, 这 里 面 便 牵 涉 到 时 间 和 空 间 的 连 续 性 问 题 阿 喀 琉 斯 是 史 诗 伊 利 亚 特 里 的 希 腊 大 英 雄 有 一 天 他 碰 到 一 只 乌 龟, 乌 龟 嘲 笑 他 说 : 别 人 都 说 你 厉 害, 但 我 看 你 如 果 跟 我 赛 跑, 还 追 不 上 我 阿 喀 琉 斯 大 笑 说 : 这 怎 么 可 能 我 就 算 跑 得 再 慢, 速 度 也 有 你 的 10 倍, 哪 会 追 不 上 你? 乌 龟 说 : 好, 那 我 们 假 设 一 下 你 离 我 有 100 米, 你 的 速 度 是 我 的 10 倍 现 在 你 来 追 我 了, 但 当 你 跑 到 我 现 在 这 个 位 置, 也 就 是 跑 了 100 米 的 时 候, 我 也 已 经 又 向 前 跑 了 10 米 当 你 再 追 到 这 个 位 置 的 时 候, 我 又 向 前 跑 了 1 米, 你 再 追 1 米, 我 又 跑 了 1/10 米 总 之, 你 只 能 无 限 地 接 近 我, 但 你 永 远 也 不 能 追 上 我 阿 喀 琉 斯 怎 么 听 怎 么 有 道 理, 一 时 丈 二 和 尚 摸 不 着 头 脑 这 个 故 事 便 是 有 着 世 界 性 声 名 的 芝 诺 悖 论 ( 之 一 ), 哲 学 家 们 曾 经 从 各 种 角 度 多 方 面 地 阐 述 过 这 个 命 题 这 个 命 题 令 人 困 扰 的 地 方, 就 在 于 它 采 用 了 一 种 无 限 分 割 空 间 的 办 法, 使 得 我 们 无 法 跳 过 这 个 无 限 去 谈 问 题 虽 然 从 数 学 上, 我 们 可 以 知 道 无 限 次 相 加 可 以 限 制 在 有 限 的 值 里 面, 但 是 数 学 从 本 质 上 只 能 告 诉 我 们 怎 么 做, 而 不 能 告 诉 我 们 能 不 能 做 到

29 但 是, 自 从 量 子 革 命 以 来, 学 者 们 越 来 越 多 地 认 识 到, 空 间 不 一 定 能 够 这 样 无 限 分 割 下 去 量 子 效 应 使 得 空 间 和 时 间 的 连 续 性 丧 失 了, 芝 诺 所 连 续 无 限 次 分 割 的 假 设 并 不 能 够 成 立 这 样 一 来, 芝 诺 悖 论 便 不 攻 自 破 了 量 子 论 告 诉 我 们, 无 限 分 割 的 概 念 是 一 种 数 学 上 的 理 想, 而 不 可 能 在 现 实 中 实 现 一 切 都 是 不 发 表 回 复 查 看 论 坛 原 帖 添 加 到 收 藏 夹 关 闭 loversxyc 回 复 于 : :10:03 第 三 章 火 流 星 一 在 量 子 初 生 的 那 些 日 子 里, 物 理 学 的 境 遇 并 没 有 得 到 明 显 的 改 善 这 个 叛 逆 的 小 精 灵 被 他 的 主 人 所 抛 弃, 不 得 不 在 荒 野 中 颠 沛 流 离, 积 蓄 力 量 以 等 待 让 世 界 震 惊 的 那 一 天 在 这 段 长 达 四 年 多 的 惨 淡 岁 月 里, 人 们 带 着 一 种 鸵 鸟 心 态 来 使 用 普 朗 克 的 公 式, 却 掩 耳 盗 铃 般 地 不 去 追 究 那 公 式 背 后 的 意 义 然 而 在 他 们 的 头 上, 浓 厚 的 乌 云 仍 然 驱 之 不 散, 反 而 有 越 来 越 逼 人 的 气 势, 一 场 荡 涤 世 界 的 暴 雨 终 究 无 可 避 免 而 预 示 这 种 巨 变 到 来 的, 如 同 往 常 一 样, 是 一 道 劈 开 天 地 的 闪 电 在 混 沌 中, 电 火 花 擦 出 了 耀 眼 的 亮 光, 代 表 了 永 恒 不 变 的 希 望 光 和 电 这 两 种 令 神 袛 也 敬 畏 的 力 量 纠 缠 在 一 起, 便 在 瞬 间 开 辟 出 一 整 个 新 时 代 来 说 到 这 里, 我 们 还 是 要 不 厌 其 烦 地 回 到 第 一 章 的 开 头, 再 去 看 一 眼 赫 兹 那 个 意 义 非 凡 的 实 验 正 如 我 们 已 经 提 到 过 的 那 样, 赫 兹 接 收 器 上 电 火 花 的 爆 跃, 证 实 了 电 磁 波 的 存 在, 但 他 同 时 也 发 现, 一 旦 有 光 照 射 到 那 个 缺 口 上, 那 么 电 火 花 便 出 现 得 容 易 一 些 赫 兹 在 论 文 里 对 这 个 现 象 进 行 了 描 述, 但 没 有 深 究 其 中 的 原 因 在 那 个 激 动 人 心 的 伟 大 时 代, 要 做 的 事 情 太 多 了, 而 且 以 赫 兹 的 英 年 早 逝, 他 也 没 有 闲 暇 来 追 究 每 一 个 遇 到 的 问 题 但 是 别 人 随 即 在 这 个 方 面 进 行 了 深 入 的 研 究, 不 久 事 实 就 很 清 楚 了, 原 来 是 这 样 的 : 当 光 照 射 到 金 属 上 的 时 候, 会 从 它 的 表 面 打 出 电 子 来 原 本 束 缚 在 金 属 表 面 原 子 里 的 电 子, 不 知 是 什 么 原 因, 当 暴 露 在 一 定 光 线 之 下 的 时 候, 便 如 同 惊 弓 之 鸟 纷 纷 往 外 逃 窜, 就 像 见 不 得 光 线 的 吸 血 鬼 家 族 对 于 光 与 电 之 间 存 在 的 这 种 饶 有 趣 味 的 现 象, 人 们 给 它 取 了 一 个 名 字, 叫 做 光 电 效 应 (The Photoelectric Effect) 很 快, 关 于 光 电 效 应 的 一 系 列 实 验 就 在 各 个 实 验 室 被 作 出 虽 然 在 当 时 来 说, 这 些 实 验 都 是 非 常 粗 糙 和 原 始 的, 但 种 种 结 果 依 然 都 表 明 了 光 和 电 之 间 这 种 现 象 的 一 些 基 本 性 质 人 们 不 久 便 知 道 了 两 个 基 本 的 事 实 : 首 先, 对 于 某 种 特 定 的 金 属 来 说, 光 是 否 能 够 从 它 的 表 面 打 击 出 电 子 来, 这 只 和 光 的 频 率 有 关 频 率 高 的 光 线 ( 比 如 紫 外 线 ) 便 能 够 打 出 能 量 较 高 的 电 子, 而 频 率 低 的 光 ( 比 如 红 光 黄 光 ) 则 一 个 电 子 也 打 不 出 来 其 次, 能 否 打 击 出 电 子, 这 和 光 的 强 度 无 关 再 弱 的 紫 外 线 也 能 够 打 击 出 金 属 表 面 的 电 子, 而 再 强 的 红 光 也 无 法 做 到 这 一 点 增 加 光 线 的 强 度, 能 够 做 到 的 只 是 增 加 打 击 出 电 子 的 数 量 比 如 强 烈 的 紫 光 相 对 微 弱 的 紫 光 来 说, 可 以 从 金 属 表 面 打 击 出 更 多 的 电 子 来

30 总 而 言 之, 对 于 特 定 的 金 属, 能 不 能 打 出 电 子, 由 光 的 频 率 说 了 算 而 打 出 多 少 电 子, 则 由 光 的 强 度 说 了 算 但 科 学 家 们 很 快 就 发 现, 他 们 陷 入 了 一 个 巨 大 的 困 惑 中 因 为 这 个 现 象 没 有 道 理, 它 似 乎 不 应 该 是 这 样 的 啊 我 们 都 已 经 知 道, 光 是 一 种 波 动 对 于 波 动 来 说, 波 的 强 度 便 代 表 了 它 的 能 量 我 们 都 很 容 易 理 解, 电 子 是 被 某 种 能 量 束 缚 在 金 属 内 部 的, 如 果 外 部 给 予 的 能 量 不 够, 便 不 足 以 将 电 子 打 击 出 来 但 是, 照 道 理 说, 如 果 我 们 增 加 光 波 的 强 度, 那 便 是 增 加 它 的 能 量 啊, 为 什 么 对 于 红 光 来 说, 再 强 烈 的 光 线 都 无 法 打 击 出 哪 怕 是 一 个 电 子 来 呢? 而 频 率, 频 率 是 什 么 东 西 呢? 无 非 是 波 振 动 的 频 繁 程 度 而 已 如 果 频 率 高 的 话, 便 是 说 波 振 动 得 频 繁 一 点, 那 么 照 理 说 频 繁 振 动 的 光 波 应 该 打 击 出 更 多 数 量 的 电 子 才 对 啊 然 而 所 有 的 实 验 都 指 向 相 反 的 方 向 : 光 的 强 度 决 定 电 子 数 目, 光 的 频 率 决 定 能 否 打 出 电 子 这 不 是 开 玩 笑 吗? 想 象 一 个 猎 人 去 打 兔 子, 兔 子 都 躲 在 地 下 的 洞 里, 轻 易 不 肯 出 来 猎 人 知 道, 对 于 狡 猾 的 兔 子 来 说, 可 能 单 单 敲 锣 打 鼓 不 足 以 把 它 吓 出 来, 而 一 定 要 采 用 比 如 说 水 淹 的 手 法 才 行 就 是 说, 采 用 何 种 手 法 决 定 了 能 不 能 把 兔 子 赶 出 来 的 问 题 再 假 设 本 地 有 一 千 个 兔 子 洞, 那 么 猎 人 有 多 少 助 手, 可 以 同 时 向 多 少 洞 穴 行 动 这 个 因 素 便 决 定 了 能 够 吓 出 多 少 只 兔 子 的 问 题 但 是, 在 实 际 打 猎 中, 这 个 猎 人 突 然 发 现, 兔 子 出 不 出 来 不 在 于 采 用 什 么 手 法, 而 是 有 多 少 助 手 同 时 下 手 如 果 只 对 一 个 兔 子 洞 行 动, 哪 怕 天 打 五 雷 轰 都 没 有 兔 子 出 来 而 相 反, 有 多 少 兔 子 被 赶 出 来, 这 和 我 们 的 人 数 没 关 系, 而 是 和 采 用 的 手 法 有 关 系 哪 怕 我 有 一 千 个 人 同 时 对 一 千 个 兔 子 洞 敲 锣 打 鼓, 最 多 只 有 一 个 兔 子 跳 出 来 而 只 要 我 对 一 个 兔 子 洞 灌 水, 便 会 有 一 千 只 兔 子 四 处 乱 窜 要 是 画 漫 画 的 话, 这 个 猎 人 的 头 上 一 定 会 冒 出 一 颗 很 大 的 汗 珠 科 学 家 们 发 现, 在 光 电 效 应 问 题 上, 他 们 面 临 着 和 猎 人 一 样 的 尴 尬 处 境 麦 克 斯 韦 的 电 磁 理 论 在 光 电 上 显 得 一 头 雾 水, 不 知 怎 么 办 才 好 实 验 揭 露 出 来 的 事 实 是 简 单 而 明 了 的, 多 次 的 重 复 只 有 更 加 证 实 了 这 个 基 本 事 实 而 已, 但 这 个 事 实 却 和 理 论 恰 好 相 反 那 么, 问 题 出 在 哪 里 了 呢? 是 理 论 错 了, 还 是 我 们 的 眼 睛 在 和 我 们 开 玩 笑? 问 题 绝 不 仅 仅 是 这 些 而 已 种 种 迹 象 都 表 明, 光 的 频 率 和 打 出 电 子 的 能 量 之 间 有 着 密 切 的 关 系 每 一 种 特 定 频 率 的 光 线, 它 打 出 的 电 子 的 能 量 有 一 个 对 应 的 上 限 打 个 比 方 说, 如 果 紫 外 光 可 以 激 发 出 能 量 达 到 20 电 子 伏 的 电 子 来, 换 了 紫 光 可 能 就 最 多 只 有 10 电 子 伏 这 在 波 动 看 来, 是 非 常 不 可 思 议 的 而 且, 根 据 麦 克 斯 韦 理 论, 一 个 电 子 的 被 击 出, 如 果 是 建 立 在 能 量 吸 收 上 的 话, 它 应 该 是 一 个 连 续 的 过 程, 这 能 量 可 以 累 积 也 就 是 说, 如 果 用 很 弱 的 光 线 照 射 金 属 的 话, 电 子 必 须 花 一 定 的 时 间 来 吸 收, 才 能 达 到 足 够 的 能 量 从 而 跳 出 表 面 这 样 的 话, 在 光 照 和 电 子 飞 出 这 两 者 之 间 就 应 该 存 在 着 一 个 时 间 差 但 是, 实 验 表 明, 电 子 的 跃 出 是 瞬 时 的, 光 一 照 到 金 属 上, 立 即 就 会 有 电 子 飞 出, 哪 怕 再 暗 弱 的 光 线, 也 是 一 样, 区 别 只 是 在 于 飞 出 电 子 的 数 量 多 少 而 已 咄 咄 怪 事 对 于 可 怜 的 物 理 学 家 们 来 说, 万 事 总 是 不 遂 他 们 的 愿 好 不 容 易 有 了 一 个 基 本 上 完 美 的 理 论, 实 验 总 是 要 搞 出 一 些 怪 事 来 搅 乱 人 们 的 好 梦 这 个 该 死 的 光 电 效 应 正 是 一 个 令 人 丧 气 和 扫 兴

31 的 东 西 高 雅 而 尊 贵 的 麦 克 斯 韦 理 论 在 这 个 小 泥 塘 前 面 大 大 地 犯 难, 如 何 跨 越 过 去 而 不 弄 脏 自 己 那 华 丽 的 衣 裳, 着 实 是 一 桩 伤 脑 筋 的 事 情 然 而, 更 加 不 幸 的 是, 人 们 总 是 小 看 眼 前 的 困 难 有 着 洁 癖 的 物 理 学 家 们 还 在 苦 思 冥 想 着 怎 样 可 以 把 光 电 现 象 融 入 麦 克 斯 韦 理 论 之 中 去 而 不 损 害 它 的 完 美, 他 们 却 不 知 道 这 件 事 情 比 他 们 想 象 得 要 严 重 得 多 很 快 人 们 就 会 发 现, 这 根 本 不 是 袍 子 干 不 干 净 的 问 题, 这 是 一 个 牵 涉 到 整 个 物 理 体 系 基 础 的 根 本 性 困 难 不 过 在 当 时, 对 于 这 一 点, 没 有 最 天 才 最 大 胆 和 最 富 有 锐 气 的 眼 光, 是 无 法 看 出 来 的 不 过 话 又 说 回 来, 科 学 上 有 史 以 来 最 天 才 最 大 胆 和 最 富 有 锐 气 的 人 物, 恰 恰 生 活 在 那 个 时 代 1905 年, 在 瑞 士 的 伯 尔 尼 专 利 局, 一 位 26 岁 的 小 公 务 员, 三 等 技 师 职 称, 留 着 一 头 乱 蓬 蓬 头 发 的 年 轻 人 把 他 的 眼 光 在 光 电 效 应 的 这 个 问 题 上 停 留 了 一 下 这 个 人 的 名 字 叫 做 阿 尔 伯 特. 爱 因 斯 坦 于 是 在 一 瞬 间, 闪 电 划 破 了 夜 空 暴 风 雨 终 于 要 到 来 了 二 位 于 伯 尔 尼 的 瑞 士 专 利 局 如 今 是 一 个 高 效 和 现 代 化 的 机 构, 为 人 们 提 供 专 利 商 标 的 申 请 和 查 询 服 务 漂 亮 的 建 筑 和 完 善 的 网 络 体 系 使 得 它 也 和 别 的 一 些 大 公 司 一 样, 呈 现 出 一 种 典 型 的 现 代 风 格 作 为 纯 粹 的 科 学 家 来 说, 一 般 很 少 会 和 专 利 局 打 交 道, 因 为 科 学 无 国 界, 也 没 有 专 利 可 以 申 请 科 学 的 大 门, 终 究 是 向 全 世 界 开 放 的 不 过 对 于 科 学 界 来 说, 伯 尔 尼 的 专 利 局 却 意 味 着 许 多 它 在 现 代 科 学 史 上 的 意 义, 不 啻 于 伊 斯 兰 文 化 中 的 麦 加 城, 有 一 种 颇 为 神 圣 的 光 辉 在 里 边 这 都 是 因 为 在 100 年 前, 这 个 专 利 局 很 有 眼 光 地 雇 佣 了 一 位 小 职 员, 他 的 名 字 就 叫 做 阿 尔 伯 特. 爱 因 斯 坦 这 个 故 事 再 一 次 告 诉 我 们, 小 庙 里 面 有 时 也 会 出 大 和 尚 1905 年, 对 于 爱 因 斯 坦 来 讲, 坏 日 子 总 算 都 已 经 过 去 得 差 不 多 了 那 个 为 了 工 作 和 生 计 到 处 奔 波 彷 徨 的 年 代 已 经 结 束, 不 用 再 为 自 己 的 一 无 所 成 而 自 怨 自 艾 不 已 专 利 局 提 供 给 了 他 一 个 稳 定 的 职 位 和 收 入, 虽 然 只 是 三 等 技 师 而 他 申 请 的 是 二 等 好 歹 也 是 个 正 式 的 公 务 员 了 三 年 前 父 亲 的 去 世 给 爱 因 斯 坦 不 小 的 打 击, 但 他 很 快 从 妻 子 那 里 得 到 了 安 慰 和 补 偿 塞 尔 维 亚 姑 娘 米 列 娃. 玛 利 奇 (Mileva Marec) 在 第 二 年 (1903) 答 应 嫁 给 这 个 常 常 显 得 心 不 在 焉 的 冒 失 鬼, 两 人 不 久 便 有 了 一 个 儿 子, 取 名 叫 做 汉 斯 现 在, 爱 因 斯 坦 每 天 在 他 的 办 公 室 里 工 作 8 个 小 时, 摆 弄 那 堆 形 形 色 色 的 专 利 图 纸, 然 后 他 赶 回 家, 推 着 婴 儿 车 到 伯 尔 尼 的 马 路 上 散 步 空 下 来 的 时 候, 他 和 朋 友 们 聚 会, 大 家 兴 致 勃 勃 地 讨 论 休 谟, 斯 宾 诺 莎 和 莱 辛 心 血 来 潮 的 时 候, 爱 因 斯 坦 便 拿 出 他 的 那 把 小 提 琴, 给 大 家 表 演 或 是 伴 奏 当 然, 更 多 的 时 候, 他 还 是 钻 研 最 感 兴 趣 的 物 理 问 题, 陷 入 沉 思 的 时 候, 往 往 废 寝 忘 食

32 1905 年 是 一 个 相 当 神 秘 的 年 份 在 这 一 年, 人 类 的 天 才 喷 薄 而 出, 像 江 河 那 般 奔 涌 不 息, 卷 起 最 震 撼 人 心 的 美 丽 浪 花 以 致 于 今 天 我 们 回 过 头 去 看, 都 不 禁 要 惊 叹 激 动, 为 那 样 的 奇 迹 咋 舌 不 已 这 一 年, 对 于 人 类 的 智 慧 来 说, 实 在 要 算 是 一 个 极 致 的 高 峰, 在 那 段 日 子 里 谱 写 出 来 的 美 妙 的 科 学 旋 律, 直 到 今 天 都 让 我 们 心 醉 神 摇, 不 知 肉 味 而 这 一 切 大 师 作 品 的 创 作 者, 这 个 攀 上 天 才 顶 峰 的 人 物, 便 是 我 们 这 位 伯 尔 尼 专 利 局 里 的 小 公 务 员 还 是 让 我 们 言 归 正 传,1905 年 3 月 18 日, 爱 因 斯 坦 在 物 理 学 纪 事 (Annalen der Physik) 杂 志 上 发 表 了 一 篇 论 文, 题 目 叫 做 关 于 光 的 产 生 和 转 化 的 一 个 启 发 性 观 点 (A Heuristic Interpretation of the Radiation and Transformation of Light), 作 为 1905 年 一 系 列 奇 迹 的 一 个 开 始 这 篇 文 章 是 爱 因 斯 坦 有 生 以 来 发 表 的 第 六 篇 正 式 论 文 ( 第 一 篇 是 1901 年 发 表 的 关 于 毛 细 现 象 的 东 东, 用 他 自 己 的 话 来 说, 毫 无 价 值 ), 而 这 篇 论 文 将 给 他 带 来 一 个 诺 贝 尔 奖, 也 开 创 了 属 于 量 子 论 的 一 个 新 时 代 爱 因 斯 坦 是 从 普 朗 克 的 量 子 假 设 那 里 出 发 的 大 家 都 还 记 得, 普 朗 克 假 设, 黑 体 在 吸 收 和 发 射 能 量 的 时 候, 不 是 连 续 的, 而 是 要 分 成 一 份 一 份, 有 一 个 基 本 的 能 量 单 位 在 那 里 这 个 单 位, 他 就 称 作 量 子, 其 大 小 则 由 普 朗 克 常 数 h 来 描 述 如 果 我 们 从 普 朗 克 的 方 程 出 发, 我 们 很 容 易 推 导 一 个 特 定 辐 射 频 率 的 量 子 究 竟 包 含 了 多 少 能 量, 最 后 的 公 式 是 简 单 明 了 的 : E = hν 其 中 E 是 能 量,h 是 普 朗 克 常 数,ν 是 频 率 哪 怕 小 学 生 也 可 以 利 用 这 个 简 单 的 公 式 来 做 一 些 计 算 比 如 对 于 频 率 为 10 的 15 次 方 的 辐 射, 对 应 的 量 子 能 量 是 多 少 呢? 那 么 就 简 单 地 把 10^15 乘 以 h=6.6 10^-34, 算 出 结 果 等 于 ^-19 焦 耳 这 个 数 值 很 小, 所 以 我 们 平 时 都 不 会 觉 察 到 非 连 续 性 的 存 在 爱 因 斯 坦 阅 读 了 普 朗 克 的 那 些 早 已 被 大 部 分 权 威 和 他 本 人 冷 落 到 角 落 里 去 的 论 文, 量 子 化 的 思 想 深 深 地 打 动 了 他 凭 着 一 种 深 刻 的 直 觉, 他 感 到, 对 于 光 来 说, 量 子 化 也 是 一 种 必 然 的 选 择 虽 然 有 天 神 一 般 的 麦 克 斯 韦 理 论 高 高 在 上, 但 爱 因 斯 坦 叛 逆 一 切, 并 没 有 为 之 而 止 步 不 前 相 反, 他 倒 是 认 为 麦 氏 的 理 论 只 能 对 于 一 种 平 均 情 况 有 效, 而 对 于 瞬 间 能 量 的 发 射 吸 收 等 等 问 题, 麦 克 斯 韦 是 和 实 验 相 矛 盾 的 从 光 电 效 应 中 已 经 可 以 看 出 端 倪 来 让 我 们 再 重 温 一 下 光 电 效 应 和 电 磁 理 论 的 不 协 调 之 处 : 电 磁 理 论 认 为, 光 作 为 一 种 波 动, 它 的 强 度 代 表 了 它 的 能 量, 增 强 光 的 强 度 应 该 能 够 打 击 出 更 高 能 量 的 电 子 但 实 验 表 明, 增 加 光 的 强 度 只 能 打 击 出 更 多 数 量 的 电 子, 而 不 能 增 加 电 子 的 能 量 要 打 击 出 更 高 能 量 的 电 子, 则 必 须 提 高 照 射 光 线 的 频 率 提 高 频 率, 提 高 频 率 爱 因 斯 坦 突 然 灵 光 一 闪,E = hν, 提 高 频 率, 不 正 是 提 高 单 个 量 子 的 能 量 吗? 更 高 能 量 的 量 子 能 够 打 击 出 更 高 能 量 的 电 子, 而 提 高 光 的 强 度, 只 是 增 加 量 子 的 数 量 罢 了, 所 以 相 应 的 结 果 是 打 击 出 更 多 数 量 的 电 子 一 切 在 突 然 之 间, 显 得 顺 理 成 章 起 来 爱 因 斯 坦 写 道 : 根 据 这 种 假 设, 从 一 点 所 发 出 的 光 线 在 不 断 扩 大 的 空 间 中 的 传 播 时,

33 它 的 能 量 不 是 连 续 分 布 的, 而 是 由 一 些 数 目 有 限 的, 局 限 于 空 间 中 某 个 地 点 的 能 量 子 (energy quanta) 所 组 成 的 这 些 能 量 子 是 不 可 分 割 的, 它 们 只 能 整 份 地 被 吸 收 或 发 射 组 成 光 的 能 量 的 这 种 最 小 的 基 本 单 位, 爱 因 斯 坦 后 来 把 它 们 叫 做 光 量 子 (light quanta) 一 直 到 了 1926 年, 美 国 物 理 学 家 刘 易 斯 (G.N.Lewis) 才 把 它 换 成 了 今 天 常 用 的 名 词, 叫 做 光 子 (photon) 从 光 量 子 的 角 度 出 发, 一 切 变 得 非 常 简 明 易 懂 了 频 率 更 高 的 光 线, 比 如 紫 外 光, 它 的 单 个 量 子 要 比 频 率 低 的 光 线 含 有 更 高 的 能 量 (E = hν), 因 此 当 它 的 量 子 作 用 到 金 属 表 面 的 时 候, 就 能 够 激 发 出 拥 有 更 多 动 能 的 电 子 来 而 量 子 的 能 量 和 光 线 的 强 度 没 有 关 系, 强 光 只 不 过 包 含 了 更 多 数 量 的 光 量 子 而 已, 所 以 能 够 激 发 出 更 多 数 量 的 电 子 来 但 是 对 于 低 频 光 来 说, 它 的 每 一 个 量 子 都 不 足 以 激 发 出 电 子, 那 么, 含 有 再 多 的 光 量 子 也 无 济 于 事 我 们 把 光 电 效 应 想 象 成 一 场 有 着 高 昂 入 场 费 的 拍 卖 每 个 量 子 是 一 个 顾 客, 它 所 携 带 的 能 量 相 当 于 一 个 人 拥 有 的 资 金 要 进 入 拍 卖 现 场, 每 个 人 必 须 先 缴 纳 一 定 数 量 的 入 场 费, 而 在 会 场 内, 一 个 人 只 能 买 一 件 物 品 一 个 光 量 子 打 击 到 金 属 表 面 的 时 候, 如 果 它 带 的 钱 足 够 ( 能 量 足 够 高 ), 它 便 有 资 格 进 入 拍 卖 现 场 ( 能 够 打 击 出 电 子 来 ) 至 于 它 能 够 买 到 多 好 的 物 品 ( 激 发 出 多 高 能 量 的 电 子 ), 那 要 取 决 于 它 付 了 入 场 费 后 还 剩 下 多 少 钱 ( 剩 余 多 少 能 量 ) 频 率 越 高, 代 表 了 一 个 人 的 钱 越 多, 像 紫 外 线 这 样 的 大 款, 可 以 在 轻 易 付 清 入 场 费 后 还 买 的 起 非 常 贵 的 货 物, 而 频 率 低 一 点 的 光 线 就 没 那 么 阔 绰 了 但 是, 一 个 人 有 多 少 资 金, 这 和 一 个 代 表 团 能 够 买 到 多 少 物 品 是 没 有 关 系 的 能 够 买 到 多 少 数 量 的 东 西, 这 只 和 代 表 团 的 人 数 有 关 系 ( 光 的 强 度 ), 而 和 每 一 个 人 有 多 少 钱 ( 光 的 频 率 ) 没 关 系 如 果 我 有 一 个 500 人 的 代 表 团, 每 个 人 都 有 足 够 的 钱 入 场, 那 么 我 就 能 买 到 500 样 货 品 回 来, 而 你 一 个 人 再 有 钱, 你 也 只 能 买 一 样 东 西 ( 因 为 一 个 人 只 能 买 一 样 物 品, 规 矩 就 是 这 样 的 ) 至 于 买 到 的 东 西 有 多 好, 那 是 另 一 回 事 情 话 又 说 回 来, 假 如 你 一 个 代 表 团 里 每 个 人 的 钱 太 少, 以 致 付 不 起 入 场 费, 那 哪 怕 你 人 数 再 多, 也 是 一 样 东 西 都 买 不 到 的, 因 为 规 矩 是 你 只 能 以 个 人 的 身 份 入 场, 没 有 连 续 性 和 积 累 性, 大 家 的 钱 不 能 凑 在 一 起 用 爱 因 斯 坦 推 导 出 的 方 程 和 我 们 的 拍 卖 是 一 个 意 思 : 1/2 mv^2 = hν P 1/2 mv^2 是 激 发 出 电 子 的 最 大 动 能, 也 就 是 我 们 说 的, 能 买 到 多 好 的 货 物 hν 是 单 个 量 子 的 能 量, 也 就 是 你 总 共 有 多 少 钱 P 是 激 发 出 电 子 所 需 要 的 最 小 能 量, 也 就 是 入 场 费 所 以 这 个 方 程 告 诉 我 们 的 其 实 很 简 单 : 你 能 买 到 多 好 的 货 物 取 决 于 你 的 总 资 金 减 掉 入 场 费 用 这 里 面 关 键 的 假 设 就 是 : 光 以 量 子 的 形 式 吸 收 能 量, 没 有 连 续 性, 不 能 累 积 一 个 量 子 激 发 出 一 个 对 应 的 电 子 于 是 实 验 揭 示 出 来 的 效 应 的 瞬 时 性 难 题 也 迎 刃 而 解 : 量 子 作 用 本 来 就 是 瞬 时 作 用, 没 有 积 累 的 说 法

34 但 是, 大 家 从 这 里 面 嗅 到 了 些 什 么 没 有? 光 量 子, 光 子, 光 究 竟 是 一 种 什 么 东 西 呢? 难 道 我 们 不 是 已 经 清 楚 地 下 了 结 论, 光 是 一 种 波 动 吗? 光 量 子 是 一 个 什 么 概 念 呢? 仿 佛 宿 命 一 般, 历 史 在 转 了 一 个 大 圈 之 后, 又 回 到 起 点 关 于 光 的 本 性 问 题, 干 戈 再 起, 第 三 次 微 波 战 争 一 触 即 发 而 这 次, 导 致 的 后 果 是 全 面 的 世 界 大 战, 天 翻 地 覆, 一 切 在 毁 灭 后 才 得 到 重 生 ********* 饭 后 闲 话 : 奇 迹 年 如 果 站 在 一 个 比 较 高 的 角 度 来 看 历 史, 一 切 事 物 都 是 遵 循 特 定 的 轨 迹 的, 没 有 无 缘 无 故 的 事 情, 也 没 有 不 合 常 理 的 发 展 在 时 代 浪 尖 里 弄 潮 的 英 雄 人 物, 其 实 都 只 是 适 合 了 那 个 时 代 的 基 本 要 求, 这 才 得 到 了 属 于 他 们 的 无 上 荣 耀 但 是, 如 果 站 在 庐 山 之 中, 把 我 们 的 目 光 投 射 到 具 体 的 那 个 情 景 中 去, 我 们 也 能 够 理 解 一 个 伟 大 人 物 为 时 代 所 带 来 的 光 荣 和 进 步 虽 然 不 能 说, 失 去 了 这 些 伟 大 人 物, 人 类 的 发 展 就 会 走 向 歧 途, 但 是 也 不 能 否 认 英 雄 和 天 才 们 为 这 个 世 界 所 作 出 的 巨 大 贡 献 在 科 学 史 上, 就 更 是 这 样 整 个 科 学 史 可 以 说 就 是 以 天 才 的 名 字 来 点 缀 的 灿 烂 银 河, 而 有 几 颗 特 别 明 亮 的 星 辰, 它 们 所 发 射 出 的 光 芒 穿 越 了 整 个 宇 宙, 一 直 到 达 时 空 的 尽 头 他 们 的 智 慧 在 某 一 个 时 期 散 发 出 如 此 绚 烂 的 辉 煌, 令 人 叹 为 观 止 一 直 到 今 天, 我 们 都 无 法 找 出 更 加 适 合 的 字 句 来 加 以 形 容, 而 只 能 冠 以 奇 迹 的 名 字 科 学 史 上 有 两 个 年 份, 便 符 合 奇 迹 的 称 谓, 而 它 们 又 是 和 两 个 天 才 的 名 字 紧 紧 相 连 的 这 两 年 分 别 是 1666 年 和 1905 年, 那 两 个 天 才 便 是 牛 顿 和 爱 因 斯 坦 1666 年,23 岁 的 牛 顿 为 了 躲 避 瘟 疫, 回 到 乡 下 的 老 家 度 假 在 那 段 日 子 里, 他 一 个 人 独 立 完 成 了 几 项 开 天 辟 地 的 工 作, 包 括 发 明 了 微 积 分 ( 流 数 ), 完 成 了 光 分 解 的 实 验 分 析, 以 及 万 有 引 力 的 开 创 性 工 作 在 那 一 年, 他 为 数 学 力 学 和 光 学 三 大 学 科 分 别 打 下 了 基 础, 而 其 中 的 任 何 一 项 工 作, 都 足 以 让 他 名 列 有 史 以 来 最 伟 大 的 科 学 家 之 列 很 难 想 象, 一 个 人 的 思 维 何 以 能 够 在 如 此 短 的 时 间 内 涌 动 出 如 此 多 的 灵 感, 人 们 只 能 用 一 个 拉 丁 文 annus mirabilis 来 表 示 这 一 年, 也 就 是 奇 迹 年 ( 当 然, 有 人 会 争 论 说 1667 年 其 实 也 是 奇 迹 年 ) 1905 年 的 爱 因 斯 坦 也 是 这 样 在 专 利 局 里 蜗 居 的 他 在 这 一 年 发 表 了 6 篇 论 文,3 月 18 日, 是 我 们 上 面 提 到 过 的 关 于 光 电 效 应 的 文 章, 这 成 为 了 量 子 论 的 奠 基 石 之 一 4 月 30 日, 发 表 了 关 于 测 量 分 子 大 小 的 论 文, 这 为 他 赢 得 了 博 士 学 位 5 月 11 日 和 后 来 的 12 月 19 日, 两 篇 关 于 布 朗 运 动 的 论 文, 成 了 分 子 论 的 里 程 碑 6 月 30 日, 发 表 题 为 论 运 动 物 体 的 电 动 力 学 的 论 文, 这 个 不 起 眼 的 题 目 后 来 被 加 上 了 一 个 如 雷 贯 耳 的 名 称, 叫 做 狭 义 相 对 论, 它 的 意 义 就 不 用 我 多 说 了 9 月 27 日, 关 于 物 体 惯 性 和 能 量 的 关 系, 这 是 狭 义 相 对 论 的 进 一 步 说 明, 并 且 在 其 中 提 出 了 著 名 的 质 能 方 程 E=mc2 单 单 这 一 年 的 工 作, 便 至 少 配 得 上 3 个 诺 贝 尔 奖 相 对 论 的 意 义 是 否 是 诺 贝 尔 奖 所 能 评 价 的, 还 难 说 得 很 而 这 一 切 也 不 过 是 在 专 利 局 的 办 公 室 里, 一 个 人 用 纸 和 笔 完 成 的 而 已 的 确 很 难 想 象, 这 样 的 奇 迹 还 会 不 会 再 次 发 生, 因 为 实 在 是 太 过 于 不 可 思 议 了 在 科 学 高 度 细 化 的

35 今 天, 已 经 无 法 想 象, 一 个 人 能 够 在 如 此 短 时 间 内 作 出 如 此 巨 大 的 贡 献 100 年 前 的 庞 加 莱 已 经 被 称 为 数 学 界 的 最 后 一 位 全 才, 而 爱 因 斯 坦 的 相 对 论, 也 可 能 是 最 后 一 个 富 有 个 人 英 雄 主 义 传 奇 色 彩 的 理 论 了 吧? 这 是 我 们 的 幸 运, 还 是 不 幸 呢? 三 上 次 说 到, 爱 因 斯 坦 提 出 了 光 量 子 的 假 说, 用 来 解 释 光 电 效 应 中 无 法 用 电 磁 理 论 说 通 的 现 象 然 而, 光 量 子 的 概 念 却 让 别 的 科 学 家 们 感 到 非 常 地 不 理 解 光 的 问 题 不 是 已 经 被 定 性 了 吗? 难 道 光 不 是 已 经 被 包 括 在 麦 克 斯 韦 理 论 之 内, 作 为 电 磁 波 的 一 种 被 清 楚 地 描 述 了 吗? 这 个 光 量 子 又 是 怎 么 一 回 事 情 呢? 事 实 上, 光 量 子 是 一 个 非 常 大 胆 的 假 设, 它 是 在 直 接 地 向 经 典 物 理 体 系 挑 战 爱 因 斯 坦 本 人 也 意 识 到 这 一 点, 在 他 看 来, 这 可 是 他 最 有 叛 逆 性 的 一 篇 论 文 了 在 写 给 好 友 哈 比 希 特 (C.Habicht) 的 信 中, 爱 因 斯 坦 描 述 了 他 划 时 代 的 四 篇 论 文, 只 有 在 光 量 子 上, 他 才 用 了 非 常 革 命 的 字 眼, 而 甚 至 相 对 论 都 没 有 这 样 的 描 述 光 量 子 和 传 统 的 电 磁 波 动 图 象 显 得 格 格 不 入, 它 其 实 就 是 昔 日 微 粒 说 的 一 种 翻 版, 假 设 光 是 离 散 的, 由 一 个 个 小 的 基 本 单 位 所 组 成 的 自 托 马 斯. 杨 的 时 代 又 已 经 过 去 了 一 百 年, 冥 冥 中 天 道 循 环, 当 年 被 打 倒 在 地 的 霸 主 以 反 叛 的 姿 态 再 次 登 上 舞 台, 向 已 经 占 据 了 王 位 的 波 动 说 展 开 挑 战 这 两 个 命 中 注 定 的 对 手 终 于 要 进 行 一 场 最 后 的 决 战, 从 而 领 悟 到 各 自 存 在 的 终 极 意 义 : 如 果 没 有 了 你, 我 独 自 站 在 这 里, 又 是 为 了 什 么 不 过, 光 量 子 的 处 境 和 当 年 起 义 的 波 动 一 样, 是 非 常 困 难 和 不 为 人 所 接 受 的 波 动 如 今 所 占 据 的 地 位, 甚 至 要 远 远 超 过 100 年 前 笼 罩 在 牛 顿 光 环 下 的 微 粒 王 朝 波 动 的 王 位, 是 由 麦 克 斯 韦 钦 点, 而 又 有 整 个 电 磁 王 国 作 为 同 盟 的 这 场 决 战, 从 一 开 始 就 不 再 局 限 于 光 的 领 地 之 内, 而 是 整 个 电 磁 谱 的 性 质 问 题 而 我 们 很 快 将 要 看 到, 十 几 年 以 后, 战 争 将 被 扩 大, 整 个 物 理 世 界 都 将 被 卷 入 进 去, 从 而 形 成 一 场 名 副 其 实 的 世 界 大 战 当 时, 对 于 光 量 子 的 态 度, 连 爱 因 斯 坦 本 人 都 是 非 常 谨 慎 的, 更 不 用 说 那 些 可 敬 的 老 派 科 学 绅 士 们 了 一 方 面, 这 和 经 典 的 电 磁 图 象 不 相 容 ; 另 一 方 面, 当 时 关 于 光 电 效 应 的 实 验 没 有 一 个 能 够 非 常 明 确 地 证 实 光 量 子 的 正 确 性 微 粒 的 这 次 绝 地 反 击, 一 直 要 到 1915 年 才 真 正 引 起 人 们 的 注 意, 而 起 因 也 是 非 常 讽 刺 的 : 美 国 人 密 立 根 (R.A.Millikan) 想 用 实 验 来 证 实 光 量 子 图 象 是 错 误 的, 但 是 多 次 反 复 实 验 之 后, 他 却 啼 笑 皆 非 地 发 现, 自 己 已 经 在 很 大 的 程 度 上 证 实 了 爱 因 斯 坦 方 程 的 正 确 性 实 验 数 据 相 当 有 说 服 力 地 展 示, 在 所 有 的 情 况 下, 光 电 现 象 都 表 现 出 量 子 化 特 征, 而 不 是 相 反 如 果 说 密 立 根 的 实 验 只 是 微 粒 革 命 军 的 一 次 反 围 剿 成 功, 其 意 义 还 不 足 以 说 服 所 有 的 物 理 学 家 的 话, 那 么 1923 年, 康 普 顿 (A.H.Compton) 则 带 领 这 支 军 队 取 得 了 一 场 决 定 性 的 胜 利, 把 他 们 所 潜 藏 着 的 惊 人 力 量 展 现 得 一 览 无 余 经 此 一 役 后, 再 也 没 有 人 怀 疑, 起 来 对 抗 经 典 波 动 帝 国 的, 原 来 是 一 支 实 力 不 相 上 下 的 正 规 军 这 次 战 役 的 战 场 是 X 射 线 的 地 域 康 普 顿 在 研 究 X 射 线 被 自 由 电 子 散 射 的 时 候, 发 现 一 个 奇 怪 的 现 象 : 散 射 出 来 的 X 射 线 分 成 两 个 部 分, 一 部 分 和 原 来 的 入 射 射 线 波 长 相 同, 而 另

36 一 部 分 却 比 原 来 的 射 线 波 长 要 长, 具 体 的 大 小 和 散 射 角 存 在 着 函 数 关 系 如 果 运 用 通 常 的 波 动 理 论, 散 射 应 该 不 会 改 变 入 射 光 的 波 长 才 对 但 是 怎 么 解 释 多 出 来 的 那 一 部 分 波 长 变 长 的 射 线 呢? 康 普 顿 苦 苦 思 索, 试 图 从 经 典 理 论 中 寻 找 答 案, 却 撞 得 头 破 血 流 终 于 有 一 天, 他 作 了 一 个 破 釜 沉 舟 的 决 定, 引 入 光 量 子 的 假 设, 把 X 射 线 看 作 能 量 为 hν 的 光 子 束 的 集 合 这 个 假 定 马 上 让 他 看 到 了 曙 光, 眼 前 豁 然 开 朗 : 那 一 部 分 波 长 变 长 的 射 线 是 因 为 光 子 和 电 子 碰 撞 所 引 起 的 光 子 像 普 通 的 小 球 那 样, 不 仅 带 有 能 量, 还 具 有 冲 量, 当 它 和 电 子 相 撞, 便 将 自 己 的 能 量 交 换 一 部 分 给 电 子 这 样 一 来 光 子 的 能 量 下 降, 根 据 公 式 E = hν,e 下 降 导 致 ν 下 降, 频 率 变 小, 便 是 波 长 变 大,over 在 粒 子 的 基 础 上 推 导 出 波 长 变 化 和 散 射 角 的 关 系 式, 和 实 验 符 合 得 一 丝 不 苟 这 是 一 场 极 为 漂 亮 的 歼 灭 战, 波 动 的 力 量 根 本 没 有 任 何 反 击 的 机 会 便 被 缴 了 械 康 普 顿 总 结 道 : 现 在, 几 乎 不 用 再 怀 疑 伦 琴 射 线 ( 注 : 即 X 射 线 ) 是 一 种 量 子 现 象 了 实 验 令 人 信 服 地 表 明, 辐 射 量 子 不 仅 具 有 能 量, 而 且 具 有 一 定 方 向 的 冲 量 上 帝 造 了 光, 爱 因 斯 坦 指 出 了 什 么 是 光, 而 康 普 顿, 则 第 一 个 在 真 正 意 义 上 看 到 了 这 光 第 三 次 微 波 战 争 全 面 爆 发 了 卷 土 重 来 的 微 粒 军 团 装 备 了 最 先 进 的 武 器 : 光 电 效 应 和 康 普 顿 效 应 这 两 门 大 炮 威 力 无 穷, 令 波 动 守 军 难 以 抵 挡, 节 节 败 退 但 是, 波 动 方 面 军 近 百 年 苦 心 经 营 的 阵 地 毕 竟 不 是 那 么 容 易 突 破 的, 麦 克 斯 韦 理 论 和 整 个 经 典 物 理 体 系 的 强 大 后 援 使 得 他 们 仍 然 立 于 不 败 之 地 波 动 的 拥 护 者 们 很 快 便 清 楚 地 意 识 到, 不 能 再 后 退 了, 因 为 身 后 就 是 莫 斯 科! 波 动 理 论 的 全 面 失 守 将 意 味 着 麦 克 斯 韦 电 磁 体 系 的 崩 溃, 但 至 少 现 在, 微 粒 这 一 雄 心 勃 勃 的 计 划 还 难 以 实 现 波 动 在 稳 住 了 阵 脚 之 后, 迅 速 地 重 新 评 估 了 自 己 的 力 量 虽 然 在 光 电 问 题 上 它 无 能 为 力, 但 当 初 它 赖 以 建 国 的 那 些 王 牌 武 器 却 依 然 没 有 生 锈 和 失 效, 仍 然 有 着 强 大 的 杀 伤 力 微 粒 的 复 兴 虽 然 来 得 迅 猛, 但 终 究 缺 乏 深 度, 它 甚 至 不 得 不 依 靠 从 波 动 那 里 缴 获 来 的 军 火 来 作 战 比 如 我 们 已 经 看 到 的 光 电 效 应, 对 于 光 量 子 理 论 的 验 证 牵 涉 到 频 率 和 波 长 的 测 定, 而 这 却 仍 然 要 靠 光 的 干 涉 现 象 来 实 现 波 动 的 立 国 之 父 托 马 斯. 杨, 他 的 精 神 是 如 此 伟 大, 以 至 在 身 后 百 年 仍 然 光 耀 着 波 动 的 战 旗, 震 慑 一 切 反 对 力 量 在 每 一 间 中 学 的 实 验 室 里, 通 过 两 道 狭 缝 的 光 依 然 不 依 不 饶 地 显 示 出 明 暗 相 间 的 干 涉 条 纹 来, 不 容 置 疑 地 向 世 人 表 明 他 的 波 动 性 菲 涅 尔 的 论 文 虽 然 已 经 在 图 书 馆 里 蒙 上 了 灰 尘, 但 任 何 人 只 要 有 兴 趣, 仍 然 可 以 重 复 他 的 实 验, 来 确 认 泊 松 亮 斑 的 存 在 麦 克 斯 韦 芳 华 绝 代 的 方 程 组 仍 然 在 每 天 给 出 预 言, 而 电 磁 波 也 仍 然 温 顺 地 按 照 他 的 预 言 以 30 万 公 里 每 秒 的 速 度 行 动, 既 没 有 快 一 点, 也 没 有 慢 一 点 战 局 很 快 就 陷 入 僵 持, 双 方 都 屯 兵 于 自 己 得 心 应 手 的 阵 地 之 内, 谁 也 无 力 去 占 领 对 方 的 地 盘 光 子 一 陷 入 干 涉 的 沼 泽, 便 显 得 笨 拙 而 无 法 自 拔 ; 光 波 一 进 入 光 电 的 丛 林, 也 变 得 迷 茫 而 不 知 所 措 粒 子 还 是 波? 在 人 类 文 明 达 到 高 峰 的 20 世 纪, 却 对 宇 宙 中 最 古 老 的 现 象 束 手 无 策 不 过 在 这 里, 我 们 得 话 分 两 头 先 让 微 粒 和 波 动 这 两 支 军 队 对 垒 一 阵 子, 我 们 跳 出 光 和 电 磁 波 的 世 界, 回 过 头 去 看 看 量 子 论 是 怎 样 影 响 了 实 实 在 在 的 物 质 原 子 核 和 电 子 的 来 自 丹 麦 的 王 子 粉 墨 登 场, 在 他 的 头 上, 一 颗 大 大 的 火 流 星 划 过 这 阴 云 密 布 的 天 空, 虽 然 只 是 一 闪 即 逝, 但 却 在 地 上 点 燃 了 燎 原 大 火, 照 亮 了 无 边 的 黑 暗

37 四 1911 年 9 月,26 岁 的 尼 尔 斯. 玻 尔 渡 过 英 吉 利 海 峡, 踏 上 了 不 列 颠 岛 的 土 地 年 轻 的 玻 尔 不 会 想 到,32 年 后, 他 还 要 再 一 次 来 到 这 个 岛 上, 但 却 是 藏 在 一 架 蚊 式 轰 炸 机 的 弹 仓 里, 冒 着 高 空 缺 氧 的 考 验 和 随 时 被 丢 进 大 海 里 的 风 险, 九 死 一 生 后 才 到 达 了 目 的 地 那 一 次, 是 邱 吉 尔 首 相 亲 自 签 署 命 令, 从 纳 粹 的 手 中 转 移 了 这 位 原 子 物 理 界 的 泰 山 北 斗, 使 得 盟 军 在 原 子 弹 的 竞 争 方 面 成 功 地 削 弱 了 德 国 的 优 势 这 也 成 了 玻 尔 一 生 中 最 富 有 传 奇 色 彩, 为 人 所 津 津 乐 道 的 一 段 故 事 当 然 在 1911 年, 玻 尔 还 只 是 一 个 有 着 远 大 志 向 和 梦 想, 却 是 默 默 无 闻 的 青 年 他 走 在 剑 桥 的 校 园 里, 想 象 当 年 牛 顿 和 麦 克 斯 韦 在 这 里 走 过 的 样 子, 欢 欣 鼓 舞 地 像 一 个 孩 子 在 草 草 地 安 定 下 来 之 后, 玻 尔 做 的 第 一 件 事 情 就 是 去 拜 访 大 名 鼎 鼎 的 J.J. 汤 姆 逊 (Joseph John Thomson), 后 者 是 当 时 富 有 盛 名 的 物 理 学 家, 卡 文 迪 许 实 验 室 的 头 头, 电 子 的 发 现 者, 诺 贝 尔 奖 得 主 J.J. 十 分 热 情 地 接 待 了 玻 尔, 虽 然 玻 尔 的 英 语 烂 得 可 以, 两 人 还 是 谈 了 好 长 一 阵 子 J.J. 收 下 了 玻 尔 的 论 文, 并 把 它 放 在 自 己 的 办 公 桌 上 一 切 看 来 都 十 分 顺 利, 但 可 怜 的 尼 尔 斯 并 不 知 道, 在 漠 视 学 生 的 论 文 这 一 点 上, 汤 姆 逊 是 恶 名 昭 著 的 事 实 上, 玻 尔 的 论 文 一 直 被 闲 置 在 桌 子 上,J.J. 根 本 没 有 看 过 一 个 字 剑 桥 对 于 玻 尔 来 说, 实 在 不 是 一 个 让 人 激 动 的 地 方, 他 的 project 也 进 行 得 不 是 十 分 顺 利 总 而 言 之, 在 剑 桥 的 日 子 里, 除 了 在 一 个 足 球 队 里 大 显 身 手 之 外, 似 乎 没 有 什 么 是 让 玻 尔 觉 得 值 得 一 提 的 失 望 之 下, 玻 尔 决 定 寻 求 一 些 改 变, 他 把 眼 光 投 向 了 曼 彻 斯 特 相 比 剑 桥, 曼 彻 斯 特 那 污 染 的 天 空 似 乎 没 有 什 么 吸 引 力, 但 对 一 个 物 理 系 的 学 生 来 说, 那 里 却 有 一 个 闪 着 金 光 的 名 字 : 恩 内 斯 特. 卢 瑟 福 (Ernest Rutherford) 说 起 来, 卢 瑟 福 也 是 J.J. 汤 姆 逊 的 学 生 这 位 出 身 于 新 西 兰 农 场 的 科 学 家 身 上 保 持 着 农 民 那 勤 俭 朴 实 的 作 风, 对 他 的 助 手 和 学 生 们 永 远 是 那 样 热 情 和 关 心, 提 供 所 有 力 所 能 及 的 帮 助 再 说, 玻 尔 选 择 的 时 机 真 是 再 恰 当 也 不 过 了,1912 年, 那 正 是 一 个 黎 明 的 曙 光 就 要 来 临, 科 学 新 的 一 页 就 要 被 书 写 的 年 份 人 们 已 经 站 在 了 通 向 原 子 神 秘 内 部 世 界 的 门 槛 上, 只 等 玻 尔 来 迈 出 这 决 定 性 的 一 步 了 这 个 故 事 还 要 从 前 一 个 世 纪 说 起 1897 年,J.J. 汤 姆 逊 在 研 究 阴 极 射 线 的 时 候, 发 现 了 原 子 中 电 子 的 存 在 这 打 破 了 从 古 希 腊 人 那 里 流 传 下 来 的 原 子 不 可 分 割 的 理 念, 明 确 地 向 人 们 展 示 : 原 子 是 可 以 继 续 分 割 的, 它 有 着 自 己 的 内 部 结 构 那 么, 这 个 结 构 是 怎 么 样 的 呢? 汤 姆 逊 那 时 完 全 缺 乏 实 验 证 据, 他 于 是 展 开 自 己 的 想 象, 勾 勒 出 这 样 的 图 景 : 原 子 呈 球 状, 带 正 电 荷 而 带 负 电 荷 的 电 子 则 一 粒 粒 地 镶 嵌 在 这 个 圆 球 上 这 样 的 一 幅 画 面, 也 就 是 史 称 的 葡 萄 干 布 丁 模 型, 电 子 就 像 布 丁 上 的 葡 萄 干 一 样 但 是,1910 年, 卢 瑟 福 和 学 生 们 在 他 的 实 验 室 里 进 行 了 一 次 名 留 青 史 的 实 验 他 们 用 α 粒 子 ( 带 正 电 的 氦 核 ) 来 轰 击 一 张 极 薄 的 金 箔, 想 通 过 散 射 来 确 认 那 个 葡 萄 干 布 丁 的 大 小 和 性 质 但 是, 极 为 不 可 思 议 的 情 况 出 现 了 : 有 少 数 α 粒 子 的 散 射 角 度 是 如 此 之 大, 以 致 超 过 90 度 对 于 这 个 情 况, 卢 瑟 福 自 己 描 述 得 非 常 形 象 : 这 就 像 你 用 十 五 英 寸 的 炮 弹 向 一 张 纸 轰 击, 结 果 这 炮 弹 却 被 反 弹 了 回 来, 反 而 击 中 了 你 自 己 一 样 卢 瑟 福 发 扬 了 亚 里 士 多 德 前 辈 吾 爱 吾 师, 但 吾 更 爱 真 理 的 优 良 品 格, 决 定 修 改 汤 姆 逊 的

38 葡 萄 干 布 丁 模 型 他 认 识 到,α 粒 子 被 反 弹 回 来, 必 定 是 因 为 它 们 和 金 箔 原 子 中 某 种 极 为 坚 硬 密 实 的 核 心 发 生 了 碰 撞 这 个 核 心 应 该 是 带 正 电, 而 且 集 中 了 原 子 的 大 部 分 质 量 但 是, 从 α 粒 子 只 有 很 少 一 部 分 出 现 大 角 度 散 射 这 一 情 况 来 看, 那 核 心 占 据 的 地 方 是 很 小 的, 不 到 原 子 半 径 的 万 分 之 一 于 是, 卢 瑟 福 在 次 年 (1911) 发 表 了 他 的 这 个 新 模 型 在 他 描 述 的 原 子 图 象 中, 有 一 个 占 据 了 绝 大 部 分 质 量 的 原 子 核 在 原 子 的 中 心 而 在 这 原 子 核 的 四 周, 带 负 电 的 电 子 则 沿 着 特 定 的 轨 道 绕 着 它 运 行 这 很 像 一 个 行 星 系 统 ( 比 如 太 阳 系 ), 所 以 这 个 模 型 被 理 所 当 然 地 称 为 行 星 系 统 模 型 在 这 里, 原 子 核 就 像 是 我 们 的 太 阳, 而 电 子 则 是 围 绕 太 阳 运 行 的 行 星 们 但 是, 这 个 看 来 完 美 的 模 型 却 有 着 自 身 难 以 克 服 的 严 重 困 难 因 为 物 理 学 家 们 很 快 就 指 出, 带 负 电 的 电 子 绕 着 带 正 电 的 原 子 核 运 转, 这 个 体 系 是 不 稳 定 的 两 者 之 间 会 放 射 出 强 烈 的 电 磁 辐 射, 从 而 导 致 电 子 一 点 点 地 失 去 自 己 的 能 量 作 为 代 价, 它 便 不 得 不 逐 渐 缩 小 运 行 半 径, 直 到 最 终 坠 毁 在 原 子 核 上 为 止, 整 个 过 程 用 时 不 过 一 眨 眼 的 工 夫 换 句 话 说, 就 算 世 界 如 同 卢 瑟 福 描 述 的 那 样, 也 会 在 转 瞬 之 间 因 为 原 子 自 身 的 坍 缩 而 毁 于 一 旦 原 子 核 和 电 子 将 不 可 避 免 地 放 出 辐 射 并 互 相 中 和, 然 后 把 卢 瑟 福 和 他 的 实 验 室, 乃 至 整 个 英 格 兰, 整 个 地 球, 整 个 宇 宙 都 变 成 一 团 混 沌 不 过, 当 然 了, 虽 然 理 论 家 们 发 出 如 此 阴 森 恐 怖 的 预 言, 太 阳 仍 然 每 天 按 时 升 起, 大 家 都 活 得 好 好 的 电 子 依 然 快 乐 地 围 绕 原 子 打 转, 没 有 一 点 失 去 能 量 的 预 兆 而 丹 麦 的 年 轻 人 尼 尔 斯. 玻 尔 照 样 安 安 全 全 地 抵 达 了 曼 彻 斯 特, 并 开 始 谱 写 物 理 史 上 属 于 他 的 华 彩 篇 章 玻 尔 没 有 因 为 卢 瑟 福 模 型 的 困 难 而 放 弃 这 一 理 论, 毕 竟 它 有 着 α 粒 子 散 射 实 验 的 强 力 支 持 相 反, 玻 尔 对 电 磁 理 论 能 否 作 用 于 原 子 这 一 人 们 从 未 涉 足 过 的 层 面, 倒 是 抱 有 相 当 的 怀 疑 成 分 曼 彻 斯 特 的 生 活 显 然 要 比 剑 桥 令 玻 尔 舒 心 许 多, 虽 然 他 和 卢 瑟 福 两 个 人 的 性 格 是 如 此 不 同, 后 者 是 个 急 性 子, 永 远 精 力 旺 盛, 而 他 玻 尔 则 像 个 害 羞 的 大 男 孩, 说 一 句 话 都 显 得 口 齿 不 清 但 他 们 显 然 是 绝 妙 的 一 个 团 队, 玻 尔 的 天 才 在 卢 瑟 福 这 个 老 板 的 领 导 下 被 充 分 地 激 发 出 来, 很 快 就 在 历 史 上 激 起 壮 观 的 波 澜 1912 年 7 月, 玻 尔 完 成 了 他 在 原 子 结 构 方 面 的 第 一 篇 论 文, 历 史 学 家 们 后 来 常 常 把 它 称 作 曼 彻 斯 特 备 忘 录 玻 尔 在 其 中 已 经 开 始 试 图 把 量 子 的 概 念 结 合 到 卢 瑟 福 模 型 中 去, 以 解 决 经 典 电 磁 力 学 所 无 法 解 释 的 难 题 但 是, 一 切 都 只 不 过 是 刚 刚 开 始 而 已, 在 那 片 还 没 有 前 人 涉 足 的 处 女 地 上, 玻 尔 只 能 一 步 步 地 摸 索 前 进 没 有 人 告 诉 他 方 向 应 该 在 哪 里, 而 他 的 动 力 也 不 过 是 对 于 卢 瑟 福 模 型 的 坚 信 和 年 轻 人 特 有 的 巨 大 热 情 玻 尔 当 时 对 原 子 光 谱 的 问 题 一 无 所 知, 当 然 也 看 不 到 它 后 来 对 于 原 子 研 究 的 决 定 性 意 义, 不 过, 革 命 的 方 向 已 经 确 定, 已 经 没 有 什 么 能 够 改 变 量 子 论 即 将 崭 露 头 角 这 个 事 实 了 在 浓 云 密 布 的 天 空 中, 出 现 了 一 线 微 光 虽 然 后 来 证 明, 那 只 是 一 颗 流 星, 但 是 这 光 芒 无 疑 给 已 经 僵 硬 而 老 化 的 物 理 世 界 注 入 了 一 种 新 的 生 机, 一 种 有 着 新 鲜 气 息 和 希 望 的 活 力 这 光 芒 点 燃 了 人 们 手 中 的 火 炬, 引 导 他 们 去 寻 找 真 正 的 永 恒 的 光 明 终 于,7 月 24 日, 玻 尔 完 成 了 他 在 英 国 的 学 习, 动 身 返 回 祖 国 丹 麦 在 那 里, 他 可 爱 的 未 婚 妻 玛 格 丽 特 正 在 焦 急 地 等 待 着 他, 而 物 理 学 的 未 来 也 即 将 要 向 他 敞 开 心 扉 在 临 走 前, 玻

39 尔 把 他 的 论 文 交 给 卢 瑟 福 过 目, 并 得 到 了 热 切 的 鼓 励 只 是, 卢 瑟 福 有 没 有 想 到, 这 个 青 年 将 在 怎 样 的 一 个 程 度 上, 改 变 人 们 对 世 界 的 终 极 看 法 呢? 是 的, 是 的, 时 机 已 到 伟 大 的 三 部 曲 即 将 问 世, 而 真 正 属 于 量 子 的 时 代, 也 终 于 到 来 ********* 饭 后 闲 话 : 诺 贝 尔 奖 得 主 的 幼 儿 园 卢 瑟 福 本 人 是 一 位 伟 大 的 物 理 学 家, 这 是 无 需 置 疑 的 但 他 同 时 更 是 一 位 伟 大 的 物 理 导 师, 他 以 敏 锐 的 眼 光 去 发 现 人 们 的 天 才, 又 以 伟 大 的 人 格 去 关 怀 他 们, 把 他 们 的 潜 力 挖 掘 出 来 在 卢 瑟 福 身 边 的 那 些 助 手 和 学 生 们, 后 来 绝 大 多 数 都 出 落 得 非 常 出 色, 其 中 更 包 括 了 为 数 众 多 的 科 学 大 师 们 我 们 熟 悉 的 尼 尔 斯. 玻 尔,20 世 纪 最 伟 大 的 物 理 学 家 之 一,1922 年 诺 贝 尔 物 理 奖 得 主, 量 子 论 的 奠 基 人 和 象 征 在 曼 彻 斯 特 跟 随 过 卢 瑟 福 保 罗. 狄 拉 克 (Paul Dirac), 量 子 论 的 创 始 人 之 一, 同 样 伟 大 的 科 学 家,1933 年 诺 贝 尔 物 理 奖 得 主 他 的 主 要 成 就 都 是 在 剑 桥 卡 文 迪 许 实 验 室 做 出 的 ( 那 时 卢 瑟 福 接 替 了 J.J. 汤 姆 逊 成 为 这 个 实 验 室 的 主 任 ) 狄 拉 克 获 奖 的 时 候 才 31 岁, 他 对 卢 瑟 福 说 他 不 想 领 这 个 奖, 因 为 他 讨 厌 在 公 众 中 的 名 声 卢 瑟 福 劝 道, 如 果 不 领 奖 的 话, 那 么 这 个 名 声 可 就 更 响 了 中 子 的 发 现 者, 詹 姆 斯. 查 德 威 克 (James Chadwick) 在 曼 彻 斯 特 花 了 两 年 时 间 在 卢 瑟 福 的 实 验 室 里 他 于 1935 年 获 得 诺 贝 尔 物 理 奖 布 莱 克 特 (Patrick M. S. Blackett) 在 一 次 大 战 后 辞 去 了 海 军 上 尉 的 职 务, 进 入 剑 桥 跟 随 卢 瑟 福 学 习 物 理 他 后 来 改 进 了 威 尔 逊 云 室, 并 在 宇 宙 线 和 核 物 理 方 面 作 出 了 巨 大 的 贡 献, 为 此 获 得 了 1948 年 的 诺 贝 尔 物 理 奖 1932 年, 沃 尔 顿 (E.T.S Walton) 和 考 克 劳 夫 特 (John Cockcroft) 在 卢 瑟 福 的 卡 文 迪 许 实 验 室 里 建 造 了 强 大 的 加 速 器, 并 以 此 来 研 究 原 子 核 的 内 部 结 构 这 两 位 卢 瑟 福 的 弟 子 在 1951 年 分 享 了 诺 贝 尔 物 理 奖 金 这 个 名 单 可 以 继 续 开 下 去, 一 直 到 长 得 令 人 无 法 忍 受 为 止 : 英 国 人 索 迪 (Frederick Soddy), 1921 年 诺 贝 尔 化 学 奖 瑞 典 人 赫 维 西 (Georg von Hevesy),1943 年 诺 贝 尔 化 学 奖 德 国 人 哈 恩 (Otto Hahn),1944 年 诺 贝 尔 化 学 奖 英 国 人 鲍 威 尔 (Cecil Frank Powell),1950 年 诺 贝 尔 物 理 奖 美 国 人 贝 特 (Hans Bethe),1967 年 诺 贝 尔 物 理 奖 苏 联 人 卡 皮 查 (P.L.Kapitsa), 1978 年 诺 贝 尔 化 学 奖 除 去 一 些 稍 微 疏 远 一 点 的 case, 卢 瑟 福 一 生 至 少 培 养 了 10 位 诺 贝 尔 奖 得 主 ( 还 不 算 他 自 己 本 人 ) 当 然, 在 他 的 学 生 中 还 有 一 些 没 有 得 到 诺 奖, 但 同 样 出 色 的 名 字, 比 如 汉 斯. 盖 革 (Hans Geiger, 他 后 来 以 发 明 了 盖 革 计 数 器 而 著 名 ) 亨 利. 莫 斯 里 (Henry Mosley, 一 个 被 誉 为 有 着 无 限 天 才 的 年 轻 人, 可 惜 死 在 了 一 战 的 战 场 上 ) 恩 内 斯 特. 马 斯 登 (Ernest Marsden, 他 和 盖 革 一 起 做 了 α 粒 子 散 射 实 验, 后 来 被 封 为 爵 士 ) 等 等, 等 等

40 卢 瑟 福 的 实 验 室 被 后 人 称 为 诺 贝 尔 奖 得 主 的 幼 儿 园 他 的 头 像 出 现 在 新 西 兰 货 币 的 最 大 面 值 100 元 上 面, 作 为 国 家 对 他 最 崇 高 的 敬 意 和 纪 念 五 1912 年 8 月 1 日, 玻 尔 和 玛 格 丽 特 在 离 哥 本 哈 根 不 远 的 一 个 小 镇 上 结 婚, 随 后 他 们 前 往 英 国 展 开 蜜 月 当 然, 有 一 个 人 是 万 万 不 能 忘 记 拜 访 的, 那 就 是 玻 尔 家 最 好 的 朋 友 之 一, 卢 瑟 福 教 授 虽 然 是 在 蜜 月 期, 原 子 和 量 子 的 图 景 仍 然 没 有 从 玻 尔 的 脑 海 中 消 失 他 和 卢 瑟 福 就 此 再 一 次 认 真 地 交 换 了 看 法, 并 加 深 了 自 己 的 信 念 回 到 丹 麦 后, 他 便 以 百 分 之 二 百 的 热 情 投 入 到 这 一 工 作 中 去 揭 开 原 子 内 部 的 奥 秘, 这 一 梦 想 具 有 太 大 的 诱 惑 力, 令 玻 尔 完 全 无 法 抗 拒 为 了 能 使 大 家 跟 得 上 我 们 史 话 的 步 伐, 我 们 还 是 再 次 描 述 一 下 当 时 玻 尔 面 临 的 处 境 卢 瑟 福 的 实 验 展 示 了 一 个 全 新 的 原 子 面 貌 : 有 一 个 致 密 的 核 心 处 在 原 子 的 中 央, 而 电 子 则 绕 着 这 个 中 心 运 行, 像 是 围 绕 着 太 阳 的 行 星 然 而, 这 个 模 型 面 临 着 严 重 的 理 论 困 难, 因 为 经 典 电 磁 理 论 预 言, 这 样 的 体 系 将 会 无 可 避 免 地 释 放 出 辐 射 能 量, 并 最 终 导 致 体 系 的 崩 溃 换 句 话 说, 卢 瑟 福 的 原 子 是 不 可 能 稳 定 存 在 超 过 1 秒 钟 的 玻 尔 面 临 着 选 择, 要 么 放 弃 卢 瑟 福 模 型, 要 么 放 弃 麦 克 斯 韦 和 他 的 伟 大 理 论 玻 尔 勇 气 十 足 地 选 择 了 放 弃 后 者 他 以 一 种 深 刻 的 洞 察 力 预 见 到, 在 原 子 这 样 小 的 层 次 上, 经 典 理 论 将 不 再 成 立, 新 的 革 命 性 思 想 必 须 被 引 入, 这 个 思 想 就 是 普 朗 克 的 量 子 以 及 他 的 h 常 数 应 当 说 这 是 一 个 相 当 困 难 的 任 务 如 何 推 翻 麦 氏 理 论 还 在 其 次, 关 键 是 新 理 论 要 能 够 完 美 地 解 释 原 子 的 一 切 行 为 玻 尔 在 哥 本 哈 根 埋 头 苦 干 的 那 个 年 头, 门 捷 列 夫 的 元 素 周 期 律 已 经 被 发 现 了 很 久, 化 学 键 理 论 也 已 经 被 牢 固 地 建 立 种 种 迹 象 都 表 明 在 原 子 内 部, 有 一 种 潜 在 的 规 律 支 配 着 它 们 的 行 为, 并 形 成 某 种 特 定 的 模 式 原 子 世 界 像 一 座 蕴 藏 了 无 穷 财 宝 的 金 字 塔, 但 如 何 找 到 进 入 其 内 部 的 通 道, 却 是 一 个 让 人 挠 头 不 已 的 难 题 然 而, 像 当 年 的 贝 尔 佐 尼 一 样, 玻 尔 也 有 着 一 个 探 险 家 所 具 备 的 最 宝 贵 的 素 质 : 洞 察 力 和 直 觉, 这 使 得 他 能 够 抓 住 那 个 不 起 眼, 但 却 是 唯 一 的, 稍 纵 即 逝 的 线 索, 从 而 打 开 那 扇 通 往 全 新 世 界 的 大 门 1913 年 初, 年 轻 的 丹 麦 人 汉 森 (Hans Marius Hansen) 请 教 玻 尔, 在 他 那 量 子 化 的 原 子 模 型 里 如 何 解 释 原 子 的 光 谱 线 问 题 对 于 这 个 问 题, 玻 尔 之 前 并 没 有 太 多 地 考 虑 过, 原 子 光 谱 对 他 来 说 是 陌 生 和 复 杂 的, 成 千 条 谱 线 和 种 种 奇 怪 的 效 应 在 他 看 来 太 杂 乱 无 章, 似 乎 不 能 从 中 得 出 什 么 有 用 的 信 息 然 而 汉 森 告 诉 玻 尔, 这 里 面 其 实 是 有 规 律 的, 比 如 巴 尔 末 公 式 就 是 他 敦 促 玻 尔 关 心 一 下 巴 尔 末 的 工 作 突 然 间, 就 像 伊 翁 (Ion) 发 现 了 藏 在 箱 子 里 的 绘 着 戈 耳 工 的 麻 布, 一 切 都 豁 然 开 朗 山 重 水 复 疑 无 路, 柳 暗 花 明 又 一 村 在 谁 也 没 有 想 到 的 地 方, 量 子 得 到 了 决 定 性 的 突 破 1954 年, 玻 尔 回 忆 道 : 当 我 一 看 见 巴 尔 末 的 公 式, 一 切 就 都 清 楚 不 过 了 要 从 头 回 顾 光 谱 学 的 发 展, 又 得 从 伟 大 的 本 生 和 基 尔 霍 夫 说 起, 而 那 势 必 又 是 一 篇 规 模 宏 大 的 文 字 鉴 于 篇 幅, 我 们 只 需 要 简 单 地 了 解 一 下 这 方 面 的 背 景 知 识, 因 为 本 史 话 原 来 也 没 有 打 算 把 方 方 面 面 都 事 无 巨 细 地 描 述 完 全 概 括 来 说, 当 时 的 人 们 已 经 知 道, 任 何 元 素 在 被 加

41 热 时 都 会 释 放 出 含 有 特 定 波 长 的 光 线, 比 如 我 们 从 中 学 的 焰 色 实 验 中 知 道, 钠 盐 放 射 出 明 亮 的 黄 光, 钾 盐 则 呈 紫 色, 锂 是 红 色, 铜 是 绿 色 等 等 将 这 些 光 线 通 过 分 光 镜 投 射 到 屏 幕 上, 便 得 到 光 谱 线 各 种 元 素 在 光 谱 里 一 览 无 余 : 钠 总 是 表 现 为 一 对 黄 线, 锂 产 生 一 条 明 亮 的 红 线 和 一 条 较 暗 的 橙 线, 钾 则 是 一 条 紫 线 总 而 言 之, 任 何 元 素 都 产 生 特 定 的 唯 一 谱 线 但 是, 这 些 谱 线 呈 现 什 么 规 律 以 及 为 什 么 会 有 这 些 规 律, 却 是 一 个 大 难 题 拿 氢 原 子 的 谱 线 来 说 吧, 这 是 最 简 单 的 原 子 谱 线 了 它 就 呈 现 为 一 组 线 段, 每 一 条 线 都 代 表 了 一 个 特 定 的 波 长 比 如 在 可 见 光 区 间 内, 氢 原 子 的 光 谱 线 依 次 为 :656,484,434,410,397,388,383, 380 纳 米 这 些 数 据 无 疑 不 是 杂 乱 无 章 的,1885 年, 瑞 士 的 一 位 数 学 教 师 巴 尔 末 (Johann Balmer) 发 现 了 其 中 的 规 律, 并 总 结 了 一 个 公 式 来 表 示 这 些 波 长 之 间 的 关 系, 这 就 是 著 名 的 巴 尔 末 公 式 将 它 的 原 始 形 式 稍 微 变 换 一 下, 用 波 长 的 倒 数 来 表 示, 则 显 得 更 加 简 单 明 了 : ν=r(1/2^2-1/n^2) 其 中 的 R 是 一 个 常 数, 称 为 里 德 伯 (Rydberg) 常 数,n 是 大 于 2 的 正 整 数 (3,4,5 等 等 ) 在 很 长 一 段 时 间 里, 这 是 一 个 十 分 有 用 的 经 验 公 式 但 没 有 人 可 以 说 明, 这 个 公 式 背 后 的 意 义 是 什 么, 以 及 如 何 从 基 本 理 论 将 它 推 导 出 来 但 是 在 玻 尔 眼 里, 这 无 疑 是 一 个 晴 天 霹 雳, 它 像 一 个 火 花, 瞬 间 点 燃 了 玻 尔 的 灵 感, 所 有 的 疑 惑 在 那 一 刻 变 得 顺 理 成 章 了, 玻 尔 知 道, 隐 藏 在 原 子 里 的 秘 密, 终 于 向 他 嫣 然 展 开 笑 颜 我 们 来 看 一 下 巴 耳 末 公 式, 这 里 面 用 到 了 一 个 变 量 n, 那 是 大 于 2 的 任 何 正 整 数 n 可 以 等 于 3, 可 以 等 于 4, 但 不 能 等 于 3.5, 这 无 疑 是 一 种 量 子 化 的 表 述 玻 尔 深 呼 了 一 口 气, 他 的 大 脑 在 急 速 地 运 转, 原 子 只 能 放 射 出 波 长 符 合 某 种 量 子 规 律 的 辐 射, 这 说 明 了 什 么 呢? 我 们 回 忆 一 下 从 普 朗 克 引 出 的 那 个 经 典 量 子 公 式 :E = hν 频 率 ( 波 长 ) 是 能 量 的 量 度, 原 子 只 释 放 特 定 波 长 的 辐 射, 说 明 在 原 子 内 部, 它 只 能 以 特 定 的 量 吸 收 或 发 射 能 量 而 原 子 怎 么 会 吸 收 或 者 释 放 能 量 的 呢? 这 在 当 时 已 经 有 了 一 定 的 认 识, 比 如 斯 塔 克 (J.Stark) 就 提 出, 光 谱 的 谱 线 是 由 电 子 在 不 同 势 能 的 位 置 之 间 移 动 而 放 射 出 来 的, 英 国 人 尼 科 尔 森 (J.W.Nicholson) 也 有 着 类 似 的 想 法 玻 尔 对 这 些 工 作 无 疑 都 是 了 解 的 一 个 大 胆 的 想 法 在 玻 尔 的 脑 中 浮 现 出 来 : 原 子 内 部 只 能 释 放 特 定 量 的 能 量, 说 明 电 子 只 能 在 特 定 的 势 能 位 置 之 间 转 换 也 就 是 说, 电 子 只 能 按 照 某 些 确 定 的 轨 道 运 行, 这 些 轨 道, 必 须 符 合 一 定 的 势 能 条 件, 从 而 使 得 电 子 在 这 些 轨 道 间 跃 迁 时, 只 能 释 放 出 符 合 巴 耳 末 公 式 的 能 量 来 我 们 可 以 这 样 来 打 比 方 如 果 你 在 中 学 里 好 好 地 听 讲 过 物 理 课, 你 应 该 知 道 势 能 的 转 化 一 个 体 重 100 公 斤 的 人 从 1 米 高 的 台 阶 上 跳 下 来, 他 / 她 会 获 得 1000 焦 耳 的 能 量, 当 然, 这 些 能 量 会 转 化 为 落 下 时 的 动 能 但 如 果 情 况 是 这 样 的, 我 们 通 过 某 种 方 法 得 知, 一 个 体 重 100 公 斤 的 人 跳 下 了 若 干 级 高 度 相 同 的 台 阶 后, 总 共 释 放 出 了 1000 焦 耳 的 能 量, 那 么 我 们 关 于 每 一 级 台 阶 的 高 度 可 以 说 些 什 么 呢? 明 显 而 直 接 的 计 算 就 是, 这 个 人 总 共 下 落 了 1 米, 这 就 为 我 们 台 阶 的 高 度 加 上 了 一 个 严 格 的 限 制 如 果 在 平 时, 我 们 会 承 认, 一 个 台 阶 可 以 有 任 意 的 高 度, 完 全 看 建 造 者 的 兴 趣 而 已 但 如 果 加 上 了 我 们 的 这 个 条 件, 每 一 级 台 阶 的 高 度 就 不 再 是 任 意 的 了 我 们 可 以 假 设, 总 共

42 只 有 一 级 台 阶, 那 么 它 的 高 度 就 是 1 米 或 者 这 个 人 总 共 跳 了 两 级 台 阶, 那 么 每 级 台 阶 的 高 度 是 0.5 米 如 果 跳 了 3 次, 那 么 每 级 就 是 1/3 米 如 果 你 是 间 谍 片 的 爱 好 者, 那 么 大 概 你 会 推 测 每 级 台 阶 高 1/39 米 但 是 无 论 如 何, 我 们 不 可 能 得 到 这 样 的 结 论, 即 每 级 台 阶 高 0.6 米 道 理 是 明 显 的 : 高 0.6 米 的 台 阶 不 符 合 我 们 的 观 测 ( 总 共 释 放 了 1000 焦 耳 能 量 ) 如 果 只 有 一 级 这 样 的 台 阶, 那 么 它 带 来 的 能 量 就 不 够, 如 果 有 两 级, 那 么 总 高 度 就 达 到 了 1.2 米, 导 致 释 放 的 能 量 超 过 了 观 测 值 如 果 要 符 合 我 们 的 观 测, 那 么 必 须 假 定 总 共 有 一 又 三 分 之 二 级 台 阶, 而 这 无 疑 是 荒 谬 的, 因 为 小 孩 子 都 知 道, 台 阶 只 能 有 整 数 级 在 这 里, 台 阶 数 必 须 是 整 数, 就 是 我 们 的 量 子 化 条 件 这 个 条 件 就 限 制 了 每 级 台 阶 的 高 度 只 能 是 1 米, 或 者 1/2 米, 而 不 能 是 这 其 间 的 任 何 一 个 数 字 原 子 和 电 子 的 故 事 在 道 理 上 基 本 和 这 个 差 不 多 我 们 还 记 得, 在 卢 瑟 福 模 型 里, 电 子 像 行 星 一 样 绕 着 原 子 核 打 转 当 电 子 离 核 最 近 的 时 候, 它 的 能 量 最 低, 可 以 看 成 是 在 平 地 上 的 状 态 但 是, 一 旦 电 子 获 得 了 特 定 的 能 量, 它 就 获 得 了 动 力, 向 上 攀 登 一 个 或 几 个 台 阶, 到 达 一 个 新 的 轨 道 当 然, 如 果 没 有 了 能 量 的 补 充, 它 又 将 从 那 个 高 处 的 轨 道 上 掉 落 下 来, 一 直 回 到 平 地 状 态 为 止, 同 时 把 当 初 的 能 量 再 次 以 辐 射 的 形 式 释 放 出 来 关 键 是, 我 们 现 在 知 道, 在 这 一 过 程 中, 电 子 只 能 释 放 或 吸 收 特 定 的 能 量 ( 由 光 谱 的 巴 尔 末 公 式 给 出 ), 而 不 是 连 续 不 断 的 玻 尔 做 出 了 合 理 的 推 断 : 这 说 明 电 子 所 攀 登 的 台 阶, 它 们 必 须 符 合 一 定 的 高 度 条 件, 而 不 能 像 经 典 理 论 所 假 设 的 那 样, 是 连 续 而 任 意 的 连 续 性 被 破 坏, 量 子 化 条 件 必 须 成 为 原 子 理 论 的 主 宰 我 们 不 得 不 再 一 次 用 到 量 子 公 式 E = hν, 还 请 各 位 多 多 包 涵 史 蒂 芬. 霍 金 在 他 那 畅 销 书 时 间 简 史 的 Acknowledgements 里 面 说, 插 入 任 何 一 个 数 学 公 式 都 会 使 作 品 的 销 量 减 半, 所 以 他 考 虑 再 三, 只 用 了 一 个 公 式 E = mc2 我 们 的 史 话 本 是 戏 作, 也 不 考 虑 那 么 多, 但 就 算 列 出 公 式, 也 不 强 求 各 位 看 客 理 解 其 数 学 意 义 唯 有 这 个 E = hν, 笔 者 觉 得 还 是 有 必 要 清 楚 它 的 含 义, 这 对 于 整 部 史 话 的 理 解 也 是 有 好 处 的, 从 科 学 意 义 上 来 说, 它 也 决 不 亚 于 爱 因 斯 坦 的 那 个 E = mc2 所 以 还 是 不 厌 其 烦 地 重 复 一 下 这 个 方 程 的 描 述 :E 代 表 能 量,h 是 普 朗 克 常 数,ν 是 频 率 回 到 正 题, 玻 尔 现 在 清 楚 了, 氢 原 子 的 光 谱 线 代 表 了 电 子 从 一 个 特 定 的 台 阶 跳 跃 到 另 外 一 个 台 阶 所 释 放 的 能 量 因 为 观 测 到 的 光 谱 线 是 量 子 化 的, 所 以 电 子 的 台 阶 ( 或 者 轨 道 ) 必 定 也 是 量 子 化 的, 它 不 能 连 续 而 取 任 意 值, 而 必 须 分 成 底 楼, 一 楼, 二 楼 等, 在 两 层 楼 之 间, 是 电 子 的 禁 区, 它 不 可 能 出 现 在 那 里 正 如 一 个 人 不 能 悬 在 两 级 台 阶 之 间 漂 浮 一 样 如 果 现 在 电 子 在 三 楼, 它 的 能 量 用 W3 表 示, 那 么 当 这 个 电 子 突 发 奇 想, 决 定 跳 到 一 楼 ( 能 量 W1) 的 期 间, 它 便 释 放 出 了 W3-W1 的 能 量 我 们 要 求 大 家 记 住 的 那 个 公 式 再 一 次 发 挥 作 用,W3-W1 = hν 所 以 这 一 举 动 的 直 接 结 果 就 是, 一 条 频 率 为 ν 的 谱 线 出 现 在 该 原 子 的 光 谱 上 玻 尔 所 有 的 这 些 思 想, 转 化 成 理 论 推 导 和 数 学 表 达, 并 以 三 篇 论 文 的 形 式 最 终 发 表 这 三 篇 论 文 ( 或 者 也 可 以 说, 一 篇 大 论 文 的 三 个 部 分 ), 分 别 题 名 为 论 原 子 和 分 子 的 构 造 (On the Constitution of Atoms and Molecules), 单 原 子 核 体 系 (Systems Containing Only a Single Nucleus) 和 多 原 子 核 体 系 (Systems Containing Several Nuclei), 于 1913 年 3 月 到 9 月 陆 续 寄 给 了 远 在 曼 彻 斯 特 的 卢 瑟 福, 并 由 后 者 推 荐 发 表 在 哲 学 杂 志 (Philosophical Magazine)

43 上 这 就 是 在 量 子 物 理 历 史 上 划 时 代 的 文 献, 亦 即 伟 大 的 三 部 曲 这 确 确 实 实 是 一 个 新 时 代 的 到 来 如 果 把 量 子 力 学 的 发 展 史 分 为 三 部 分,1900 年 的 普 朗 克 宣 告 了 量 子 的 诞 生, 那 么 1913 年 的 玻 尔 则 宣 告 了 它 进 入 了 青 年 时 代 一 个 完 整 的 关 于 量 子 的 理 论 体 系 第 一 次 被 建 造 起 来, 虽 然 我 们 将 会 看 到, 这 个 体 系 还 留 有 浓 重 的 旧 世 界 的 痕 迹, 但 它 的 意 义 却 是 无 论 如 何 不 能 低 估 的 量 子 第 一 次 使 全 世 界 震 惊 于 它 的 力 量, 虽 然 它 的 意 识 还 有 一 半 仍 在 沉 睡 中, 虽 然 它 自 己 仍 然 置 身 于 旧 的 物 理 大 厦 之 内, 但 它 的 怒 吼 已 经 无 疑 地 使 整 个 旧 世 界 摇 摇 欲 坠, 并 动 摇 了 延 绵 几 百 年 的 经 典 物 理 根 基 神 话 中 的 巨 人 已 经 开 始 苏 醒, 那 些 藏 在 古 老 城 堡 里 的 贵 族 们, 颤 抖 吧! 第 四 章 白 云 深 处 一 应 该 说, 玻 尔 关 于 原 子 结 构 的 新 理 论 出 台 后, 是 并 不 怎 么 受 到 物 理 学 家 们 的 欢 迎 的 这 个 理 论, 在 某 些 人 的 眼 中, 居 然 怀 有 推 翻 麦 克 斯 韦 体 系 的 狂 妄 意 图, 本 身 就 是 大 逆 不 道 的 瑞 利 爵 士 ( 我 们 前 面 提 到 过 的 瑞 利 - 金 斯 线 的 发 现 者 之 一 ) 对 此 表 现 得 完 全 不 感 兴 趣,J.J. 汤 姆 逊, 玻 尔 在 剑 桥 的 导 师, 拒 绝 对 此 发 表 评 论 另 一 些 不 那 么 德 高 望 重 的 人 就 直 白 多 了, 比 如 一 位 物 理 学 家 在 课 堂 上 宣 布 : 如 果 这 些 要 用 量 子 力 学 才 能 解 释 的 话, 那 么 我 情 愿 不 予 解 释 另 一 些 人 则 声 称, 要 是 量 子 模 型 居 然 是 真 实 的 话, 他 们 从 此 退 出 物 理 学 界 即 使 是 思 想 开 放 的 人, 比 如 爱 因 斯 坦 和 波 恩, 最 初 也 觉 得 完 全 接 受 这 一 理 论 太 勉 强 了 一 些 但 是 量 子 的 力 量 超 乎 任 何 人 的 想 象 胜 利 来 得 如 此 之 快 之 迅 猛, 令 玻 尔 本 人 都 几 乎 茫 然 而 不 知 所 措 首 先, 玻 尔 的 推 导 完 全 符 合 巴 耳 末 公 式 所 描 述 的 氢 原 子 谱 线, 而 从 W2-W1 = hν 这 个 公 式, 我 们 可 以 倒 过 来 推 算 ν 的 表 述, 从 而 和 巴 耳 末 的 原 始 公 式 ν=r(1/2^2-1/n^2) 对 比, 计 算 出 里 德 伯 常 数 R 的 理 论 值 来 而 事 实 上, 玻 尔 理 论 的 预 言 和 实 验 值 仅 相 差 千 分 之 一, 这 无 疑 使 得 他 的 理 论 顿 时 具 有 了 坚 实 的 基 础 不 仅 如 此, 玻 尔 的 模 型 更 预 测 了 一 些 新 的 谱 线 的 存 在, 这 些 预 言 都 很 快 为 实 验 物 理 学 家 们 所 证 实 而 在 所 谓 皮 克 林 线 系 (Pickering line series) 的 争 论 中, 玻 尔 更 是 以 强 有 力 的 证 据 取 得 了 决 定 性 的 胜 利 他 的 原 子 体 系 异 常 精 确 地 说 明 了 一 些 氦 离 子 的 光 谱, 准 确 性 相 比 旧 的 方 程, 达 到 了 令 人 惊 叹 的 地 步 而 亨 利 莫 斯 里 ( 我 们 前 面 提 到 过 的 年 轻 天 才, 可 惜 死 在 战 场 上 的 那 位 ) 关 于 X 射 线 的 工 作, 则 进 一 步 证 实 了 原 子 有 核 模 型 的 正 确 人 们 现 在 已 经 知 道, 原 子 的 化 学 性 质, 取 决 于 它 的 核 电 荷 数, 而 不 是 传 统 认 为 的 原 子 量 基 于 玻 尔 理 论 的 电 子 壳 层 模 型, 也 一 步 一 步 发 展 起 来 只 有 几 个 小 困 难 需 要 解 决, 比 如 人 们 发 现, 氢 原 子 的 光 谱 并 非 一 根 线, 而 是 可 以 分 裂 成 许 多 谱 线 这 些 效 应 在 电 磁 场 的 参 予 下 又 变 得 更 为 古 怪 和 明 显 ( 关 于 这 些 现 象, 人 们 用 所 谓 的 斯 塔 克 效 应 和 塞 曼 效 应 来 描 述 ) 但 是 玻 尔 体 系 很 快 就 予 以 了 强 有 力 的 回 击, 在 争 取 到 爱 因 斯 坦 相 对 论 的 同 盟 军 以 及 假 设 电 子 具 有 更 多 的 自 由 度 ( 量 子 数 ) 的 条 件 下, 玻 尔 和 别 的 一 些 科 学 家 如 索 末 菲 (A.Sommerfeld) 证 明, 所 有 的 这 些 现 象, 都 可 以 顺 利 地 包 容 在 玻 尔 的 量 子 体 系 之 内 虽 然 残 酷 的 世 界 大 战 已 经 爆 发, 但 是 这 丝 毫 也 没 有 阻 挡 科 学 在 那 个 时 期 前 进 的 伟 大 步 伐 每 一 天, 新 的 报 告 和 实 验 证 据 都 如 同 雪 花 一 样 飞 到 玻 尔 的 办 公 桌 上 而 几 乎 每 一 份 报 告, 都 在 进 一 步 地 证 实 玻 尔 那 量 子 模 型 的 正 确 性 当 然, 伴 随 着 这 些 报 告, 铺 天 盖 地 而 来 的 还 有 来

44 自 社 会 各 界 的 祝 贺, 社 交 邀 请 以 及 各 种 大 学 的 聘 书 玻 尔 俨 然 已 经 成 为 原 子 物 理 方 面 的 带 头 人 出 于 对 祖 国 的 责 任 感, 他 拒 绝 了 卢 瑟 福 为 他 介 绍 的 在 曼 彻 斯 特 的 职 位, 虽 然 无 论 从 财 政 还 是 学 术 上 说, 那 无 疑 是 一 个 更 好 的 选 择 玻 尔 现 在 是 哥 本 哈 根 大 学 的 教 授, 并 决 定 建 造 一 所 专 门 的 研 究 所 以 用 作 理 论 物 理 方 面 的 进 一 步 研 究 这 个 研 究 所, 正 如 我 们 以 后 将 要 看 到 的 那 样, 将 会 成 为 欧 洲 一 颗 令 人 瞩 目 的 明 珠, 它 的 光 芒 将 吸 引 全 欧 洲 最 出 色 的 年 轻 人 到 此 聚 集, 并 发 射 出 更 加 璀 璨 的 思 想 光 辉 在 这 里, 我 们 不 妨 还 是 回 顾 一 下 玻 尔 模 型 的 一 些 基 本 特 点 它 基 本 上 是 卢 瑟 福 行 星 模 型 的 一 个 延 续, 但 是 在 玻 尔 模 型 中, 一 系 列 的 量 子 化 条 件 被 引 入, 从 而 使 这 个 体 系 有 着 鲜 明 的 量 子 化 特 点 首 先, 玻 尔 假 设, 电 子 在 围 绕 原 子 核 运 转 时, 只 能 处 于 一 些 特 定 的 能 量 状 态 中 这 些 能 量 状 态 是 不 连 续 的, 称 为 定 态 你 可 以 有 E1, 可 以 有 E2, 但 是 不 能 取 E1 和 E2 之 间 的 任 何 数 值 正 如 我 们 已 经 描 述 过 的 那 样, 电 子 只 能 处 于 一 个 定 态 中, 两 个 定 态 之 间 没 有 缓 冲 地 带, 那 里 是 电 子 的 禁 区, 电 子 无 法 出 现 在 那 里 但 是, 玻 尔 允 许 电 子 在 不 同 的 能 量 态 之 间 转 换, 或 者 说, 跃 迁 电 子 从 能 量 高 的 E2 状 态 跃 迁 到 E1 状 态, 就 放 射 出 E2-E1 的 能 量 来, 这 些 能 量 以 辐 射 的 方 式 释 放, 根 据 我 们 的 基 本 公 式, 我 们 知 道 这 辐 射 的 频 率 为 ν, 从 而 使 得 E2-E1 = hν 反 过 来, 当 电 子 吸 收 了 能 量, 它 也 可 以 从 能 量 低 的 状 态 攀 升 到 一 个 能 量 较 高 的 状 态, 其 关 系 还 是 符 合 我 们 的 公 式 我 们 必 须 注 意, 这 种 能 量 的 跃 迁 是 一 个 量 子 化 的 行 为, 如 果 电 子 从 E2 跃 迁 到 E1, 这 并 不 表 示, 电 子 在 这 一 过 程 中 经 历 了 E2 和 E1 两 个 能 量 之 间 的 任 何 状 态 如 果 你 还 是 觉 得 困 惑, 那 表 示 连 续 性 的 幽 灵 还 在 你 的 脑 海 中 盘 旋 事 实 上, 量 子 像 一 个 高 超 的 魔 术 师, 它 在 舞 台 的 一 端 微 笑 着 挥 舞 着 帽 子 登 场, 转 眼 间 便 出 现 在 舞 台 的 另 一 边 而 在 任 何 时 候, 它 也 没 有 经 过 舞 台 的 中 央 部 分! 每 一 个 可 能 的 能 级, 都 代 表 了 一 个 电 子 的 运 行 轨 道, 这 就 好 比 离 地 面 500 公 里 的 卫 星 和 离 地 - 面 800 公 里 的 卫 星 代 表 了 不 同 的 势 能 一 样 当 电 子 既 不 放 射 也 不 吸 收 能 量 的 时 候, 它 就 稳 定 地 在 一 条 轨 道 上 运 动 当 它 吸 收 了 一 定 的 能 量, 它 就 从 原 先 的 那 个 轨 道 消 失, 神 秘 地 出 现 在 离 核 较 远 的 一 条 能 量 更 高 的 轨 道 上 反 过 来, 当 它 绝 望 地 向 着 核 坠 落, 就 放 射 出 它 在 高 能 轨 道 上 所 搜 刮 的 能 量 来 人 们 很 快 就 发 现, 一 个 原 子 的 化 学 性 质, 主 要 取 决 于 它 最 外 层 的 电 子 数 量, 并 由 此 表 现 出 有 规 律 的 周 期 性 来 但 是 人 们 也 曾 经 十 分 疑 惑, 那 就 是 对 于 拥 有 众 多 电 子 的 重 元 素 来 说, 为 什 么 它 的 一 些 电 子 能 够 长 期 地 占 据 外 层 的 电 子 轨 道, 而 不 会 失 去 能 量 落 到 靠 近 原 子 核 的 低 层 轨 道 上 去 这 个 疑 问 由 年 轻 的 泡 利 在 1925 年 做 出 了 解 答 : 他 发 现, 没 有 两 个 电 子 能 够 享 有 同 样 的 状 态, 而 一 层 轨 道 所 能 够 包 容 的 不 同 状 态, 其 数 目 是 有 限 的, 也 就 是 说, 一 个 轨 道 有 着 一 定 的 容 量 当 电 子 填 满 了 一 个 轨 道 后, 其 他 电 子 便 无 法 再 加 入 到 这 个 轨 道 中 来 一 个 原 子 就 像 一 幢 宿 舍, 每 间 房 间 都 有 一 个 四 位 数 的 门 牌 号 码 底 楼 只 有 两 间 房 间, 分 别 是 1001 和 1002 而 二 楼 则 有 8 间 房 间, 门 牌 分 别 是 2001,2002,2101,2102,2111,2112, 2121 和 2122 越 是 高 层 的 楼, 它 的 房 间 数 量 就 越 多 脾 气 暴 躁 的 管 理 员 泡 利 在 大 门 口 张 贴 了 一 张 布 告, 宣 布 没 有 两 个 电 子 房 客 可 以 入 住 同 一 间 房 屋 于 是 电 子 们 争 先 恐 后 地 涌 入 这 幢 大 厦, 先 到 的 两 位 占 据 了 底 楼 那 两 个 价 廉 物 美 的 房 间, 后 来 者 因 为 底 楼 已 经 住 满, 便 不 得 不

45 退 而 求 其 次, 开 始 填 充 二 楼 的 房 间 二 楼 住 满 后, 又 轮 到 三 楼 四 楼 一 直 到 租 金 离 谱 的 六 楼 七 楼 八 楼 不 幸 住 在 高 处 的 电 子 虽 然 入 不 敷 出, 却 没 有 办 法, 因 为 楼 下 都 住 满 了 人, 没 法 搬 走 叫 苦 不 迭 的 他 们 把 泡 利 那 蛮 横 的 规 定 称 作 不 相 容 原 理 但 是, 这 一 措 施 的 确 能 够 更 好 地 帮 助 人 们 理 解 化 学 社 会 的 一 些 基 本 行 为 准 则 比 如 说, 喜 欢 合 群 的 电 子 们 总 是 试 图 让 一 层 楼 的 每 个 房 间 都 住 满 房 客 我 们 设 想 一 座 钠 大 厦, 在 它 的 三 楼, 只 有 一 位 孤 零 零 的 房 客 住 在 3001 房 而 在 相 邻 的 氯 大 厦 的 三 楼, 则 正 好 只 有 一 间 空 房 没 人 入 主 (3122) 出 于 电 子 对 热 闹 的 向 往, 钠 大 厦 的 那 位 孤 独 者 顺 理 成 章 地 决 定 搬 迁 到 氯 大 厦 中 去 填 满 那 个 空 白 的 房 间, 而 他 也 受 到 了 那 里 房 客 们 的 热 烈 欢 迎 这 一 举 动 也 促 成 了 两 座 大 厦 的 联 谊, 形 成 了 一 个 食 盐 社 区 而 在 某 些 高 层 大 厦 里, 由 于 空 房 间 太 多, 没 法 找 到 足 够 的 孤 独 者 来 填 满 一 层 楼, 那 么, 即 使 仅 仅 填 满 一 个 侧 翼 (wing), 电 子 们 也 表 示 满 意 所 有 的 这 一 切, 当 然 都 是 形 象 化 和 笼 统 的 说 法 实 际 情 况 要 复 杂 得 多, 比 如 每 一 层 楼 的 房 间 还 因 为 设 施 的 不 同 分 成 好 几 个 等 级 越 高 越 贵 也 不 是 一 个 普 遍 原 则, 比 如 六 楼 的 一 间 总 统 套 房 就 很 可 能 比 七 楼 的 普 通 间 贵 上 许 多 但 这 都 不 是 问 题, 关 键 在 于, 玻 尔 的 电 子 轨 道 模 型 非 常 有 说 服 力 地 解 释 了 原 子 的 性 质 和 行 为, 它 的 预 言 和 实 验 结 果 基 本 上 吻 合 得 丝 丝 入 扣 在 不 到 两 年 的 时 间 里, 玻 尔 理 论 便 取 得 了 辉 煌 的 胜 利, 全 世 界 的 物 理 学 家 们 都 开 始 接 受 玻 尔 模 型 甚 至 我 们 的 那 位 顽 固 派 拒 绝 承 认 量 子 实 际 意 义 的 普 朗 克 也 开 始 重 新 审 视 自 己 当 初 那 伟 大 的 发 现 玻 尔 理 论 的 成 就 是 巨 大 的, 而 且 非 常 地 深 入 人 心, 他 本 人 为 此 在 1922 年 获 得 了 诺 贝 尔 奖 金 但 是, 这 仍 然 不 能 解 决 它 和 旧 体 系 之 间 的 深 刻 矛 盾 麦 克 斯 韦 的 方 程 可 不 管 玻 尔 轨 道 的 成 功 与 否, 它 仍 然 还 是 要 说, 一 个 电 子 围 绕 着 原 子 核 运 动, 必 定 释 放 出 电 磁 辐 射 来 对 此 玻 尔 也 感 到 深 深 的 无 奈, 他 还 没 有 这 个 能 力 去 推 翻 整 个 经 典 电 磁 体 系, 用 一 句 流 行 的 话 来 说, 封 建 残 余 力 量 还 很 强 大 哪 作 为 妥 协, 玻 尔 转 头 试 图 将 他 的 原 子 体 系 和 麦 氏 理 论 调 和 起 来, 建 立 一 种 两 种 理 论 之 间 的 联 系 他 力 图 向 世 人 证 明, 两 种 体 系 都 是 正 确 的, 但 都 只 在 各 自 适 用 的 范 围 内 才 能 成 立 当 我 们 的 眼 光 从 原 子 范 围 逐 渐 扩 大 到 平 常 的 世 界 时, 量 子 效 应 便 逐 渐 消 失, 经 典 的 电 磁 论 得 以 再 次 取 代 h 常 数 成 为 世 界 的 主 宰 在 这 个 过 程 中, 无 论 何 时, 两 种 体 系 都 存 在 着 一 个 确 定 的 对 应 状 态 这 就 是 他 在 1918 年 发 表 的 所 谓 对 应 原 理 对 应 原 理 本 身 具 有 着 丰 富 的 含 义, 直 到 今 天 还 对 我 们 有 着 借 鉴 意 义 但 是 也 无 可 否 认, 这 种 与 经 典 体 系 暧 昧 不 清 的 关 系 是 玻 尔 理 论 的 一 个 致 命 的 先 天 不 足 他 引 导 的 是 一 场 不 彻 底 的 革 命, 虽 然 以 革 命 者 的 面 貌 出 现, 却 最 终 还 要 依 赖 于 传 统 势 力 的 支 持 玻 尔 的 量 子 还 只 能 靠 着 经 典 体 系 的 力 量 行 动, 它 的 自 我 意 识 仍 在 深 深 沉 睡 之 中 而 没 有 苏 醒 当 然, 尽 管 如 此, 它 的 成 就 已 经 令 世 人 惊 叹 不 已, 可 这 并 不 能 避 免 它 即 将 在 不 久 的 未 来, 拖 曳 着 长 长 的 尾 光 坠 落 到 地 平 线 的 另 一 边 去, 成 为 一 颗 一 闪 而 逝 的 流 星 当 然 了, 这 样 一 个 具 有 伟 大 意 义 的 理 论 居 然 享 寿 如 此 之 短, 这 只 说 明 一 件 事 : 科 学 在 那 段 日 子 里 的 前 进 步 伐 不 是 我 们 所 能 够 想 象 的 那 是 一 段 可 遇 不 可 求 的 岁 月, 理 论 物 理 的 黄 金 年 代 如 今 回 首, 只 有 皓 月 清 风, 伴 随 大 江 东 去 ********* 饭 后 闲 话 : 原 子 和 星 系

46 卢 瑟 福 的 模 型 一 出 世, 便 被 称 为 行 星 模 型 或 者 太 阳 系 模 型 这 当 然 是 一 种 形 象 化 的 叫 法, 但 不 可 否 认, 原 子 这 个 极 小 的 体 系 和 太 阳 系 这 个 极 大 的 体 系 之 间 居 然 的 确 存 在 着 许 多 相 似 之 处 两 者 都 有 一 个 核 心, 这 个 核 心 占 据 着 微 不 足 道 的 体 积 ( 相 对 整 个 体 系 来 说 ), 却 集 中 了 99% 以 上 的 质 量 和 角 动 量 人 们 不 禁 要 联 想, 难 道 原 子 本 身 是 一 个 小 宇 宙? 或 者, 我 们 的 宇 宙, 是 由 千 千 万 万 个 小 宇 宙 所 组 成 的, 而 它 反 过 来 又 和 千 千 万 万 个 别 的 宇 宙 组 成 更 大 的 宇 宙? 这 令 人 想 起 威 廉 布 莱 克 (William Blake) 那 首 著 名 的 小 诗 : To see a world in a grain of sand. * 从 一 粒 沙 看 见 世 界 And a heaven in a wild flower * 从 一 朵 花 知 道 天 宸 Hold infinity in the palm of your hand * 用 一 只 手 把 握 无 限 And eternity in an hour * 用 一 刹 那 留 住 永 恒 我 们 是 不 是 可 以 从 一 粒 沙 看 见 世 界 呢? 原 子 和 太 阳 系 的 类 比 不 能 给 我 们 太 多 的 启 迪, 因 为 行 星 之 间 的 实 际 距 离 相 对 电 子 来 说, 可 要 远 的 多 了 ( 当 然 是 从 比 例 上 讲 ) 但 是, 最 近 有 科 学 家 提 出, 宇 宙 的 确 在 不 同 的 尺 度 上, 有 着 惊 人 的 重 复 性 结 构 比 如 原 子 和 银 河 系 的 类 比, 原 子 和 中 子 星 的 类 比, 它 们 都 在 各 个 方 面 比 如 半 径 周 期 振 动 等 展 现 出 了 十 分 相 似 的 地 方 如 果 你 把 一 个 原 子 放 大 10^17 倍, 它 所 表 现 出 来 的 性 质 就 和 一 个 白 矮 星 差 不 多 如 果 放 大 10^30 倍, 据 信, 那 就 相 当 于 一 个 银 河 系 当 然, 相 当 于 并 不 是 说 完 全 等 于, 我 的 意 思 是, 如 果 原 子 体 系 放 大 10^30 倍, 它 的 各 种 力 学 和 结 构 常 数 就 非 常 接 近 于 我 们 观 测 到 的 银 河 系 还 有 人 提 出, 原 子 应 该 在 高 能 情 况 下 类 比 于 同 样 在 高 能 情 况 下 的 太 阳 系 也 就 是 说, 原 子 必 须 处 在 非 常 高 的 激 发 态 下 ( 大 约 主 量 子 数 达 到 几 百 ), 那 时, 它 的 各 种 结 构 就 相 当 接 近 我 们 的 太 阳 系 这 种 观 点, 即 宇 宙 在 各 个 层 次 上 展 现 出 相 似 的 结 构, 被 称 为 分 形 宇 宙 (Fractal Universe) 模 型 在 它 看 来, 哪 怕 是 一 个 原 子, 也 包 含 了 整 个 宇 宙 的 某 些 信 息, 是 一 个 宇 宙 的 全 息 胚 所 谓 的 分 形, 是 混 沌 动 力 学 里 研 究 的 一 个 饶 有 兴 味 的 课 题, 它 给 我 们 展 现 了 复 杂 结 构 是 如 何 在 不 同 的 层 面 上 一 再 重 复 宇 宙 的 演 化, 是 否 也 遵 从 某 种 混 沌 动 力 学 原 则, 如 今 还 不 得 而 知, 所 谓 的 分 形 宇 宙 也 只 是 一 家 之 言 罢 了 这 里 当 作 趣 味 故 事, 博 大 家 一 笑 而 已 二 曾 几 何 时, 玻 尔 理 论 的 兴 起 为 整 个 阴 暗 的 物 理 天 空 带 来 了 绚 丽 的 光 辉, 让 人 们 以 为 看 见 了 极 乐 世 界 的 美 景 不 幸 地 是, 这 一 虚 假 的 泡 沫 式 繁 荣 没 能 持 续 太 多 的 时 候 旧 的 物 理 世 界 固 然 已 经 在 种 种 冲 击 下 变 得 疮 痍 满 目, 玻 尔 原 子 模 型 那 宏 伟 的 宫 殿 也 没 能 抵 挡 住 更 猛 烈 的 革 命 冲 击, 在 混 乱 中 被 付 之 一 炬, 只 留 下 些 断 瓦 残 垣, 到 今 日 供 我 们 凭 吊 最 初 的 暴 雨 已 经 过 去, 大 地 一 片 苍 凉, 天 空 中 仍 然 浓 云 密 布 残 阳 似 血, 在 天 际 投 射 出 余 辉, 把 这 废 墟 染 成 金 红 一 片, 衬 托 出 一 种 更 为 沉 重 的 气 氛, 预 示 着 更 大 的 一 场 风 暴 的 来 临 玻 尔 王 朝 的 衰 败 似 乎 在 它 诞 生 的 那 一 天 就 注 定 了 这 个 理 论, 虽 然 借 用 了 新 生 量 子 的 无 穷 力 量, 它 的 基 础 却 仍 然 建 立 在 脆 弱 的 旧 地 基 上 量 子 化 的 思 想, 在 玻 尔 理 论 里 只 是 一 支 雇 佣 军, 它 更 像 是 被 强 迫 附 加 上 去 的, 而 不 是 整 个 理 论 的 出 发 点 和 基 础 比 如, 玻 尔 假 设, 电 子 只 能 具 有 量 子 化 的 能 级 和 轨 道, 但 为 什 么 呢? 为 什 么 电 子 必 须 是 量 子 化 的? 它 的 理 论 基 础 是 什 么 呢? 玻 尔 在 这 上 面 语 焉 不 详, 顾 左 右 而 言 他 当 然, 苛 刻 的 经 验 主 义 者 会 争 辩 说, 电 子 之 所

47 以 是 量 子 化 的, 因 为 实 验 观 测 到 它 们 就 是 量 子 化 的, 不 需 要 任 何 其 他 的 理 由 但 无 论 如 何, 如 果 一 个 理 论 的 基 本 公 设 令 人 觉 得 不 太 安 稳, 这 个 理 论 的 前 景 也 就 不 那 么 乐 观 了 在 对 待 玻 尔 量 子 假 设 的 态 度 上, 科 学 家 无 疑 地 联 想 起 了 欧 几 里 德 的 第 五 公 设 ( 这 个 公 理 说, 过 线 外 一 点 只 能 有 一 条 直 线 与 已 知 直 线 平 行 人 们 后 来 证 明 这 个 公 理 并 不 是 十 分 可 靠 的 ) 无 疑, 它 最 好 能 够 从 一 些 更 为 基 本 的 公 理 所 导 出, 这 些 更 基 本 的 公 理, 应 该 成 为 整 个 理 论 的 奠 基 石, 而 不 仅 仅 是 华 丽 的 装 饰 后 来 的 历 史 学 家 们 在 评 论 玻 尔 的 理 论 时, 总 是 会 用 到 半 经 典 半 量 子, 或 者 旧 瓶 装 新 酒 之 类 的 词 语 它 就 像 一 位 变 脸 大 师, 当 电 子 围 绕 着 单 一 轨 道 运 转 时, 它 表 现 出 经 典 力 学 的 面 孔, 一 旦 发 生 轨 道 变 化, 立 即 又 转 为 量 子 化 的 样 子 虽 然 有 着 技 巧 高 超 的 对 应 原 理 的 支 持, 这 种 两 面 派 做 法 也 还 是 为 人 所 质 疑 不 过, 这 些 问 题 还 都 不 是 关 键, 关 键 是, 玻 尔 大 军 在 取 得 一 连 串 重 大 胜 利 后, 终 于 发 现 自 己 已 经 到 了 强 弩 之 末, 有 一 些 坚 固 的 堡 垒, 无 论 如 何 是 攻 不 下 来 的 了 比 如 我 们 都 已 经 知 道 的 原 子 谱 线 分 裂 的 问 题, 虽 然 在 索 末 菲 等 人 的 努 力 下, 玻 尔 模 型 解 释 了 磁 场 下 的 塞 曼 效 应 和 电 场 下 的 斯 塔 克 效 应 但 是, 大 自 然 总 是 有 无 穷 的 变 化 令 人 头 痛 科 学 家 们 不 久 就 发 现 了 谱 线 在 弱 磁 场 下 的 一 种 复 杂 分 裂, 称 作 反 常 塞 曼 效 应 这 种 现 象 要 求 引 进 值 为 1/2 的 量 子 数, 玻 尔 的 理 论 对 之 无 可 奈 何, 一 声 叹 息 这 个 难 题 困 扰 着 许 多 的 科 学 家, 简 直 令 他 们 寝 食 难 安 据 说, 泡 利 在 访 问 玻 尔 家 时, 就 曾 经 对 玻 尔 夫 人 的 问 好 回 以 暴 躁 的 抱 怨 : 我 当 然 不 好! 我 不 能 理 解 反 常 塞 曼 效 应! 这 个 问 题, 一 直 要 到 泡 利 提 出 他 的 不 相 容 原 理 后, 才 算 最 终 解 决 另 外 玻 尔 理 论 沮 丧 地 发 现, 自 己 的 力 量 仅 限 于 只 有 一 个 电 子 的 原 子 模 型 对 于 氢 原 子, 氘 原 子, 或 者 电 离 的 氦 原 子 来 说, 它 给 出 的 说 法 是 令 人 信 服 的 但 对 于 哪 怕 只 有 两 个 核 外 电 子 的 普 通 氦 原 子, 它 就 表 现 得 无 能 为 力 甚 至 对 于 一 个 电 子 的 原 子 来 说, 玻 尔 能 够 说 清 的, 也 只 不 过 是 谱 线 的 频 率 罢 了, 至 于 谱 线 的 强 度 宽 度 或 者 偏 振 问 题, 玻 尔 还 是 只 能 耸 耸 肩, 以 他 那 大 舌 头 的 口 音 说 声 抱 歉 在 氢 分 子 的 战 场 上, 玻 尔 理 论 同 样 战 败 为 了 解 决 所 有 的 这 些 困 难, 玻 尔 兰 德 (Lande) 泡 利 克 莱 默 (Kramers) 等 人 做 了 大 量 的 努 力, 引 进 了 一 个 又 一 个 新 的 假 定, 建 立 了 一 个 又 一 个 新 的 模 型, 有 些 甚 至 违 反 了 玻 尔 和 索 末 菲 的 理 论 本 身 到 了 1923 年, 惨 淡 经 营 的 玻 尔 理 论 虽 然 勉 强 还 算 能 解 决 问 题, 并 获 得 了 人 们 的 普 遍 认 同, 它 已 经 像 一 件 打 满 了 补 丁 的 袍 子, 需 要 从 根 本 上 予 以 一 次 彻 底 变 革 了 哥 廷 根 的 那 帮 充 满 朝 气 的 年 轻 人 开 始 拒 绝 这 个 补 丁 累 累 的 系 统, 希 望 重 新 寻 求 一 个 更 强 大 完 美 的 理 论, 从 而 把 量 子 的 思 想 从 本 质 上 植 根 到 物 理 学 里 面 去, 以 结 束 像 现 在 这 样 苟 且 的 寄 居 生 活 玻 尔 体 系 的 衰 落 和 它 的 兴 盛 一 样 迅 猛 越 来 越 多 的 人 开 始 关 注 原 子 世 界, 并 做 出 了 更 多 的 实 验 观 测 每 一 天, 人 们 都 可 以 拿 到 新 的 资 料, 刺 激 他 们 的 热 情, 去 揭 开 这 个 神 秘 王 国 的 面 貌 在 哥 本 哈 根 和 哥 廷 根, 物 理 天 才 们 兴 致 勃 勃 地 谈 论 着 原 子 核 电 子 和 量 子, 一 页 页 写 满 了 公 式 和 字 母 的 手 稿 承 载 着 灵 感 和 创 意, 交 织 成 一 个 大 时 代 到 来 的 序 幕 青 山 遮 不 住, 毕 竟 东 流 去 时 代 的 步 伐 迈 得 如 此 之 快, 使 得 脚 步 蹒 跚 的 玻 尔 原 子 终 于 力 不 从 心, 从 历 史 舞 台 中 退 出, 消 失 在 漫 漫 黄 尘 中, 只 留 下 一 个 名 字 让 我 们 时 时 回 味

48 如 果 把 1925 年 年 间 海 森 堡 (Werner Heisenberg) 和 薛 定 谔 (Erwin Schrodinger) 的 开 创 性 工 作 视 为 玻 尔 体 系 的 寿 终 正 寝 的 话, 这 个 理 论 总 共 大 约 兴 盛 了 13 年 它 让 人 们 看 到 了 量 子 在 物 理 世 界 里 的 伟 大 意 义, 并 第 一 次 利 用 它 的 力 量 去 揭 开 原 子 内 部 的 神 秘 面 纱 然 而, 正 如 我 们 已 经 看 到 的 那 样, 玻 尔 的 革 命 是 一 次 不 彻 底 的 革 命, 量 子 的 假 设 没 有 在 他 的 体 系 里 得 到 根 本 的 地 位, 而 似 乎 只 是 一 个 调 和 经 典 理 论 和 现 实 矛 盾 的 附 庸 玻 尔 理 论 没 法 解 释, 为 什 么 电 子 有 着 离 散 的 能 级 和 量 子 化 的 行 为, 它 只 知 其 然, 而 不 知 其 所 以 然 玻 尔 在 量 子 论 和 经 典 理 论 之 间 采 取 了 折 衷 主 义 的 路 线, 这 使 得 他 的 原 子 总 是 带 着 一 种 半 新 不 旧 的 色 彩, 最 终 因 为 无 法 克 服 的 困 难 而 崩 溃 玻 尔 的 有 轨 原 子 像 一 颗 耀 眼 的 火 流 星, 放 射 出 那 样 强 烈 的 光 芒, 却 在 转 眼 间 划 过 夜 空, 复 又 坠 落 到 黑 暗 和 混 沌 中 去 它 是 那 样 地 来 去 匆 匆, 以 致 人 们 都 还 来 不 及 在 衣 带 上 打 一 个 结, 许 一 些 美 丽 的 愿 望 但 是, 它 的 伟 大 意 义 却 不 因 为 其 短 暂 的 生 命 而 有 任 何 的 褪 色 是 它 挖 掘 出 了 量 子 的 力 量, 为 未 来 的 开 拓 者 铺 平 了 道 路 是 它 承 前 启 后, 有 力 地 推 动 了 整 个 物 理 学 的 脚 步 玻 尔 模 型 至 今 仍 然 是 相 当 好 的 近 似, 它 的 一 些 思 想 仍 然 为 今 人 所 借 鉴 和 学 习 它 描 绘 的 原 子 图 景 虽 然 过 时, 但 却 是 如 此 形 象 而 生 动, 直 到 今 天 仍 然 是 大 众 心 中 的 标 准 样 式, 甚 至 代 表 了 科 学 的 形 象 比 如 我 们 应 该 能 够 回 忆, 直 到 80 年 代 末, 在 中 国 的 大 街 上 还 是 随 处 可 见 那 个 代 表 了 科 学 的 图 形 : 三 个 电 子 沿 着 椭 圆 轨 道 围 绕 着 原 子 核 运 行 这 个 图 案 到 了 90 年 代 终 于 消 失 了, 想 来 总 算 有 人 意 识 到 了 问 题 在 玻 尔 体 系 内 部, 也 已 经 蕴 藏 了 随 机 性 和 确 定 性 的 矛 盾 就 玻 尔 理 论 而 言, 如 何 判 断 一 个 电 子 在 何 时 何 地 发 生 自 动 跃 迁 是 不 可 能 的, 它 更 像 是 一 个 随 机 的 过 程 1919 年, 应 普 朗 克 的 邀 请, 玻 尔 访 问 了 战 后 的 柏 林 在 那 里, 普 朗 克 和 爱 因 斯 坦 热 情 地 接 待 了 他, 量 子 力 学 的 三 大 巨 头 就 几 个 物 理 问 题 展 开 了 讨 论 玻 尔 认 为, 电 子 在 轨 道 间 的 跃 迁 似 乎 是 不 可 预 测 的, 是 一 个 自 发 的 随 机 过 程, 至 少 从 理 论 上 说 没 办 法 算 出 一 个 电 子 具 体 的 跃 迁 条 件 爱 因 斯 坦 大 摇 其 头, 认 为 任 何 物 理 过 程 都 是 确 定 和 可 预 测 的 这 已 经 埋 下 了 两 人 日 后 那 场 旷 日 持 久 争 论 的 种 子 当 然, 我 们 可 敬 的 尼 尔 斯 玻 尔 先 生 也 不 会 因 为 旧 量 子 论 的 垮 台 而 退 出 物 理 舞 台 正 相 反, 关 于 他 的 精 彩 故 事 才 刚 刚 开 始 他 还 要 在 物 理 的 第 一 线 战 斗 很 长 时 间, 直 到 逝 世 为 止 1921 年 9 月, 玻 尔 在 哥 本 哈 根 的 研 究 所 终 于 落 成,36 岁 的 玻 尔 成 为 了 这 个 所 的 所 长 他 的 人 格 魅 力 很 快 就 像 磁 场 一 样 吸 引 了 各 地 的 才 华 横 溢 的 年 轻 人, 并 很 快 把 这 里 变 成 了 全 欧 洲 的 一 个 学 术 中 心 赫 维 西 (Georg von Hevesy) 弗 里 西 (Otto Frisch) 泡 利 海 森 堡 莫 特 (Nevill Mott) 朗 道 (Lev D.Landau) 盖 莫 夫 (George Gamov) 人 们 向 这 里 涌 来, 充 分 地 感 受 这 里 的 自 由 气 氛 和 玻 尔 的 关 怀, 并 形 成 一 种 富 有 激 情 活 力 乐 观 态 度 和 进 取 心 的 学 术 精 神, 也 就 是 后 人 所 称 道 的 哥 本 哈 根 精 神 在 弹 丸 小 国 丹 麦, 出 现 了 一 个 物 理 学 界 眼 中 的 圣 地, 这 个 地 方 将 深 远 地 影 响 量 子 力 学 的 未 来, 还 有 我 们 根 本 的 世 界 观 和 思 维 方 式 三 当 玻 尔 的 原 子 还 在 泥 潭 中 深 陷 苦 于 无 法 自 拔 的 时 候, 新 的 革 命 已 经 在 酝 酿 之 中 这 一 次, 革 命 者 并 非 来 自 穷 苦 的 无 产 阶 级 大 众, 而 是 出 自 一 个 显 赫 的 贵 族 家 庭 路 易 斯 维 克 托 皮 雷 雷 蒙 德 布 罗 意 王 子 (Prince Louis Victor Pierre Raymond de Broglie) 将 为 他 那 荣 耀 的 家 族 历 史 增 添 一 份 新 的 光 辉

49 王 子 (Prince, 也 有 翻 译 为 公 子 的 ) 这 个 爵 位 并 非 我 们 通 常 所 理 解 的, 是 国 王 的 儿 子 事 实 上 在 爵 位 表 里, 它 的 排 名 并 不 算 高, 而 且 似 乎 不 见 于 英 语 世 界 大 致 说 来, 它 的 地 位 要 比 子 爵 (Viscount) 略 低, 而 比 男 爵 (Baron) 略 高 不 过 这 只 是 因 为 路 易 斯 在 家 中 并 非 老 大 而 已, 德 布 罗 意 家 族 的 历 史 悠 久, 他 的 祖 先 中 出 了 许 许 多 多 的 将 军 元 帅 部 长, 曾 经 忠 诚 地 在 路 易 十 四 路 易 十 五 路 易 十 六 的 麾 下 效 劳 他 们 参 加 过 波 兰 王 位 继 承 战 争 ( ) 奥 地 利 王 位 继 承 战 争 ( ) 七 年 战 争 ( ) 美 国 独 立 战 争 ( ) 法 国 大 革 命 (1789) 二 月 革 命 (1848), 接 受 过 弗 兰 西 斯 二 世 (Francis II, 神 圣 罗 马 帝 国 皇 帝, 后 来 退 位 成 为 奥 地 利 皇 帝 弗 兰 西 斯 一 世 ) 以 及 路 易 腓 力 (Louis Philippe, 法 国 国 王, 史 称 奥 尔 良 公 爵 ) 的 册 封, 家 族 继 承 着 最 高 世 袭 身 份 的 头 衔 : 公 爵 ( 法 文 Duc, 相 当 于 英 语 的 Duke) 路 易 斯 德 布 罗 意 的 哥 哥, 莫 里 斯 德 布 罗 意 (Maurice de Broglie) 便 是 第 六 代 德 布 罗 意 公 爵 1960 年, 当 莫 里 斯 去 世 以 后, 路 易 斯 终 于 从 他 哥 哥 那 里 继 承 了 这 个 光 荣 称 号, 成 为 第 七 位 duc de Broglie 当 然, 在 那 之 前, 路 易 斯 还 是 顶 着 王 子 的 爵 号 小 路 易 斯 对 历 史 学 表 现 出 浓 厚 的 兴 趣, 他 的 祖 父,Jacques Victor Albert, duc de Broglie, 不 但 是 一 位 政 治 家, 曾 于 年 间 当 过 法 国 总 理, 同 时 也 是 一 位 出 色 的 历 史 学 家, 尤 其 精 于 晚 罗 马 史, 写 出 过 著 作 罗 马 教 廷 史 (Histoire de l'église et de l'empire romain) 小 路 易 斯 在 祖 父 的 熏 陶 下, 决 定 进 入 巴 黎 大 学 攻 读 历 史 18 岁 那 年 (1910), 他 从 大 学 毕 业, 然 而 却 没 有 在 历 史 学 领 域 进 行 更 多 的 研 究, 因 为 他 的 兴 趣 已 经 强 烈 地 转 向 物 理 方 面 他 的 哥 哥, 莫 里 斯 德 布 罗 意 ( 第 六 代 德 布 罗 意 公 爵 ) 是 一 位 著 名 的 射 线 物 理 学 家, 路 易 斯 跟 随 哥 哥 参 加 了 1911 年 的 布 鲁 塞 尔 物 理 会 议, 他 对 科 学 的 热 情 被 完 全 地 激 发 出 来, 并 立 志 把 一 生 奉 献 给 这 一 令 人 激 动 的 事 业 转 投 物 理 后 不 久, 第 一 次 世 界 大 战 爆 发 了 德 布 罗 意 应 征 入 伍, 被 分 派 了 一 个 无 线 电 技 术 人 员 的 工 作 他 比 可 怜 的 亨 利 莫 斯 里 要 幸 运 许 多, 能 够 在 大 战 之 后 毫 发 无 伤, 继 续 进 入 大 学 学 他 的 物 理 他 的 博 士 导 师 是 著 名 的 保 罗 朗 之 万 (Paul Langevin) 写 到 这 里 笔 者 需 要 稍 停 一 下 做 一 点 声 明 我 们 的 史 话 讲 述 到 现 在, 虽 然 已 经 回 顾 了 一 些 令 人 激 动 的 革 命 和 让 人 大 开 眼 界 的 新 思 想 ( 至 少 笔 者 希 望 如 此 ), 但 总 的 来 说, 仍 然 是 在 经 典 世 界 的 领 域 里 徘 徊 而 且 根 据 本 人 的 印 象, 至 今 为 止, 我 们 的 话 题 大 体 还 没 有 超 出 中 学 物 理 课 本 和 高 考 的 范 围 对 于 普 通 的 读 者 来 说, 唯 一 稍 感 陌 生 的, 可 能 只 是 量 子 的 跳 跃 思 想 而 接 受 这 一 思 想, 也 并 不 是 一 件 十 分 困 难 和 不 情 愿 的 事 情 然 而 在 这 之 后, 我 们 将 进 入 一 个 完 完 全 全 的 奇 幻 世 界 这 个 世 界 光 怪 陆 离, 和 我 们 平 常 所 感 知 认 同 的 那 个 迥 然 不 同 在 这 个 新 世 界 里, 所 有 的 图 象 和 概 念 都 显 得 疯 狂 而 不 理 性, 显 得 更 像 是 爱 丽 丝 梦 中 的 奇 境, 而 不 是 踏 踏 实 实 的 土 地 许 多 名 词 是 如 此 古 怪, 以 致 只 有 借 助 数 学 工 具 才 能 把 握 它 们 的 真 实 意 义 当 然, 笔 者 将 一 如 既 往 地 试 图 用 最 浅 白 的 语 言 将 它 们 表 述 出 来, 但 是 仍 然 有 必 要 提 醒 各 位 做 好 心 理 准 备 为 了 表 述 的 方 便, 我 将 尽 量 地 把 一 件 事 情 陈 述 完 全, 然 后 再 转 换 话 题 虽 然 在 历 史 上, 所 有 的 这 一 切 都 是 铺 天 盖 地 而 来, 它 们 混 杂 在 一 起, 澎 湃 汹 涌, 让 人 分 不 出 个 头 绪 在 后 面 的 叙 述 中, 我 们 可 能 时 时 要 在 各 个 年 份 间 跳 来 跳 去, 那 些 希 望 把 握 时 间 感 的 读 者 们 应 该 注 意 确 切 的 年 代 我 们 已 经 站 在 一 个 伟 大 时 刻 的 前 沿 新 的 量 子 力 学 很 快 就 要 被 创 建 出 来, 这 一 次, 它 的 力 量 完 完 全 全 地 被 施 展 开 来, 以 致 把 一 切 旧 事 物, 包 括 玻 尔 那 个 半 新 不 旧 的 体 系, 都 摧 枯 拉 朽 般

50 地 毁 灭 殆 尽 它 很 快 就 要 为 我 们 揭 开 一 个 新 世 界 的 大 幕, 这 个 新 世 界, 哪 怕 是 稍 微 往 里 面 瞥 上 一 眼, 也 足 够 让 人 头 晕 目 眩, 心 驰 神 摇 但 是, 既 然 我 们 已 经 站 在 这 里, 那 就 只 有 义 无 返 顾 地 前 进 了 所 以 跟 着 我 来 吧, 无 数 激 动 人 心 的 事 物 正 在 前 面 等 着 我 们 我 们 的 话 题 回 到 德 布 罗 意 身 上 他 一 直 在 思 考 一 个 问 题, 就 是 如 何 能 够 在 玻 尔 的 原 子 模 型 里 面 自 然 地 引 进 一 个 周 期 的 概 念, 以 符 合 观 测 到 的 现 实 原 本, 这 个 条 件 是 强 加 在 电 子 上 面 的 量 子 化 模 式, 电 子 在 玻 尔 的 硬 性 规 定 下, 虽 然 乖 乖 听 话, 总 有 点 不 那 么 心 甘 情 愿 的 感 觉 德 布 罗 意 想, 是 时 候 把 电 子 解 放 出 来, 让 它 们 自 己 做 主 了 如 何 赋 予 电 子 一 个 基 本 的 性 质, 让 它 们 自 觉 地 表 现 出 种 种 周 期 和 量 子 化 现 象 呢? 德 布 罗 意 想 到 了 爱 因 斯 坦 和 他 的 相 对 论 他 开 始 这 样 地 推 论 : 根 据 爱 因 斯 坦 那 著 名 的 方 程, 如 果 电 子 有 质 量 m, 那 么 它 一 定 有 一 个 内 禀 的 能 量 E = mc^2 好, 让 我 们 再 次 回 忆 那 个 我 说 过 很 有 用 的 量 子 基 本 方 程,E = hν, 也 就 是 说, 对 应 这 个 能 量, 电 子 一 定 会 具 有 一 个 内 禀 的 频 率 这 个 频 率 的 计 算 很 简 单, 因 为 mc^2 = E = hν, 所 以 ν = mc^2/h 好 电 子 有 一 个 内 在 频 率 那 么 频 率 是 什 么 呢? 它 是 某 种 振 动 的 周 期 那 么 我 们 又 得 出 结 论, 电 子 内 部 有 某 些 东 西 在 振 动 是 什 么 东 西 在 振 动 呢? 德 布 罗 意 借 助 相 对 论, 开 始 了 他 的 运 算, 结 果 发 现 当 电 子 以 速 度 v0 前 进 时, 必 定 伴 随 着 一 个 速 度 为 c^2/v0 的 波 噢, 你 没 有 听 错 电 子 在 前 进 时, 总 是 伴 随 着 一 个 波 细 心 的 读 者 可 能 要 发 出 疑 问, 因 为 他 们 发 现 这 个 波 的 速 度 c^2/v0 将 比 光 速 还 快 上 许 多, 但 是 这 不 是 一 个 问 题 德 布 罗 意 证 明, 这 种 波 不 能 携 带 实 际 的 能 量 和 信 息, 因 此 并 不 违 反 相 对 论 爱 因 斯 坦 只 是 说, 没 有 一 种 能 量 信 号 的 传 递 能 超 过 光 速, 对 德 布 罗 意 的 波, 他 是 睁 一 只 眼 闭 一 只 眼 的 德 布 罗 意 把 这 种 波 称 为 相 波 (phase wave), 后 人 为 了 纪 念 他, 也 称 其 为 德 布 罗 意 波 计 算 这 个 波 的 波 长 是 容 易 的, 就 简 单 地 把 上 面 得 出 的 速 度 除 以 它 的 频 率, 那 么 我 们 就 得 到 : λ= (c^2/v0 ) / ( mc^2/h) = h/mv0 这 个 叫 做 德 布 罗 意 波 长 公 式 但 是, 等 等, 我 们 似 乎 还 没 有 回 过 神 来 我 们 在 谈 论 一 个 波! 可 是 我 们 头 先 明 明 在 讨 论 电 子 的 问 题, 怎 么 突 然 从 电 子 里 冒 出 了 一 个 波 呢? 它 是 从 哪 里 出 来 的? 我 希 望 大 家 还 没 有 忘 记 我 们 可 怜 的 波 动 和 微 粒 两 支 军 队, 在 玻 尔 原 子 兴 盛 又 衰 败 的 时 候, 它 们 一 直 在 苦 苦 对 抗, 僵 持 不 下 1923 年, 德 布 罗 意 在 求 出 他 的 相 波 之 前, 正 好 是 康 普 顿 用 光 子 说 解 释 了 康 普 顿 效 应, 从 而 带 领 微 粒 大 举 反 攻 后 不 久 倒 霉 的 微 粒 不 得 不 因 此 放 弃 了 全 面 进 攻, 因 为 它 们 突 然 发 现, 在 电 子 这 个 大 后 方, 居 然 出 现 了 波 动 的 奸 细! 而 且 怎 么 赶 都 赶 不 走 电 子 居 然 是 一 个 波! 这 未 免 让 人 感 到 太 不 可 思 议 可 敬 的 普 朗 克 绅 士 在 这 些 前 卫 而 反 叛 的 年 轻 人 面 前, 只 能 摇 头 兴 叹, 连 话 都 说 不 出 来 了 假 如 说 当 时 全 世 界 只 有 一 个 人 支 持 德 布 罗 意 的 话, 他 就 是 爱 因 斯 坦 德 布 罗 意 的 导 师 朗 之 万 对 自 己 弟 子 的 大 胆 见 解 无 可 奈 何, 出 于 挽 救 失 足 青 年 的 良 好 愿 望, 他 把 论 文 交 给 爱 因 斯 坦 点 评 谁 料 爱 因 斯 坦 马 上 予 以 了 高 度 评 价, 称 德 布 罗 意 揭 开 了 大 幕 的 一 角 整 个 物 理 学 界 在 听 到 爱 因 斯 坦 的 评 论 后 大 吃 一 惊, 这 才 开 始 全 面 关 注 德 布 罗 意 的 工 作 证 据, 我 们 需 要 证 据 所 有 的 人 都 在 异 口 同 声 地 说 如 果 电 子 是 一 个 波, 那 么 就 让 我 们 看 到 它 是 一 个 波 的 样 子 把 它 的 衍 射 实 验 做 出 来 给 我 们 看, 把 干 涉 图 纹 放 在 我 们 的 眼 前 德 布 罗

51 意 有 礼 貌 地 回 敬 道 : 是 的, 先 生 们, 我 会 给 你 们 看 到 证 据 的 我 预 言, 电 子 在 通 过 一 个 小 孔 的 时 候, 会 像 光 波 那 样, 产 生 一 个 可 观 测 的 衍 射 现 象 1925 年 4 月, 在 美 国 纽 约 的 贝 尔 电 话 实 验 室, 戴 维 逊 (C.J.Davisson) 和 革 末 (L. H. Germer) 在 做 一 个 有 关 电 子 的 实 验 这 个 实 验 的 目 的 是 什 么 我 们 不 得 而 知, 但 它 牵 涉 到 用 一 束 电 子 流 轰 击 一 块 金 属 镍 (nickel) 实 验 要 求 金 属 的 表 面 绝 对 纯 净, 所 以 戴 维 逊 和 革 末 把 金 属 放 在 一 个 真 空 的 容 器 中, 以 确 保 没 有 杂 志 混 入 其 中 不 幸 的 是, 发 生 了 一 件 意 外 这 个 真 空 容 器 因 为 某 种 原 因 发 生 了 爆 炸, 空 气 一 拥 而 入, 迅 速 地 氧 化 了 镍 的 表 面 戴 维 逊 和 革 末 非 常 懊 丧, 不 过 他 们 并 不 因 此 放 弃 实 验, 他 们 决 定, 重 新 净 化 金 属 表 面, 把 实 验 从 头 来 过 当 时, 去 除 氧 化 层 的 好 办 法 就 是 对 金 属 进 行 高 热 加 温, 这 正 是 戴 维 逊 所 做 的 两 人 并 不 知 道, 正 如 雅 典 娜 暗 中 助 推 着 阿 尔 戈 英 雄 们 的 船 只, 幸 运 女 神 正 在 这 个 时 候 站 在 他 俩 的 身 后 容 器 里 的 金 属, 在 高 温 下 发 生 了 不 知 不 觉 的 变 化 : 原 本 它 是 由 许 许 多 多 块 小 晶 体 组 成 的, 而 在 加 热 之 后, 整 块 镍 融 合 成 了 一 块 大 晶 体 虽 然 在 表 面 看 来, 两 者 并 没 有 太 大 的 不 同, 但 是 内 部 的 剧 变 已 经 足 够 改 变 物 理 学 的 历 史 当 电 子 通 过 镍 块 后, 戴 维 逊 和 革 末 瞠 目 结 舌, 久 久 说 不 出 话 来 他 们 看 到 了 再 熟 悉 不 过 的 景 象 :X 射 线 衍 射 图 案! 可 是 并 没 有 X 射 线, 只 有 电 子, 人 们 终 于 发 现, 在 某 种 情 况 下, 电 子 表 现 出 如 X 射 线 般 的 纯 粹 波 动 性 质 来 电 子, 无 疑 地 是 一 种 波 更 多 的 证 据 接 踵 而 来 1927 年,G.P. 汤 姆 逊, 著 名 的 J.J 汤 姆 逊 的 儿 子, 在 剑 桥 通 过 实 验 进 一 步 证 明 了 电 子 的 波 动 性 他 利 用 实 验 数 据 算 出 的 电 子 行 为, 和 德 布 罗 意 所 预 言 的 吻 合 得 天 衣 无 缝 命 中 注 定, 戴 维 逊 和 汤 姆 逊 将 分 享 1937 年 的 诺 贝 尔 奖 金, 而 德 布 罗 意 将 先 于 他 们 8 年 获 得 这 一 荣 誉 有 意 思 的 是,GP 汤 姆 逊 的 父 亲,JJ 汤 姆 逊 因 为 发 现 了 电 子 这 一 粒 子 而 获 得 诺 贝 尔 奖, 他 却 因 为 证 明 电 子 是 波 而 获 得 同 样 的 荣 誉 历 史 有 时 候, 实 在 富 有 太 多 的 趣 味 性 ********* 饭 后 闲 话 : 父 子 诺 贝 尔 俗 话 说, 将 门 无 犬 子, 大 科 学 家 的 后 代 往 往 也 会 取 得 不 亚 于 前 辈 的 骄 人 成 绩 JJ 汤 姆 逊 的 儿 子 GP 汤 姆 逊 推 翻 了 老 爸 电 子 是 粒 子 的 观 点, 证 明 电 子 的 波 动 性, 同 样 获 得 诺 贝 尔 奖 这 样 的 世 袭 科 学 豪 门, 似 乎 还 不 是 绝 无 仅 有 居 里 夫 人 和 她 的 丈 夫 皮 埃 尔 居 里 于 1903 年 分 享 诺 贝 尔 奖 ( 居 里 夫 人 在 1911 年 又 得 了 一 个 化 学 奖 ) 他 们 的 女 儿 约 里 奥 居 里 (Irene Joliot-Curie) 也 在 1935 年 和 她 丈 夫 一 起 分 享 了 诺 贝 尔 化 学 奖 居 里 夫 人 的 另 一 个 女 婿, 美 国 外 交 家 Henry R. Labouisse, 在 1965 年 代 表 联 合 国 儿 童 基 金 会 (UNICEF) 获 得 了 诺 贝 尔 和 平 奖 1915 年,William Henry Bragg 和 William Lawrence Bragg 父 子 因 为 利 用 X 射 线 对 晶 体 结 构 做 出 了 突 出 贡 献, 分 享 了 诺 贝 尔 物 理 奖 金

52 我 们 大 名 鼎 鼎 的 尼 尔 斯 玻 尔 获 得 了 1922 年 的 诺 贝 尔 物 理 奖 他 的 小 儿 子, 埃 格 玻 尔 (Aage Bohr) 于 1975 年 在 同 样 的 领 域 获 奖 卡 尔 塞 班 (Karl Siegbahn) 和 凯 伊 塞 班 (Kai Siegbahn) 父 子 分 别 于 1924 和 1981 年 获 得 诺 贝 尔 物 理 奖 假 如 俺 的 老 爸 是 大 科 学 家, 俺 又 会 怎 样 呢? 不 过 恐 怕 还 是 如 现 在 这 般 浪 荡 江 湖, 寻 求 无 拘 无 束 的 生 活 吧, 呵 呵 四 电 子 居 然 是 个 波! 这 个 爆 炸 性 新 闻 很 快 就 传 遍 了 波 动 和 微 粒 双 方 各 自 的 阵 营 刚 刚 还 在 康 普 顿 战 役 中 焦 头 烂 额 的 波 动 一 方 这 下 扬 眉 吐 气, 终 于 可 以 狠 狠 地 嘲 笑 一 下 死 对 头 微 粒 波 动 日 报 发 表 社 论, 宣 称 自 己 取 得 了 决 定 性 的 胜 利 微 粒 的 反 叛 势 力 终 将 遭 遇 到 他 们 应 有 的 可 耻 结 局 电 子 的 下 场 就 是 明 证 光 子 的 反 击, 在 波 动 的 眼 中 突 然 变 得 不 值 一 提 了, 连 电 子 这 个 老 大 哥 都 搞 定 了, 还 怕 小 小 的 光 子? 不 过 这 次, 波 动 的 乐 观 态 度 未 免 太 一 厢 情 愿, 它 高 兴 得 过 早 了 微 粒 方 面 的 宣 传 舆 论 工 具 也 没 闲 着, 微 粒 新 闻 的 记 者 采 访 了 德 布 罗 意, 结 果 德 布 罗 意 说, 当 今 的 辐 射 物 理 被 分 成 粒 子 和 波 两 种 观 点, 这 两 种 观 点 应 当 以 某 种 方 式 统 一, 而 不 是 始 终 地 尖 锐 对 立 这 不 利 于 理 论 的 发 展 前 景 对 于 微 粒 来 说, 讲 和 的 提 议 自 然 是 无 法 接 受 的, 但 至 少 让 它 高 兴 的 是, 德 布 罗 意 没 有 明 确 地 偏 向 波 动 一 方 微 粒 的 技 术 人 员 也 随 即 展 开 反 击, 光 究 竟 是 粒 子 还 是 波 都 还 没 说 清, 谁 敢 那 样 大 胆 地 断 言 电 子 是 个 波? 让 我 们 看 看 电 子 在 威 尔 逊 云 室 里 的 表 现 吧 威 尔 逊 云 室 是 英 国 科 学 家 威 尔 逊 (C.T.R.Wilson) 在 1911 年 发 明 的 一 种 仪 器 水 蒸 气 在 尘 埃 或 者 离 子 通 过 的 时 候, 会 以 它 们 为 中 心 凝 结 成 一 串 水 珠, 从 而 在 粒 子 通 过 之 处 形 成 一 条 清 晰 可 辨 的 轨 迹, 就 像 天 空 中 喷 气 式 飞 机 身 后 留 下 的 白 雾 利 用 威 尔 逊 云 室, 我 们 可 以 研 究 电 子 和 其 他 粒 子 碰 撞 的 情 况, 结 果 它 们 的 表 现 完 全 符 合 经 典 粒 子 的 规 律 在 过 去, 这 或 许 是 理 所 当 然 的 事 情, 但 现 在 对 于 粒 子 军 来 说, 这 个 证 据 是 宝 贵 的 威 尔 逊 因 为 发 明 云 室 在 1927 年 和 康 普 顿 分 享 了 诺 贝 尔 奖 金 如 果 说 1937 年 戴 维 逊 和 汤 姆 逊 的 获 奖 标 志 着 波 动 的 狂 欢, 那 10 年 的 这 次 诺 贝 尔 颁 奖 礼 无 疑 是 微 粒 方 面 的 一 次 盛 典 不 过 那 个 时 候, 战 局 已 经 出 乎 人 们 的 意 料, 有 了 微 妙 的 变 化 当 然 这 都 是 后 话 了 捕 捉 电 子 位 置 的 仪 器 也 早 就 有 了, 电 子 在 感 应 屏 上, 总 是 激 发 出 一 个 小 亮 点 Hey, 微 粒 的 将 军 们 说, 波 动 怎 么 解 释 这 个 呢? 哪 怕 是 电 子 组 成 衍 射 图 案, 它 还 是 一 个 一 个 亮 点 这 样 堆 积 起 来 的 如 果 电 子 是 波 的 话, 那 么 理 论 上 单 个 电 子 就 能 构 成 整 个 图 案, 只 不 过 非 常 黯 淡 而 已 可 是 情 况 显 然 不 是 这 样, 单 个 电 子 只 能 构 成 单 个 亮 点, 只 有 大 量 电 子 的 出 现, 才 逐 渐 显 示 出 衍 射 图 案 来 微 粒 的 还 击 且 不 去 说 他, 更 糟 糕 的 是, 无 论 微 粒 还 是 波 动, 都 没 能 在 德 布 罗 意 事 变 中 捞 到 实 质 性 的 好 处 波 动 的 嘲 笑 再 尖 刻, 它 还 是 对 光 电 效 应 康 普 顿 效 应 等 等 现 象 束 手 无 策, 而 微 粒 也 还 是 无 法 解 释 双 缝 干 涉 双 方 很 快 就 发 现, 战 线 还 是 那 条 战 线, 谁 都 没 能 前 进 一 步, 只 不 过 战 场 被 扩 大 了 而 已 电 子 现 在 也 被 拉 进 有 关 光 本 性 的 这 场 战 争, 这 使 得 战 争 全 面 地 被

53 升 级 现 在 的 问 题, 已 经 不 再 仅 仅 是 光 到 底 是 粒 子 还 是 波, 现 在 的 问 题, 是 电 子 到 底 是 粒 子 还 是 波, 你 和 我 到 底 是 粒 子 还 是 波, 这 整 个 物 质 世 界 到 底 是 粒 子 还 是 波 事 实 上, 波 动 这 次 对 电 子 的 攻 击 只 有 更 加 激 发 了 粒 子 们 的 同 仇 敌 忾 之 心 现 在, 光 子 电 子 α 粒 子 还 有 更 多 的 基 本 粒 子, 他 们 都 决 定 联 合 起 来, 为 了 大 粒 子 王 国 的 神 圣 保 卫 战 而 并 肩 奋 斗 这 场 波 粒 战 争, 已 经 远 远 超 出 了 光 的 范 围, 整 个 物 理 体 系 如 今 都 陷 于 这 个 争 论 中, 从 而 形 成 了 一 次 名 副 其 实 的 世 界 大 战 玻 尔 在 1924 年 曾 试 图 给 这 两 支 军 队 调 停, 他 和 克 莱 默 (Kramers) 还 有 斯 雷 特 (Slater) 发 表 了 一 个 理 论 ( 称 作 BSK 理 论 ), 尝 试 同 时 从 波 和 粒 子 的 角 度 去 解 释 能 量 转 换, 但 双 方 正 打 得 眼 红, 这 次 调 停 成 了 外 交 上 的 彻 底 失 败, 不 久 就 被 实 验 所 否 决 战 火 熊 熊, 燃 遍 物 理 学 的 每 一 寸 土 地, 同 时 也 把 它 的 未 来 炙 烤 得 焦 糊 不 清 物 理 学 已 经 走 到 了 一 个 十 字 路 口 它 迷 茫 而 又 困 惑, 不 知 道 前 途 何 去 何 从 昔 日 的 经 典 辉 煌 已 经 变 成 断 瓦 残 垣, 一 切 回 头 路 都 被 断 绝 如 今 的 天 空 浓 云 密 布, 不 见 阳 光, 在 大 地 上 投 下 一 片 阴 影 人 们 在 量 子 这 个 精 灵 的 带 领 下 一 路 走 来, 沿 途 如 行 山 阴 道 上, 精 彩 目 不 暇 接, 但 现 在 却 突 然 发 现 自 己 已 经 身 在 白 云 深 处, 彷 徨 而 不 知 归 路 放 眼 望 去, 到 处 是 雾 茫 茫 一 片, 不 辨 东 南 西 北, 叫 人 心 中 没 底 玻 尔 建 立 的 大 厦 虽 然 看 起 来 还 是 顶 天 立 地, 但 稍 微 了 解 一 点 内 情 的 工 程 师 们 都 知 道 它 已 经 几 经 裱 糊, 伤 筋 动 骨, 摇 摇 欲 坠, 只 是 仍 然 在 苦 苦 支 撑 而 已 更 何 况, 这 个 大 厦 还 凭 借 着 对 应 原 理 的 天 桥, 依 附 在 麦 克 斯 韦 的 旧 楼 上, 这 就 教 人 更 不 敢 对 它 的 前 途 抱 有 任 何 希 望 在 另 一 边, 微 粒 和 波 动 打 得 烽 火 连 天, 谁 也 奈 何 不 了 谁, 长 期 的 战 争 已 经 使 物 理 学 的 基 础 处 在 崩 溃 边 缘, 它 甚 至 不 知 道 自 己 是 建 立 在 什 么 东 西 之 上 不 过, 我 们 也 不 必 过 多 地 为 一 种 悲 观 情 绪 所 困 扰 在 大 时 代 的 黎 明 到 来 之 前, 总 是 要 经 历 这 样 的 深 深 的 黑 暗, 那 是 一 个 伟 大 理 论 诞 生 前 的 阵 痛 当 大 风 扬 起, 吹 散 一 切 岚 雾 的 时 候, 人 们 会 惊 喜 地 发 现, 原 来 他 们 已 经 站 在 高 高 的 山 峰 之 上, 极 目 望 去, 满 眼 风 光 那 个 带 领 我 们 穿 越 迷 雾 的 人, 后 来 回 忆 说 : 1924 到 1925 年, 我 们 在 原 子 物 理 方 面 虽 然 进 入 了 一 个 浓 云 密 布 的 领 域, 但 是 已 经 可 以 从 中 看 见 微 光, 并 展 望 出 一 个 令 人 激 动 的 远 景 说 这 话 的 是 一 个 来 自 德 国 的 年 轻 人, 他 就 是 维 尔 纳 海 森 堡 (Werner Heisenberg) 在 本 史 话 第 二 章 的 最 后, 我 们 已 经 知 道, 海 森 堡 于 1901 年 出 生 于 维 尔 兹 堡 (Würzburg), 他 的 父 亲 后 来 成 为 了 一 位 有 名 的 希 腊 文 教 授 小 海 森 堡 9 岁 那 年, 他 们 全 家 搬 到 了 慕 尼 黑, 他 的 祖 父 在 那 里 的 一 间 学 校 ( 叫 做 Maximilians Gymnasium 的 ) 当 校 长, 而 海 森 堡 也 自 然 进 了 这 间 学 校 学 习 虽 然 属 于 高 干 子 弟, 但 小 海 森 堡 显 然 不 用 凭 借 这 种 关 系 来 取 得 成 绩, 他 的 天 才 很 快 就 开 始 让 人 吃 惊, 特 别 是 数 学 和 物 理 方 面 的, 但 是 他 同 时 也 对 宗 教 文 学 和 哲 学 表 现 出 强 烈 兴 趣 这 样 的 多 才 多 艺 预 示 着 他 以 后 不 仅 仅 将 成 为 一 个 划 时 代 的 物 理 学 家, 同 时 也 将 成 为 一 为 重 要 的 哲 学 家 1919 年, 海 森 堡 参 予 了 镇 压 巴 伐 利 亚 苏 维 埃 共 和 国 的 军 事 行 动, 当 然 那 时 候 他 还 只 是 个 大 男 孩, 把 这 当 成 一 件 好 玩 的 事 情 而 已 对 他 来 说, 更 严 肃 的 是 在 大 学 里 选 择 一 条 怎 样 的 道 路 当 他 进 入 慕 尼 黑 大 学 后, 这 种 选 择 便 很 现 实 地 摆 在 他 面 前 : 是 跟 着 林 德 曼 (Ferdinand von Lindemann), 一 位 著 名 的 数 学 家 学 习 数 论 呢, 还 是 跟 着 索 末 非 学 习 物 理? 海 森 堡 终 于 选 择 了 后 者, 从 而 迈 出 了 一 个 科 学 巨 人 的 第 一 步

54 1922 年, 玻 尔 应 邀 到 哥 廷 根 进 行 学 术 访 问, 引 起 轰 动, 甚 至 后 来 被 称 为 哥 廷 根 的 玻 尔 节 海 森 堡 也 赶 到 哥 廷 根 去 听 玻 尔 的 演 讲, 才 三 年 级 的 他 竟 然 向 玻 尔 提 出 一 些 学 术 观 点 上 的 异 议, 使 得 玻 尔 对 他 刮 目 相 看 事 实 上, 玻 尔 此 行 最 大 的 收 获 可 能 就 是 遇 到 了 海 森 堡 和 泡 利, 两 个 天 才 无 限 的 年 轻 人 而 这 两 人 之 后 都 会 远 赴 哥 本 哈 根, 在 玻 尔 的 研 究 室 和 他 一 起 工 作 一 段 日 子 到 了 1925 年, 海 森 堡 他 现 在 是 博 士 了 已 经 充 分 成 长 为 一 个 既 朝 气 蓬 勃 又 不 乏 成 熟 的 物 理 学 家 他 在 慕 尼 黑 哥 廷 根 和 哥 本 哈 根 的 经 历 使 得 他 得 以 师 从 当 时 最 好 的 几 位 物 理 大 师 而 按 他 自 己 的 说 法, 他 从 索 末 非 那 里 学 到 了 乐 观 态 度, 在 哥 廷 根 从 波 恩, 弗 兰 克 还 有 希 尔 伯 特 那 里 学 到 了 数 学, 而 从 玻 尔 那 里, 他 学 到 了 物 理 ( 索 末 非 似 乎 很 没 有 面 子, 呵 呵 ) 现 在, 该 轮 到 海 森 堡 自 己 上 场 了 物 理 学 的 天 空 终 将 云 开 雾 散, 露 出 璀 璨 的 星 光 让 我 们 目 眩 神 迷 在 那 其 中 有 几 颗 特 别 明 亮 的 星 星, 它 们 的 光 辉 照 亮 了 整 个 夜 空, 组 成 了 最 华 丽 的 星 座 不 用 费 力 分 辩, 你 应 该 能 认 出 其 中 的 一 颗, 它 就 叫 维 尔 纳 海 森 堡 作 为 量 子 力 学 的 奠 基 人 之 一, 这 个 名 字 将 永 远 镌 刻 在 时 空 和 历 史 中 ********* 饭 后 闲 话 : 被 误 解 的 名 言 这 个 闲 话 和 今 天 的 正 文 无 关, 不 过 既 然 这 几 日 讨 论 牛 顿, 不 妨 多 披 露 一 些 关 于 牛 顿 的 历 史 事 实 牛 顿 最 为 人 熟 知 的 一 句 名 言 是 这 样 说 的 : 如 果 我 看 得 更 远 的 话, 那 是 因 为 我 站 在 巨 人 的 肩 膀 上 (If I have seen further it is by standing on ye shoulders of Giants) 这 句 话 通 常 被 用 来 赞 叹 牛 顿 的 谦 逊, 但 是 从 历 史 上 来 看, 这 句 话 本 身 似 乎 没 有 任 何 可 以 理 解 为 谦 逊 的 理 由 首 先 这 句 话 不 是 原 创 早 在 12 世 纪, 伯 纳 德 (Bernard of Chartres, 他 是 中 世 纪 的 哲 学 家, 著 名 的 法 国 沙 特 尔 学 校 的 校 长 ) 就 说 过 : Nos esse quasi nanos gigantium humeris insidientes 这 句 拉 丁 文 的 意 思 就 是 说, 我 们 都 像 坐 在 巨 人 肩 膀 上 的 矮 子 这 句 话, 如 今 还 能 在 沙 特 尔 市 那 著 名 的 哥 特 式 大 教 堂 的 窗 户 上 找 到 从 伯 纳 德 以 来, 至 少 有 二 三 十 个 人 在 牛 顿 之 前 说 过 类 似 的 话 牛 顿 说 这 话 是 在 1676 年 给 胡 克 的 一 封 信 中 当 时 他 已 经 和 胡 克 在 光 的 问 题 上 吵 得 昏 天 黑 地, 争 论 已 经 持 续 多 年 ( 可 以 参 见 我 们 的 史 话 ) 在 这 封 信 里, 牛 顿 认 为 胡 克 把 他 ( 牛 顿 自 己 ) 的 能 力 看 得 太 高 了, 然 后 就 是 这 句 著 名 的 话 : 如 果 我 看 得 更 远 的 话, 那 是 因 为 我 站 在 巨 人 的 肩 膀 上 这 里 面 的 意 思 无 非 两 种 : 牛 顿 说 的 巨 人 如 果 指 胡 克 的 话, 那 是 一 次 很 明 显 的 妥 协 : 我 没 有 抄 袭 你 的 观 念, 我 只 不 过 在 你 工 作 的 基 础 上 继 续 发 展 这 才 比 你 看 得 高 那 么 一 点 点 牛 顿 想 通 过 这 种 方 式 委 婉 地 平 息 胡 克 的 怒 火, 大 家 就 此 罢 手 但 如 果 要 说 大 度 或 者 谦 逊, 似 乎 很 难 谈 得 上 牛 顿 为 此 一 生 记 恨 胡 克, 哪 怕 几 十 年 后, 胡 克 早 就 墓 木 已 拱, 他 还 是 不 能 平 心 静 气 地 提 到 这 个 名 字, 这 句 话 最 多 是 试 图 息 事 宁 人 的 外 交 词 令 而 已 另 一 种 可 能, 巨 人 不 指 胡 克, 那 就 更 明 显 了 : 我 的 工 作 就 算 不 完 全 是 自 己 的, 也 是 站 在 前 辈 巨 人 们 的 肩 上 没 你 胡 克 的 事

55 更 多 的 历 史 学 家 认 为, 这 句 话 是 一 次 恶 意 的 挪 揄 和 讽 刺 胡 克 身 材 矮 小, 用 巨 人 似 乎 暗 含 不 怀 好 意 持 这 种 观 点 的 甚 至 还 包 括 著 名 的 史 蒂 芬 霍 金, 正 是 他 如 今 坐 在 当 年 牛 顿 卢 卡 萨 教 授 的 位 子 上 牛 顿 还 有 一 句 有 名 的 话, 大 意 说 他 是 海 边 的 一 个 小 孩 子, 捡 起 贝 壳 玩 玩, 但 还 没 有 发 现 真 理 的 大 海 这 句 话 也 不 是 他 的 原 创, 最 早 可 以 追 溯 到 Joseph Spence 但 牛 顿 最 可 能 是 从 约 翰 米 尔 顿 的 复 乐 园 中 引 用 ( 牛 顿 有 一 本 米 尔 顿 的 作 品 集 ) 这 显 然 也 是 精 心 准 备 的 说 辞, 牛 顿 本 人 从 未 见 过 大 海, 更 别 提 在 海 滩 行 走 了 他 一 生 中 见 过 的 最 大 的 河 也 就 是 泰 晤 士 河, 很 难 想 象 大 海 的 意 象 如 何 能 自 然 地 从 他 的 头 脑 中 跳 出 来 我 谈 这 些, 完 全 没 有 诋 毁 谁 的 意 思 我 只 想 说, 历 史 有 时 候 被 赋 予 了 太 多 的 光 圈 和 晕 轮, 但 还 历 史 的 真 相, 是 每 一 个 人 的 责 任, 不 论 那 真 相 究 竟 是 什 么 同 时, 这 也 丝 毫 不 影 响 牛 顿 科 学 上 的 成 就 他 是 有 史 以 来 最 伟 大 的 科 学 家 第 五 章 曙 光 castor_v_pollux 一 属 于 海 森 堡 的 篇 章 要 从 1924 年 7 月 开 始 讲 起 那 个 月 份 对 于 海 森 堡 可 算 是 喜 讯 不 断, 他 的 关 于 反 常 塞 曼 效 应 的 论 文 通 过 审 核, 从 而 使 他 晋 升 为 讲 师, 获 得 在 德 国 大 学 的 任 意 级 别 中 讲 学 的 资 格 而 玻 尔 -- 他 对 这 位 出 色 的 年 轻 人 显 然 有 着 明 显 的 好 感 -- 也 来 信 告 诉 他, 他 已 经 获 得 了 由 洛 克 菲 勒 (Rockefeller) 财 团 资 助 的 国 际 教 育 基 金 会 (IEB) 的 奖 金, 为 数 1000 美 元, 从 而 让 他 有 机 会 远 赴 哥 本 哈 根, 与 玻 尔 本 人 和 他 的 同 事 们 共 同 工 作 一 年 也 是 无 巧 不 成 书, 海 森 堡 原 来 在 哥 廷 根 的 导 师 波 恩 正 好 要 到 美 国 讲 学, 于 是 同 意 海 森 堡 到 哥 本 哈 根 去, 只 要 在 明 年 5 月 夏 季 学 期 开 始 前 回 来 就 可 以 了 从 后 来 的 情 况 看, 海 森 堡 对 哥 本 哈 根 的 这 次 访 问 无 疑 对 于 量 子 力 学 的 发 展 有 着 积 极 的 意 义 玻 尔 在 哥 本 哈 根 的 研 究 所 当 时 已 经 具 有 了 世 界 性 的 声 名, 和 哥 廷 根, 慕 尼 黑 一 起, 成 为 了 量 子 力 学 发 展 史 上 的 黄 金 三 角 世 界 各 地 的 学 者 纷 纷 前 来 访 问 学 习,1924 年 的 秋 天 有 近 10 位 访 问 学 者, 其 中 6 位 是 IEB 资 助 的, 而 这 一 数 字 很 快 就 开 始 激 增, 使 得 这 幢 三 层 楼 的 建 筑 不 久 就 开 始 显 得 拥 挤, 从 而 不 得 不 展 开 扩 建 海 森 堡 在 结 束 了 他 的 暑 假 旅 行 之 后, 于 1924 年 9 月 17 日 抵 达 哥 本 哈 根, 他 和 另 一 位 来 自 美 国 的 金 (King) 博 士 住 在 一 位 刚 去 世 的 教 授 家 里, 并 由 孀 居 的 夫 人 照 顾 他 们 的 饮 食 起 居 对 于 海 森 堡 来 说, 这 地 方 更 像 是 一 所 语 言 学 校 -- 他 那 糟 糕 的 英 语 和 丹 麦 语 水 平 都 在 逗 留 期 间 有 了 突 飞 猛 涨 的 进 步 言 归 正 传 我 们 在 前 面 讲 到,1924,1925 年 之 交, 物 理 学 正 处 在 一 个 非 常 艰 难 和 迷 茫 的 境 地 中 玻 尔 那 精 巧 的 原 子 结 构 已 经 在 内 部 出 现 了 细 小 的 裂 纹, 而 辐 射 问 题 的 本 质 究 竟 是 粒 子 还 是 波 动, 双 方 仍 然 在 白 热 化 地 交 战 康 普 顿 的 实 验 已 经 使 得 最 持 怀 疑 态 度 的 物 理 学 家 都 不 得 不 承 认, 粒 子 性 是 无 可 否 认 的, 但 是 这 就 势 必 要 推 翻 电 磁 体 系 这 个 已 经 扎 根 于 物 理 学 百 余 年 的 庞 然 大 物 而 后 者 所 依 赖 的 地 基 -- 麦 克 斯 韦 理 论 看 上 去 又 是 如 此 牢 不 可 破, 无 法 动 摇 我 们 也 已 经 提 到, 在 海 森 堡 来 到 哥 本 哈 根 前 不 久, 玻 尔 和 他 的 助 手 克 莱 默 (Kramers) 还 有 斯 雷 特 (Slater) 发 表 了 一 个 称 作 BKS 的 理 论 以 试 图 解 决 波 和 粒 子 的 两 难 在 BKS 理 论 看 来, 在

56 每 一 个 稳 定 的 原 子 附 近, 都 存 在 着 某 些 虚 拟 的 振 动 (virtual oscillator), 这 些 神 秘 的 虚 拟 振 动 通 过 对 应 原 理 一 一 与 经 典 振 动 相 对 应, 从 而 使 得 量 子 化 之 后 仍 然 保 留 有 经 典 波 动 理 论 的 全 部 优 点 ( 实 际 上, 它 是 想 把 粒 子 在 不 同 的 层 次 上 进 一 步 考 虑 成 波 ) 然 而 这 个 看 似 皆 大 欢 喜 的 理 论 实 在 有 着 难 言 的 苦 衷, 它 为 了 调 解 波 动 和 微 粒 之 间 的 宿 怨, 甚 至 不 惜 抛 弃 物 理 学 的 基 石 之 一 : 能 量 守 恒 和 动 量 守 恒 定 律, 认 为 它 们 只 不 过 是 一 种 统 计 下 的 平 均 情 况 这 个 代 价 太 大, 遭 到 爱 因 斯 坦 强 烈 反 对, 在 他 影 响 下 泡 利 也 很 快 转 换 态 度, 他 不 止 一 次 写 信 给 海 森 堡 抱 怨 虚 拟 的 振 动 还 有 虚 拟 的 物 理 学 BKS 的 一 些 思 想 倒 也 不 是 毫 无 意 义 克 莱 默 利 用 虚 拟 振 子 的 思 想 研 究 了 色 散 现 象, 并 得 出 了 积 极 的 结 果 海 森 堡 在 哥 本 哈 根 学 习 的 时 候 对 这 方 面 产 生 了 兴 趣, 并 与 克 莱 默 联 名 发 表 了 论 文 在 物 理 期 刊 上, 这 些 思 路 对 于 后 来 量 子 力 学 的 创 立 无 疑 也 有 着 重 要 的 作 用 但 BKS 理 论 终 于 还 是 中 途 夭 折,1925 年 4 月 的 实 验 否 定 了 守 恒 只 在 统 计 意 义 上 成 立 的 说 法, 光 量 子 确 实 是 实 实 在 在 的 东 西, 不 是 什 么 虚 拟 波 BKS 的 崩 溃 标 志 着 物 理 学 陷 入 彻 底 的 混 乱, 粒 子 和 波 的 问 题 是 如 此 令 人 迷 惑 而 头 痛, 以 致 玻 尔 都 说 这 实 在 是 一 种 折 磨 (torture) 对 于 曾 经 信 奉 BKS 的 海 森 堡 来 说, 这 当 然 是 一 个 坏 消 息, 但 是 就 像 一 盆 冷 水, 也 能 让 他 清 醒 一 下, 认 真 地 考 虑 未 来 的 出 路 何 在 哥 本 哈 根 的 日 子 是 紧 张 而 又 有 意 义 的 海 森 堡 无 疑 地 感 到 了 一 种 竞 争 的 气 氛, 并 以 他 那 好 胜 的 性 格 加 倍 努 力 着 当 然, 竞 争 是 一 回 事, 哥 本 哈 根 的 自 由 精 神 和 学 术 气 氛 在 全 欧 洲 都 几 乎 无 与 伦 比, 而 这 一 切 又 都 和 尼 尔 斯? 玻 尔 这 位 量 子 论 的 教 父 密 切 相 关 毫 无 疑 问 在 哥 本 哈 根 的 每 一 个 人 都 是 天 才, 但 他 们 却 都 更 好 地 衬 托 出 玻 尔 本 人 的 伟 大 来 这 位 和 蔼 的 丹 麦 人 对 于 每 个 人 都 报 以 善 意 的 微 笑, 并 引 导 人 们 畅 所 欲 言, 探 讨 一 切 类 型 的 问 题 人 们 像 众 星 拱 月 一 般 围 绕 在 他 身 边, 个 个 都 为 他 的 学 识 和 人 格 所 折 服, 海 森 堡 也 不 例 外, 而 且 他 更 将 成 为 玻 尔 最 亲 密 的 学 生 和 朋 友 之 一 玻 尔 常 常 邀 请 海 森 堡 到 他 家 ( 就 在 研 究 所 的 二 楼 ) 去 分 享 家 藏 的 陈 年 好 酒, 或 者 到 研 究 所 后 面 的 树 林 里 去 散 步 并 讨 论 学 术 问 题 玻 尔 是 一 个 极 富 哲 学 气 质 的 人, 他 对 于 许 多 物 理 问 题 的 看 法 都 带 有 深 深 的 哲 学 色 彩, 这 令 海 森 堡 相 当 震 撼, 并 在 很 大 程 度 上 影 响 了 他 本 人 的 思 维 方 式 从 某 种 角 度 说, 在 哥 本 哈 根 那 量 子 气 氛 里 的 熏 陶 以 及 和 玻 尔 的 交 流, 可 能 会 比 海 森 堡 在 那 段 时 间 里 所 做 的 实 际 研 究 更 有 价 值 那 时 候, 有 一 种 思 潮 在 哥 本 哈 根 流 行 开 来 这 个 思 想 当 时 不 知 是 谁 引 发 的, 但 历 史 上 大 约 可 以 回 溯 到 马 赫 这 种 思 潮 说, 物 理 学 的 研 究 对 象 只 应 该 是 能 够 被 观 察 到 被 实 践 到 的 事 物, 物 理 学 只 能 够 从 这 些 东 西 出 发, 而 不 是 建 立 在 观 察 不 到 或 者 纯 粹 是 推 论 的 事 物 上 这 个 观 点 对 海 森 堡 以 及 不 久 后 也 来 哥 本 哈 根 访 问 的 泡 利 都 有 很 大 影 响, 海 森 堡 开 始 隐 隐 感 觉 到, 玻 尔 旧 原 子 模 型 里 的 有 些 东 西 似 乎 不 太 对 头, 似 乎 它 们 不 都 是 直 接 能 够 为 实 验 所 探 测 的 最 明 显 的 例 子 就 是 电 子 的 轨 道 以 及 它 绕 着 轨 道 运 转 的 频 率 我 们 马 上 就 要 来 认 真 地 看 一 看 这 个 问 题 1925 年 4 月 27 日, 海 森 堡 结 束 哥 本 哈 根 的 访 问 回 到 哥 廷 根, 并 开 始 重 新 着 手 研 究 氢 原 子 的 谱 线 问 题 -- 从 中 应 该 能 找 出 量 子 体 系 的 基 本 原 理 吧? 海 森 堡 的 打 算 是 仍 然 采 取 虚 振 子 的 方 法, 虽 然 BKS 倒 台 了, 但 这 在 色 散 理 论 中 已 被 证 明 是 有 成 效 的 方 法 海 森 堡 相 信, 这 个 思 路 应 该 可 以 解 决 玻 尔 体 系 所 解 决 不 了 的 一 些 问 题, 譬 如 谱 线 的 强 度 但 是 当 他 兴 致 勃 勃 地 展 开 计 算 后, 他 的 乐 观 态 度 很 快 就 无 影 无 踪 了 : 事 实 上, 如 果 把 电 子 辐 射 按 照 虚 振 子 的 代 数 方 法 展 开, 他 所 遇 到 的 数 学 困 难 几 乎 是 不 可 克 服 的, 这 使 得 海 森 堡 不 得 不 放 弃 了 原 先 的 计 划 泡 利 在 同 样 的 问 题 上 也 被 难 住 了, 障 碍 实 在 太 大, 几 乎 无 法 前 进, 这 位 脾 气 急 躁 的 物 理 学 家

57 是 如 此 暴 跳 如 雷, 几 乎 准 备 放 弃 物 理 学 物 理 学 出 了 大 问 题, 他 叫 嚷 道, 对 我 来 说 什 么 都 太 难 了, 我 宁 愿 自 己 是 一 个 电 影 喜 剧 演 员, 从 来 也 没 听 说 过 物 理 是 什 么 东 西! ( 插 一 句, 泡 利 说 宁 愿 自 己 是 喜 剧 演 员, 这 是 因 为 他 是 卓 别 林 的 fans 之 一 ) 无 奈 之 下, 海 森 堡 决 定 换 一 种 办 法, 暂 时 不 考 虑 谱 线 强 度, 而 从 电 子 在 原 子 中 的 运 动 出 发, 先 建 立 起 基 本 的 运 动 模 型 来 事 实 证 明 他 这 条 路 走 对 了, 新 的 量 子 力 学 很 快 就 要 被 建 立 起 来, 但 那 却 是 一 种 人 们 闻 所 未 闻, 之 前 连 想 都 不 敢 想 象 的 形 式 --Matrix Matrix 无 疑 是 一 个 本 身 便 带 有 几 分 神 秘 色 彩, 像 一 个 Enigma 的 词 语 不 论 是 从 它 在 数 学 上 的 意 义, 还 是 电 影 里 的 意 义 ( 甚 至 包 括 电 影 续 集 ) 来 说, 它 都 那 样 扑 朔 迷 离, 叫 人 难 以 把 握, 望 而 生 畏 事 实 上 直 到 今 天, 还 有 很 多 人 几 乎 不 敢 相 信, 我 们 的 宇 宙 就 是 建 立 在 这 些 怪 物 之 上 不 过 不 情 愿 也 好, 不 相 信 也 罢,Matrix 已 经 成 为 我 们 生 活 中 不 可 缺 少 的 概 念 理 科 的 大 学 生 逃 不 了 线 性 代 数 的 课, 工 程 师 离 不 开 MatLab 软 件, 漂 亮 MM 也 会 常 常 挂 念 基 诺? 里 维 斯, 没 有 法 子 从 数 学 的 意 义 上 翻 译,Matrix 在 中 文 里 译 作 矩 阵, 它 本 质 上 是 一 种 二 维 的 表 格 比 如 像 下 面 这 个 2*2 的 矩 阵, 其 实 就 是 一 种 2*2 的 方 块 表 格 : 也 可 以 是 长 方 形 的, 比 如 这 个 2*3 的 矩 阵 : 读 者 可 能 已 经 在 犯 糊 涂 了, 大 家 都 早 已 习 惯 了 普 通 的 以 字 母 和 符 号 代 表 的 物 理 公 式, 这 种 古 怪 的 表 格 形 式 又 能 表 示 什 么 物 理 意 义 呢? 更 让 人 不 能 理 解 的 是, 这 种 表 格, 难 道 也 能 像 普 通 的 物 理 变 量 一 样, 能 够 进 行 运 算 吗? 你 怎 么 把 两 个 表 格 加 起 来, 或 乘 起 来 呢? 海 森 堡 准 是 发 疯 了 但 是, 我 已 经 提 醒 过 大 家, 我 们 即 将 进 入 的 是 一 个 不 可 思 议 的 光 怪 陆 离 的 量 子 世 界 在 这 个 世 界 里, 一 切 都 看 起 来 是 那 样 地 古 怪 不 合 常 理, 甚 至 有 一 些 疯 狂 的 意 味 我 们 日 常 的 经 验 在 这 里 完 全 失 效, 甚 至 常 常 是 靠 不 住 的 物 理 世 界 沿 用 了 千 百 年 的 概 念 和 习 惯 在 量 子 世 界 里 轰

58 然 崩 坍, 曾 经 被 认 为 是 天 经 地 义 的 事 情 必 须 被 无 情 地 抛 弃, 而 代 之 以 一 些 奇 形 怪 状 的, 但 却 更 接 近 真 理 的 原 则 是 的, 世 界 就 是 这 些 表 格 构 筑 的 它 们 不 但 能 加 能 乘, 而 且 还 有 着 令 人 瞠 目 结 舌 的 运 算 规 则, 从 而 导 致 一 些 更 为 惊 世 骇 俗 的 结 论 而 且, 这 一 切 都 不 是 臆 想, 是 从 事 实 -- 而 且 是 唯 一 能 被 观 测 和 检 验 到 的 事 实 -- 推 论 出 来 的 海 森 堡 说, 现 在 已 经 到 了 物 理 学 该 发 生 改 变 的 时 候 了 我 们 这 就 出 发 开 始 这 趟 奇 幻 之 旅 第 五 章 曙 光 二 二 物 理 学, 海 森 堡 坚 定 地 想, 应 当 有 一 个 坚 固 的 基 础 它 只 能 够 从 一 些 直 接 可 以 被 实 验 观 察 和 检 验 的 东 西 出 发, 一 个 物 理 学 家 应 当 始 终 坚 持 严 格 的 经 验 主 义, 而 不 是 想 象 一 些 图 像 来 作 为 理 论 的 基 础 玻 尔 理 论 的 毛 病, 就 出 在 这 上 面 我 们 再 来 回 顾 一 下 玻 尔 理 论 说 了 些 什 么 它 说, 原 子 中 的 电 子 绕 着 某 些 特 定 的 轨 道 以 一 定 的 频 率 运 行, 并 时 不 时 地 从 一 个 轨 道 跃 迁 到 另 一 个 轨 道 上 去 每 个 电 子 轨 道 都 代 表 一 个 特 定 的 能 级, 因 此 当 这 种 跃 迁 发 生 的 时 候, 电 子 就 按 照 量 子 化 的 方 式 吸 收 或 者 发 射 能 量, 其 大 小 等 于 两 个 轨 道 之 间 的 能 量 差 嗯, 听 起 来 不 错, 而 且 这 个 模 型 在 许 多 情 况 下 的 确 管 用 但 是, 海 森 堡 开 始 问 自 己 一 个 电 子 的 轨 道, 它 究 竟 是 什 么 东 西? 有 任 何 实 验 能 够 让 我 们 看 到 电 子 的 确 绕 着 某 个 轨 道 运 转 吗? 有 任 何 实 验 可 以 确 实 地 测 出 一 个 轨 道 离 开 原 子 核 的 实 际 距 离 吗? 诚 然 轨 道 的 图 景 是 人 们 所 熟 悉 的, 可 以 类 比 于 行 星 的 运 行 轨 道, 但 是 和 行 星 不 同, 有 没 有 任 何 法 子 让 人 们 真 正 地 看 到 电 子 的 这 么 一 个 轨 道, 并 实 际 测 量 一 个 轨 道 所 代 表 的 能 量 呢? 没 有 法 子, 电 子 的 轨 道, 还 有 它 绕 着 轨 道 的 运 转 频 率, 都 不 是 能 够 实 际 观 察 到 的, 那 么 人 们 怎 么 得 出 这 些 概 念 并 在 此 之 上 建 立 起 原 子 模 型 的 呢? 我 们 回 想 一 下 前 面 史 话 的 有 关 部 分, 玻 尔 模 型 的 建 立 有 着 氢 原 子 光 谱 的 支 持 每 一 条 光 谱 线 都 有 一 种 特 定 的 频 率, 而 由 量 子 公 式 E1-E2 = hν, 我 们 知 道 这 是 电 子 在 两 个 能 级 之 间 跃 迁 的 结 果 但 是, 海 森 堡 争 辩 道, 你 这 还 是 没 有 解 决 我 的 疑 问 没 有 实 际 的 观 测 可 以 证 明 某 一 个 轨 道 所 代 表 的 能 级 是 什 么, 每 一 条 光 谱 线, 只 代 表 两 个 能 级 之 间 的 能 量 差 所 以, 只 有 能 级 差 或 者 轨 道 差 是 可 以 被 直 接 观 察 到 的, 而 能 级 和 轨 道 却 不 是 为 了 说 明 问 题, 我 们 还 是 来 打 个 比 方 小 时 候 的 乐 趣 之 一 是 收 集 各 种 各 样 的 电 车 票 以 扮 作 售 票 员, 那 时 候 上 海 的 车 票 通 常 都 很 便 宜, 最 多 也 就 是 一 毛 几 分 钱 但 规 矩 是 这 样 的 : 不 管 你 从 哪 个 站 上 车, 坐 得 越 远 车 票 就 相 对 越 贵 比 如 我 从 徐 家 汇 上 车, 那 么 坐 到 淮 海 路 可 能 只 要 3 分 钱, 而 到 人 民 广 场 大 概 就 要 5 分, 到 外 滩 就 要 7 分, 如 果 一 直 坐 到 虹 口 体 育 场, 也 许 就 得 花 上 1 毛 钱 当 然, 近 两 年 回 去, 公 交 早 就 换 成 了 无 人 售 票 和 统 一 计 费 -- 不 管 多 远 都 是 一 个 价, 车 费 也 早 就 今 非 昔 比 了

59 让 我 们 假 设 有 一 班 巴 士 从 A 站 出 发, 经 过 BCD 三 站 到 达 E 这 个 终 点 站 这 个 车 的 收 费 沿 用 了 我 们 怀 旧 时 代 的 老 传 统, 不 是 上 车 一 律 给 2 块 钱, 而 是 根 据 起 点 和 终 点 来 单 独 计 费 我 们 不 妨 订 一 个 收 费 标 准 :A 站 和 B 站 之 间 是 1 块 钱,B 和 C 靠 得 比 较 近,0.5 元 C 和 D 之 间 还 是 1 块 钱, 而 D 和 E 离 得 远,2 块 钱 这 样 一 来 车 费 就 容 易 计 算 了, 比 如 我 从 B 站 上 车 到 E 站, 那 么 我 就 应 该 给 =3.5 元 作 为 车 费 反 过 来, 如 果 我 从 D 站 上 车 到 A 站, 那 么 道 理 是 一 样 的 : =2.5 块 钱 现 在 玻 尔 和 海 森 堡 分 别 被 叫 来 写 一 个 关 于 车 费 的 说 明 贴 在 车 子 里 让 人 参 考 玻 尔 欣 然 同 意 了, 他 说 : 这 个 问 题 很 简 单, 车 费 问 题 实 际 上 就 是 两 个 站 之 间 的 距 离 问 题, 我 们 只 要 把 每 一 个 站 的 位 置 状 况 写 出 来, 那 么 乘 客 们 就 能 够 一 目 了 然 了 于 是 他 就 假 设,A 站 的 坐 标 是 0, 从 而 推 出 :B 站 的 坐 标 是 1,C 站 的 坐 标 是 1.5,D 站 的 坐 标 是 2.5, 而 E 站 的 坐 标 是 4.5 这 就 行 了, 玻 尔 说, 车 费 就 是 起 点 站 的 坐 标 减 掉 终 点 站 的 坐 标 的 绝 对 值, 我 们 的 坐 标, 实 际 上 可 以 看 成 一 种 车 费 能 级, 所 有 的 情 况 都 完 全 可 以 包 含 在 下 面 这 个 表 格 里 : 站 点 坐 标 ( 车 费 能 级 ) A 0 B 1 C 1.5 D 2.5 E 4.5 这 便 是 一 种 经 典 的 解 法, 每 一 个 车 站 都 被 假 设 具 有 某 种 绝 对 的 车 费 能 级, 就 像 原 子 中 电 子 的 每 个 轨 道 都 被 假 设 具 有 某 种 特 定 的 能 级 一 样 所 有 的 车 费, 不 管 是 从 哪 个 站 到 哪 个 站, 都 可 以 用 这 个 单 一 的 变 量 来 解 决, 这 是 一 个 一 维 的 传 统 表 格, 完 全 可 以 表 达 为 一 个 普 通 的 公 式 这 也 是 所 有 物 理 问 题 的 传 统 解 法 现 在, 海 森 堡 说 话 了 不 对, 海 森 堡 争 辩 说, 这 个 思 路 有 一 个 根 本 性 的 错 误, 那 就 是, 作 为 一 个 乘 客 来 说, 他 完 全 无 法 意 识, 也 根 本 不 可 能 观 察 到 某 个 车 站 的 绝 对 坐 标 是 什 么 比 如 我 从 C 站 乘 车 到 D 站, 无 论 怎 么 样 我 也 无 法 观 察 到 C 站 的 坐 标 是 1.5, 或 者 D 站 的 坐 标 是 2.5 这 个 结 论 作 为 我 -- 乘 客 来 说, 我 所 能 唯 一 观 察 和 体 会 到 的, 就 是 从 C 站 到 达 D 站 要 花 1 块 钱, 这 才 是 最 确 凿, 最 坚 实 的 东 西 我 们 的 车 费 规 则, 只 能 以 这 样 的 事 实 为 基 础, 而 不 是 不 可 观 察 的 所 谓 坐 标, 或 者 能 级 那 么, 怎 样 才 能 仅 仅 从 这 些 可 以 观 察 的 事 实 上 去 建 立 我 们 的 车 费 规 则 呢? 海 森 堡 说, 传 统 的 那 个 一 维 表 格 已 经 不 适 用 了, 我 们 需 要 一 种 新 类 型 的 表 格, 像 下 面 这 样 的 : A B C D E A

60 B C D E 这 里 面, 竖 的 是 起 点 站, 横 的 是 终 点 站 现 在 这 张 表 格 里 的 每 一 个 数 字 都 是 实 实 在 在 可 以 观 测 和 检 验 的 了 比 如 第 一 行 第 三 列 的 那 个 1.5, 它 的 横 坐 标 是 A, 表 明 从 A 站 出 发 它 的 纵 坐 标 是 C, 表 明 到 C 站 下 车 那 么, 只 要 某 个 乘 客 真 正 从 A 站 坐 到 了 C 站, 他 就 可 以 证 实 这 个 数 字 是 正 确 的 : 这 个 旅 途 的 确 需 要 1.5 块 车 费 好 吧, 某 些 读 者 可 能 已 经 不 耐 烦 了, 它 们 的 确 是 两 种 不 同 类 型 的 东 西, 可 是, 这 种 区 别 的 意 义 有 那 么 大 吗? 毕 竟, 它 们 表 达 的, 不 是 同 一 种 收 费 规 则 吗? 但 事 情 要 比 我 们 想 象 的 复 杂 多 了, 比 如 玻 尔 的 表 格 之 所 以 那 么 简 洁, 其 实 是 有 这 样 一 个 假 设, 那 就 是 从 A 到 B 和 从 B 到 A, 所 需 的 钱 是 一 样 的 事 实 也 许 并 非 如 此, 从 A 到 B 要 1 块 钱, 从 B 回 到 A 却 很 可 能 要 1.5 元 这 样 玻 尔 的 传 统 方 式 要 大 大 头 痛 了, 而 海 森 堡 的 表 格 却 是 简 洁 明 了 的 : 只 要 修 改 B 为 横 坐 标 A 为 纵 坐 标 的 那 个 数 字 就 可 以 了, 只 不 过 表 格 不 再 按 照 对 角 线 对 称 了 而 已 更 关 键 的 是, 海 森 堡 争 辩 说, 所 有 的 物 理 规 则, 也 要 按 照 这 种 表 格 的 方 式 来 改 写 我 们 已 经 有 了 经 典 的 动 力 学 方 程, 现 在, 我 们 必 须 全 部 把 它 们 按 照 量 子 的 方 式 改 写 成 某 种 表 格 方 程 许 多 传 统 的 物 理 变 量, 现 在 都 要 看 成 是 一 些 独 立 的 矩 阵 来 处 理 在 经 典 力 学 中, 一 个 周 期 性 的 振 动 可 以 用 数 学 方 法 分 解 成 为 一 系 列 简 谐 振 动 的 叠 加, 这 个 方 法 叫 做 傅 里 叶 展 开 想 象 一 下 我 们 的 耳 朵, 它 可 以 灵 敏 地 分 辨 出 各 种 不 同 的 声 音, 即 使 这 些 声 音 同 时 响 起, 混 成 一 片 嘈 杂 也 无 关 紧 要, 一 个 发 烧 友 甚 至 可 以 分 辨 出 CD 音 乐 中 乐 手 翻 动 乐 谱 的 细 微 沙 沙 声 人 耳 自 然 是 很 神 奇 的, 但 是 从 本 质 上 说, 数 学 家 也 可 以 做 到 这 一 切, 方 法 就 是 通 过 傅 立 叶 分 析 把 一 个 混 合 的 音 波 分 解 成 一 系 列 的 简 谐 波 大 家 可 能 要 感 叹, 人 耳 竟 然 能 够 在 瞬 间 完 成 这 样 复 杂 的 数 学 分 析, 不 过 这 其 实 是 自 然 的 进 化 而 已 譬 如 守 门 员 抱 住 飞 来 的 足 球, 从 数 学 上 说 相 当 于 解 析 了 一 大 堆 重 力 和 空 气 动 力 学 的 微 分 方 程 并 求 出 了 球 的 轨 迹, 再 比 如 人 本 能 的 趋 利 避 害 的 反 应, 从 基 因 的 角 度 说 也 相 当 于 进 行 了 无 数 风 险 概 率 和 未 来 获 利 的 计 算 但 这 都 只 是 因 为 进 化 的 力 量 使 得 生 物 体 趋 于 具 有 这 样 的 能 力 而 已, 这 能 力 有 利 于 自 然 选 择, 倒 不 是 什 么 特 殊 的 数 学 能 力 所 导 致 回 到 正 题, 在 玻 尔 和 索 末 菲 的 旧 原 子 模 型 里, 我 们 已 经 有 了 电 子 运 动 方 程 和 量 子 化 条 件 这 个 运 动 同 样 可 以 利 用 傅 立 叶 分 析 的 手 法, 化 作 一 系 列 简 谐 运 动 的 叠 加 在 这 个 展 开 式 里 的 每 一 项, 都 代 表 了 一 个 特 定 频 率 现 在, 海 森 堡 准 备 对 这 个 旧 方 程 进 行 手 术, 把 它 彻 底 地 改 造 成 最 新 的 矩 阵 版 本 但 是 困 难 来 了, 我 们 现 在 有 一 个 变 量 p, 代 表 电 子 的 动 量, 还 有 一 个 变 量 q, 代 表 电 子 的 位 置 本 来, 在 老 方 程 里 这 两 个 变 量 应 当 乘 起 来, 现 在 海 森 堡 把 p 和 q 都 变 成 了 矩 阵, 那 么, 现 在 p 和 q 应 当 如 何 再 乘 起 来 呢? 这 个 问 题 问 得 好 : 你 如 何 把 两 个 表 格 乘 起 来 呢?

61 或 者 我 们 不 妨 先 问 自 己 这 样 一 个 问 题 : 把 两 个 表 格 乘 起 来, 这 代 表 了 什 么 意 义 呢? 为 了 容 易 理 解, 我 们 还 是 回 到 我 们 那 个 巴 士 车 费 的 比 喻 现 在 假 设 我 们 手 里 有 两 张 海 森 堡 制 定 的 车 费 表 : 矩 阵 I 和 矩 阵 II, 分 别 代 表 了 巴 士 I 号 线 和 巴 士 II 号 线 在 某 地 的 收 费 情 况 为 了 简 单 起 见, 我 们 假 设 每 条 线 都 只 有 两 个 站,A 和 B 这 两 个 表 如 下 : I 号 线 ( 矩 阵 I): A B A 1 2 B 3 1 II 号 线 ( 矩 阵 II): A B A 1 3 B 4 1 好, 我 们 再 来 回 顾 一 下 这 两 张 表 到 底 代 表 了 什 么 意 思 根 据 海 森 堡 的 规 则, 数 字 的 横 坐 标 代 表 了 起 点 站, 纵 坐 标 代 表 了 终 点 站 那 么 矩 阵 I 第 一 行 第 一 列 的 那 个 1 就 是 说, 你 坐 巴 士 I 号 线, 从 A 地 出 发, 在 A 地 原 地 下 车, 车 费 要 1 块 钱 ( 啊? 为 什 么 原 地 不 动 也 要 付 1 块 钱 呢? 这 个 一 方 面 是 比 喻 而 已, 再 说 你 可 以 把 1 块 钱 看 成 某 种 起 步 费 何 况 在 大 部 分 城 市 的 地 铁 里, 你 进 去 又 马 上 出 来, 的 确 是 要 在 电 子 卡 里 扣 掉 一 点 钱 的 ) 同 样, 矩 阵 I 第 一 行 第 二 列 的 那 个 2 是 说, 你 坐 I 号 线 从 A 地 到 B 地, 需 要 2 块 钱 但 是, 如 果 从 B 地 回 到 A 地, 那 么 就 要 看 横 坐 标 是 B 而 纵 坐 标 是 A 的 那 个 数 字, 也 就 是 第 二 行 第 一 列 的 那 个 3 矩 阵 II 的 情 况 同 样 如 此 好, 现 在 我 们 来 做 个 小 学 生 水 平 的 数 学 练 习 : 乘 法 运 算 只 不 过 这 次 乘 的 不 是 普 通 的 数 字, 而 是 两 张 表 格 :I 和 II I II 等 于 几? 让 我 们 把 习 题 完 整 地 写 出 来 现 在,boys and girls, 这 道 题 目 的 答 案 是 什 么 呢? =?

62 ********* 饭 后 闲 话 : 男 孩 物 理 学 1925 年, 当 海 森 堡 做 出 他 那 突 破 性 的 贡 献 的 时 候, 他 刚 刚 24 岁 尽 管 在 物 理 上 有 着 极 为 惊 人 的 天 才, 但 海 森 堡 在 别 的 方 面 无 疑 还 只 是 一 个 稚 气 未 脱 的 大 孩 子 他 兴 致 勃 勃 地 跟 着 青 年 团 去 各 地 旅 行, 在 哥 本 哈 根 逗 留 期 间, 他 抽 空 去 巴 伐 利 亚 滑 雪, 结 果 摔 伤 了 膝 盖, 躺 了 好 几 个 礼 拜 在 山 谷 田 野 间 畅 游 的 时 候, 他 高 兴 得 不 能 自 已, 甚 至 说 我 连 一 秒 种 的 物 理 都 不 愿 想 了 量 子 论 的 发 展 几 乎 就 是 年 轻 人 的 天 下 爱 因 斯 坦 1905 年 提 出 光 量 子 假 说 的 时 候, 也 才 26 岁 玻 尔 1913 年 提 出 他 的 原 子 结 构 的 时 候,28 岁 德 布 罗 意 1923 年 提 出 相 波 的 时 候,31 岁 而 1925 年, 当 量 子 力 学 在 海 森 堡 的 手 里 得 到 突 破 的 时 候, 后 来 在 历 史 上 闪 闪 发 光 的 那 些 主 要 人 物 也 几 乎 都 和 海 森 堡 一 样 年 轻 : 泡 利 25 岁, 狄 拉 克 23 岁, 乌 仑 贝 克 25 岁, 古 德 施 密 特 23 岁, 约 尔 当 23 岁 和 他 们 比 起 来,36 岁 的 薛 定 谔 和 43 岁 的 波 恩 简 直 算 是 老 爷 爷 了 量 子 力 学 被 人 们 戏 称 为 男 孩 物 理 学, 波 恩 在 哥 廷 根 的 理 论 班, 也 被 人 叫 做 波 恩 幼 儿 园 不 过, 这 只 说 明 量 子 论 的 锐 气 和 朝 气 在 那 个 神 话 般 的 年 代, 象 征 了 科 学 永 远 不 知 畏 惧 的 前 进 步 伐, 开 创 出 一 个 前 所 未 有 的 大 时 代 来 男 孩 物 理 学 这 个 带 有 传 奇 色 彩 的 名 词, 也 将 在 物 理 史 上 镌 刻 出 永 恒 的 光 芒 yutian 回 复 于 : :16:17 第 五 章 曙 光 三 三 上 次 我 们 布 置 了 一 道 练 习 题, 现 在 我 们 一 起 来 把 它 的 答 案 求 出 来 =? 如 果 你 还 记 得 我 们 那 个 公 共 巴 士 的 比 喻, 那 么 乘 号 左 边 的 矩 阵 I 代 表 了 我 们 的 巴 士 I 号 线 的 收 费 表, 乘 号 右 边 的 矩 阵 II 代 表 了 II 号 线 的 收 费 表 I 是 一 个 2 2 的 表 格,II 也 是 一 个 2 2 的 表 格, 我 们 有 理 由 相 信, 它 们 的 乘 积 也 应 该 是 类 似 的 形 式, 也 是 一 个 2 2 的 表 格

63 a b = c d 但 是, 那 答 案 到 底 是 什 么? 我 们 该 怎 么 求 出 abcd 这 四 个 未 知 数? 更 重 要 的 是,I II 的 意 义 是 什 么 呢? 海 森 堡 说,I II, 表 示 你 先 乘 搭 巴 士 I 号 线, 然 后 转 乘 了 II 号 线 答 案 中 的 a 是 什 么 呢?a 处 在 第 一 行 第 一 列, 它 也 必 定 表 示 从 A 地 出 发 到 A 地 下 车 的 某 种 收 费 情 况 海 森 堡 说,a, 其 实 就 是 说, 你 搭 乘 I 号 线 从 A 地 出 发, 期 间 转 乘 II 号 线, 最 后 又 回 到 A 地 下 车 因 为 是 乘 法, 所 以 它 表 示 I 号 线 收 费 和 II 号 线 收 费 的 乘 积 但 是, 情 况 还 不 是 那 么 简 单, 因 为 我 们 的 路 线 可 能 不 止 有 一 种,a 实 际 代 表 的 是 所 有 收 费 情 况 的 总 和 如 果 这 不 好 理 解, 那 么 我 们 干 脆 把 题 目 做 出 来 答 案 中 的 a, 正 如 我 们 已 经 说 明 了 的, 表 示 我 搭 I 号 线 从 A 地 出 发, 然 后 转 乘 II 号 线, 又 回 到 A 地 下 车 的 收 费 情 况 的 总 和 那 么, 我 们 如 何 具 体 地 做 到 这 一 点 呢? 有 两 种 方 法 : 第 一 种, 我 们 可 以 乘 搭 I 号 线 从 A 地 到 B 地, 然 后 在 B 地 转 乘 II 号 线, 再 从 B 地 回 到 A 地 此 外, 还 有 一 种 办 法, 就 是 我 们 在 A 地 上 了 I 号 线, 随 即 在 原 地 下 车 然 后 还 是 在 A 地 再 上 II 号 线, 同 样 在 原 地 下 车 这 虽 然 听 起 来 很 不 明 智, 但 无 疑 也 是 一 种 途 径 那 么, 我 们 答 案 中 的 a, 其 实 就 是 这 两 种 方 法 的 收 费 情 况 的 总 和 现 在 我 们 看 看 具 体 数 字 应 该 是 多 少 : 第 一 种 方 法, 我 们 先 乘 I 号 线 从 A 地 到 B 地, 车 费 应 该 是 多 少 呢? 我 们 还 记 得 海 森 堡 的 车 费 规 则, 那 就 看 矩 阵 I 横 坐 标 为 A 纵 坐 标 为 B 的 那 个 数 字, 也 就 是 第 一 行 第 二 列 的 那 个 2,2 块 钱 好, 随 后 我 们 又 从 B 地 转 乘 II 号 线 回 到 了 A 地, 这 里 的 车 费 对 应 于 矩 阵 II 第 二 行 第 一 列 的 那 个 4 所 以 第 一 种 方 法 的 收 费 乘 积 是 2 4=8 但 是, 我 们 提 到, 还 有 另 一 种 可 能, 就 是 我 们 在 A 地 原 地 不 动 地 上 了 I 号 线 再 下 来, 又 上 II 号 线 再 下 来, 这 同 样 符 合 我 们 A 地 出 发 A 地 结 束 的 条 件 这 对 应 于 两 个 矩 阵 第 一 行 第 一 列 的 两 个 数 字 的 乘 积,1 1=1 那 么, 我 们 的 最 终 答 案,a, 就 等 于 这 两 种 可 能 的 叠 加, 也 就 是 说,a= =9 因 为 没 有 第 三 种 可 能 性 了 同 样 道 理 我 们 来 求 b b 代 表 先 乘 I 号 线 然 后 转 乘 II 号 线, 从 A 地 出 发 最 终 抵 达 B 地 的 收 费 情 况 总 和 这 同 样 有 两 种 办 法 可 以 做 到 : 先 在 A 地 上 I 号 线 随 即 下 车, 然 后 从 A 地 坐 II 号 线 去 B 地 收 费 分 别 是 1 块 ( 矩 阵 I 第 一 行 第 一 列 ) 和 3 块 ( 矩 阵 II 第 一 行 第 二 列 ), 所 以 1 3 =3 还 有 一 种 办 法 就 是 先 乘 I 号 线 从 A 地 到 B 地, 收 费 2 块 ( 矩 阵 I 第 一 行 第 二 列 ), 然 后 在 B 地 转 II 号 线 原 地 上 下, 收 费 1 块 ( 矩 阵 II 第 二 行 第 二 列 ), 所 以 2 1=1 所 以 最 终 答 案 : b= =5 大 家 可 以 先 别 偷 看 答 案, 自 己 试 着 求 c 和 d 最 后 应 该 是 这 样 的 :c= =7,d= =10 所 以 :

64 = 7 10 很 抱 歉 让 大 家 如 此 痛 苦 不 堪, 不 过 我 们 的 确 在 学 习 新 的 事 物 如 果 你 觉 得 这 种 乘 法 十 分 陌 生 的 话, 那 么 我 们 很 快 就 要 给 你 更 大 的 惊 奇, 但 首 先 我 们 还 是 要 熟 悉 这 种 新 的 运 算 规 则 才 是 圣 人 说, 温 故 而 知 新, 我 们 不 必 为 了 自 己 新 学 到 的 东 西 而 沾 沾 自 喜, 还 是 巩 固 巩 固 我 们 的 基 础 吧, 让 我 们 把 上 面 这 道 题 目 验 算 一 遍 哦, 不 要 昏 倒, 不 要 昏 倒, 其 实 没 有 那 么 乏 味, 我 们 可 以 把 乘 法 的 次 序 倒 一 倒, 现 在 验 算 一 遍 II I: a b = c d 我 知 道 大 家 都 在 唉 声 叹 气, 不 过 我 还 是 坚 持, 复 习 功 课 是 有 益 无 害 的 我 们 来 看 看 a 是 什 么, 现 在 我 们 是 先 乘 搭 II 号 线, 然 后 转 I 号 线 了, 所 以 我 们 可 以 从 A 地 上 II 号 线, 然 后 下 来 再 上 I 号 线, 然 后 又 下 来 对 应 的 是 1 1 另 外, 我 们 可 以 坐 II 号 线 去 B 地, 在 B 地 转 I 号 线 回 到 A 地, 所 以 是 3 3=9 所 以 a= =10 喂, 打 瞌 睡 的 各 位, 快 醒 醒, 我 们 遇 到 问 题 了 在 我 们 的 验 算 里,a=10, 不 过 我 还 记 得, 刚 才 我 们 的 答 案 说 a=9 各 位 把 笔 记 本 往 回 翻 几 页, 看 看 我 有 没 有 记 错? 嗯, 虽 然 大 家 都 没 有 记 笔 记, 但 我 还 是 没 有 记 错, 刚 才 我 们 的 a= =9 看 来 是 我 算 错 了, 我 们 再 算 一 遍, 这 次 可 要 打 起 精 神 了 :a 代 表 A 地 上 车 A 地 下 车 所 以 可 能 的 情 况 是 : 我 搭 II 号 线 在 A 地 上 车 A 地 下 车 ( 矩 阵 II 第 一 行 第 一 列 ),1 块 然 后 转 I 号 线 同 样 在 A 地 上 车 A 地 下 车 ( 矩 阵 I 第 一 行 第 一 列 ), 也 是 1 块 1 1=1 还 有 一 种 可 能 是, 我 搭 II 号 线 在 A 地 上 车 B 地 下 车 ( 矩 阵 II 第 一 行 第 二 列 ),3 块 然 后 在 B 地 转 I 号 线 从 B 地 回 到 A 地 ( 矩 阵 II 第 二 行 第 一 列 ),3 块 3 3=9 所 以 a=1+9=10 嗯, 奇 怪, 没 错 啊 那 么 难 道 前 面 算 错 了? 我 们 再 算 一 遍, 好 像 也 没 错, 前 面 a=1+8=9 那 么, 那 么 谁 错 了? 哈 哈, 海 森 堡 错 了, 他 这 次 可 丢 脸 了, 他 发 明 了 一 种 什 么 样 的 表 格 乘 法 啊, 居 然 导 致 如 此 荒 唐 的 结 果 :I II? II I 我 们 不 妨 把 结 果 整 个 算 出 来 :

65 9 5 I II= II I= 7 9 的 确,I II? II I 这 可 真 让 人 惋 惜, 原 来 我 们 还 以 为 这 种 表 格 式 的 运 算 至 少 有 点 创 意 的, 现 在 看 来 浪 费 了 大 家 不 少 时 间, 只 好 说 声 抱 歉 但 是, 慢 着, 海 森 堡 还 有 话 要 说, 先 别 为 我 们 死 去 的 脑 细 胞 默 哀, 它 们 的 死 也 许 不 是 完 全 没 有 意 义 的 大 家 冷 静 点, 大 家 冷 静 点, 海 森 堡 摇 晃 着 他 那 漂 亮 的 头 发 说, 我 们 必 须 学 会 面 对 现 实 我 们 已 经 说 过 了, 物 理 学, 必 须 从 唯 一 可 以 被 实 践 的 数 据 出 发, 而 不 是 靠 想 象 和 常 识 习 惯 我 们 要 学 会 依 赖 于 数 学, 而 不 是 日 常 语 言, 因 为 只 有 数 学 才 具 有 唯 一 的 意 义, 才 能 告 诉 我 们 唯 一 的 真 实 我 们 必 须 认 识 到 这 一 点 : 数 学 怎 么 说, 我 们 就 得 接 受 什 么 如 果 数 学 说 I II? II I, 那 么 我 们 就 得 这 么 认 为, 哪 怕 世 人 用 再 嘲 讽 的 口 气 来 讥 笑 我 们, 我 们 也 不 能 改 变 这 一 立 场 何 况, 如 果 仔 细 审 查 这 里 面 的 意 义, 也 并 没 有 太 大 的 荒 谬 : 先 搭 乘 I 号 线, 再 转 II 号 线, 这 和 先 搭 乘 II 号 线, 再 转 I 号 线, 导 致 的 结 果 可 能 是 不 同 的, 有 什 么 问 题 吗? 好 吧, 有 人 讽 刺 地 说, 那 么 牛 顿 第 二 定 律 究 竟 是 F=ma, 还 是 F=am 呢? 海 森 堡 冷 冷 地 说, 牛 顿 力 学 是 经 典 体 系, 我 们 讨 论 的 是 量 子 体 系 永 远 不 要 对 量 子 世 界 的 任 何 奇 特 性 质 过 分 大 惊 小 怪, 那 会 让 你 发 疯 的 量 子 的 规 则, 并 不 一 定 要 受 到 乘 法 交 换 率 的 束 缚 他 无 法 做 更 多 的 口 舌 之 争 了,1925 年 夏 天, 他 被 一 场 热 病 所 感 染, 不 得 不 离 开 哥 廷 根, 到 北 海 的 一 个 小 岛 赫 尔 格 兰 (Helgoland) 去 休 养 但 是 他 的 大 脑 没 有 停 滞, 在 远 离 喧 嚣 的 小 岛 上, 海 森 堡 坚 定 地 沿 着 这 条 奇 特 的 表 格 式 道 路 去 探 索 物 理 学 的 未 来 而 且, 他 很 快 就 获 得 了 成 功 : 事 实 上, 只 要 把 矩 阵 的 规 则 运 用 到 经 典 的 动 力 学 公 式 里 去, 把 玻 尔 和 索 末 菲 旧 的 量 子 条 件 改 造 成 新 的 由 坚 实 的 矩 阵 砖 块 构 造 起 来 的 方 程, 海 森 堡 可 以 自 然 而 然 地 推 导 出 量 子 化 的 原 子 能 级 和 辐 射 频 率 而 且 这 一 切 都 可 以 顺 理 成 章 从 方 程 本 身 解 出, 不 再 需 要 像 玻 尔 的 旧 模 型 那 样, 强 行 附 加 一 个 不 自 然 的 量 子 条 件 海 森 堡 的 表 格 的 确 管 用! 数 学 解 释 一 切, 我 们 的 想 象 是 靠 不 住 的 虽 然, 这 种 古 怪 的 不 遵 守 交 换 率 的 矩 阵 乘 法 到 底 意 味 着 什 么, 无 论 对 于 海 森 堡, 还 是 当 时 的 所 有 人 来 说, 都 还 仍 然 是 一 个 谜 题, 但 量 子 力 学 的 基 本 形 式 却 已 经 得 到 了 突 破 进 展 从 这 时 候 起, 量 子 论 将 以 一 种 气 势 磅 礴 的 姿 态 向 前 迈 进, 每 一 步 都 那 样 雄 伟 壮 丽, 激 起 滔 天 的 巨 浪

66 和 美 丽 的 浪 花 接 下 来 的 3 年 是 梦 幻 般 的 3 年, 是 物 理 史 上 难 以 想 象 的 3 年, 理 论 物 理 的 黄 金 年 代, 终 于 要 放 射 出 它 最 耀 眼 的 光 辉, 把 整 个 20 世 纪 都 装 点 得 神 圣 起 来 海 森 堡 后 来 在 写 给 好 友 范 德 沃 登 的 信 中 回 忆 道, 当 他 在 那 个 石 头 小 岛 上 的 时 候, 有 一 晚 忽 然 想 到 体 系 的 总 能 量 应 该 是 一 个 常 数 于 是 他 试 着 用 他 那 规 则 来 解 这 个 方 程 以 求 得 振 子 能 量 求 解 并 不 容 易, 他 做 了 一 个 通 宵, 但 求 出 来 的 结 果 和 实 验 符 合 得 非 常 好 于 是 他 爬 上 一 个 山 崖 去 看 日 出, 同 时 感 到 自 己 非 常 幸 运 是 的, 曙 光 已 经 出 现, 太 阳 正 从 海 平 线 上 冉 冉 升 起, 万 道 霞 光 染 红 了 海 面 和 空 中 的 云 彩, 在 天 地 间 流 动 着 奇 幻 的 辉 光 在 高 高 的 石 崖 顶 上, 海 森 堡 面 对 着 壮 观 的 日 出 景 象, 他 脚 下 碧 海 潮 生, 一 直 延 伸 到 无 穷 无 尽 的 远 方 是 的, 他 知 道,this is the moment, 他 已 经 作 出 生 命 中 最 重 要 的 突 破, 而 物 理 学 的 黎 明 也 终 于 到 来 ********* 饭 后 闲 话 : 矩 阵 我 们 已 经 看 到, 海 森 堡 发 明 了 这 种 奇 特 的 表 格,I II? II I, 连 他 自 己 都 没 把 握 确 定 这 是 个 什 么 怪 物 当 他 结 束 养 病, 回 到 哥 廷 根 后, 就 把 论 文 草 稿 送 给 老 师 波 恩, 让 他 评 论 评 论 波 恩 看 到 这 种 表 格 运 算 大 吃 一 惊, 原 来 这 不 是 什 么 新 鲜 东 西, 正 是 线 性 代 数 里 学 到 的 矩 阵! 回 溯 历 史, 这 种 工 具 早 在 1858 年 就 已 经 由 一 位 剑 桥 的 数 学 家 Arthur Cayley 所 发 明, 不 过 当 时 不 叫 矩 阵 而 叫 做 行 列 式 (determinant, 这 个 字 后 来 变 成 了 另 外 一 个 意 思, 虽 然 还 是 和 矩 阵 关 系 很 紧 密 ) 发 明 矩 阵 最 初 的 目 的, 是 简 洁 地 来 求 解 某 些 微 分 方 程 组 ( 事 实 上 直 到 今 天, 大 学 线 性 代 数 课 还 是 主 要 解 决 这 个 问 题 ) 但 海 森 堡 对 此 毫 不 知 情, 他 实 际 上 不 知 不 觉 地 重 新 发 明 了 矩 阵 的 概 念 波 恩 和 他 那 精 通 矩 阵 运 算 的 助 教 约 尔 当 随 即 在 严 格 的 数 学 基 础 上 发 展 了 海 森 堡 的 理 论, 进 一 步 完 善 了 量 子 力 学, 我 们 很 快 就 要 谈 到 数 学 在 某 种 意 义 上 来 说 总 是 领 先 的 Cayley 创 立 矩 阵 的 时 候, 自 然 想 不 到 它 后 来 会 在 量 子 论 的 发 展 中 起 到 关 键 作 用 同 样, 黎 曼 创 立 黎 曼 几 何 的 时 候, 又 怎 会 料 到 他 已 经 给 爱 因 斯 坦 和 他 伟 大 的 相 对 论 提 供 了 最 好 的 工 具 乔 治? 盖 莫 夫 在 那 本 受 欢 迎 的 老 科 普 书 从 一 到 无 穷 大 (One, Two, Three Infinity) 里 说, 目 前 数 学 还 有 一 个 大 分 支 没 有 派 上 用 场 ( 除 了 智 力 体 操 的 用 处 之 外 ), 那 就 是 数 论 古 老 的 数 论 领 域 里 已 经 有 许 多 难 题 被 解 开, 比 如 四 色 问 题, 费 马 大 定 理 也 有 比 如 著 名 的 哥 德 巴 赫 猜 想, 至 今 悬 而 未 决 天 知 道, 这 些 理 论 和 思 路 是 不 是 在 将 来 会 给 某 个 物 理 或 者 化 学 理 论 开 道, 打 造 出 一 片 全 新 的 天 地 来 yutian 回 复 于 : :17:11 第 五 章 曙 光 四 castor_v_pollux 四

67 从 赫 尔 格 兰 回 来 后, 海 森 堡 找 到 波 恩, 请 求 允 许 他 离 开 哥 廷 根 一 阵, 去 剑 桥 讲 课 同 时, 他 也 把 自 己 的 论 文 给 了 波 恩 过 目, 问 他 有 没 有 发 表 的 价 值 波 恩 显 然 被 海 森 堡 的 想 法 给 迷 住 了, 正 如 他 后 来 回 忆 的 那 样 : 我 对 此 着 了 迷 海 森 堡 的 思 想 给 我 留 下 了 深 刻 的 印 象, 对 于 我 们 一 直 追 求 的 那 个 体 系 来 说, 这 是 一 次 伟 大 的 突 破 于 是 当 海 森 堡 去 到 英 国 讲 学 的 时 候, 波 恩 就 把 他 的 这 篇 论 文 寄 给 了 物 理 学 杂 志 (Zeitschrift fur Physik), 并 于 7 月 29 日 发 表 这 无 疑 标 志 着 新 生 的 量 子 力 学 在 公 众 面 前 的 首 次 亮 相 但 海 森 堡 古 怪 的 表 格 乘 法 无 疑 也 让 波 恩 困 扰, 他 在 7 月 15 日 写 给 爱 因 斯 坦 的 信 中 说 : 海 森 堡 新 的 工 作 看 起 来 有 点 神 秘 莫 测, 不 过 无 疑 是 很 深 刻 的, 而 且 是 正 确 的 但 是, 有 一 天, 波 恩 突 然 灵 光 一 闪 : 他 终 于 想 起 来 这 是 什 么 了 海 森 堡 的 表 格, 正 是 他 从 前 所 听 说 过 的 那 个 矩 阵! 但 是 对 于 当 时 的 欧 洲 物 理 学 家 来 说, 矩 阵 几 乎 是 一 个 完 全 陌 生 的 名 字 甚 至 连 海 森 堡 自 己, 也 不 见 得 对 它 的 性 质 有 着 完 全 的 了 解 波 恩 决 定 为 海 森 堡 的 理 论 打 一 个 坚 实 的 数 学 基 础, 他 找 到 泡 利, 希 望 与 之 合 作, 可 是 泡 利 对 此 持 有 强 烈 的 怀 疑 态 度, 他 以 他 标 志 性 的 尖 刻 语 气 对 波 恩 说 : 是 的, 我 就 知 道 你 喜 欢 那 种 冗 长 和 复 杂 的 形 式 主 义, 但 你 那 无 用 的 数 学 只 会 损 害 海 森 堡 的 物 理 思 想 波 恩 在 泡 利 那 里 碰 了 一 鼻 子 灰, 不 得 不 转 向 他 那 熟 悉 矩 阵 运 算 的 年 轻 助 教 约 尔 当 (Pascual Jordan, 再 过 一 个 礼 拜, 就 是 他 101 年 诞 辰 ), 两 人 于 是 欣 然 合 作, 很 快 写 出 了 著 名 的 论 文 论 量 子 力 学 (Zur Quantenmechanik), 发 表 在 物 理 学 杂 志 上 在 这 篇 论 文 中, 两 人 用 了 很 大 的 篇 幅 来 阐 明 矩 阵 运 算 的 基 本 规 则, 并 把 经 典 力 学 的 哈 密 顿 变 换 统 统 改 造 成 为 矩 阵 的 形 式 传 统 的 动 量 p 和 位 置 q 这 两 个 物 理 变 量, 现 在 成 为 了 两 个 含 有 无 限 数 据 的 庞 大 表 格, 而 且, 正 如 我 们 已 经 看 到 的 那 样, 它 们 并 不 遵 守 传 统 的 乘 法 交 换 率,p q? q p 波 恩 和 约 尔 当 甚 至 把 p q 和 q p 之 间 的 差 值 也 算 了 出 来, 结 果 是 这 样 的 : pq - qp = (h/2πi) I h 是 我 们 已 经 熟 悉 的 普 朗 克 常 数,i 是 虚 数 的 单 位, 代 表 -1 的 平 方 根, 而 I 叫 做 单 位 矩 阵, 相 当 于 矩 阵 运 算 中 的 1 波 恩 和 约 尔 当 奠 定 了 一 种 新 的 力 学 -- 矩 阵 力 学 的 基 础 在 这 种 新 力 学 体 系 的 魔 法 下, 普 朗 克 常 数 和 量 子 化 从 我 们 的 基 本 力 学 方 程 中 自 然 而 然 地 跳 了 出 来, 成 为 自 然 界 的 内 在 禀 性 如 果 认 真 地 对 这 种 力 学 形 式 做 一 下 探 讨, 人 们 会 惊 奇 地 发 现, 牛 顿 体 系 里 的 种 种 结 论, 比 如 能 量 守 恒, 从 新 理 论 中 也 可 以 得 到 这 就 是 说, 新 力 学 其 实 是 牛 顿 理 论 的 一 个 扩 展, 老 的 经 典 力 学 其 实 被 包 含 在 我 们 的 新 力 学 中, 成 为 一 种 特 殊 情 况 下 的 表 现 形 式 这 种 新 的 力 学 很 快 就 得 到 进 一 步 完 善 从 剑 桥 返 回 哥 廷 根 后, 海 森 堡 本 人 也 加 入 了 这 个 伟 大 的 开 创 性 工 作 中 11 月 26 日, 论 量 子 力 学 II 在 物 理 学 杂 志 上 发 表, 作 者 是 波 恩, 海 森 堡 和 约 尔 当 这 篇 论 文 把 原 来 只 讨 论 一 个 自 由 度 的 体 系 扩 展 到 任 意 个 自 由 度, 从 而 彻 底 建 立 了 新 力 学 的 主 体 现 在, 他 们 可 以 自 豪 地 宣 称, 长 期 以 来 人 们 所 苦 苦 追 寻 的 那 个 目 标 终 于 达 到 了, 多 年 以 来 如 此 困 扰 着 物 理 学 家 的 原 子 光 谱 问 题, 现 在 终 于 可 以 在 新 力 学 内 部 完 美 地 解 决 论 量 子 力 学 II 这 篇 文 章, 被 海 森 堡 本 人 亲 切 地 称 呼 为 三 人 论 文 (Dreimannerarbeit) 的, 也 终 于 注 定 要 在 物 理 史 上 流 芳 百 世

68 新 体 系 显 然 在 理 论 上 获 得 了 巨 大 的 成 功 泡 利 很 快 就 改 变 了 他 的 态 度, 在 写 给 克 罗 尼 格 (Ralph Laer Kronig) 的 信 里, 他 说 : 海 森 堡 的 力 学 让 我 有 了 新 的 热 情 和 希 望 随 后 他 很 快 就 给 出 了 极 其 有 说 服 力 的 证 明, 展 示 新 理 论 的 结 果 和 氢 分 子 的 光 谱 符 合 得 非 常 完 美, 从 量 子 规 则 中, 巴 尔 末 公 式 可 以 被 自 然 而 然 地 推 导 出 来 非 常 好 笑 的 是, 虽 然 他 不 久 前 还 对 波 恩 咆 哮 说 冗 长 和 复 杂 的 形 式 主 义, 但 他 自 己 的 证 明 无 疑 动 用 了 最 最 复 杂 的 数 学 不 过, 对 于 当 时 其 他 的 物 理 学 家 来 说, 海 森 堡 的 新 体 系 无 疑 是 一 个 怪 物 矩 阵 这 种 冷 冰 冰 的 东 西 实 在 太 不 讲 情 面, 不 给 人 以 任 何 想 象 的 空 间 人 们 一 再 追 问, 这 里 面 的 物 理 意 义 是 什 么? 矩 阵 究 竟 是 个 什 么 东 西? 海 森 堡 却 始 终 护 定 他 那 让 人 沮 丧 的 立 场 : 所 谓 意 义 是 不 存 在 的, 如 果 有 的 话, 那 数 学 就 是 一 切 意 义 所 在 物 理 学 是 什 么? 就 是 从 实 验 观 测 量 出 发, 并 以 庞 大 复 杂 的 数 学 关 系 将 它 们 联 系 起 来 的 一 门 科 学, 如 果 说 有 什 么 图 像 能 够 让 人 们 容 易 理 解 和 记 忆 的 话, 那 也 是 靠 不 住 的 但 是, 不 管 怎 么 样, 毕 竟 矩 阵 力 学 对 于 大 部 分 人 来 说 都 太 陌 生 太 遥 远 了, 而 隐 藏 在 它 背 后 的 深 刻 含 义, 当 时 还 远 远 没 有 被 发 掘 出 来 特 别 是,p q? q p, 这 究 竟 代 表 了 什 么, 令 人 头 痛 不 已 一 年 后, 当 薛 定 谔 以 人 们 所 喜 闻 乐 见 的 传 统 方 式 发 布 他 的 波 动 方 程 后, 几 乎 全 世 界 的 物 理 学 家 都 松 了 一 口 气 : 他 们 终 于 解 脱 了, 不 必 再 费 劲 地 学 习 海 森 堡 那 异 常 复 杂 和 繁 难 的 矩 阵 力 学 当 然, 人 人 都 必 须 承 认, 矩 阵 力 学 本 身 的 伟 大 含 义 是 不 容 怀 疑 的 但 是, 如 果 说 在 1925 年, 欧 洲 大 部 分 物 理 学 家 都 还 对 海 森 堡, 波 恩 和 约 尔 当 的 力 学 一 知 半 解 的 话, 那 我 们 也 不 得 不 说, 其 中 有 一 个 非 常 显 著 的 例 外, 他 就 是 保 罗? 狄 拉 克 在 量 子 力 学 大 发 展 的 年 代, 哥 本 哈 根, 哥 廷 根 以 及 慕 尼 黑 三 地 抢 尽 了 风 头, 狄 拉 克 的 崛 起 总 算 也 为 老 牌 的 剑 桥 挽 回 了 一 点 颜 面 保 罗? 埃 德 里 安? 莫 里 斯? 狄 拉 克 (Paul Adrien Maurice Dirac) 于 1902 年 8 月 8 日 出 生 于 英 国 布 里 斯 托 尔 港 他 的 父 亲 是 瑞 士 人, 当 时 是 一 位 法 语 教 师, 狄 拉 克 是 家 里 的 第 二 个 孩 子 许 多 大 物 理 学 家 的 童 年 教 育 都 是 多 姿 多 彩 的, 比 如 玻 尔, 海 森 堡, 还 有 薛 定 谔 但 狄 拉 克 的 童 年 显 然 要 悲 惨 许 多, 他 父 亲 是 一 位 非 常 严 肃 而 刻 板 的 人, 给 保 罗 制 定 了 众 多 的 严 格 规 矩 比 如 他 规 定 保 罗 只 能 和 他 讲 法 语 ( 他 认 为 这 样 才 能 学 好 这 种 语 言 ), 于 是 当 保 罗 无 法 表 达 自 己 的 时 候, 只 好 选 择 沉 默 在 小 狄 拉 克 的 童 年 里, 音 乐 文 学 艺 术 显 然 都 和 他 无 缘, 社 交 活 动 也 几 乎 没 有 这 一 切 把 狄 拉 克 塑 造 成 了 一 个 沉 默 寡 言, 喜 好 孤 独, 淡 泊 名 利, 在 许 多 人 眼 里 显 得 geeky 的 人 有 一 个 流 传 很 广 的 关 于 狄 拉 克 的 笑 话 是 这 样 说 的 : 有 一 次 狄 拉 克 在 某 大 学 演 讲, 讲 完 后 一 个 观 众 起 来 说 : 狄 拉 克 教 授, 我 不 明 白 你 那 个 公 式 是 如 何 推 导 出 来 的 狄 拉 克 看 着 他 久 久 地 不 说 话, 主 持 人 不 得 不 提 醒 他, 他 还 没 有 回 答 问 题 回 答 什 么 问 题? 狄 拉 克 奇 怪 地 说, 他 刚 刚 说 的 是 一 个 陈 述 句, 不 是 一 个 疑 问 句 1921 年, 狄 拉 克 从 布 里 斯 托 尔 大 学 电 机 工 程 系 毕 业, 恰 逢 经 济 大 萧 条, 结 果 没 法 找 到 工 作 事 实 上, 很 难 说 他 是 否 会 成 为 一 个 出 色 的 工 程 师, 狄 拉 克 显 然 长 于 理 论 而 拙 于 实 验 不 过 幸 运 的 是, 布 里 斯 托 尔 大 学 数 学 系 又 给 了 他 一 个 免 费 进 修 数 学 的 机 会,2 年 后, 狄 拉 克 转 到 剑 桥, 开 始 了 人 生 的 新 篇 章 我 们 在 上 面 说 到,1925 年 秋 天, 当 海 森 堡 在 赫 尔 格 兰 岛 作 出 了 他 的 突 破 后, 他 获 得 波 恩 的 批 准 来 到 剑 桥 讲 学 当 时 海 森 堡 对 自 己 的 发 现 心 中 还 没 有 底, 所 以 没 有 在 公 开 场 合 提 到 自 己

69 这 方 面 的 工 作, 不 过 7 月 28 号, 他 参 加 了 所 谓 卡 皮 察 俱 乐 部 的 一 次 活 动 卡 皮 察 (P.L.Kapitsa) 是 一 位 年 轻 的 苏 联 学 生, 当 时 在 剑 桥 跟 随 卢 瑟 福 工 作 他 感 到 英 国 的 学 术 活 动 太 刻 板, 便 自 己 组 织 了 一 个 俱 乐 部, 在 晚 上 聚 会, 报 告 和 讨 论 有 关 物 理 学 的 最 新 进 展 我 们 在 前 面 讨 论 卢 瑟 福 的 时 候 提 到 过 卡 皮 察 的 名 字, 他 后 来 也 获 得 了 诺 贝 尔 奖 狄 拉 克 也 是 卡 皮 察 俱 乐 部 的 成 员 之 一, 他 当 时 不 在 剑 桥, 所 以 没 有 参 加 这 个 聚 会 不 过 他 的 导 师 福 勒 (William Alfred Fowler) 参 加 了, 而 且 大 概 在 和 海 森 堡 的 课 后 讨 论 中, 得 知 他 已 经 发 明 了 一 种 全 新 的 理 论 来 解 释 原 子 光 谱 问 题 后 来 海 森 堡 把 他 的 证 明 寄 给 了 福 勒, 而 福 勒 给 了 狄 拉 克 一 个 复 印 本 这 一 开 始 没 有 引 起 狄 拉 克 的 重 视, 不 过 大 概 一 个 礼 拜 后, 他 重 新 审 视 海 森 堡 的 论 文, 这 下 他 把 握 住 了 其 中 的 精 髓 : 别 的 都 是 细 枝 末 节, 只 有 一 件 事 是 重 要 的, 那 就 是 我 们 那 奇 怪 的 矩 阵 乘 法 规 则 :p q? q p 饭 后 闲 话 : 约 尔 当 恩 斯 特? 帕 斯 库 尔? 约 尔 当 (Ernst Pascual Jordan) 出 生 于 汉 诺 威 在 我 们 的 史 话 里 已 经 提 到, 他 是 物 理 史 上 两 篇 重 要 的 论 文 论 量 子 力 学 I 和 II 的 作 者 之 一, 可 以 说 也 是 量 子 力 学 的 主 要 创 立 者 但 是, 他 的 名 声 显 然 及 不 上 波 恩 或 者 海 森 堡 这 里 面 的 原 因 显 然 也 是 多 方 面 的,1925 年, 约 尔 当 才 22 岁, 无 论 从 资 格 还 是 名 声 来 说, 都 远 远 及 不 上 元 老 级 的 波 恩 和 少 年 成 名 的 海 森 堡 当 时 和 他 一 起 做 出 贡 献 的 那 些 人, 后 来 都 变 得 如 此 著 名 : 波 恩, 海 森 堡, 泡 利, 他 们 的 光 辉 耀 眼, 把 约 尔 当 完 全 给 盖 住 了 从 约 尔 当 本 人 来 说, 他 是 一 个 害 羞 和 内 向 的 人, 说 话 有 口 吃 的 毛 病, 总 是 结 结 巴 巴 的, 所 以 他 很 少 授 课 或 发 表 演 讲 更 严 重 的 是, 约 尔 当 在 二 战 期 间 站 到 了 希 特 勒 的 一 边, 成 为 一 个 纳 粹 的 同 情 者, 被 指 责 曾 经 告 密 这 大 大 损 害 了 他 的 声 名 约 尔 当 是 一 个 作 出 了 许 多 伟 大 成 就 的 科 学 家 除 了 创 立 了 基 本 的 矩 阵 力 学 形 式, 为 量 子 论 打 下 基 础 之 外, 他 同 样 在 量 子 场 论, 电 子 自 旋, 量 子 电 动 力 学 中 作 出 了 巨 大 的 贡 献 他 是 最 先 证 明 海 森 堡 和 薛 定 谔 体 系 同 等 性 的 人 之 一, 他 发 明 了 约 尔 当 代 数, 后 来 又 广 泛 涉 足 生 物 学 心 理 学 和 运 动 学 他 曾 被 提 名 为 诺 贝 尔 奖 得 主, 却 没 有 成 功 约 尔 当 后 来 显 然 也 对 自 己 的 成 就 被 低 估 有 些 恼 火,1964 年, 他 声 称 论 量 子 力 学 一 文 其 实 几 乎 都 是 他 一 个 人 的 贡 献 -- 波 恩 那 时 候 病 了 这 引 起 了 广 泛 的 争 议, 不 过 许 多 人 显 然 同 意, 约 尔 当 的 贡 献 应 当 得 到 更 多 的 承 认 yutian 回 复 于 : :17:48 第 五 章 曙 光 五 castor_v_pollux 五 p q? q p 如 果 说 狄 拉 克 比 别 人 天 才 在 什 么 地 方, 那 就 是 他 可 以 一 眼 就 看 出 这 才 是 海 森 堡 体 系 的 精 髓 那 个 时 候, 波 恩 和 约 尔 当 还 在 苦 苦 地 钻 研 讨 厌 的 矩 阵, 为 了 建 立 起 新 的 物 理 大 厦 而 努 力 地 搬 运 着 这 种 庞 大 而 又 沉 重 的 表 格 式 方 砖, 而 他 们 的 文 章 尚 未 发 表 但 狄 拉 克 是 不 想 做 这 种 苦 力 的, 他 轻 易 地 透 过 海 森 堡 的 表 格, 把 握 住 了 这 种 代 数 的 实 质 不 遵 守 交 换 率,

70 这 让 我 想 起 了 什 么? 狄 拉 克 的 脑 海 里 闪 过 一 个 名 词, 他 以 前 在 上 某 一 门 动 力 学 课 的 时 候, 似 乎 听 说 过 一 种 运 算, 同 样 不 符 合 乘 法 交 换 率 但 他 还 不 是 十 分 确 定, 他 甚 至 连 那 种 运 算 的 定 义 都 给 忘 了 那 天 是 星 期 天, 所 有 的 图 书 馆 都 关 门 了, 这 让 狄 拉 克 急 得 像 热 锅 上 的 蚂 蚁 第 二 天 一 早, 图 书 馆 刚 刚 开 门, 他 就 冲 了 进 去, 果 然, 那 正 是 他 所 要 的 东 西 : 它 的 名 字 叫 做 泊 松 括 号 我 们 还 在 第 一 章 讨 论 光 和 菲 涅 尔 的 时 候, 就 谈 到 过 泊 松, 还 有 著 名 的 泊 松 光 斑 泊 松 括 号 也 是 这 位 法 国 科 学 家 的 杰 出 贡 献, 不 过 我 们 在 这 里 没 有 必 要 深 入 它 的 数 学 意 义 总 之, 狄 拉 克 发 现, 我 们 不 必 花 九 牛 二 虎 之 力 去 搬 弄 一 个 晦 涩 的 矩 阵, 以 此 来 显 示 和 经 典 体 系 的 决 裂 我 们 完 全 可 以 从 经 典 的 泊 松 括 号 出 发, 建 立 一 种 新 的 代 数 这 种 代 数 同 样 不 符 合 乘 法 交 换 率, 狄 拉 克 把 它 称 作 q 数 (q 表 示 奇 异 或 者 量 子 ) 我 们 的 动 量 位 置 能 量 时 间 等 等 概 念, 现 在 都 要 改 造 成 这 种 q 数 而 原 来 那 些 老 体 系 里 的 符 合 交 换 率 的 变 量, 狄 拉 克 把 它 们 称 作 c 数 (c 代 表 普 通 ) 看 狄 拉 克 说, 海 森 堡 的 最 后 方 程 当 然 是 对 的, 但 我 们 不 用 他 那 种 大 惊 小 怪, 牵 强 附 会 的 方 式, 也 能 够 得 出 同 样 的 结 果 用 我 的 方 式, 同 样 能 得 出 xy-yx 的 差 值, 只 不 过 把 那 个 让 人 看 了 生 厌 的 矩 阵 换 成 我 们 的 经 典 泊 松 括 号 [x,y] 罢 了 然 后 把 它 用 于 经 典 力 学 的 哈 密 顿 函 数, 我 们 可 以 顺 理 成 章 地 导 出 能 量 守 恒 条 件 和 玻 尔 的 频 率 条 件 重 要 的 是, 这 清 楚 地 表 明 了, 我 们 的 新 力 学 和 经 典 力 学 是 一 脉 相 承 的, 是 旧 体 系 的 一 个 扩 展 c 数 和 q 数, 可 以 以 清 楚 的 方 式 建 立 起 联 系 来 狄 拉 克 把 论 文 寄 给 海 森 堡, 海 森 堡 热 情 地 赞 扬 了 他 的 成 就, 不 过 带 给 狄 拉 克 一 个 糟 糕 的 消 息 : 他 的 结 果 已 经 在 德 国 由 波 恩 和 约 尔 当 作 出 了, 是 通 过 矩 阵 的 方 式 得 到 的 想 来 狄 拉 克 一 定 为 此 感 到 很 郁 闷, 因 为 显 然 他 的 法 子 更 简 洁 明 晰 随 后 狄 拉 克 又 出 色 地 证 明 了 新 力 学 和 氢 分 子 实 验 数 据 的 吻 合, 他 又 一 次 郁 闷 了 -- 泡 利 比 他 快 了 一 点 点, 五 天 而 已 哥 廷 根 的 这 帮 家 伙, 海 森 堡, 波 恩, 约 尔 当, 泡 利, 他 们 是 大 军 团 联 合 作 战, 而 狄 拉 克 在 剑 桥 则 是 孤 军 奋 斗, 因 为 在 英 国 懂 得 量 子 力 学 的 人 简 直 屈 指 可 数 但 是, 虽 然 狄 拉 克 慢 了 那 么 一 点, 但 每 一 次 他 的 理 论 都 显 得 更 为 简 洁 优 美 深 刻 而 且, 上 天 很 快 会 给 他 新 的 机 会, 让 他 的 名 字 在 历 史 上 取 得 不 逊 于 海 森 堡 波 恩 等 人 的 地 位 现 在, 在 旧 的 经 典 体 系 的 废 墟 上, 矗 立 起 了 一 种 新 的 力 学, 由 海 森 堡 为 它 奠 基, 波 恩, 约 尔 当 用 矩 阵 那 实 心 的 砖 块 为 它 建 造 了 坚 固 的 主 体, 而 狄 拉 克 的 优 美 的 q 数 为 它 做 了 最 好 的 装 饰 现 在, 唯 一 缺 少 的 就 是 一 个 成 功 的 广 告 和 落 成 典 礼, 把 那 些 还 在 旧 废 墟 上 唉 声 叹 气 的 人 们 都 吸 引 到 新 大 厦 里 来 定 居 这 个 庆 典 在 海 森 堡 取 得 突 破 后 3 个 月 便 召 开 了, 它 的 主 题 叫 做 电 子 自 旋 我 们 还 记 得 那 让 人 头 痛 的 反 常 塞 曼 效 应, 这 种 复 杂 现 象 要 求 引 进 1/2 的 量 子 数 为 此, 泡 利 在 1925 年 初 提 出 了 他 那 著 名 的 不 相 容 原 理 的 假 设, 我 们 前 面 已 经 讨 论 过, 这 个 规 定 是 说, 在 原 子 大 厦 里, 每 一 间 房 间 都 有 一 个 4 位 数 的 门 牌 号 码, 而 每 间 房 只 能 入 住 一 个 电 子 所 以 任 何 两 个 电 子 也 不 能 共 享 同 一 组 号 码 这 个 4 位 数 的 号 码, 其 每 一 位 都 代 表 了 电 子 的 一 个 量 子 数 当 时 人 们 已 经 知 道 电 子 有 3 个 量 子 数, 这 第 四 个 是 什 么, 便 成 了 众 说 纷 纭 的 谜 题 不 相 容 原 理 提 出 后 不 久, 当 时 在 哥 本 哈 根 访 问 的 克 罗 尼 格 (Ralph Kronig) 想 到 了 一 种 可 能 : 就 是 把 这 第 四 个 自 由 度 看 成 电 子 绕 着

71 自 己 的 轴 旋 转 他 找 到 海 森 堡 和 泡 利, 提 出 了 这 一 思 路, 结 果 遭 到 两 个 德 国 年 轻 人 的 一 致 反 对 因 为 这 样 就 又 回 到 了 一 种 图 像 化 的 电 子 概 念 那 里, 把 电 子 想 象 成 一 个 实 实 在 在 的 小 球, 而 违 背 了 我 们 从 观 察 和 数 学 出 发 的 本 意 了 如 果 电 子 真 是 这 样 一 个 带 电 小 球 的 话, 在 麦 克 斯 韦 体 系 里 是 不 稳 定 的, 再 说 也 违 反 相 对 论 -- 它 的 表 面 旋 转 速 度 要 高 于 光 速 到 了 1925 年 秋 天, 自 旋 的 假 设 又 在 荷 兰 莱 顿 大 学 的 两 个 学 生, 乌 仑 贝 克 (George Eugene Uhlenbeck) 和 古 德 施 密 特 (Somul Abraham Goudsmit) 那 里 死 灰 复 燃 了 当 然, 两 人 不 知 道 克 罗 尼 格 曾 经 有 过 这 样 的 意 见, 他 们 是 在 研 究 光 谱 的 时 候 独 立 产 生 这 一 想 法 的 于 是 两 人 找 到 导 师 埃 仑 费 斯 特 (Paul Ehrenfest) 征 求 意 见 埃 仑 费 斯 特 也 不 是 很 确 定, 他 建 议 两 人 先 写 一 个 小 文 章 发 表 于 是 两 人 当 真 写 了 一 个 短 文 交 给 埃 仑 费 斯 特, 然 后 又 去 求 教 于 老 资 格 的 洛 仑 兹 洛 仑 兹 帮 他 们 算 了 算, 结 果 在 这 个 模 型 里 电 子 表 面 的 速 度 达 到 了 光 速 的 10 倍 两 人 大 吃 一 惊, 风 急 火 燎 地 赶 回 大 学 要 求 撤 销 那 篇 短 文, 结 果 还 是 晚 了, 埃 仑 费 斯 特 早 就 给 Nature 杂 志 寄 了 出 去 据 说, 两 人 当 时 懊 恼 得 都 快 哭 了, 埃 仑 费 斯 特 只 好 安 慰 他 们 说 : 你 们 还 年 轻, 做 点 蠢 事 也 没 关 系 还 好, 事 情 并 没 有 想 象 的 那 么 糟 糕 玻 尔 首 先 对 此 表 示 赞 同, 海 森 堡 用 新 的 理 论 去 算 了 算 结 果 后, 也 转 变 了 反 对 的 态 度 到 了 1926 年, 海 森 堡 已 经 在 说 : 如 果 没 有 古 德 施 密 特, 我 们 真 不 知 该 如 何 处 理 塞 曼 效 应 一 些 技 术 上 的 问 题 也 很 快 被 解 决 了, 比 如 有 一 个 系 数 2, 一 直 和 理 论 所 抵 触, 结 果 在 玻 尔 研 究 所 访 问 的 美 国 物 理 学 家 托 马 斯 发 现 原 来 人 们 都 犯 了 一 个 计 算 错 误, 而 自 旋 模 型 是 正 确 的 很 快 海 森 堡 和 约 尔 当 用 矩 阵 力 学 处 理 了 自 旋, 结 果 大 获 全 胜, 很 快 没 有 人 怀 疑 自 旋 的 正 确 性 了 哦, 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, 决 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 但 是, 无 论 如 何,1926 年 海 森 堡 和 约 尔 当 的 成 功 不 仅 是 电 子 自 旋 模 型 的 胜 利, 更 是 新 生 的 矩 阵 力 学 的 胜 利 不 久 海 森 堡 又 天 才 般 地 指 出 了 解 决 有 着 两 个 电 子 的 原 子 -- 氦 原 子 的 道 路, 使 得 新 体 系 的 威 力 再 次 超 越 了 玻 尔 的 老 系 统, 把 它 的 疆 域 扩 大 到 以 前 未 知 的 领 域 中 已 经 在 迷 雾 和 荆 棘 中 彷 徨 了 好 几 年 的 物 理 学 家 们 这 次 终 于 可 以 扬 眉 吐 气, 把 长 久 郁 积 的 坏 心 情 一 扫 而 空, 好 好 地 呼 吸 一 下 那 新 鲜 的 空 气 但 是, 人 们 还 没 有 来 得 及 歇 一 歇 脚, 欣 赏 一 下 周 围 的 风 景, 为 目 前 的 成 就 自 豪 一 下, 我 们 的 快 艇 便 又 要 前 进 了 物 理 学 正 处 在 激 流 之 中, 它 飞 流 直 下, 一 泻 千 里, 带 给 人 晕 眩 的 速 度 和 刺 激 自 牛 顿 起 250 年 来, 科 学 从 没 有 在 哪 个 时 期 可 以 像 如 今 这 般 翻 天 覆 地, 健 步 如 飞 量 子 的 力 量 现 在 已 经 完 全 苏 醒 了, 在 接 下 来 的 3 年 间, 它 将 改 变 物 理 学 的 一 切, 在 人 类 的 智 慧 中 刻 下 最 深 的 烙 印, 并 影 响 整 个 20 世 纪 的 面 貌 当 乌 仑 贝 克 和 古 德 施 密 特 提 出 自 旋 的 时 候, 玻 尔 正 在 去 往 莱 登 (Leiden) 的 路 上 当 他 的 火 车

72 到 达 汉 堡 的 时 候, 他 发 现 泡 利 和 斯 特 恩 (Stern) 站 在 站 台 上, 只 是 想 问 问 他 关 于 自 旋 的 看 法, 玻 尔 不 大 相 信, 但 称 这 很 有 趣 到 达 莱 登 以 后, 他 又 碰 到 了 爱 因 斯 坦 和 埃 仑 费 斯 特, 爱 因 斯 坦 详 细 地 分 析 了 这 个 理 论, 于 是 玻 尔 改 变 了 看 法 在 回 去 的 路 上, 玻 尔 先 经 过 哥 廷 根, 海 森 堡 和 约 尔 当 站 在 站 台 上 同 样 的 问 题 : 怎 么 看 待 自 旋? 最 后, 当 玻 尔 的 火 车 抵 达 柏 林, 泡 利 又 站 在 了 站 台 上 -- 他 从 汉 堡 一 路 赶 到 柏 林, 想 听 听 玻 尔 一 路 上 有 了 什 么 看 法 的 变 化 人 们 后 来 回 忆 起 那 个 年 代, 简 直 像 是 在 讲 述 一 个 童 话 物 理 学 家 们 一 个 个 都 被 洪 流 冲 击 得 站 不 住 脚 : 节 奏 快 得 几 乎 不 给 人 喘 息 的 机 会, 爆 炸 性 的 概 念 一 再 地 被 提 出, 每 一 个 都 足 以 改 变 整 个 科 学 的 面 貌 但 是, 每 一 个 人 都 感 到 深 深 的 骄 傲 和 自 豪, 在 理 论 物 理 的 黄 金 年 代, 能 够 扮 演 历 史 舞 台 上 的 那 一 个 角 色 人 们 常 说, 时 势 造 英 雄, 在 量 子 物 理 的 大 发 展 时 代, 英 雄 们 的 确 留 下 了 最 最 伟 大 的 业 绩, 永 远 让 后 人 心 神 向 往 回 到 我 们 的 史 话 中 来 现 在, 花 开 两 朵, 各 表 一 支 我 们 去 看 看 量 子 论 是 如 何 沿 着 另 一 条 完 全 不 同 的 思 路, 取 得 同 样 伟 大 的 突 破 的 yutian 回 复 于 : :18:56 第 六 章 大 一 统 一 castor_v_pollux 一 当 年 轻 气 盛 的 海 森 堡 在 哥 廷 根 披 荆 斩 棘 的 时 候, 埃 尔 文? 薛 定 谔 (Erwin Schrodinger) 已 经 是 瑞 士 苏 黎 世 大 学 的 一 位 有 名 望 的 教 授 当 然, 相 比 海 森 堡 来 说, 薛 定 谔 只 能 算 是 大 器 晚 成 这 位 出 生 于 维 也 纳 的 奥 地 利 人 并 没 有 海 森 堡 那 么 好 的 运 气, 在 一 个 充 满 了 顶 尖 精 英 人 物 的 环 境 里 求 学, 而 几 次 在 战 争 中 的 服 役 也 阻 碍 了 他 的 学 术 研 究 但 不 管 怎 样, 薛 定 谔 的 物 理 天 才 仍 然 得 到 了 很 好 的 展 现, 他 在 光 学 电 磁 学 分 子 运 动 理 论 固 体 和 晶 体 的 动 力 学 方 面 都 作 出 过 突 出 的 贡 献, 这 一 切 使 得 苏 黎 世 大 学 于 1921 年 提 供 给 他 一 份 合 同, 聘 其 为 物 理 教 授 而 从 1924 年 起, 薛 定 谔 开 始 对 量 子 力 学 和 统 计 理 论 感 到 兴 趣, 从 而 把 研 究 方 向 转 到 这 上 面 来 和 玻 尔 还 有 海 森 堡 他 们 不 同, 薛 定 谔 并 不 想 在 原 子 那 极 为 复 杂 的 谱 线 迷 宫 里 奋 力 冲 突, 撞 得 头 破 血 流 他 的 灵 感, 直 接 来 自 于 德 布 罗 意 那 巧 妙 绝 伦 的 工 作 我 们 还 记 得,1923 年, 德 布 罗 意 的 研 究 揭 示 出, 伴 随 着 每 一 个 运 动 的 电 子, 总 是 有 一 个 如 影 随 形 的 相 波 这 一 方 面 为 物 质 的 本 性 究 竟 是 粒 子 还 是 波 蒙 上 了 更 为 神 秘 莫 测 的 面 纱, 但 同 时 也 已 经 提 供 通 往 最 终 答 案 的 道 路 薛 定 谔 还 是 从 爱 因 斯 坦 的 文 章 中 得 知 德 布 罗 意 的 工 作 的 他 在 1925 年 11 月 3 日 写 给 爱 因 斯 坦 的 信 中 说 : 几 天 前 我 怀 着 最 大 的 兴 趣 阅 读 了 德 布 罗 意 富 有 独 创 性 的 论 文, 并 最 终 掌 握 了 它 我 是 从 你 那 关 于 简 并 气 体 的 第 二 篇 论 文 的 第 8 节 中 第 一 次 了 解 它 的 把 每 一 个 粒 子 都 看 作 是 类 波 的 思 想 对 薛 定 谔 来 说 极 为 迷 人, 他 很 快 就 在 气 体 统 计 力 学 中 应 用 这 一 理 论, 并 发 表 了 一 篇 题 为 论 爱 因 斯 坦 的 气 体 理 论 的 论 文 这 是 他 创 立 波 动 力 学 前 的 最 后 一 篇 论 文, 当 时 距 离 那 个 伟 大 的 时 刻 已 经 只 有 一 个 月 从 中 可 以 看 出, 德 布 罗 意 的 思 想 已 经 最 大 程 度 地 获 取 了 薛 定 谔 的 信 任, 他 开 始 相 信, 只 有 通 过 这 种 波 的 办 法, 才 能 够 到 达 人 们 所 苦 苦 追 寻 的 那 个 目 标

73 1925 年 的 圣 诞 很 快 到 来 了, 美 丽 的 阿 尔 卑 斯 山 上 白 雪 皑 皑, 吸 引 了 各 地 的 旅 游 度 假 者 薛 定 谔 一 如 既 往 地 来 到 了 他 以 前 常 去 的 那 个 地 方 : 海 拔 1700 米 高 的 阿 罗 萨 (Arosa) 自 从 他 和 安 妮 玛 丽? 伯 特 尔 (Annemarie Bertel) 在 1920 年 结 婚 后, 两 人 就 经 常 来 这 里 度 假 薛 定 谔 的 生 活 有 着 近 乎 刻 板 的 规 律, 他 从 来 不 让 任 何 事 情 干 扰 他 的 假 期 而 每 次 夫 妇 俩 来 到 阿 罗 萨 的 时 候, 总 是 住 在 赫 维 格 别 墅, 这 是 一 幢 有 着 尖 顶 的, 四 层 楼 的 小 屋 不 过 1925 年, 来 的 却 只 有 薛 定 谔 一 个 人, 安 妮 留 在 了 苏 黎 世 当 时 他 们 的 关 系 显 然 极 为 紧 张, 不 止 一 次 地 谈 论 着 分 手 以 及 离 婚 的 事 宜 薛 定 谔 写 信 给 维 也 纳 的 一 位 旧 日 的 女 朋 友, 让 她 来 阿 罗 萨 陪 伴 自 己 这 位 神 秘 女 郎 的 身 份 始 终 是 个 谜 题, 二 战 后 无 论 是 科 学 史 专 家 还 是 八 卦 新 闻 记 者, 都 曾 经 竭 尽 所 能 地 去 求 证 她 的 真 面 目, 却 都 没 有 成 功 薛 定 谔 当 时 的 日 记 已 经 遗 失 了, 而 从 留 下 的 蛛 丝 马 迹 来 看, 她 又 不 像 任 何 一 位 已 知 的 薛 定 谔 的 情 人 但 有 一 件 事 是 肯 定 的 : 这 位 神 秘 女 郎 极 大 地 激 发 了 薛 定 谔 的 灵 感, 使 得 他 在 接 下 来 的 12 个 月 里 令 人 惊 异 地 始 终 维 持 着 一 种 极 富 创 造 力 和 洞 察 力 的 状 态, 并 接 连 不 断 地 发 表 了 六 篇 关 于 量 子 力 学 的 主 要 论 文 薛 定 谔 的 同 事 在 回 忆 的 时 候 总 是 说, 薛 定 谔 的 伟 大 工 作 是 在 他 生 命 中 一 段 情 欲 旺 盛 的 时 期 做 出 的 从 某 种 程 度 上 来 说, 科 学 还 要 小 小 地 感 谢 一 下 这 位 不 知 名 的 女 郎 回 到 比 较 严 肃 的 话 题 上 来 在 咀 嚼 了 德 布 罗 意 的 思 想 后, 薛 定 谔 决 定 把 它 用 到 原 子 体 系 的 描 述 中 去 我 们 都 已 经 知 道, 原 子 中 电 子 的 能 量 不 是 连 续 的, 它 由 原 子 的 分 立 谱 线 而 充 分 地 证 实 为 了 描 述 这 一 现 象, 玻 尔 强 加 了 一 个 分 立 能 级 的 假 设, 海 森 堡 则 运 用 他 那 庞 大 的 矩 阵, 经 过 复 杂 的 运 算 后 导 出 了 这 一 结 果 现 在 轮 到 薛 定 谔 了, 他 说, 不 用 那 么 复 杂, 也 不 用 引 入 外 部 的 假 设, 只 要 把 我 们 的 电 子 看 成 德 布 罗 意 波, 用 一 个 波 动 方 程 去 表 示 它, 那 就 行 了 薛 定 谔 一 开 始 想 从 建 立 在 相 对 论 基 础 上 的 德 布 罗 意 方 程 出 发, 将 其 推 广 到 束 缚 粒 子 中 去 为 此 他 得 出 了 一 个 方 程, 不 过 不 太 令 人 满 意, 因 为 没 有 考 虑 到 电 子 自 旋 的 情 况 当 时 自 旋 刚 刚 发 现 不 久, 薛 定 谔 还 对 其 一 知 半 解 于 是, 他 回 过 头 来, 从 经 典 力 学 的 哈 密 顿 - 雅 可 比 方 程 出 发, 利 用 变 分 法 和 德 布 罗 意 公 式, 最 后 求 出 了 一 个 非 相 对 论 的 波 动 方 程, 用 希 腊 字 母 ψ 来 代 表 波 的 函 数, 最 终 形 式 是 这 样 的 : ψ[8(π^2)m/h^2] (E - V)ψ= 0 这 便 是 名 震 整 部 20 世 纪 物 理 史 的 薛 定 谔 波 函 数 当 然 对 于 一 般 的 读 者 来 说 并 没 有 必 要 去 探 讨 数 学 上 的 详 细 意 义, 我 们 只 要 知 道 一 些 符 号 的 含 义 就 可 以 了 三 角 叫 做 拉 普 拉 斯 算 符, 代 表 了 某 种 微 分 运 算 h 是 我 们 熟 知 的 普 朗 克 常 数 E 是 体 系 总 能 量,V 是 势 能, 在 原 子 里 也 就 是 -e^2/r 在 边 界 条 件 确 定 的 情 况 下 求 解 这 个 方 程, 我 们 可 以 算 出 E 的 解 来 如 果 我 们 求 解 方 程 sin(x)=0, 答 案 将 会 是 一 组 数 值,x 可 以 是 0,π,2π, 或 者 是 nπ sin(x) 的 函 数 是 连 续 的, 但 方 程 的 解 却 是 不 连 续 的, 依 赖 于 整 数 n 同 样, 我 们 求 解 薛 定 谔 方 程 中 的 E, 也 将 得 到 一 组 分 立 的 答 案, 其 中 包 含 了 量 子 化 的 特 征 : 整 数 n 我 们 的 解 精 确 地 吻 合 于 实 验, 原 子 的 神 秘 光 谱 不 再 为 矩 阵 力 学 所 专 美, 它 同 样 可 以 从 波 动 方 程 中 被 自 然 地 推 导 出 来 现 在, 我 们 能 够 非 常 形 象 地 理 解 为 什 么 电 子 只 能 在 某 些 特 定 的 能 级 上 运 行 了 电 子 有 着 一 个 内 在 的 波 动 频 率, 我 们 想 象 一 下 吉 他 上 一 根 弦 的 情 况 : 当 它 被 拨 动 时, 它 便 振 动 起 来 但 因

74 为 吉 他 弦 的 两 头 是 固 定 的, 所 以 它 只 能 形 成 整 数 个 波 节 如 果 一 个 波 长 是 20 厘 米, 那 么 弦 的 长 度 显 然 只 能 是 20 厘 米 40 厘 米 60 厘 米 而 不 可 以 是 50 厘 米 因 为 那 就 包 含 了 半 个 波, 从 而 和 它 被 固 定 的 两 头 互 相 矛 盾 假 如 我 们 的 弦 形 成 了 某 种 圆 形 的 轨 道, 就 像 电 子 轨 道 那 样, 那 么 这 种 轨 道 的 大 小 显 然 也 只 能 是 某 些 特 定 值 如 果 一 个 波 长 20 厘 米, 轨 道 的 周 长 也 就 只 能 是 20 厘 米 的 整 数 倍, 不 然 就 无 法 头 尾 互 相 衔 接 了 从 数 学 上 来 说, 这 个 函 数 叫 做 本 征 函 数 (Eigenfunction), 求 出 的 分 立 的 解 叫 做 本 征 值 (Eigenvalue) 所 以 薛 定 谔 的 论 文 叫 做 量 子 化 是 本 征 值 问 题, 从 1926 年 1 月 起 到 6 月, 他 一 连 发 了 四 篇 以 此 为 题 的 论 文, 从 而 彻 底 地 建 立 了 另 一 种 全 新 的 力 学 体 系 -- 波 动 力 学 在 这 四 篇 论 文 中 间, 他 还 写 了 一 篇 从 微 观 力 学 到 宏 观 力 学 的 连 续 过 渡 的 论 文, 证 明 古 老 的 经 典 力 学 只 是 新 生 的 波 动 力 学 的 一 种 特 殊 表 现, 它 完 全 地 被 包 容 在 波 动 力 学 内 部 薛 定 谔 的 方 程 一 出 台, 几 乎 全 世 界 的 物 理 学 家 都 为 之 欢 呼 普 朗 克 称 其 为 划 时 代 的 工 作, 爱 因 斯 坦 说 : 您 的 想 法 源 自 于 真 正 的 天 才 您 的 量 子 方 程 已 经 迈 出 了 决 定 性 的 一 步 埃 仑 费 斯 特 说 : 我 为 您 的 理 论 和 其 带 来 的 全 新 观 念 所 着 迷 在 过 去 的 两 个 礼 拜 里, 我 们 的 小 组 每 天 都 要 在 黑 板 前 花 上 几 个 小 时, 试 图 从 一 切 角 度 去 理 解 它 薛 定 谔 的 方 程 通 俗 形 象, 简 明 易 懂, 当 人 们 从 矩 阵 那 陌 生 的 迷 宫 里 抬 起 头 来, 再 次 看 到 自 己 熟 悉 的 以 微 分 方 程 所 表 达 的 系 统 时, 他 们 都 像 闻 到 了 故 乡 泥 土 的 芬 芳, 有 一 种 热 泪 盈 眶 的 冲 动 但 是, 这 种 新 体 系 显 然 也 已 经 引 起 了 矩 阵 方 面 的 注 意, 哥 廷 根 和 哥 本 哈 根 的 那 些 人, 特 别 是 海 森 堡 本 人, 显 然 对 这 种 通 俗 的 解 释 是 不 满 意 的 海 森 堡 在 写 给 泡 利 的 信 中 说 : 我 越 是 思 考 薛 定 谔 理 论 的 物 理 意 义, 就 越 感 到 厌 恶 薛 定 谔 对 于 他 那 理 论 的 形 象 化 的 描 述 是 毫 无 意 义 的, 换 一 种 说 法, 那 纯 粹 是 一 个 Mist Mist 这 个 德 文, 基 本 上 相 当 于 英 语 里 的 bullshit 或 者 crap 薛 定 谔 也 毫 不 客 气, 在 论 文 中 他 说 : 我 的 理 论 是 从 德 布 罗 意 那 里 获 得 灵 感 的 我 不 知 道 它 和 海 森 堡 有 任 何 继 承 上 的 关 系 我 当 然 知 道 海 森 堡 的 理 论, 它 是 一 种 缺 乏 形 象 化 的, 极 为 困 难 的 超 级 代 数 方 法 我 即 使 不 完 全 排 斥 这 种 理 论, 至 少 也 对 此 感 到 沮 丧 矩 阵 力 学, 还 是 波 动 力 学? 全 新 的 量 子 论 诞 生 不 到 一 年, 很 快 已 经 面 临 内 战 yutian 回 复 于 : :20:07 第 六 章 大 一 统 二 castor_v_pollux 二 回 顾 一 下 量 子 论 在 发 展 过 程 中 所 经 历 的 两 条 迥 异 的 道 路 是 饶 有 趣 味 的 第 一 种 办 法 的 思 路 是 直 接 从 观 测 到 的 原 子 谱 线 出 发, 引 入 矩 阵 的 数 学 工 具, 用 这 种 奇 异 的 方 块 去 建 立 起 整 个 新 力 学 的 大 厦 来 它 强 调 观 测 到 的 分 立 性, 跳 跃 性, 同 时 又 坚 持 以 数 学 为 唯 一 导 向, 不 为 日 常 生

75 活 的 直 观 经 验 所 迷 惑 但 是, 如 果 追 究 根 本 的 话, 它 所 强 调 的 光 谱 线 及 其 非 连 续 性 的 一 面, 始 终 可 以 看 到 微 粒 势 力 那 隐 约 的 身 影 这 个 理 论 的 核 心 人 物 自 然 是 海 森 堡, 波 恩, 约 尔 当, 而 他 们 背 后 的 精 神 力 量, 那 位 幕 后 的 教 皇, 则 无 疑 是 哥 本 哈 根 的 那 位 伟 大 的 尼 尔 斯? 玻 尔 这 些 关 系 密 切 的 科 学 家 们 集 中 资 源 和 火 力, 组 成 一 个 坚 强 的 战 斗 集 体, 在 短 时 间 内 取 得 突 破, 从 而 建 立 起 矩 阵 力 学 这 一 壮 观 的 堡 垒 来 而 沿 着 另 一 条 道 路 前 进 的 人 们 在 组 织 上 显 然 松 散 许 多 大 致 说 来, 这 是 以 德 布 罗 意 的 理 论 为 切 入 点, 以 薛 定 谔 为 主 将 的 一 个 派 别 而 在 波 动 力 学 的 创 建 过 程 中 起 到 关 键 的 指 导 作 用 的 爱 因 斯 坦, 则 是 他 们 背 后 的 精 神 领 袖 但 是 这 个 理 论 的 政 治 观 点 也 是 很 明 确 的 : 它 强 调 电 子 作 为 波 的 连 续 性 一 面, 以 波 动 方 程 来 描 述 它 的 行 为 它 热 情 地 拥 抱 直 观 的 解 释, 试 图 恢 复 经 典 力 学 那 种 形 象 化 的 优 良 传 统, 有 一 种 强 烈 的 复 古 倾 向, 但 革 命 情 绪 不 如 对 手 那 样 高 涨 打 个 不 太 恰 当 的 比 方, 矩 阵 方 面 提 倡 彻 底 的 激 进 的 改 革, 摒 弃 旧 理 论 的 直 观 性, 以 数 学 为 唯 一 基 础, 是 革 命 的 左 派 而 波 动 方 面 相 对 保 守, 它 强 调 继 承 性 和 古 典 观 念, 重 视 理 论 的 形 象 化 和 物 理 意 义, 是 革 命 的 右 派 这 两 派 的 大 战 将 交 织 在 之 后 量 子 论 发 展 的 每 一 步 中, 从 而 为 人 类 的 整 个 自 然 哲 学 带 来 极 为 深 远 的 影 响 在 上 一 节 中, 我 们 已 经 提 到, 海 森 堡 和 薛 定 谔 互 相 对 对 方 的 理 论 表 达 出 毫 不 掩 饰 的 厌 恶 ( 当 然, 他 们 私 人 之 间 是 无 怨 无 仇 的 ) 他 们 各 自 认 定, 自 己 的 那 套 方 法 才 是 唯 一 正 确 的 这 是 自 然 的 现 象, 因 为 矩 阵 力 学 和 波 动 力 学 看 上 去 是 那 样 地 不 同, 而 两 人 的 性 格 又 都 以 好 胜 和 骄 傲 闻 名 当 衰 败 的 玻 尔 理 论 退 出 历 史 舞 台, 留 下 一 个 权 力 真 空 的 时 候, 无 疑 每 个 人 都 想 占 有 那 一 份 无 上 的 光 荣 不 过 到 了 1926 年 4 月 份, 这 种 对 峙 至 少 在 表 面 上 有 了 缓 和, 薛 定 谔, 泡 利, 约 尔 当 都 各 自 证 明 了, 两 种 力 学 在 数 学 上 来 说 是 完 全 等 价 的! 事 实 上, 我 们 追 寻 它 们 各 自 的 家 族 史, 发 现 它 们 都 是 从 经 典 的 哈 密 顿 函 数 而 来, 只 不 过 一 个 是 从 粒 子 的 运 动 方 程 出 发, 一 个 是 从 波 动 方 程 出 发 罢 了 而 光 学 和 运 动 学, 早 就 已 经 在 哈 密 顿 本 人 的 努 力 下 被 联 系 在 了 一 起, 这 当 真 叫 做 本 是 同 根 生 了 很 快 人 们 已 经 知 道, 从 矩 阵 出 发, 可 以 推 导 出 波 动 函 数 的 表 达 形 式 来, 而 反 过 来, 从 波 函 数 也 可 以 导 出 我 们 的 矩 阵 1930 年, 狄 拉 克 出 版 了 那 本 经 典 的 量 子 力 学 教 材, 两 种 力 学 被 完 美 地 统 一 起 来, 作 为 一 个 理 论 的 不 同 表 达 形 式 出 现 在 读 者 面 前 但 是, 如 果 谁 以 为 从 此 就 天 下 太 平, 万 事 大 吉, 那 可 就 大 错 特 错 了 虽 然 两 种 体 系 在 形 式 上 已 经 归 于 统 一, 但 从 内 心 深 处 的 意 识 形 态 来 说, 它 们 之 间 的 分 歧 却 越 来 越 大, 很 快 就 形 成 了 不 可 逾 越 的 鸿 沟 数 学 上 的 一 致 并 不 能 阻 止 人 们 对 它 进 行 不 同 的 诠 释, 就 矩 阵 方 面 来 说, 它 的 本 意 是 粒 子 性 和 不 连 续 性 而 波 动 方 面 却 始 终 在 谈 论 波 动 性 和 连 续 性 波 粒 战 争 现 在 到 达 了 最 高 潮, 双 方 分 别 找 到 了 各 自 可 以 依 赖 的 政 府, 并 把 这 场 战 争 再 次 升 级 到 对 整 个 物 理 规 律 的 解 释 这 一 层 次 上 去 波, 只 有 波 才 是 唯 一 的 实 在 薛 定 谔 肯 定 地 说, 不 管 是 电 子 也 好, 光 子 也 好, 或 者 任 何 粒 子 也 好, 都 只 是 波 动 表 面 的 泡 沫 它 们 本 质 上 都 是 波, 都 可 以 用 波 动 方 程 来 表 达 基 本 的 运 动 方 式 绝 对 不 敢 苟 同 海 森 堡 反 驳 道, 物 理 世 界 的 基 本 现 象 是 离 散 性, 或 者 说 不 连 续 性 大 量 的 实 验 事 实 证 明 了 这 一 点 : 从 原 子 的 光 谱, 到 康 普 顿 的 实 验, 从 光 电 现 象, 到 原 子 中 电 子 在 能 级 间 的 跳 跃, 都 无 可 辩 驳 地 显 示 出 大 自 然 是 不 连 续 的 你 那 波 动 方 程 当 然 在 数 学 上 是 一 个 可 喜 的 成 就, 但 我 们 必 须 认 识 到, 我 们 不 能 按 照 传 统 的 那 种 方 式 去 认 识 它 -- 它 不 是 那 个 意

76 思 恰 恰 相 反 薛 定 谔 说, 它 就 是 那 个 意 思 波 函 数 ψ( 读 作 psai) 在 各 个 方 向 上 都 是 连 续 的, 它 可 以 看 成 是 某 种 振 动 事 实 上, 我 们 必 须 把 电 子 想 象 成 一 种 驻 在 的 本 征 振 动, 所 谓 电 子 的 跃 迁, 只 不 过 是 它 振 动 方 式 的 改 变 而 已 没 有 什 么 轨 道, 也 没 有 什 么 能 级, 只 有 波 哈 哈 海 森 堡 嘲 笑 说, 你 恐 怕 对 你 自 己 的 ψ 是 个 什 么 东 西 都 没 有 搞 懂 吧? 它 只 是 在 某 个 虚 拟 的 空 间 里 虚 拟 出 来 的 函 数, 而 你 硬 要 把 它 想 象 成 一 种 实 在 的 波 事 实 上, 我 们 绝 不 能 被 日 常 的 形 象 化 的 东 西 所 误 导, 再 怎 么 说, 电 子 作 为 经 典 粒 子 的 行 为 你 是 不 能 否 认 的 没 错 薛 定 谔 还 是 不 肯 示 弱, 我 不 否 认 它 的 确 展 示 出 类 似 质 点 的 行 为 但 是, 就 像 一 个 椰 子 一 样, 如 果 你 敲 开 它 那 粒 子 的 坚 硬 的 外 壳, 你 会 发 现 那 里 面 还 是 波 动 的 柔 软 的 汁 水 电 子 无 疑 是 由 正 弦 波 组 成 的, 但 这 种 波 在 各 个 尺 度 上 伸 展 都 不 大, 可 以 看 成 一 个 波 包 当 这 种 波 包 作 为 一 个 整 体 前 进 时, 它 看 起 来 就 像 是 一 个 粒 子 可 是, 本 质 上, 它 还 是 波, 粒 子 只 不 过 是 波 的 一 种 衍 生 物 而 已 正 如 大 家 都 已 经 猜 到 的 那 样, 两 人 谁 也 无 法 说 服 对 方 1926 年 7 月, 薛 定 谔 应 邀 到 慕 尼 黑 大 学 讲 授 他 的 新 力 学, 海 森 堡 就 坐 在 下 面, 他 站 起 来 激 烈 地 批 评 薛 定 谔 的 解 释, 结 果 悲 哀 地 发 现 在 场 的 听 众 都 对 他 持 有 反 对 态 度 早 些 时 候, 玻 尔 原 来 的 助 手 克 莱 默 接 受 了 乌 特 勒 支 (Utrecht) 大 学 的 聘 书 而 离 开 哥 本 哈 根, 于 是 海 森 堡 成 了 这 个 位 置 的 继 任 者 -- 现 在 他 可 以 如 梦 想 的 那 样 在 玻 尔 的 身 边 工 作 了 玻 尔 也 对 薛 定 谔 那 种 回 归 经 典 传 统 的 理 论 观 感 到 不 安, 为 了 解 决 这 个 问 题, 他 邀 请 薛 定 谔 到 哥 本 哈 根 进 行 一 次 学 术 访 问, 争 取 在 交 流 中 达 成 某 种 一 致 意 见 9 月 底, 薛 定 谔 抵 达 哥 本 哈 根, 玻 尔 到 火 车 站 去 接 他 争 论 从 那 一 刻 便 已 经 展 开, 日 日 夜 夜, 无 休 无 止, 一 直 到 薛 定 谔 最 终 离 开 哥 本 哈 根 为 止 海 森 堡 后 来 在 他 的 部 分 与 整 体 一 书 中 回 忆 了 这 次 碰 面, 他 说, 虽 然 平 日 里 玻 尔 是 那 样 一 个 和 蔼 可 亲 的 人, 但 一 旦 他 卷 入 这 种 物 理 争 论, 他 看 起 来 就 像 一 个 偏 执 的 狂 热 者, 决 不 肯 妥 协 一 步 争 论 当 然 是 物 理 上 的 问 题, 但 在 很 大 程 度 上 已 经 变 成 了 哲 学 之 争 薛 定 谔 就 是 不 能 相 信, 一 种 无 法 想 象 的 理 论 有 什 么 实 际 意 义 而 玻 尔 则 坚 持 认 为, 图 像 化 的 概 念 是 不 可 能 用 在 量 子 过 程 中 的, 它 无 法 用 日 常 语 言 来 描 述 他 们 激 烈 地 从 白 天 吵 到 晚 上, 最 后 薛 定 谔 筋 疲 力 尽, 他 很 快 病 倒 了, 不 得 不 躺 到 床 上, 由 玻 尔 的 妻 子 玛 格 丽 特 来 照 顾 即 使 这 样, 玻 尔 仍 然 不 依 不 饶, 他 冲 进 病 房, 站 在 薛 定 谔 的 床 头 继 续 与 之 辩 论 当 然, 最 后 一 切 都 是 徒 劳, 谁 也 没 有 被 对 方 说 服 物 理 学 界 的 空 气 业 已 变 得 非 常 火 热 经 典 理 论 已 经 倒 塌 了, 现 在 矩 阵 力 学 和 波 动 力 学 两 座 大 厦 拔 地 而 起, 它 们 之 间 以 某 种 天 桥 互 相 联 系, 从 理 论 上 说 要 算 是 一 体 可 是, 这 两 座 大 厦 的 地 基 却 仍 然 互 不 关 联, 这 使 得 表 面 上 的 亲 善 未 免 有 那 么 一 些 口 是 心 非 的 味 道 而 且, 波 动 和 微 粒, 这 两 个 300 年 来 的 宿 敌 还 在 苦 苦 交 战, 不 肯 从 自 己 的 领 土 上 后 退 一 步 双 方 都 依 旧 宣 称 自 己 对 于 光 电, 还 有 种 种 物 理 现 象 拥 有 一 切 主 权, 而 对 手 是 非 法 武 装 势 力, 是 反 政 府 组 织 现 在 薛 定 谔 加 入 波 动 的 阵 营, 他 甚 至 为 波 动 提 供 了 一 部 完 整 的 宪 法, 也 就 是 他 的 波 动 方 程 在 薛 定 谔 看 来, 波 动 代 表 了 从 惠 更 斯, 杨 一 直 到 麦 克 斯 韦 的 旧 日 帝 国 的 光 荣, 而 这 种 贵 族 的 传 统 必 须 在 新 的 国 家 得 到 保 留 和 发 扬 薛 定 谔 相 信, 波 动 这 一 简 明 形 象 的 概 念 将 再 次 统 治 物 理 世 界, 从 而 把 一 切 都 归 结 到 一 个 统 一 的 图 像 里 去

77 不 幸 的 是, 薛 定 谔 猜 错 了 波 动 方 面 很 快 就 要 发 现, 他 们 的 宪 法 原 来 有 着 更 为 深 长 的 意 味 从 字 里 行 间, 我 们 可 以 读 出 一 些 隐 藏 的 意 思 来, 它 说, 天 下 为 公, 哪 一 方 也 不 能 独 占, 双 方 必 须 和 谈, 然 后 组 成 一 个 联 合 政 府 来 进 行 统 治 它 还 披 露 了 更 为 惊 人 的 秘 密 : 双 方 原 来 在 血 缘 上 有 着 密 不 可 分 的 关 系 最 后, 就 像 阿 尔 忒 弥 斯 庙 里 的 祭 司 所 作 出 的 神 喻, 它 预 言 在 这 种 联 合 统 治 下, 物 理 学 将 会 变 得 极 为 不 同 : 更 为 奇 妙, 更 为 神 秘, 更 为 繁 荣 好 一 个 精 彩 的 预 言 ********* 饭 后 闲 话 : 薛 定 谔 的 女 朋 友 2001 年 11 月, 剧 作 家 Matthew Wells 的 新 作 薛 定 谔 的 女 朋 友 (Schrodinger s Girfriend) 在 旧 金 山 著 名 的 Fort Mason Center 首 演 这 出 喜 剧 以 1926 年 薛 定 谔 在 阿 罗 萨 那 位 神 秘 女 友 的 陪 伴 下 创 立 波 动 力 学 这 一 历 史 为 背 景, 探 讨 了 爱 情 性, 还 有 量 子 物 理 的 关 系, 受 到 了 评 论 家 的 普 遍 好 评 今 年 (2003 年 ) 初, 这 个 剧 本 搬 到 东 岸 演 出, 同 样 受 到 欢 迎 近 年 来 形 成 了 一 股 以 科 学 人 物 和 科 学 史 为 题 材 的 话 剧 创 作 风 气, 除 了 这 出 薛 定 谔 的 女 朋 友 之 外, 恐 怕 更 有 名 的 就 是 那 个 东 尼 奖 得 主,Michael Frayn 的 哥 本 哈 根 了 不 过, 要 数 清 薛 定 谔 到 底 有 几 个 女 朋 友, 还 当 真 是 一 件 难 事 这 位 物 理 大 师 的 道 德 观 显 然 和 常 人 有 着 一 定 的 距 离, 他 的 古 怪 行 为 一 直 为 人 们 所 排 斥 1912 年, 他 差 点 为 了 喜 欢 的 一 个 女 孩 而 放 弃 学 术, 改 行 经 营 自 己 的 家 庭 公 司 ( 当 时 在 大 学 教 书 不 怎 么 赚 钱 ), 到 他 遇 上 安 妮 玛 丽 之 前, 薛 定 谔 总 共 爱 上 过 4 个 年 轻 女 孩, 而 且 主 要 是 一 种 精 神 上 的 恋 爱 关 系 对 此, 薛 定 谔 的 主 要 传 记 作 者 之 一,Walter Moore 辩 解 说, 不 能 把 它 简 单 地 看 成 一 种 放 纵 行 为 如 果 以 上 都 还 算 正 常, 婚 后 的 薛 定 谔 就 有 点 不 拘 礼 法 的 狂 放 味 道 了 他 和 安 妮 的 婚 姻 之 路 从 来 不 曾 安 定 和 谐, 两 人 终 生 也 没 有 孩 子 而 在 外 沾 花 惹 草 的 事, 薛 定 谔 恐 怕 没 有 少 做, 他 对 太 太 也 不 隐 瞒 这 一 点 安 妮, 反 过 来, 也 和 薛 定 谔 最 好 的 朋 友 之 一, 赫 尔 曼? 威 尔 (Hermann Weyl) 保 持 着 暧 昧 的 关 系 ( 威 尔 自 己 的 老 婆 却 又 迷 上 了 另 一 个 人, 真 是 天 昏 地 暗 ) 两 人 讨 论 过 离 婚, 但 安 妮 的 天 主 教 信 仰 和 昂 贵 的 手 续 费 事 实 上 阻 止 了 这 件 事 的 发 生 薛 定 谔 的 女 朋 友 一 剧 中 调 笑 说 : 到 底 是 波 - 粒 子 的 二 象 性 难 一 点 呢, 还 是 老 婆 - 情 人 的 二 象 性 更 难? 薛 定 谔, 按 照 某 种 流 行 的 说 法, 属 于 那 种 多 情 种 子 他 邀 请 别 人 来 做 他 的 助 手, 其 实 却 是 看 上 了 他 的 老 婆 这 个 女 人 (Hilde March) 后 来 为 他 生 了 一 个 女 儿, 令 人 惊 奇 的 是, 安 妮 却 十 分 乐 意 地 照 顾 这 个 婴 儿 薛 定 谔 和 这 两 个 女 子 公 开 同 居, 事 实 上 过 着 一 种 一 妻 一 妾 的 生 活 ( 这 个 妾 还 是 别 人 的 合 法 妻 子 ), 这 过 于 惊 世 骇 俗, 结 果 在 牛 津 和 普 林 斯 顿 都 站 不 住 脚, 只 好 走 人 他 的 风 流 史 还 可 以 开 出 一 长 串, 其 中 有 女 学 生 演 员 OL, 留 下 了 若 干 私 生 子 但 薛 定 谔 却 不 是 单 纯 的 欲 望 的 发 泄, 他 的 内 心 有 着 强 烈 的 罗 曼 蒂 克 式 的 冲 动, 按 照 段 正 淳 的 说 法, 和 每 个 女 子 在 一 起 时, 却 都 是 死 心 塌 地, 恨 不 得 把 心 掏 出 来, 为 之 谱 写 了 大 量 的 情 诗 我 希 望 大 家 不 要 认 为 我 过 于 八 卦, 事 实 上 对 情 史 的 分 析 是 薛 定 谔 研 究 中 的 重 要 内 容, 它 有 助 于 我 们 理 解 这 位 科 学 家 极 为 复 杂 的 内 在 心 理 和 带 有 个 人 色 彩 的 独 特 性 格 最 最 叫 人 惊 讶 的 是, 这 样 一 个 薛 定 谔 的 婚 姻 后 来 却 几 乎 得 到 了 完 美 的 结 局 尽 管 经 历 了 种 种

78 风 浪, 穿 越 重 重 险 滩, 他 和 安 妮 却 最 终 白 头 到 老, 真 正 像 在 誓 言 中 所 说 的 那 样 :to have and to hold, in sickness and in health, till death parts us 在 薛 定 谔 生 命 的 最 后 时 期, 两 人 早 已 达 成 了 谅 解, 安 妮 说 : 在 过 去 41 年 里 的 喜 怒 哀 乐 把 我 们 紧 紧 结 合 在 一 起, 这 最 后 几 年 我 们 也 不 想 分 开 了 薛 定 谔 临 终 时, 安 妮 守 在 他 的 床 前 握 住 他 的 手, 薛 定 谔 说 : 现 在 我 又 拥 有 了 你, 一 切 又 都 好 起 来 了 薛 定 谔 死 后 葬 在 Alpbach, 他 的 墓 地 不 久 就 被 皑 皑 白 雪 所 覆 盖 四 年 后, 安 妮 玛 丽? 薛 定 谔 也 停 止 了 呼 吸 yutian 回 复 于 : :20:44 第 六 章 大 一 统 三 castor_v_pollux 三 1926 年 中, 虽 然 矩 阵 派 和 波 动 派 还 在 内 心 深 处 相 互 不 服 气, 它 们 至 少 在 表 面 上 被 数 学 所 统 一 起 来 了 而 且, 不 出 意 外 地, 薛 定 谔 的 波 动 方 程 以 其 琅 琅 上 口, 简 明 易 学, 为 大 多 数 物 理 学 家 所 欢 迎 的 特 色, 很 快 在 形 式 上 占 得 了 上 风 海 森 堡 和 他 那 诘 屈 聱 牙 的 方 块 矩 阵 虽 然 不 太 乐 意, 也 只 好 接 受 现 实 事 实 证 明, 除 了 在 处 理 关 于 自 旋 的 几 个 问 题 时 矩 阵 占 点 优 势, 其 他 时 候 波 动 方 程 抢 走 了 几 乎 全 部 的 人 气 其 实 吗, 物 理 学 家 和 公 众 想 象 的 大 不 一 样, 很 少 有 人 喜 欢 那 种 又 难 又 怪 的 变 态 数 学, 既 然 两 种 体 系 已 经 被 证 明 在 数 学 上 具 有 同 等 性, 大 家 也 就 乐 得 选 那 个 看 起 来 简 单 熟 悉 的 甚 至 在 矩 阵 派 内 部, 波 动 方 程 也 受 到 了 欢 迎 首 先 是 海 森 堡 的 老 师 索 末 菲, 然 后 是 建 立 矩 阵 力 学 的 核 心 人 物 之 一, 海 森 堡 的 另 一 位 导 师 马 科 斯? 波 恩 波 恩 在 薛 定 谔 方 程 刚 出 炉 不 久 后 就 热 情 地 赞 叹 了 他 的 成 就, 称 波 动 方 程 是 量 子 规 律 中 最 深 刻 的 形 式 据 说, 海 森 堡 对 波 恩 的 这 个 叛 变 一 度 感 到 十 分 伤 心 但 是, 海 森 堡 未 免 多 虑 了, 波 恩 对 薛 定 谔 方 程 的 赞 许 并 不 表 明 他 选 择 和 薛 定 谔 站 在 同 一 条 战 壕 里 因 为 虽 然 方 程 确 定 了, 但 怎 么 去 解 释 它 却 是 一 个 大 大 不 同 的 问 题 首 先 人 们 要 问 的 就 是, 薛 定 谔 的 那 个 波 函 数 ψ( 再 提 醒 一 下, 这 个 希 腊 字 读 成 psai), 它 在 物 理 上 代 表 了 什 么 意 义? 我 们 不 妨 再 回 顾 一 下 薛 定 谔 创 立 波 动 方 程 的 思 路 : 他 是 从 经 典 的 哈 密 顿 方 程 出 发, 构 造 一 个 体 系 的 新 函 数 ψ 代 入, 然 后 再 引 用 德 布 罗 意 关 系 式 和 变 分 法, 最 后 求 出 了 方 程 及 其 解 答, 这 和 我 们 印 象 中 的 物 理 学 是 迥 然 不 同 的 通 常 我 们 会 以 为, 先 有 物 理 量 的 定 义, 然 后 才 谈 得 上 寻 找 它 们 的 数 学 关 系 比 如 我 们 懂 得 了 力 F, 加 速 度 a 和 质 量 m 的 概 念, 之 后 才 会 理 解 F=ma 的 意 义 但 现 代 物 理 学 的 路 子 往 往 可 能 是 相 反 的, 比 如 物 理 学 家 很 可 能 会 先 定 义 某 个 函 数 F, 让 F=ma, 然 后 才 去 寻 找 F 的 物 理 意 义, 发 现 它 原 来 是 力 的 量 度 薛 定 谔 的 ψ, 就 是 在 空 间 中 定 义 的 某 种 分 布 函 数, 只 是 人 们 还 不 知 道 它 的 物 理 意 义 是 什 么 这 看 起 来 颇 有 趣 味, 因 为 物 理 学 家 也 不 得 不 坐 下 来 猜 哑 谜 了 现 在 让 我 们 放 松 一 下, 想 象 自 己 在 某 个 晚 会 上, 主 持 人 安 排 了 一 个 趣 味 猜 谜 节 目 供 大 家 消 遣 女 士 们 先 生 们, 他 兴 高 采

79 烈 地 宣 布, 我 们 来 玩 一 个 猜 东 西 的 游 戏, 谁 先 猜 出 这 个 箱 子 里 藏 的 是 什 么, 谁 就 能 得 到 晚 会 上 的 最 高 荣 誉 大 家 定 睛 一 看, 那 个 大 箱 子 似 乎 沉 甸 甸 的, 还 真 像 藏 着 好 东 西, 箱 盖 上 古 色 古 香 写 了 几 个 大 字 : 薛 定 谔 方 程 好 吧, 可 是 什 么 都 看 不 见, 怎 么 猜 呢? 人 们 抱 怨 道 那 当 然 那 当 然 主 持 人 连 忙 说, 我 们 不 是 学 孙 悟 空 玩 隔 板 猜 物, 再 说 这 里 面 也 决 不 是 破 烂 溜 丢 一 口 钟, 那 可 是 货 真 价 实 的 关 系 到 整 个 物 理 学 的 宝 贝 嗯, 是 这 样 的, 虽 然 我 们 都 看 不 见 它, 但 它 的 某 些 性 质 却 是 可 以 知 道 的, 我 会 不 断 地 提 示 大 家, 看 谁 先 猜 出 来 众 人 一 阵 鼓 噪, 就 这 样 游 戏 开 始 了 这 件 东 西, 我 们 不 知 其 名, 强 名 之 曰 ψ 主 持 人 清 了 清 嗓 门 说, 我 可 以 告 诉 大 家 的 是, 它 代 表 了 原 子 体 系 中 电 子 的 某 个 函 数 下 面 顿 时 七 嘴 八 舌 起 来 : 能 量? 频 率? 速 度? 距 离? 时 间? 电 荷? 质 量? 主 持 人 不 得 不 提 高 嗓 门 喊 道 : 安 静, 安 静, 我 们 还 刚 刚 开 始 呢, 不 要 乱 猜 啊 从 现 在 开 始 谁 猜 错 了 就 失 去 参 赛 资 格 于 是 瞬 间 鸦 雀 无 声 好 主 持 人 满 意 地 说, 那 么 我 们 继 续 第 二 个 条 件 是 这 样 的 : 通 过 我 的 观 察, 我 发 现, 这 个 ψ 是 一 个 连 续 不 断 的 东 西 这 次 大 家 都 不 敢 说 话, 但 各 人 迅 速 在 心 里 面 做 了 排 除 既 然 是 连 续 不 断, 那 么 我 们 已 知 的 那 些 量 子 化 的 条 件 就 都 排 除 了 比 如 我 们 都 已 经 知 道 电 子 的 能 级 不 是 连 续 的, 那 ψ 看 起 来 不 像 是 这 个 东 西 接 下 来, 通 过 ψ 的 构 造 可 以 看 出, 这 是 一 个 没 有 量 纲 的 函 数 但 它 同 时 和 电 子 的 位 置 有 某 些 联 系, 对 于 每 一 个 电 子 来 说, 它 都 在 一 个 虚 拟 的 三 维 空 间 里 扩 展 开 去 话 说 到 这 里 好 些 人 已 经 糊 涂 了, 只 有 几 个 思 维 特 别 敏 捷 的 还 在 紧 张 地 思 考 总 而 言 之,ψ 如 影 随 形 地 伴 随 着 每 一 个 电 子, 在 它 所 处 的 那 个 位 置 上 如 同 一 团 云 彩 般 地 扩 散 开 来 这 云 彩 时 而 浓 厚 时 而 稀 薄, 但 却 是 按 照 某 种 确 定 的 方 式 演 化 而 且, 我 再 强 调 一 遍, 这 种 扩 散 及 其 演 化 都 是 经 典 的, 连 续 的, 确 定 的 于 是 众 人 都 陷 入 冥 思 苦 想 中, 一 点 头 绪 都 没 有 是 的, 云 彩, 这 个 比 喻 真 妙 这 时 候 一 个 面 容 瘦 削, 戴 着 夹 鼻 眼 睛 的 男 人 呵 呵 笑 着 站 起 来 说 主 持 人 赶 紧 介 绍 : 女 士 们 先 生 们, 这 位 就 是 薛 定 谔 先 生, 也 是 这 口 宝 箱 的 发 现 者 大 家 于 是 一 阵 鼓 掌, 然 后 屏 息 凝 神 地 听 他 要 发 表 什 么 高 见 嗯, 事 情 已 经 很 明 显 了,ψ 是 一 个 空 间 分 布 函 数 薛 定 谔 满 有 把 握 地 说, 当 它 和 电 子 的 电 荷 相 乘, 就 代 表 了 电 荷 在 空 间 中 的 实 际 分 布 云 彩, 尊 敬 的 各 位, 电 子 不 是 一 个 粒 子, 它 是 一 团 波, 像 云 彩 一 般 地 在 空 间 四 周 扩 展 开 去 我 们 的 波 函 数 恰 恰 描 述 了 这 种 扩 展 和 它 的 行 为 电 子 是 没 有 具 体 位 置 的, 它 也 没 有 具 体 的 路 径, 因 为 它 是 一 团 云, 是 一 个 波, 它 向 每 一 个 方 向 延 伸 -- 虽 然 衰 减 得 很 快, 这 使 它 粗 看 来 像 一 个 粒 子 女 士 们 先 生 们, 我 觉 得 这 个 发 现 的 最 大 意 义 就 是, 我 们 必 须 把 一 切 关 于 粒 子 的 假 相 都 从 头 脑 里 清 除 出 去, 不 管 是 电 子 也 好, 光 子 也 好, 什 么 什 么 子 也 好, 它 们 都 不 是 那 种 传 统 意 义 上 的 粒 子 把 它 们 拉 出 来 放 大, 仔 细 审 视 它 们, 你 会 发 现 它 在 空 间 里 融 化 开 来, 变 成 无 数 振 动 的 叠 加 是 的, 一 个 电 子, 它 是 涂 抹 开 的, 就 像 涂 在 面 包 上 的 黄 油 那 样, 它 平 时 蜷 缩 得 那 么 紧, 以 致 我 们 都 把 它 当 成 小 球, 但 是, 这 已 经 被 我 们 的 波 函 数 ψ 证 明 不 是 真 的 多 年 来 物 理 学 误 入 歧 途, 我 们 的 脑 袋 被 光 谱 线, 跃 迁, 能 级, 矩 阵 这 些 古 怪 的 东 西 搞 得 混 乱 不 堪, 现 在, 是 时 候 回 归 经 典 了

80 这 个 宝 箱, 薛 定 谔 指 着 那 口 大 箱 子 激 动 地 说, 是 一 笔 遗 产, 是 昔 日 传 奇 帝 国 的 所 罗 门 王 交 由 我 们 继 承 的 它 时 时 提 醒 我 们, 不 要 为 歪 门 邪 道 所 诱 惑, 走 到 无 法 回 头 的 岔 路 上 去 物 理 学 需 要 改 革, 但 不 能 允 许 思 想 的 混 乱, 我 们 已 经 听 够 了 奇 谈 怪 论, 诸 如 电 子 像 跳 蚤 一 般 地 在 原 子 里 跳 来 跳 去, 像 一 个 完 全 无 法 预 见 自 己 方 向 的 醉 汉 还 有 那 故 弄 玄 虚 的 所 谓 矩 阵, 没 人 知 道 它 包 含 什 么 物 理 含 义, 而 它 却 不 停 地 叫 嚷 自 己 是 物 理 学 的 正 统 不, 现 在 让 我 们 回 到 坚 实 的 土 地 上 来, 这 片 巨 人 们 曾 经 奋 斗 过 的 土 地, 这 片 曾 经 建 筑 起 那 样 雄 伟 构 筑 的 土 地, 这 片 充 满 了 骄 傲 和 光 荣 历 史 的 土 地 简 洁 明 晰 优 美 直 观 性 连 续 性 图 像 化, 这 是 物 理 学 王 国 中 的 胜 利 之 杖, 它 代 代 相 传, 引 领 我 们 走 向 胜 利 我 毫 不 怀 疑, 新 的 力 学 将 在 连 续 的 波 动 基 础 上 作 出, 把 一 切 都 归 于 简 单 的 图 像 中, 并 继 承 旧 王 室 的 血 统 这 决 不 是 守 旧, 因 为 这 种 血 统 同 时 也 是 承 载 了 现 代 科 学 300 年 的 灵 魂 这 是 物 理 学 的 象 征, 它 的 神 圣 地 位 决 不 容 许 受 到 撼 动, 任 何 人 也 不 行 薛 定 谔 这 番 雄 辩 的 演 讲 无 疑 深 深 感 染 了 在 场 的 绝 大 部 分 观 众, 因 为 人 群 中 爆 发 出 一 阵 热 烈 的 掌 声 和 喝 彩 声 但 是, 等 等, 有 一 个 人 在 不 断 地 摇 头, 显 得 不 以 为 然 的 样 子, 薛 定 谔 很 快 就 认 出, 那 是 哥 廷 根 的 波 恩, 海 森 堡 的 老 师 他 不 是 刚 刚 称 赞 过 自 己 的 方 程 吗? 难 道 海 森 堡 这 小 子 又 用 了 什 么 办 法 把 他 拉 拢 过 去 了 不 成? 嗯, 薛 定 谔 先 生, 波 恩 清 了 清 嗓 子 站 起 来 说, 首 先 我 还 是 要 对 您 的 发 现 表 示 由 衷 的 赞 叹, 这 无 疑 是 稀 世 奇 珍, 不 是 每 个 人 都 有 如 此 幸 运 做 出 这 样 伟 大 的 成 就 的 薛 定 谔 点 了 点 头, 心 情 放 松 了 一 点 但 是, 波 恩 接 着 说, 我 可 以 问 您 一 个 问 题 吗? 虽 然 这 是 您 找 到 的, 但 您 本 人 有 没 有 真 正 地 打 开 过 箱 子, 看 看 里 面 是 什 么 呢? 这 令 薛 定 谔 大 大 地 尴 尬, 他 踟 躇 了 好 一 会 儿 才 回 答 : 说 实 话, 我 也 没 有 真 正 看 见 过 里 面 的 东 西, 因 为 我 没 有 箱 子 的 钥 匙 众 人 一 片 惊 诧 如 果 是 这 样 的 话, 波 恩 小 心 翼 翼 地 说, 我 倒 以 为, 我 不 太 同 意 您 刚 才 的 猜 测 呢 哦? 两 个 人 对 视 了 一 阵, 薛 定 谔 终 于 开 口 说 : 那 么 您 以 为, 这 里 面 究 竟 是 什 么 东 西 呢? 毫 无 疑 问, 波 恩 凝 视 着 那 雕 满 了 古 典 花 纹 的 箱 子 和 它 上 面 那 把 沉 重 的 大 锁, 这 里 面 藏 着 一 些 至 关 紧 要 的 事 物, 它 的 力 量 足 以 改 变 整 个 物 理 学 的 面 貌 但 是, 我 也 有 一 种 预 感, 这 股 束 缚 着 的 力 量 是 如 此 强 大, 它 将 把 物 理 学 搞 得 天 翻 地 覆 当 然, 你 也 可 以 换 个 词 语 说, 为 物 理 学 带 来 无 边 的 混 乱 哦, 是 吗? 薛 定 谔 惊 奇 地 说, 照 这 么 说 来, 难 道 它 是 潘 多 拉 的 盒 子? 嗯 波 恩 点 了 点 头, 人 们 将 陷 入 困 惑 和 争 论 中, 物 理 学 会 变 成 一 个 难 以 理 解 的 奇 幻 世 界 老 实 说, 虽 然 我 隐 约 猜 到 了 里 面 是 什 么, 我 还 是 不 能 确 定 该 不 该 把 它 说 出 来 薛 定 谔 盯 着 波 恩 : 我 们 都 相 信 科 学 的 力 量, 在 于 它 敢 于 直 视 一 切 事 实, 并 毫 不 犹 豫 地 去 面 对 它, 检 验 它, 把 握 它, 不 管 它 是 什 么 何 况, 就 算 是 潘 多 拉 盒 子, 我 们 至 少 也 还 拥 有 盒 底 那 最 宝 贵 的 东 西, 难 道 你 忘 了 吗?

81 是 的, 那 是 希 望 波 恩 长 出 了 一 口 气, 你 说 的 对, 不 管 是 祸 是 福, 我 们 至 少 还 拥 有 希 望 只 有 存 在 争 论, 物 理 学 才 拥 有 未 来 那 么, 你 说 这 箱 子 里 是? 全 场 一 片 静 默, 人 人 都 不 敢 出 声 波 恩 突 然 神 秘 地 笑 了 : 我 猜, 这 里 面 藏 的 是 骰 子 yutian 回 复 于 : :22:05 第 六 章 大 一 统 四 castor_v_pollux 四 骰 子? 骰 子 是 什 么 东 西? 它 应 该 出 现 在 大 富 翁 游 戏 里, 应 该 出 现 在 澳 门 和 拉 斯 维 加 斯 的 赌 场 中, 但 是, 物 理 学? 不, 那 不 是 它 应 该 来 的 地 方 骰 子 代 表 了 投 机, 代 表 了 不 确 定, 而 物 理 学 不 是 一 门 最 严 格 最 精 密, 最 不 能 容 忍 不 确 定 的 科 学 吗? 可 以 想 象, 当 波 恩 于 1926 年 7 月 将 骰 子 带 进 物 理 学 后, 是 引 起 了 何 等 的 轩 然 大 波 围 绕 着 这 个 核 心 解 释 所 展 开 的 争 论 激 烈 而 尖 锐, 把 物 理 学 加 热 到 了 沸 点 这 个 话 题 是 如 此 具 有 争 议 性, 很 快 就 要 引 发 20 世 纪 物 理 史 上 最 有 名 的 一 场 大 论 战, 而 可 怜 的 波 恩 一 直 要 到 整 整 28 年 后, 才 因 为 这 一 杰 出 的 发 现 而 获 得 诺 贝 尔 奖 金 -- 比 他 的 学 生 们 晚 上 许 多 不 管 怎 么 样, 我 们 还 是 先 来 看 看 波 恩 都 说 了 些 什 么 骰 子, 这 才 是 薛 定 谔 波 函 数 ψ 的 解 释, 它 代 表 的 是 一 种 随 机, 一 种 概 率, 而 决 不 是 薛 定 谔 本 人 所 理 解 的, 是 电 子 电 荷 在 空 间 中 的 实 际 分 布 波 恩 争 辩 道,ψ, 或 者 更 准 确 一 点,ψ 的 平 方, 代 表 了 电 子 在 某 个 地 点 出 现 的 概 率 电 子 本 身 不 会 像 波 那 样 扩 展 开 去, 但 是 它 的 出 现 概 率 则 像 一 个 波, 严 格 地 按 照 ψ 的 分 布 所 展 开 我 们 来 回 忆 一 下 电 子 或 者 光 子 的 双 缝 干 涉 实 验, 这 是 电 子 波 动 性 的 最 好 证 明 当 电 子 穿 过 两 道 狭 缝 后, 便 在 感 应 屏 上 组 成 了 一 个 明 暗 相 间 的 图 案, 展 示 了 波 峰 和 波 谷 的 相 互 增 强 和 抵 消 但 是, 正 如 粒 子 派 指 出 的 那 样, 每 次 电 子 只 会 在 屏 上 打 出 一 个 小 点, 只 有 当 成 群 的 电 子 穿 过 双 缝 后, 才 会 逐 渐 组 成 整 个 图 案 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 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 不 过, 我 们 经 过 大 量 的 观 察, 却 可 以 发 现, 这 个 电 子 不 是 完 全 没 有 规 律 的 : 它 在 某 些 地 方 出 现 的 可 能 性 要 大 一 些, 在 另 一 些 地 方 则 小 一 些 它 出 现 频 率 高 的 地 方, 恰 恰 是 波 动 所 预 言 的

82 干 涉 条 纹 的 亮 处, 它 出 现 频 率 低 的 地 方 则 对 应 于 暗 处 现 在 我 们 可 以 理 解 为 什 么 大 量 电 子 能 组 成 干 涉 条 纹 了, 因 为 虽 然 每 一 个 电 子 的 行 为 都 是 随 机 的, 但 这 个 随 机 分 布 的 总 的 模 式 却 是 确 定 的, 它 就 是 一 个 干 涉 条 纹 的 图 案 这 就 像 我 们 掷 骰 子, 虽 然 每 一 个 骰 子 掷 下 去, 它 的 结 果 都 是 完 全 随 机 的, 从 1 到 6 都 有 可 能, 但 如 果 你 投 掷 大 量 的 骰 子 到 地 下, 然 后 数 一 数 每 个 点 的 数 量, 你 会 发 现 1 到 6 的 结 果 差 不 多 是 平 均 的 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 滩 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 9 成 的 粒 子 聚 集 在 亮 带, 只 有 1 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 我 们 只 能 预 言 概 率 而 已 但 是, 等 等, 我 们 怎 么 敢 随 便 说 出 这 种 话 来 呢? 这 不 是 对 于 古 老 的 物 理 学 的 一 种 大 不 敬 吗? 从 伽 利 略 牛 顿 以 来, 成 千 上 百 的 先 辈 们 为 这 门 科 学 呕 心 沥 血, 建 筑 起 了 这 样 宏 伟 的 构 筑, 它 的 力 量 统 治 整 个 宇 宙, 从 最 大 的 星 系 到 最 小 的 原 子, 万 事 万 物 都 在 它 的 威 力 下 必 恭 必 敬 地 运 转 任 何 巨 大 的 或 者 细 微 的 动 作 都 逃 不 出 它 的 力 量 星 系 之 间 产 生 可 怕 的 碰 撞, 释 放 出 难 以 想 象 的 光 和 热, 并 诞 生 数 以 亿 计 的 新 恒 星 ; 宇 宙 射 线 以 惊 人 的 高 速 穿 越 遥 远 的 空 间, 见 证 亘 古 的 时 光 ; 微 小 得 看 不 见 的 分 子 们 你 推 我 搡, 喧 闹 不 停 ; 地 球 庄 严 地 围 绕 着 太 阳 运 转, 它 自 己 的 自 转 轴 同 时 以 难 以 觉 察 的 速 度 轻 微 地 振 动 ; 坚 硬 的 岩 石 随 着 时 光 流 逝 而 逐 渐 风 化 ; 鸟 儿 扑 动 它 的 翅 膀, 借 着 气 流 一 飞 冲 天 这 一 切 的 一 切, 不 都 是 在 物 理 定 律 的 监 视 下 一 丝 不 苟 地 进 行 的 吗? 更 重 要 的 是, 物 理 学 不 仅 能 够 解 释 过 去 和 现 在, 它 还 能 预 言 未 来 我 们 的 定 律 和 方 程 能 够 毫 不 含 糊 地 预 测 一 颗 炮 弹 的 轨 迹 以 及 它 降 落 的 地 点 ; 我 们 能 预 言 几 千 年 后 的 日 食, 时 刻 准 确 到 秒 ; 给 我 一 张 电 路 图, 多 复 杂 都 行, 我 能 够 说 出 它 将 做 些 什 么 ; 我 们 制 造 的 机 器 乖 乖 地 按 照 我 们 预 先 制 定 好 的 计 划 运 行 事 实 上, 对 于 任 何 一 个 系 统, 只 要 给 我 足 够 的 初 始 信 息, 赋 予 我 足 够 的 运 算 能 力, 我 能 够 推 算 出 这 个 体 系 的 一 切 历 史, 从 它 最 初 怎 样 开 始 运 行, 一 直 到 它 在 遥 远 的 未 来 的 命 运, 一 切 都 不 是 秘 密 是 的, 一 切 系 统, 哪 怕 骰 子 也 一 样 告 诉 我 骰 子 的 大 小, 质 量, 质 地, 初 速 度, 高 度, 角 度, 空 气 阻 力, 桌 子 的 质 地, 摩 擦 系 数, 告 诉 我 一 切 所 需 要 的 情 报, 那 么, 只 要 我 拥 有 足 够 的 运 算 能 力, 我 可 以 毫 不 迟 疑 地 预 先 告 诉 你, 这 个 骰 子 将 会 掷 出 几 点 来 物 理 学 统 治 整 个 宇 宙, 它 的 过 去 和 未 来, 一 切 都 尽 在 掌 握 这 已 经 成 了 物 理 学 家 心 中 深 深 的 信 仰 19 世 纪 初, 法 国 的 大 科 学 家 拉 普 拉 斯 (Pierre Simon de Laplace) 在 用 牛 顿 方 程 计 算 出 了 行 星 轨 道 后, 把 它 展 示 给 拿 破 仑 看 拿 破 仑 问 道 : 在 你 的 理 论 中, 上 帝 在 哪 儿 呢? 拉 普 拉 斯 平 静 地 回 答 : 陛 下, 我 的 理 论 不 需 要 这 个 假 设 是 啊, 上 帝 在 物 理 学 中 能 有 什 么 位 置 呢? 一 切 都 是 由 物 理 定 律 来 统 治 的, 每 一 个 分 子 都 遵 照 物 理 定 律 来 运 行, 如 果 说 上 帝 有 什 么 作 用 的 话, 他 最 多 是 在 一 开 始 推 动 了 这 个 体 系 一 下, 让 它 得 以 开 始 运 转 罢 了 在 之 后 的 漫 长 历 史 中, 有 没 有 上 帝 都 是 无 关 紧 要 的 了, 上 帝 被 物 理 学 赶 出 了 舞 台

83 我 不 需 要 上 帝 这 个 假 设 拉 普 拉 斯 站 在 拿 破 仑 面 前 说 这 可 算 科 学 最 光 荣 最 辉 煌 的 时 刻 之 一 了, 它 把 无 边 的 自 豪 和 骄 傲 播 撒 到 每 一 个 科 学 家 的 心 中 不 仅 不 需 要 上 帝, 拉 普 拉 斯 想 象, 假 如 我 们 有 一 个 妖 精, 一 个 大 智 者, 或 者 任 何 拥 有 足 够 智 慧 的 人 物, 假 如 他 能 够 了 解 在 某 一 刻, 这 个 宇 宙 所 有 分 子 的 运 动 情 况 的 话, 那 么 他 就 可 以 从 正 反 两 个 方 向 推 演, 从 而 得 出 宇 宙 在 任 意 时 刻 的 状 态 对 于 这 样 的 智 者 来 说, 没 有 什 么 过 去 和 未 来 的 分 别, 一 切 都 历 历 在 目 宇 宙 从 它 出 生 的 那 一 刹 那 开 始, 就 坠 入 了 一 个 预 定 的 轨 道, 它 严 格 地 按 照 物 理 定 律 发 展, 没 有 任 何 岔 路 可 以 走, 一 直 到 遇 见 它 那 注 定 的 命 运 为 止 就 像 你 出 手 投 篮, 那 么, 这 究 竟 是 一 个 三 分 球, 还 是 打 中 篮 筐 弹 出, 或 者 是 一 个 air ball, 这 都 在 你 出 手 的 一 刹 那 决 定 了, 之 后 我 们 所 能 做 的, 就 是 看 着 它 按 照 写 好 的 剧 本 发 展 而 已 是 的, 科 学 家 知 道 过 去 ; 是 的, 科 学 家 明 白 现 在 ; 是 的, 科 学 家 了 解 未 来 只 要 掌 握 了 定 律, 只 要 搜 集 足 够 多 的 情 报, 只 要 能 够 处 理 足 够 大 的 运 算 量, 科 学 家 就 能 如 同 上 帝 一 般 无 所 不 知 整 个 宇 宙 只 不 过 是 一 台 精 密 的 机 器, 它 的 每 个 零 件 都 按 照 定 律 一 丝 不 苟 地 运 行, 这 种 想 法 就 是 古 典 的, 严 格 的 决 定 论 (determinism) 宇 宙 从 出 生 的 那 一 刹 那 起, 就 有 一 个 确 定 的 命 运 我 们 现 在 无 法 了 解 它, 只 是 因 为 我 们 所 知 道 的 信 息 太 少 而 已 那 么 多 的 天 才 前 仆 后 继, 那 么 多 的 伟 人 呕 心 沥 血, 那 么 多 在 黑 暗 中 的 探 索, 挣 扎, 奋 斗, 这 才 凝 结 成 物 理 学 在 19 世 纪 黄 金 时 代 的 全 部 光 荣 物 理 学 家 终 于 可 以 说, 他 们 能 够 预 测 神 秘 的 宇 宙 了, 因 为 他 们 找 到 了 宇 宙 运 行 的 奥 秘 他 们 说 这 话 时, 带 着 一 种 神 圣 而 不 可 侵 犯 的 情 感, 决 不 饶 恕 任 何 敢 于 轻 视 物 理 学 力 量 的 人 可 是, 现 在 有 人 说, 物 理 不 能 预 测 电 子 的 行 为, 它 只 能 找 到 电 子 出 现 的 概 率 而 已 无 论 如 何, 我 们 也 没 办 法 确 定 单 个 电 子 究 竟 会 出 现 在 什 么 地 方, 我 们 只 能 猜 想, 电 子 有 90% 的 可 能 出 现 在 这 里,10% 的 可 能 出 现 在 那 里 这 难 道 不 是 对 整 个 物 理 历 史 的 挑 衅, 对 物 理 学 的 光 荣 和 尊 严 的 一 种 侮 辱 吗? 我 们 不 能 确 定? 物 理 学 的 词 典 里 是 没 有 这 个 字 眼 的 在 中 学 的 物 理 考 试 中, 题 目 给 了 我 们 一 个 小 球 的 初 始 参 数, 要 求 t 时 刻 的 状 态, 你 敢 写 上 我 不 能 确 定 吗? 要 是 你 这 样 做 了, 你 的 物 理 老 师 准 会 气 得 吹 胡 子 瞪 眼 睛, 并 且 毫 不 犹 豫 地 给 你 亮 个 红 灯 不 能 确 定? 不 可 能, 物 理 学 什 么 都 能 确 定 诚 然, 有 时 候 为 了 方 便, 我 们 也 会 引 进 一 些 统 计 的 方 法, 比 如 处 理 大 量 的 空 气 分 子 运 动 时, 但 那 是 完 全 不 同 的 一 个 问 题 科 学 家 只 是 凡 人, 无 法 处 理 那 样 多 的 复 杂 计 算, 所 以 应 用 了 统 计 的 捷 径 但 是 从 理 论 上 来 说, 只 要 我 们 了 解 每 一 个 分 子 的 状 态, 我 们 完 全 可 以 严 格 地 推 断 出 整 个 系 统 的 行 为, 分 毫 不 爽 然 而 波 恩 的 解 释 不 是 这 样, 波 恩 的 意 思 是, 就 算 我 们 把 电 子 的 初 始 状 态 测 量 得 精 确 无 比, 就 算 我 们 拥 有 最 强 大 的 计 算 机 可 以 计 算 一 切 环 境 对 电 子 的 影 响, 即 便 如 此, 我 们 也 不 能 预 言 电 子 最 后 的 准 确 位 置 这 种 不 确 定 不 是 因 为 我 们 的 计 算 能 力 不 足 而 引 起 的, 它 是 深 藏 在 物 理 定 律 本 身 内 部 的 一 种 属 性 即 使 从 理 论 上 来 说, 我 们 也 不 能 准 确 地 预 测 大 自 然 这 已 经 不 是 推 翻 某 个 理 论 的 问 题, 这 是 对 整 个 决 定 论 系 统 的 挑 战, 而 决 定 论 是 那 时 整 个 科 学 的 基 础 量 子 论 挑 战 整 个 科 学 波 恩 在 论 文 里 写 道 : 这 里 出 现 的 是 整 个 决 定 论 的 问 题 了 (Hier erhebt sich der ganze Problematik des Determinismus.)

84 对 于 许 多 物 理 学 家 来 说, 这 是 一 个 不 可 原 谅 的 假 设 骰 子? 不 确 定? 别 开 玩 笑 了 对 于 他 们 中 的 好 些 人 来 说, 物 理 学 之 所 以 那 样 迷 人, 那 样 富 有 魔 力, 正 是 因 为 它 深 刻, 明 晰, 能 够 确 定 一 切, 扫 清 人 们 的 一 切 疑 惑, 这 才 使 他 们 义 无 反 顾 地 投 身 到 这 一 事 业 中 去 现 在, 物 理 学 竟 然 有 变 成 摇 奖 机 器 的 危 险, 竟 然 要 变 成 一 个 掷 骰 子 来 决 定 命 运 的 赌 徒, 这 怎 么 能 够 容 忍 呢? 不 确 定? 一 场 史 无 前 例 的 大 争 论 即 将 展 开, 在 争 吵 和 辩 论 后 面 是 激 动, 颤 抖, 绝 望, 泪 水, 伴 随 着 整 个 决 定 论 在 20 世 纪 的 悲 壮 谢 幕 ********* 饭 后 闲 话 : 决 定 论 可 以 说 决 定 论 的 兴 衰 浓 缩 了 整 部 自 然 科 学 在 20 世 纪 的 发 展 史 科 学 从 牛 顿 和 拉 普 拉 斯 的 时 代 走 来, 辉 煌 的 成 功 使 它 一 时 得 意 忘 形, 认 为 它 具 有 预 测 一 切 的 能 力 决 定 论 认 为, 万 物 都 已 经 由 物 理 定 律 所 规 定 下 来, 连 一 个 细 节 都 不 能 更 改 过 去 和 未 来 都 像 已 经 写 好 的 剧 本, 宇 宙 的 发 展 只 能 严 格 地 按 照 这 个 剧 本 进 行, 无 法 跳 出 这 个 窠 臼 矜 持 的 决 定 论 在 20 世 纪 首 先 遭 到 了 量 子 论 的 严 重 挑 战, 随 后 混 沌 动 力 学 的 兴 起 使 它 彻 底 被 打 垮 现 在 我 们 已 经 知 道, 即 使 没 有 量 子 论 把 概 率 这 一 基 本 属 性 赋 予 自 然 界, 就 牛 顿 方 程 本 身 来 说, 许 多 系 统 也 是 极 不 稳 定 的, 任 何 细 小 的 干 扰 都 能 够 对 系 统 的 发 展 造 成 极 大 的 影 响, 差 之 毫 厘, 失 之 千 里 这 些 干 扰 从 本 质 上 说 是 不 可 预 测 的, 因 此 想 凭 借 牛 顿 方 程 来 预 测 整 个 系 统 从 理 论 上 说 也 是 不 可 行 的 典 型 的 例 子 是 长 期 的 天 气 预 报, 大 家 可 能 都 已 经 听 说 过 洛 伦 兹 著 名 的 蝴 蝶 效 应, 哪 怕 一 只 蝴 蝶 轻 微 地 扇 动 它 的 翅 膀, 也 能 给 整 个 天 气 系 统 造 成 戏 剧 性 的 变 化 现 在 的 天 气 预 报 也 已 经 普 遍 改 用 概 率 性 的 说 法, 比 如 明 天 的 降 水 概 率 是 20% 1986 年, 著 名 的 流 体 力 学 权 威, 詹 姆 士? 莱 特 希 尔 爵 士 (Sir James Lighthill, 他 于 1969 年 从 狄 拉 克 手 里 接 过 剑 桥 卢 卡 萨 教 授 的 席 位, 也 就 是 牛 顿 曾 担 任 过 的 那 个 ) 于 皇 家 学 会 纪 念 牛 顿 原 理 发 表 300 周 年 的 集 会 上 发 表 了 轰 动 一 时 的 道 歉 : 现 在 我 们 都 深 深 意 识 到, 我 们 的 前 辈 对 牛 顿 力 学 的 惊 人 成 就 是 那 样 崇 拜, 这 使 他 们 把 它 总 结 成 一 种 可 预 言 的 系 统 而 且 说 实 话, 我 们 在 1960 年 以 前 也 大 都 倾 向 于 相 信 这 个 说 法, 但 现 在 我 们 知 道 这 是 错 误 的 我 们 以 前 曾 经 误 导 了 公 众, 向 他 们 宣 传 说 满 足 牛 顿 运 动 定 律 的 系 统 是 决 定 论 的, 但 是 这 在 1960 年 后 已 被 证 明 不 是 真 的 我 们 都 愿 意 在 此 向 公 众 表 示 道 歉 (We are all deeply conscious today that the enthusiasm of our forebears for the marvelous achievements of Newtonian mechanics led them to make generalizations in this area of predictability which, indeed, we may have generally tended to believe before 1960, but which we now recognize were false. We collectively wish to apologize for having misled the general educated public by spreading ideas about the determinism of systems satisfying Newton's laws of motion that, after 1960,were to be proved incorrect.)

85 决 定 论 的 垮 台 是 否 注 定 了 自 由 意 志 的 兴 起? 这 在 哲 学 上 是 很 值 得 探 讨 的 事 实 上, 在 量 子 论 之 后, 物 理 学 越 来 越 陷 于 形 而 上 学 的 争 论 中 也 许 形 而 上 学 (metaphysics) 应 该 改 个 名 字 叫 量 子 论 之 后 (metaquantum) 在 我 们 的 史 话 后 面, 我 们 会 详 细 地 探 讨 这 些 问 题 Ian Stewart 写 过 一 本 关 于 混 沌 的 书, 书 名 也 叫 上 帝 掷 骰 子 吗 这 本 书 文 字 优 美, 很 值 得 一 读, 当 然 和 我 们 的 史 话 没 什 么 联 系 我 用 这 个 名 字, 一 方 面 是 想 强 调 决 定 论 的 兴 衰 是 我 们 史 话 的 中 心 话 题, 另 外, 毕 竟 爱 因 斯 坦 这 句 名 言 本 来 的 版 权 是 属 于 量 子 论 的 yutian 回 复 于 : :23:14 第 六 章 大 一 统 五 castor_v_pollux 五 在 我 们 出 发 去 回 顾 新 量 子 论 与 经 典 决 定 论 的 那 场 惊 心 动 魄 的 悲 壮 决 战 之 前, 在 本 章 的 最 后 还 是 让 我 们 先 来 关 注 一 下 历 史 遗 留 问 题, 也 就 是 我 们 的 微 粒 和 波 动 的 宿 怨 波 恩 的 概 率 解 释 无 疑 是 对 薛 定 谔 传 统 波 动 解 释 的 一 个 沉 重 打 击, 现 在, 微 粒 似 乎 可 以 暂 时 高 兴 一 下 了 看, 它 嘲 笑 对 手 说, 薛 定 谔 也 救 不 了 你, 他 对 波 函 数 的 解 释 是 站 不 住 脚 的 难 怪 总 是 有 人 说, 薛 定 谔 的 方 程 比 薛 定 谔 本 人 还 聪 明 哪 波 恩 的 概 率 才 是 有 道 理 的, 电 子 始 终 是 一 个 电 子, 任 何 时 候 你 观 察 它, 它 都 是 一 个 粒 子, 你 吵 嚷 多 年 的 所 谓 波, 原 来 只 是 那 看 不 见 摸 不 着 的 概 率 罢 了 哈 哈, 把 这 个 头 衔 让 给 你, 我 倒 是 毫 无 异 议 的, 但 你 得 首 先 承 认 我 的 正 统 地 位 但 是 波 动 没 有 被 吓 倒, 说 实 话, 双 方 300 年 的 恩 怨 缠 结, 经 过 那 么 多 风 风 雨 雨, 早 就 练 就 了 处 变 不 惊 的 本 领 哦, 是 吗? 它 冷 静 地 回 应 道, 恐 怕 事 情 不 如 你 想 象 得 那 么 简 单 吧? 我 们 不 如 缩 小 到 电 子 那 个 尺 寸, 去 亲 身 感 受 一 下 一 个 电 子 在 双 缝 实 验 中 的 经 历 如 何? 微 粒 迟 疑 了 一 下 便 接 受 了 : 好 吧, 让 你 彻 底 死 心 也 好 那 么, 现 在 让 我 们 也 想 象 自 己 缩 小 到 电 子 那 个 尺 寸, 跟 着 它 一 起 去 看 看 事 实 上 到 底 发 生 了 什 么 事 一 个 电 子 的 直 径 小 于 一 亿 分 之 一 埃, 也 就 是 10^-23 米, 它 的 质 量 小 于 10^-30 千 克, 变 得 这 样 小, 看 来 这 必 定 是 一 次 奇 妙 的 旅 程 呢 好, 现 在 我 们 已 经 和 一 个 电 子 一 样 大 了, 突 然 缩 小 了 那 么 多, 还 真 有 点 不 适 应, 看 出 去 的 世 界 也 变 得 模 糊 扭 曲 起 来 不 过, 我 们 第 一 次 发 现, 世 界 原 来 那 么 空 旷, 几 乎 是 空 无 一 物, 这 也 情 有 可 原, 从 我 们 的 尺 度 看 来, 原 子 核 应 该 像 是 远 在 天 边 吧? 好, 现 在 迎 面 来 了 一 个 电 子, 这 是 个 好 机 会, 让 我 们 睁 大 眼 睛, 仔 细 地 看 一 看 它 究 竟 是 个 粒 子 还 是 波? 奇 怪, 为 什 么 我 们 什 么 都 看 不 见 呢? 啊, 原 来 我 们 忘 了 一 个 关 键 的 事 实! 要 看 见 东 西, 必 须 有 光 进 入 我 们 的 眼 睛 才 行 但 现 在 我 们 变 得 这 么 小, 即 使 光 -- 不 管 它 是 光 子 还 是 光 波 -- 对 于 我 们 来 说 也 太 大 了 但 是 不 管 怎 样, 为 了 探 明 这 个 秘 密, 我 们 必 须 得

86 找 到 从 电 子 那 里 反 射 过 来 的 光, 凭 感 觉, 我 知 道 从 左 边 来 了 一 团 光 ( 之 所 以 说 一 团 光, 是 因 为 我 不 清 楚 它 究 竟 是 一 个 光 粒 子 还 是 一 道 光 波, 没 有 光, 我 也 看 不 到 光 本 身, 是 吧?), 现 在 让 我 们 勇 敢 地 迎 上 去, 啊, 秘 密 就 要 揭 开 了! 随 着 砰 地 一 声, 我 们 被 这 团 光 粗 暴 地 击 中, 随 后 身 不 由 己 地 飞 到 半 空 中, 被 弹 出 了 十 万 八 千 里 这 次 撞 击 使 得 我 们 浑 身 筋 骨 欲 脱, 脑 中 天 旋 地 转, 眼 前 直 冒 金 星 我 们 忘 了 自 己 现 在 是 个 什 么 尺 寸! 要 不 是 运 气 好, 这 次 碰 撞 已 经 要 了 咱 们 的 小 命 当 好 不 容 易 爬 起 来 时, 早 就 不 知 道 自 己 身 在 何 方, 那 个 电 子 更 是 无 影 无 踪 了 刚 才 真 是 好 险, 看 来 这 一 招 是 行 不 通 的 不 过, 我 听 见 声 音 了, 是 微 粒 和 波 动 在 前 面 争 论 呢, 咱 们 还 是 跟 着 这 哥 俩 去 看 个 究 竟 它 们 为 了 模 拟 一 个 电 子 的 历 程, 从 某 个 阴 极 射 线 管 出 发, 现 在, 面 前 就 是 那 著 名 的 双 缝 了 嗨, 微 粒 波 动 说 道, 假 如 电 子 是 个 粒 子 的 话, 它 下 一 步 该 怎 样 行 动 呢? 眼 前 有 两 条 缝, 它 只 能 选 择 其 中 之 一 啊, 如 果 它 是 个 粒 子, 它 不 可 能 两 条 缝 都 通 过 吧? 嗯, 没 错 微 粒 说, 粒 子 就 是 一 个 小 点, 是 不 可 分 割 的 我 想, 电 子 必 定 选 择 通 过 了 其 中 的 某 一 条 狭 缝, 然 后 投 射 到 后 面 的 光 屏 上, 激 发 出 一 个 小 点 可 是, 波 动 一 针 见 血 地 说, 它 怎 能 够 按 照 干 涉 模 式 的 概 率 来 行 动 呢? 比 如 说 它 从 右 边 那 条 缝 过 去 了 吧, 当 它 打 到 屏 幕 前, 它 怎 么 能 够 知 道, 它 应 该 有 90% 的 机 会 出 现 到 亮 带 区, 10% 的 机 会 留 给 暗 带 区 呢? 要 知 道 这 个 干 涉 条 纹 可 是 和 两 条 狭 缝 之 间 的 距 离 密 切 相 关 啊, 要 是 电 子 只 通 过 了 一 条 缝, 它 是 如 何 得 知 两 条 缝 之 间 的 距 离 的 呢? 微 粒 有 点 尴 尬, 它 迟 疑 地 说 : 我 也 承 认, 伴 随 着 一 个 电 子 的 有 某 种 类 波 的 东 西, 也 就 是 薛 定 谔 的 波 函 数 ψ, 波 恩 说 它 是 概 率, 我 们 就 假 设 它 是 某 种 看 不 见 的 概 率 波 吧 你 可 以 把 它 想 象 成 从 我 身 上 散 发 出 去 的 某 种 看 不 见 的 场, 我 想, 在 我 通 过 双 缝 之 前, 这 种 看 不 见 的 波 场 在 空 间 中 弥 漫 开 去, 探 测 到 了 双 缝 之 间 的 距 离, 从 而 使 我 得 以 知 道 如 何 严 格 地 按 照 概 率 行 动 但 是, 我 的 实 体 必 定 只 能 通 过 其 中 的 一 条 缝 一 点 道 理 也 没 有 波 动 摇 头 说, 我 们 不 妨 想 象 这 样 一 个 情 景 吧, 假 如 电 子 是 一 个 粒 子, 它 现 在 决 定 通 过 右 边 的 那 条 狭 缝 姑 且 相 信 你 的 说 法, 有 某 种 概 率 波 事 先 探 测 到 了 双 缝 间 的 距 离, 让 它 胸 有 成 竹 知 道 如 何 行 动 可 是, 假 如 在 它 进 入 右 边 狭 缝 前 的 那 一 刹 那, 有 人 关 闭 了 另 一 道 狭 缝, 也 就 是 左 边 的 那 道 狭 缝, 那 时 会 发 生 什 么 情 形 呢? 微 粒 有 点 脸 色 发 白 那 时 候, 波 动 继 续 说, 就 没 有 双 缝 了, 只 有 单 缝 电 子 穿 过 一 条 缝, 就 无 所 谓 什 么 干 涉 条 纹 也 就 是 说, 当 左 边 狭 缝 关 闭 的 一 刹 那, 电 子 的 概 率 必 须 立 刻 从 干 涉 模 式 转 换 成 普 通 模 式, 变 成 一 条 长 狭 带 现 在, 我 倒 请 问, 电 子 是 如 何 在 穿 过 狭 缝 前 的 一 刹 那, 及 时 地 得 知 另 一 条 狭 缝 关 闭 这 个 事 实 的 呢? 要 知 道 它 可 是 一 个 小 得 不 能 再 小 的 电 子 啊, 另 一 条 狭 缝 距 离 它 是 如 此 遥 远, 就 像 从 上 海 隔 着 大 洋 遥 望 洛 杉 矶 它 如 何 能 够 瞬 间 作 出 反 应, 修 改 自 己 的 概 率 分 布 呢? 除 非 它 收 到

87 了 某 种 瞬 时 传 播 来 的 信 号, 怎 么, 你 想 开 始 反 对 相 对 论 了 吗? 好 吧, 微 粒 不 服 气 地 说, 那 么, 我 倒 想 听 听 你 的 解 释 很 简 单, 波 动 说, 电 子 是 一 个 在 空 间 中 扩 散 开 去 的 波, 它 同 时 穿 过 了 两 条 狭 缝, 当 然, 这 也 就 是 它 造 成 完 美 干 涉 的 原 因 了 如 果 你 关 闭 一 个 狭 缝, 那 么 显 然 就 关 闭 了 一 部 分 波 的 路 径, 这 时 就 谈 不 上 干 涉 了 听 起 来 很 不 错 微 粒 说, 照 你 这 么 说,ψ 是 某 种 实 际 的 波, 它 穿 过 两 道 狭 缝, 完 全 确 定 而 连 续 地 分 布 着, 一 直 到 击 中 感 应 屏 前 不 过, 之 后 呢? 之 后 发 生 了 什 么 事? 之 后 波 动 也 有 点 语 塞, 之 后, 出 于 某 种 原 因,ψ 收 缩 成 了 一 个 小 点 哈, 真 奇 妙 微 粒 故 意 把 声 音 拉 长 以 示 讽 刺, 你 那 扩 散 而 连 续 的 波 突 然 变 成 了 一 个 小 点! 请 问 发 生 了 什 么 事 呢? 波 动 家 族 突 然 全 体 罢 工 了? 波 动 气 得 面 红 耳 赤, 它 争 辩 道 : 出 于 某 种 我 们 尚 不 清 楚 的 机 制 好 吧, 微 粒 不 耐 烦 地 说, 实 践 是 检 验 真 理 的 唯 一 标 准 是 吧? 既 然 我 说 电 子 只 通 过 了 一 条 狭 缝, 而 你 硬 说 它 同 时 通 过 两 条 狭 缝, 那 么 搞 清 我 们 俩 谁 对 谁 错 不 是 很 简 单 吗? 我 们 只 要 在 两 道 狭 缝 处 都 安 装 上 某 种 仪 器, 让 它 在 有 粒 子 -- 或 者 波, 不 论 是 什 么 -- 通 过 时 记 录 下 来 或 者 发 出 警 报, 那 不 就 成 了? 这 种 仪 器 又 不 是 复 杂 而 不 可 制 造 的 波 动 用 一 种 奇 怪 的 眼 光 看 着 微 粒, 良 久, 它 终 于 说 : 不 错, 我 们 可 以 装 上 这 种 仪 器 我 承 认, 一 旦 我 们 试 图 测 定 电 子 究 竟 通 过 了 哪 条 缝 时, 我 们 永 远 只 会 在 其 中 的 一 处 发 现 电 子 两 个 仪 器 不 会 同 时 响 微 粒 放 声 大 笑 : 你 早 说 不 就 得 了? 害 得 我 们 白 费 了 这 么 多 口 水! 怎 么, 这 不 就 证 明 了, 电 子 只 可 能 是 一 个 粒 子, 它 每 次 只 能 通 过 一 条 狭 缝 吗? 你 还 跟 我 唠 叨 个 什 么! 但 是 它 渐 渐 发 现 气 氛 有 点 不 对 劲, 终 于 它 笑 不 出 来 了 怎 么? 它 瞪 着 波 动 说 波 动 突 然 咧 嘴 一 笑 : 不 错, 每 次 我 们 只 能 在 一 条 缝 上 测 量 到 电 子 但 是, 你 要 知 道, 一 旦 我 们 展 开 这 种 测 量 的 时 候, 干 涉 条 纹 也 就 消 失 了 时 间 是 1927 年 2 月, 哥 本 哈 根 仍 然 是 春 寒 料 峭, 大 地 一 片 冰 霜 玻 尔 坐 在 他 的 办 公 室 里 若 有 所 思 : 粒 子 还 是 波 呢?5 个 月 前, 薛 定 谔 的 那 次 来 访 还 历 历 在 目, 整 个 哥 本 哈 根 学 派 为 了 应 付 这 场 硬 仗, 花 了 好 些 时 间 去 钻 研 他 的 波 动 力 学 理 论, 但 现 在, 玻 尔 突 然 觉 得, 这 个 波 动 理 论 非 常 出 色 啊 它 简 洁, 明 确, 看 起 来 并 不 那 么 坏 在 写 给 赫 维 西 (Hevesy) 的 信 里, 玻 尔 已 经 把 它 称 作 一 个 美 妙 的 理 论 尤 其 是 有 了 波 恩 的 概 率 解 释 之 后, 玻 尔 已 经 毫 不 犹 豫 地 准 备 接 受 这 一 理 论 并 把 它 当 作 量 子 论 的 基 础 了

88 嗯, 波 动, 波 动 玻 尔 知 道, 海 森 堡 现 在 对 于 这 个 词 简 直 是 条 件 反 射 似 地 厌 恶 在 他 的 眼 里 只 有 矩 阵 数 学, 谁 要 是 跟 他 提 起 薛 定 谔 的 波 他 准 得 和 谁 急, 连 玻 尔 本 人 也 不 例 外 事 实 上, 由 于 玻 尔 态 度 的 转 变, 使 得 向 来 亲 密 无 间 的 哥 本 哈 根 派 内 部 第 一 次 产 生 了 裂 痕 海 森 堡 他 在 得 知 玻 尔 的 意 见 后 简 直 不 敢 相 信 自 己 的 耳 朵 现 在, 气 氛 已 经 闹 得 够 僵 了, 玻 尔 为 了 不 让 事 态 恶 化, 准 备 离 开 丹 麦 去 挪 威 度 个 长 假 过 去 的 1926 年 就 是 在 无 尽 的 争 吵 中 度 过 的, 那 一 整 年 玻 尔 只 发 表 了 一 篇 关 于 自 旋 的 小 文 章, 是 时 候 停 止 争 论 了 但 是, 粒 子? 波? 那 个 想 法 始 终 在 他 脑 中 缠 绕 不 去 进 来 一 个 人, 是 他 的 另 一 位 助 手 奥 斯 卡? 克 莱 恩 (Oskar Klein) 在 过 去 的 一 年 里 他 的 成 就 斐 然, 他 不 仅 成 功 地 把 薛 定 谔 方 程 相 对 论 化 了, 还 在 其 中 引 进 了 第 五 维 度 的 思 想, 这 得 到 了 老 洛 伦 兹 的 热 情 赞 扬 不 管 怎 么 说, 他 可 算 哥 本 哈 根 最 熟 悉 量 子 波 动 理 论 的 人 之 一 了 有 他 助 阵, 玻 尔 更 加 相 信, 海 森 堡 实 在 是 持 有 一 种 偏 见, 波 动 理 论 是 不 可 偏 废 的 要 统 一, 要 统 一 玻 尔 喃 喃 地 说 克 莱 恩 抬 起 头 来 看 他 : 您 对 波 动 理 论 是 怎 么 想 的 呢? 波, 电 子 无 疑 是 个 波 玻 尔 肯 定 地 说 哦, 那 样 说 来 但 是, 玻 尔 打 断 他, 它 同 时 又 不 是 个 波 从 BKS 倒 台 以 来, 我 就 隐 约 地 猜 到 了 克 莱 恩 笑 了 : 您 打 算 发 表 这 一 观 点 吗? 不, 还 不 是 时 候 为 什 么? 玻 尔 叹 了 一 口 气 : 克 莱 恩, 我 们 的 对 手 非 常 强 大 非 常 强 大, 我 还 没 有 准 备 好 ( 注 : 老 的 说 法 认 为, 互 补 原 理 只 有 在 不 确 定 原 理 提 出 后 才 成 型 但 现 在 学 者 们 都 同 意, 这 一 思 想 有 着 复 杂 的 来 源, 为 了 把 重 头 戏 留 给 下 一 章, 我 在 这 里 先 带 一 笔 波 粒 问 题 ) yutian 回 复 于 : :27:23 第 七 章 不 确 定 性 一 castor_v_pollux 我 们 的 史 话 说 到 这 里, 是 时 候 回 顾 一 下 走 过 的 路 程 了 我 们 已 经 看 到 煊 赫 一 时 的 经 典 物 理 大 厦 如 何 忽 喇 喇 地 轰 然 倾 倒, 我 们 已 经 看 到 以 黑 体 问 题 为 导 索, 普 朗 克 的 量 子 假 设 是 如 何 点 燃 了 新 革 命 的 星 星 之 火 在 这 之 后, 爱 因 斯 坦 的 光 量 子 理 论 赋 予 了 新 生 的 量 子 以 充 实 的 力 量, 让 它 第 一 次 站 起 身 来 傲 视 群 雄, 而 玻 尔 的 原 子 理 论 借 助 了 它 的 无 穷 能 量, 开 创 出 一 片 崭 新 的

89 天 地 来 我 们 也 已 经 讲 到, 关 于 光 的 本 性, 粒 子 和 波 动 两 种 理 论 是 如 何 从 300 年 前 开 始 不 断 地 交 锋, 其 间 兴 废 存 亡 有 如 白 云 苍 狗, 沧 海 桑 田 从 德 布 罗 意 开 始, 这 种 本 质 的 矛 盾 成 为 物 理 学 的 基 本 问 题, 而 海 森 堡 从 不 连 续 性 出 发 创 立 了 他 的 矩 阵 力 学, 薛 定 谔 沿 着 另 一 条 连 续 性 的 道 路 也 发 现 了 他 的 波 动 方 程 这 两 种 理 论 虽 然 被 数 学 证 明 是 同 等 的, 但 是 其 物 理 意 义 却 引 起 了 广 泛 的 争 论, 波 恩 的 概 率 解 释 更 是 把 数 百 年 来 的 决 定 论 推 上 了 怀 疑 的 舞 台, 成 为 浪 尖 上 的 焦 点 而 另 一 方 面, 波 动 和 微 粒 的 战 争 现 在 也 到 了 最 关 键 的 时 候 接 下 去, 物 理 学 中 将 会 发 生 一 些 真 正 奇 怪 的 事 情 它 将 把 人 们 的 哲 学 观 改 造 成 一 种 似 是 而 非 的 疯 狂 理 念, 并 把 物 理 学 本 身 变 成 一 个 大 漩 涡 20 世 纪 最 著 名 的 争 论 即 将 展 开, 其 影 响 一 直 延 绵 到 今 日 我 们 已 经 走 了 这 么 长 的 路, 现 在 都 筋 疲 力 尽, 委 顿 不 堪, 可 是 我 们 却 已 经 无 法 掉 头 回 首 处, 白 云 遮 断 归 途, 回 到 经 典 理 论 那 温 暖 的 安 乐 窝 中 已 经 是 不 可 能 的 了, 摆 在 我 们 眼 前 的, 只 有 一 条 漫 长 而 崎 岖 的 道 路, 一 直 通 向 遥 远 而 未 知 的 远 方 现 在, 就 让 我 们 鼓 起 最 大 的 勇 气, 跟 着 物 理 学 家 们 继 续 前 进, 去 看 看 隐 藏 在 这 道 路 尽 头 的, 究 竟 是 怎 样 的 一 副 景 象 我 们 这 就 回 到 1927 年 2 月, 那 个 神 奇 的 冬 天 过 去 的 几 个 月 对 于 海 森 堡 来 说 简 直 就 像 一 场 恶 梦, 越 来 越 多 的 人 转 投 向 薛 定 谔 和 他 那 该 死 的 波 动 理 论 一 方, 把 他 的 矩 阵 忘 得 个 一 干 二 净 海 森 堡 当 初 的 那 些 出 色 的 论 文, 现 在 给 人 们 改 写 成 波 动 方 程 的 另 类 形 式, 这 让 他 尤 其 不 能 容 忍 他 后 来 给 泡 利 写 信 说 : 对 于 每 一 份 矩 阵 的 论 文, 人 们 都 把 它 改 写 成 共 轭 的 波 动 形 式, 这 让 我 非 常 讨 厌 我 想 他 们 最 好 两 种 方 法 都 学 学 但 是, 最 让 他 伤 心 的, 无 疑 是 玻 尔 也 转 向 了 他 的 对 立 面 玻 尔, 那 个 他 视 为 严 师 慈 父 良 友 的 玻 尔, 那 个 他 们 背 后 称 作 量 子 论 教 皇 的 玻 尔, 那 个 哥 本 哈 根 军 团 的 总 司 令 和 精 神 领 袖, 现 在 居 然 反 对 他! 这 让 海 森 堡 感 到 无 比 的 委 屈 和 悲 伤 后 来, 当 玻 尔 又 一 次 批 评 他 的 理 论 时, 海 森 堡 甚 至 当 真 哭 出 了 眼 泪 对 海 森 堡 来 说, 玻 尔 在 他 心 目 中 的 地 位 是 独 一 无 二 的, 失 去 了 他 的 支 持, 海 森 堡 感 觉 就 像 在 河 中 游 水 的 小 孩 子 失 去 了 大 人 的 臂 膀, 有 种 孤 立 无 援 的 感 觉 不 过, 现 在 玻 尔 已 经 去 挪 威 度 假 了, 他 大 概 在 滑 雪 吧? 海 森 堡 记 得 玻 尔 的 滑 雪 水 平 拙 劣 得 很, 不 禁 微 笑 一 下 玻 尔 已 经 不 能 提 供 什 么 帮 助 了, 他 现 在 和 克 莱 恩 抱 成 一 团, 专 心 致 志 地 研 究 什 么 相 对 论 化 的 波 动 波 动! 海 森 堡 哼 了 一 声, 打 死 他 他 也 不 承 认, 电 子 应 该 解 释 成 波 动 不 过 事 情 还 不 至 于 糟 糕 到 顶, 他 至 少 还 有 几 个 战 友 : 老 朋 友 泡 利, 哥 廷 根 的 约 尔 当, 还 有 狄 拉 克 -- 他 现 在 也 到 哥 本 哈 根 来 访 问 了 不 久 前, 狄 拉 克 和 约 尔 当 分 别 发 展 了 一 种 转 换 理 论, 这 使 得 海 森 堡 可 以 方 便 地 用 矩 阵 来 处 理 一 些 一 直 用 薛 定 谔 方 程 来 处 理 的 概 率 问 题 让 海 森 堡 高 兴 的 是, 在 狄 拉 克 的 理 论 里, 不 连 续 性 被 当 成 了 一 个 基 础, 这 更 让 他 相 信, 薛 定 谔 的 解 释 是 靠 不 住 的 但 是, 如 果 以 不 连 续 性 为 前 提, 在 这 个 体 系 里 有 些 变 量 就 很 难 解 释, 比 如, 一 个 电 子 的 轨 迹 总 是 连 续 的 吧? 海 森 堡 尽 力 地 回 想 矩 阵 力 学 的 创 建 史, 想 看 看 问 题 出 在 哪 里 我 们 还 记 得, 海 森 堡 当 时 的 假 设 是 : 整 个 物 理 理 论 只 能 以 可 被 观 测 到 的 量 为 前 提, 只 有 这 些 变 量 才 是 确 定 的, 才 能 构 成 任 何 体 系 的 基 础 不 过 海 森 堡 也 记 得, 爱 因 斯 坦 不 太 同 意 这 一 点, 他 受 古 典 哲 学 的 熏 陶 太 浓,

90 是 一 个 无 可 救 要 的 先 验 主 义 者 你 不 会 真 的 相 信, 只 有 可 观 察 的 量 才 能 有 资 格 进 入 物 理 学 吧? 爱 因 斯 坦 曾 经 这 样 问 他 为 什 么 不 呢? 海 森 堡 吃 惊 地 说, 你 创 立 相 对 论 时, 不 就 是 因 为 绝 对 时 间 不 可 观 察 而 放 弃 它 的 吗? 爱 因 斯 坦 笑 了 : 好 把 戏 不 能 玩 两 次 啊 你 要 知 道 在 原 则 上, 试 图 仅 仅 靠 可 观 察 的 量 来 建 立 理 论 是 不 对 的 事 实 恰 恰 相 反 : 是 理 论 决 定 了 我 们 能 够 观 察 到 的 东 西 是 吗? 理 论 决 定 了 我 们 观 察 到 的 东 西? 那 么 理 论 怎 么 解 释 一 个 电 子 在 云 室 中 的 轨 迹 呢? 在 薛 定 谔 看 来, 这 是 一 系 列 本 征 态 的 叠 加, 不 过,forget him! 海 森 堡 对 自 己 说, 还 是 用 我 们 更 加 正 统 的 矩 阵 来 解 释 解 释 吧 可 是, 矩 阵 是 不 连 续 的, 而 轨 迹 是 连 续 的, 而 且, 所 谓 轨 迹 早 就 在 矩 阵 创 立 时 被 当 作 不 可 观 测 的 量 被 抛 弃 了 窗 外 夜 阑 人 静, 海 森 堡 冥 思 苦 想 而 不 得 要 领 他 愁 肠 百 结, 辗 转 难 寐, 决 定 起 身 到 离 玻 尔 研 究 所 不 远 的 Faelled 公 园 去 散 散 步 深 夜 的 公 园 空 无 一 人, 晚 风 吹 在 脸 上 还 是 凛 冽 寒 冷, 不 过 却 让 人 清 醒 海 森 堡 满 脑 子 都 装 满 了 大 大 小 小 的 矩 阵, 他 又 想 起 矩 阵 那 奇 特 的 乘 法 规 则 : p q? q p 理 论 决 定 了 我 们 观 察 到 的 东 西? 理 论 说,p q? q p, 它 决 定 了 我 们 观 察 到 的 什 么 东 西 呢? I II 什 么 意 思? 先 搭 乘 I 号 线 再 转 乘 II 号 线 那 么,p q 什 么 意 思?p 是 动 量,q 是 位 置, 这 不 是 说 似 乎 一 道 闪 电 划 过 夜 空, 海 森 堡 的 神 志 突 然 一 片 清 澈 空 明 p q? q p, 这 不 是 说, 先 观 测 动 量 p, 再 观 测 位 置 q, 这 和 先 观 测 q 再 观 测 p, 其 结 果 是 不 一 样 的 吗? 等 等, 这 说 明 了 什 么? 假 设 我 们 有 一 个 小 球 向 前 运 动, 那 么 在 每 一 个 时 刻, 它 的 动 量 和 位 置 不 都 是 两 个 确 定 的 变 量 吗? 为 什 么 仅 仅 是 观 测 次 序 的 不 同, 其 结 果 就 会 产 生 不 同 呢? 海 森 堡 的 手 心 捏 了 一 把 汗, 他 知 道 这 里 藏 着 一 个 极 为 重 大 的 秘 密 这 怎 么 可 能 呢? 假 如 我 们 要 测 量 一 个 矩 形 的 长 和 宽, 那 么 先 测 量 长 还 是 先 测 量 宽, 这 不 是 一 回 事 吗? 除 非 除 非 测 量 动 量 p 这 个 动 作 本 身, 影 响 到 了 q 的 数 值 反 过 来, 测 量 q 的 动 作 也 影 响 p 的 值 可 是, 笑 话, 假 如 我 同 时 测 量 p 和 q 呢? 海 森 堡 突 然 间 像 看 见 了 神 启, 他 豁 然 开 朗 p q? q p, 难 道 说, 我 们 的 方 程 想 告 诉 我 们, 同 时 观 测 p 和 q 是 不 可 能 的 吗? 理 论 不 但 决

91 定 我 们 能 够 观 察 到 的 东 西, 它 还 决 定 哪 些 是 我 们 观 察 不 到 的 东 西! 但 是, 我 给 搞 糊 涂 了, 不 能 同 时 观 测 p 和 q 是 什 么 意 思? 观 测 p 影 响 q? 观 测 q 影 响 p? 我 们 到 底 在 说 些 什 么? 如 果 我 说, 一 个 小 球 在 时 刻 t, 它 的 位 置 坐 标 是 10 米, 速 度 是 5 米 / 秒, 这 有 什 么 问 题 吗? 有 问 题, 大 大 地 有 问 题 海 森 堡 拍 手 说 你 怎 么 能 够 知 道 在 时 刻 t, 某 个 小 球 的 位 置 是 10 米, 速 度 是 5 米 / 秒 呢? 你 靠 什 么 知 道 呢? 靠 什 么? 这 还 用 说 吗? 观 察 呀, 测 量 呀 关 键 就 在 这 里! 测 量! 海 森 堡 敲 着 自 己 的 脑 壳 说, 我 现 在 全 明 白 了, 问 题 就 出 在 测 量 行 为 上 面 一 个 矩 形 的 长 和 宽 都 是 定 死 的, 你 测 量 它 的 长 的 同 时, 其 宽 绝 不 会 因 此 而 改 变, 反 之 亦 然 再 来 说 经 典 的 小 球, 你 怎 么 测 量 它 的 位 置 呢? 你 必 须 得 看 到 它, 或 者 用 某 种 仪 器 来 探 测 它, 不 管 怎 样, 你 得 用 某 种 方 法 去 接 触 它, 不 然 你 怎 么 知 道 它 的 位 置 呢? 就 拿 看 到 来 说 吧, 你 怎 么 能 看 到 一 个 小 球 的 位 置 呢? 总 得 有 某 个 光 子 从 光 源 出 发, 撞 到 这 个 球 身 上, 然 后 反 弹 到 你 的 眼 睛 里 吧? 关 键 是, 一 个 经 典 小 球 是 个 庞 然 大 物, 光 子 撞 到 它 就 像 蚂 蚁 撞 到 大 象, 对 它 的 影 响 小 得 可 以 忽 略 不 计, 绝 不 会 影 响 它 的 速 度 正 因 为 如 此, 我 们 大 可 以 测 量 了 它 的 位 置 之 后, 再 从 容 地 测 量 它 的 速 度, 其 误 差 微 不 足 道 但 是, 我 们 现 在 在 谈 论 电 子! 它 是 如 此 地 小 而 轻, 以 致 于 光 子 对 它 的 撞 击 决 不 能 忽 略 不 计 了 测 量 一 个 电 子 的 位 置? 好, 我 们 派 遣 一 个 光 子 去 执 行 这 个 任 务, 它 回 来 怎 么 报 告 呢? 是 的, 我 接 触 到 了 这 个 电 子, 但 是 它 给 我 狠 狠 撞 了 一 下 后, 飞 到 不 知 什 么 地 方 去 了, 它 现 在 的 速 度 我 可 什 么 都 说 不 上 来 看, 为 了 测 量 它 的 位 置, 我 们 剧 烈 地 改 变 了 它 的 速 度, 也 就 是 动 量 我 们 没 法 同 时 既 准 确 地 知 道 一 个 电 子 的 位 置, 同 时 又 准 确 地 了 解 它 的 动 量 海 森 堡 飞 也 似 地 跑 回 研 究 所, 埋 头 一 阵 苦 算, 最 后 他 得 出 了 一 个 公 式 : p q > h/2π p 和 q 分 别 是 测 量 p 和 测 量 q 的 误 差,h 是 普 朗 克 常 数 海 森 堡 发 现, 测 量 p 和 测 量 q 的 误 差, 它 们 的 乘 积 必 定 要 大 于 某 个 常 数 如 果 我 们 把 p 测 量 得 非 常 精 确, 也 就 是 说 p 非 常 小, 那 么 相 应 地, q 必 定 会 变 得 非 常 大, 也 就 是 说 我 们 关 于 q 的 知 识 就 要 变 得 非 常 模 糊 和 不 确 定 反 过 来, 假 如 我 们 把 位 置 q 测 得 非 常 精 确,p 就 变 得 摇 摆 不 定, 误 差 急 剧 增 大 假 如 我 们 把 p 测 量 得 100% 地 准 确, 也 就 是 说 p=0, 那 么 q 就 要 变 得 无 穷 大 这 就 是 说, 假 如 我 们 了 解 了 一 个 电 子 动 量 p 的 全 部 信 息, 那 么 我 们 就 同 时 失 去 了 它 位 置 q 的 所 有 信 息, 我 们 一 点 都 不 知 道, 它 究 竟 身 在 何 方, 不 管 我 们 怎 么 安 排 实 验 都 没 法 做 得 更 好 鱼 与 熊 掌 不 能 得 兼, 要 么 我 们 精 确 地 知 道 p 而 对 q 放 手, 要 么 我 们 精 确 地 知 道 q 而 放 弃 对 p 的 全 部 知 识, 要 么 我 们 折 衷 一 下, 同 时 获 取 一 个 比 较 模 糊 的 p 和 比 较 模 糊 的 q p 和 q 就 像 一 对 前 世 冤 家, 它 们 人 生 不 相 见, 动 如 参 与 商, 处 在 一 种 有 你 无 我 的 状 态 不 管 我 们 亲 近 哪 个, 都 会 同 时 急 剧 地 疏 远 另 一 个 这 种 奇 特 的 量 被 称 为 共 轭 量, 我 们 以 后 会 看 到, 这 样 的 量 还 有 许 多

92 海 森 堡 的 这 一 原 理 于 1927 年 3 月 23 日 在 物 理 学 杂 志 上 发 表, 被 称 作 Uncertainty Principle 当 它 最 初 被 翻 译 成 中 文 的 时 候, 被 十 分 可 爱 地 译 成 了 测 不 准 原 理, 不 过 现 在 大 多 数 都 改 为 更 加 具 有 普 遍 意 义 的 不 确 定 性 原 理 yutian 回 复 于 : :28:08 第 七 章 不 确 定 性 二 castor_v_pollux 不 确 定 性 原 理 不 确 定? 我 们 又 一 次 遇 到 了 这 个 讨 厌 的 词 还 是 那 句 话, 这 个 词 在 物 理 学 中 是 不 受 欢 迎 的 如 果 物 理 学 什 么 都 不 能 确 定, 那 我 们 还 要 它 来 干 什 么 呢? 本 来 波 恩 的 概 率 解 释 已 经 够 让 人 烦 恼 的 了 -- 即 使 给 定 全 部 条 件, 也 无 法 预 测 结 果 现 在 海 森 堡 干 得 更 绝, 给 定 全 部 条 件? 这 个 前 提 本 身 都 是 不 可 能 的, 给 定 了 其 中 一 部 分 条 件, 另 一 部 分 条 件 就 要 变 得 模 糊 不 清, 无 法 确 定 给 定 了 p, 那 么 我 们 就 要 对 q 说 拜 拜 了 这 可 不 太 美 妙, 一 定 有 什 么 地 方 搞 错 了 我 们 测 量 了 p 就 无 法 测 量 q? 我 倒 不 死 心, 非 要 来 试 试 看 到 底 行 不 行 好 吧, 海 森 堡 接 招, 还 记 得 威 尔 逊 云 室 吧? 你 当 初 不 就 是 为 了 这 个 问 题 苦 恼 吗? 透 过 云 室 我 们 可 以 看 见 电 子 运 动 的 轨 迹, 那 么 通 过 不 断 地 测 量 它 的 位 置, 我 们 当 然 能 够 计 算 出 它 的 瞬 时 速 度 来, 这 样 不 就 可 以 同 时 知 道 它 的 动 量 了 吗? 这 个 问 题, 海 森 堡 笑 道, 我 终 于 想 通 了 电 子 在 云 室 里 留 下 的 并 不 是 我 们 理 解 中 的 精 细 的 轨 迹, 事 实 上 那 只 是 一 连 串 凝 结 的 水 珠 你 把 它 放 大 了 看, 那 是 不 连 续 的, 一 团 一 团 的 虚 线, 根 本 不 可 能 精 确 地 得 出 位 置 的 概 念, 更 谈 不 上 违 反 不 确 定 原 理 哦? 是 这 样 啊 那 么 我 们 就 仔 细 一 点, 把 电 子 的 精 细 轨 迹 找 出 来 不 就 行 了? 我 们 可 以 用 一 个 大 一 点 的 显 微 镜 来 干 这 活, 理 论 上 不 是 不 可 能 的 吧? 对 了, 显 微 镜! 海 森 堡 兴 致 勃 勃 地 说, 我 正 想 说 显 微 镜 这 事 呢 就 让 我 们 来 做 一 个 思 维 实 验 (Gedanken-experiment), 想 象 我 们 有 一 个 无 比 强 大 的 显 微 镜 吧 不 过, 再 厉 害 的 显 微 镜 也 有 它 基 本 的 原 理 啊, 要 知 道, 不 管 怎 样, 如 果 我 们 用 一 种 波 去 观 察 比 它 的 波 长 还 要 小 的 事 物 的 话, 那 就 根 本 谈 不 上 精 确 了, 就 像 用 粗 笔 画 不 出 细 线 一 样 如 果 我 们 想 要 观 察 电 子 这 般 微 小 的 东 西, 我 们 必 须 要 采 用 波 长 很 短 的 光 普 通 光 不 行, 要 用 紫 外 线,X 射 线, 甚 至 γ 射 线 才 行 好 吧, 反 正 是 思 维 实 验 用 不 着 花 钱, 我 们 就 假 设 上 头 破 天 荒 地 拨 了 巨 款, 给 我 们 造 了 一 台 最 先 进 的 γ 射 线 显 微 镜 吧 那 么, 现 在 我 们 不 就 可 以 准 确 地 看 到 电 子 的 位 置 了 吗? 可 是, 海 森 堡 指 出, 你 难 道 忘 了 吗? 任 何 探 测 到 电 子 的 波 必 然 给 电 子 本 身 造 成 扰 动 波 长 越 短 的 波, 它 的 频 率 就 越 高, 是 吧? 大 家 都 应 该 还 记 得 普 朗 克 的 公 式 E = hν, 频 率 一 高 的 话 能 量 也 相 应 增 强, 这 样 给 电 子 的 扰 动 就 越 厉 害, 同 时 我 们 就 更 加 无 法 了 解 它 的 动 量 了 你 看, 这 完 美 地 满 足 不 确 定 性 原 理 你 这 是 狡 辩 好 吧 我 们 接 受 现 实, 每 当 我 们 用 一 个 光 子 去 探 测 电 子 的 位 置, 就 会 给 它 造 成

93 强 烈 的 扰 动, 让 它 改 变 方 向 速 度, 向 另 一 个 方 向 飞 去 可 是, 我 们 还 是 可 以 采 用 一 些 聪 明 的, 迂 回 的 方 法 来 实 现 我 们 的 目 的 啊 比 如 我 们 可 以 测 量 这 个 反 弹 回 来 的 光 子 的 方 向 速 度, 从 而 推 导 出 它 对 电 子 产 生 了 何 等 的 影 响, 进 而 导 出 电 子 本 身 的 方 向 速 度 怎 样, 这 不 就 破 解 了 你 的 把 戏 吗? 还 是 不 行 海 森 堡 摇 头 说, 为 了 达 到 那 样 高 的 灵 敏 度, 我 们 的 显 微 镜 必 须 有 一 块 很 大 直 径 的 透 镜 才 行 你 知 道, 透 镜 把 所 有 方 向 来 的 光 都 聚 集 到 一 个 焦 点 上, 这 样 我 们 根 本 就 无 法 分 辨 出 反 弹 回 来 的 光 子 究 竟 来 自 何 方 假 如 我 们 缩 小 透 镜 的 直 径 以 确 保 光 子 不 被 聚 焦, 那 么 显 微 镜 的 灵 敏 度 又 要 变 差 而 无 法 胜 任 此 项 工 作 所 以 你 的 小 聪 明 还 是 不 奏 效 真 是 邪 门 那 么, 观 察 显 微 镜 本 身 的 反 弹 怎 样? 一 样 道 理, 要 观 察 这 样 细 微 的 效 应, 就 要 用 波 长 短 的 光, 所 以 它 的 能 量 就 大, 就 给 显 微 镜 本 身 造 成 抹 去 一 切 的 扰 动 等 等, 我 们 并 不 死 心 好 吧, 我 们 承 认, 我 们 的 观 测 器 材 是 十 分 粗 糙 的, 我 们 的 十 指 笨 拙, 我 们 的 文 明 才 几 千 年 历 史, 现 代 科 学 更 是 仅 创 立 了 300 年 不 到 的 时 间 我 们 承 认, 就 我 们 目 前 的 科 技 水 平 来 说, 我 们 没 法 同 时 观 测 到 一 个 细 小 电 子 的 位 置 和 动 量, 因 为 我 们 的 仪 器 又 傻 又 笨 可 是, 这 并 不 表 明, 电 子 不 同 时 具 有 位 置 和 动 量 啊, 也 许 在 将 来, 哪 怕 遥 远 的 将 来, 我 们 会 发 展 出 一 种 尖 端 科 技, 我 们 会 发 明 极 端 精 细 的 仪 器, 从 而 准 确 地 测 出 电 子 的 位 置 和 动 量 呢? 你 不 能 否 认 这 种 可 能 性 啊 话 不 是 这 样 说 的 海 森 堡 若 有 所 思 地 说, 这 里 的 问 题 是 理 论 限 制 了 我 们 能 够 观 测 到 的 东 西, 而 不 是 实 验 导 致 的 误 差 同 时 测 量 到 准 确 的 动 量 和 位 置 在 原 则 上 都 是 不 可 能 的, 不 管 科 技 多 发 达 都 一 样 就 像 你 永 远 造 不 出 永 动 机, 你 也 永 远 造 不 出 可 以 同 时 探 测 到 p 和 q 的 显 微 镜 来 不 管 今 后 我 们 创 立 了 什 么 理 论, 它 们 都 必 须 服 从 不 确 定 性 原 理, 这 是 一 个 基 本 原 则, 所 有 的 后 续 理 论 都 要 在 它 的 监 督 下 才 能 取 得 合 法 性 海 森 堡 的 这 一 论 断 是 不 是 太 霸 道 了 点? 而 且, 这 样 一 来 物 理 学 家 的 脸 不 是 都 给 丢 尽 了 吗? 想 象 一 下 公 众 的 表 现 吧 : 什 么, 你 是 一 个 物 理 学 家? 哦, 我 真 为 你 们 惋 惜, 你 们 甚 至 不 知 道 一 个 电 子 的 动 量 和 位 置! 我 们 家 汤 米 至 少 还 知 道 怎 么 摆 弄 他 的 皮 球 不 过, 我 们 还 是 要 摆 事 实, 讲 道 理, 以 德 服 人 一 个 又 一 个 的 思 想 实 验 被 提 出 来, 可 是 我 们 就 是 没 法 既 精 确 地 测 量 出 电 子 的 动 量, 同 时 又 精 确 地 得 到 它 的 位 置 两 者 的 误 差 之 乘 积 必 定 要 大 于 那 个 常 数, 也 就 是 h 除 以 2π 幸 运 的 是, 我 们 都 记 得 h 非 常 小, 只 有 ^-34 焦 耳 秒, 那 么 假 如 p 和 q 的 量 级 差 不 多, 它 们 各 自 便 都 在 10^-17 这 个 数 量 级 上 我 们 现 在 可 以 安 慰 一 下 不 明 真 相 的 群 众 : 事 情 并 不 是 那 么 糟 糕, 这 种 效 应 只 有 在 电 子 和 光 子 的 尺 度 上 才 变 得 十 分 明 显 对 于 汤 米 玩 的 皮 球,10^-17 简 直 是 微 不 足 道 到 了 极 点, 根 本 就 没 法 感 觉 出 来 汤 米 可 以 安 心 地 拍 他 的 皮 球, 不 必 担 心 因 为 测 不 准 它 的 位 置 而 把 它 弄 丢 了 不 过 对 于 电 子 尺 度 的 世 界 来 说, 那 可 就 大 大 不 同 了 在 上 一 章 的 最 后, 我 们 曾 经 假 想 自 己 缩 小 到 电 子 大 小 去 一 探 原 子 里 的 奥 秘, 那 时 我 们 的 身 高 只 有 10^-23 米 现 在, 妈 妈 对 于 我 们 淘 气 的 行 为 感 到 担 心, 想 测 量 一 下 我 们 到 了 哪 里, 不 过 她 们 注 定 要 失 望 了 : 测 量 的 误 差 达 到 10^-17 米, 是 我 们 本 身 高 度 的 100 万 倍!100 万 倍 的 误 差 意 味 着 什 么, 假 如 我 们 平 时 身 高 1

94 米 75, 这 个 误 差 就 达 到 175 万 米, 也 就 是 1750 公 里, 母 亲 们 得 在 整 条 京 沪 铁 路 沿 线 到 处 寻 找 我 们 才 行 测 不 准 变 得 名 副 其 实 了 在 任 何 时 候, 大 自 然 都 固 执 地 坚 守 着 这 一 底 线, 绝 不 让 我 们 有 任 何 机 会 可 以 同 时 得 到 位 置 和 动 量 的 精 确 值 任 凭 我 们 机 关 算 尽, 花 样 百 出, 它 总 是 比 我 们 高 明 一 筹, 每 次 都 狠 狠 的 把 我 们 的 小 聪 明 击 败 不 能 测 量 电 子 的 位 置 和 动 量? 我 们 来 设 计 一 个 极 小 极 小 的 容 器, 它 内 部 只 能 容 纳 一 个 电 子, 不 留 下 任 何 多 余 的 空 间, 这 下 如 何? 电 子 不 能 乱 动 了 吧? 可 是, 首 先 这 种 容 器 肯 定 是 造 不 出 来 的, 因 为 它 本 身 也 必 定 由 电 子 组 成, 所 以 它 本 身 也 必 然 要 有 位 置 的 起 伏, 使 内 部 的 空 间 涨 涨 落 落 退 一 步 来 说, 就 算 可 以, 在 这 种 情 况 下, 电 子 也 会 神 秘 地 渗 过 容 器 壁, 出 现 在 容 器 外 面, 像 传 说 中 穿 墙 而 过 的 崂 山 道 士 不 确 定 性 原 理 赋 予 它 这 种 神 奇 的 能 力, 冲 破 一 切 束 缚 还 有 一 种 办 法, 降 温 我 们 都 知 道 原 子 在 不 停 地 振 动, 温 度 是 这 种 振 动 的 宏 观 表 现, 当 温 度 下 降 到 绝 对 零 度, 理 论 上 原 子 就 完 全 静 止 了 那 时 候 动 量 确 定 为 零, 只 要 测 量 位 置 就 可 以 了 吧? 可 惜, 绝 对 零 度 是 无 法 达 到 的, 无 论 如 何 努 力, 原 子 还 是 拼 命 地 保 有 最 后 的 一 点 内 能 不 让 我 们 测 准 它 的 动 量 不 管 是 谁, 也 无 法 让 原 子 完 全 静 止 下 来, 传 说 中 的 圣 斗 士 也 不 行 -- 他 们 无 法 克 服 不 确 定 性 原 理 动 量 p 和 位 置 q, 它 们 真 正 地 是 不 共 戴 天 只 要 一 个 量 出 现 在 宇 宙 中, 另 一 个 就 神 秘 地 消 失 要 么, 两 个 都 以 一 种 模 糊 不 清 的 面 目 出 现 海 森 堡 很 快 又 发 现 了 另 一 对 类 似 的 仇 敌, 它 们 是 能 量 E 和 时 间 t 只 要 能 量 E 测 量 得 越 准 确, 时 刻 t 就 愈 加 模 糊 ; 反 过 来, 时 间 t 测 量 得 愈 准 确, 能 量 E 就 开 始 大 规 模 地 起 伏 不 定 而 且, 它 们 之 间 的 关 系 遵 守 相 同 的 不 确 定 性 规 则 : E t > h/2π 各 位 看 官, 我 们 的 宇 宙 已 经 变 得 非 常 奇 妙 了 各 种 物 理 量 都 遵 循 着 海 森 堡 的 这 种 不 确 定 性 原 理, 此 起 彼 伏, 像 神 秘 的 大 海 中 不 断 升 起 和 破 灭 的 泡 沫 在 古 人 看 来, 空 就 是 空 荡 荡 无 一 物 不 过 后 来 人 们 知 道 了, 看 不 见 的 空 气 中 也 有 无 数 分 子, 空 应 该 指 抽 空 了 空 气 的 真 空 再 后 来, 人 们 觉 得 各 种 场, 从 引 力 场 到 电 磁 场, 也 应 该 排 除 在 空 的 概 念 之 外, 它 应 该 仅 仅 指 空 间 本 身 而 已 但 现 在, 这 个 概 念 又 开 始 混 乱 了 首 先 爱 因 斯 坦 的 相 对 论 告 诉 我 们 空 间 本 身 也 能 扭 曲 变 形, 事 实 上 引 力 只 不 过 是 它 的 弯 曲 而 已 而 海 森 堡 的 不 确 定 性 原 理 展 现 了 更 奇 特 的 场 景 : 我 们 知 道 t 测 量 得 越 准 确,E 就 越 不 确 定 所 以 在 非 常 非 常 短 的 一 刹 那, 也 就 是 t 非 常 确 定 的 一 瞬 间, 即 使 真 空 中 也 会 出 现 巨 大 的 能 量 起 伏 这 种 能 量 完 全 是 靠 着 不 确 定 性 而 凭 空 出 现 的, 它 的 确 违 反 了 能 量 守 恒 定 律! 但 是 这 一 刹 那 极 短, 在 人 们 还 没 有 来 得 及 发 现 以 前, 它 又 神 秘 消 失, 使 得 能 量 守 恒 定 律 在 整 体 上 得 以 维 持 间 隔 越 短,t 就 越 确 定,E 就 越 不 确 定, 可 以 凭 空 出 现 的 能 量 也 就 越 大 所 以, 我 们 的 真 空 其 实 无 时 无 刻 不 在 沸 腾 着, 到 处 有 神 秘 的 能 量 产 生 并 消 失 爱 因 斯 坦 告 诉 我 们, 能 量 和 物 质 可 以 互 相 转 换, 所 以 在 真 空 中, 其 实 不 停 地 有 一 些 幽 灵 物 质 在 出 没, 只 不 过 在 我 们 没 有 抓 住 它 们 之 前, 它 们 就 又 消 失 在 了 另 一 世 界 真 空 本 身, 就 是 提 供 这 种 涨 落 的 最 好 介 质 现 在 如 果 我 们 谈 论 空, 应 该 明 确 地 说 : 没 有 物 质, 没 有 能 量, 没 有 时 间, 也 没 有 空 间

95 这 才 是 什 么 都 没 有, 它 根 本 不 能 够 想 象 ( 你 能 想 象 没 有 空 间 是 什 么 样 子 吗?) 不 过 大 有 人 说, 这 也 不 算 空, 因 为 空 间 和 时 间 本 身 似 乎 可 以 通 过 某 种 机 制 从 一 无 所 有 中 被 创 造 出 来, 我 可 真 要 发 疯 了, 那 究 竟 怎 样 才 算 空 呢? ********* 饭 后 闲 话 : 无 中 生 有 曾 几 何 时, 所 有 的 科 学 家 都 认 为, 无 中 生 有 是 绝 对 不 可 能 的 物 质 不 能 被 凭 空 制 造, 能 量 也 不 能 被 凭 空 制 造, 遑 论 时 空 本 身 但 是 不 确 定 性 原 理 的 出 现 把 这 一 切 旧 观 念 都 摧 枯 拉 朽 一 般 地 粉 碎 了 海 森 堡 告 诉 我 们, 在 极 小 的 空 间 和 极 短 的 时 间 里, 什 么 都 是 有 可 能 发 生 的, 因 为 我 们 对 时 间 非 常 确 定, 所 以 反 过 来 对 能 量 就 非 常 地 不 确 定 能 量 物 质 可 以 逃 脱 物 理 定 律 的 束 缚, 自 由 自 在 地 出 现 和 消 失 但 是, 这 种 自 由 的 代 价 就 是 它 只 能 限 定 在 那 一 段 极 短 的 时 间 内, 当 时 刻 一 到, 灰 姑 娘 就 要 现 出 原 形, 这 些 神 秘 的 物 质 能 量 便 要 消 失, 以 维 护 质 能 守 恒 定 律 在 大 尺 度 上 不 被 破 坏 不 过 上 世 纪 60 年 代 末, 有 人 想 到 了 一 种 可 能 性 : 引 力 的 能 量 是 负 数 ( 因 为 引 力 是 吸 力, 假 设 无 限 远 的 势 能 是 0, 那 么 当 物 体 靠 近 后 因 为 引 力 做 功 使 得 其 势 能 为 负 值 ), 所 以 在 短 时 间 内 凭 空 生 出 的 物 质 能 量, 它 们 之 间 又 可 以 形 成 引 力 场, 其 产 生 的 负 能 量 正 好 和 它 们 本 身 抵 消, 使 得 总 能 量 仍 然 保 持 为 0, 不 破 坏 守 恒 定 律 这 样, 物 质 就 真 的 从 一 无 所 有 中 产 生 了 许 多 人 都 相 信, 我 们 的 宇 宙 本 身 就 是 通 过 这 种 机 制 产 生 的 量 子 效 应 使 得 一 小 块 时 空 突 然 从 根 本 没 有 时 空 中 产 生, 然 后 因 为 各 种 力 的 作 用, 它 突 然 指 数 级 地 膨 胀 起 来, 在 瞬 间 扩 大 到 整 个 宇 宙 的 尺 度 MIT 的 科 学 家 阿 伦? 古 斯 (Alan Guth) 在 这 种 想 法 上 出 发, 创 立 了 宇 宙 的 暴 涨 理 论 (Inflation) 在 宇 宙 创 生 的 极 早 期, 各 块 空 间 都 以 难 以 想 象 的 惊 人 速 度 暴 涨, 这 使 得 宇 宙 的 总 体 积 增 大 了 许 多 许 多 倍 这 就 可 以 解 释 为 什 么 今 天 它 的 结 构 在 各 个 方 向 看 来 都 是 均 匀 同 一 的 暴 涨 理 论 创 立 以 来 也 已 经 出 现 多 个 版 本, 不 过 很 难 确 定 地 证 实 这 个 理 论 究 竟 是 否 正 确, 因 为 宇 宙 毕 竟 不 像 我 们 的 实 验 室 可 以 随 心 所 欲 地 观 测 研 究 但 大 多 数 物 理 学 家 对 其 还 是 偏 爱 的, 认 为 这 是 一 个 有 希 望 的 理 论 1998 年, 古 斯 还 出 版 了 一 本 通 俗 的 介 绍 暴 涨 的 书, 他 最 爱 说 的 一 句 话 是 : 宇 宙 本 身 就 是 一 顿 免 费 午 餐 意 思 是 宇 宙 是 从 一 无 所 有 中 而 来 的 不 过, 假 如 再 苛 刻 一 点, 这 还 不 能 算 严 格 的 无 中 生 有 因 为 就 算 没 有 物 质, 没 有 时 间 空 间, 我 们 还 有 一 个 前 提 : 存 在 着 物 理 定 律! 相 对 论 和 量 子 论 的 各 种 规 则, 比 如 不 确 定 原 理 本 身 又 是 如 何 从 无 中 生 出 的 呢? 或 者 它 们 不 言 而 喻 地 存 在? 我 们 越 说 越 玄 了, 这 就 打 住 吧 yutian 回 复 于 : :29:01 第 七 章 不 确 定 性 三 castor_v_pollux

96 当 海 森 堡 完 成 了 他 的 不 确 定 性 原 理 后, 他 迅 即 写 信 给 泡 利 和 远 在 挪 威 的 玻 尔, 把 自 己 的 想 法 告 诉 他 们 收 到 海 森 堡 的 信 后, 玻 尔 立 即 从 挪 威 动 身 返 回 哥 本 哈 根, 准 备 就 这 个 问 题 和 海 森 堡 展 开 深 入 的 探 讨 海 森 堡 可 能 以 为, 这 样 伟 大 的 一 个 发 现 必 定 能 打 动 玻 尔 的 心, 让 他 同 意 自 己 对 于 量 子 力 学 的 一 贯 想 法 可 是, 他 却 大 大 地 错 了 在 挪 威, 玻 尔 于 滑 雪 之 余 好 好 地 思 考 了 一 下 波 粒 问 题, 新 想 法 逐 渐 在 他 脑 中 定 型 了 当 他 看 到 海 森 堡 的 论 文, 他 自 然 而 然 地 用 这 种 想 法 去 印 证 整 个 结 论 他 问 海 森 堡, 这 种 不 确 定 性 是 从 粒 子 的 本 性 而 来, 还 是 从 波 的 本 性 导 出 的 呢? 海 森 堡 一 愣, 他 压 根 就 没 考 虑 过 什 么 波 当 然 是 粒 子, 由 于 光 子 击 中 了 电 子 而 造 成 了 位 置 和 动 量 的 不 确 定, 这 不 是 明 摆 的 吗? 玻 尔 很 严 肃 地 摇 头, 他 拿 海 森 堡 想 象 的 那 个 巨 型 显 微 镜 开 刀, 证 明 在 很 大 程 度 上 不 确 定 性 不 单 单 出 自 不 连 续 的 粒 子 性, 更 是 出 自 波 动 性 我 们 在 前 面 讨 论 过 德 布 罗 意 波 长 公 式 λ= h/mv, mv 就 是 动 量 p, 所 以 p= h/λ, 对 于 每 一 个 动 量 p 来 说, 总 是 有 一 个 波 长 的 概 念 伴 随 着 它 对 于 E-t 关 系 来 说,E= hν, 依 然 有 频 率 ν 这 一 波 动 概 念 在 里 面 海 森 堡 对 此 一 口 拒 绝, 要 让 他 接 受 波 动 性 可 不 是 一 件 容 易 的 事 情, 对 海 森 堡 的 顽 固 玻 尔 显 然 开 始 不 耐 烦 了, 他 明 确 地 对 海 森 堡 说 : 你 的 显 微 镜 实 验 是 不 对 的, 这 把 海 森 堡 给 气 哭 了 两 人 大 吵 一 场, 克 莱 恩 当 然 帮 着 玻 尔, 这 使 得 哥 本 哈 根 内 部 的 气 氛 闹 得 非 常 尖 锐 从 物 理 问 题 出 发, 后 来 几 乎 变 成 了 私 人 误 会, 以 致 海 森 堡 不 得 不 把 写 给 泡 利 的 信 要 回 去 以 作 出 澄 清 最 后, 泡 利 本 人 亲 自 跑 去 丹 麦, 这 才 最 后 平 息 了 事 件 的 余 波 对 海 森 堡 来 说 不 幸 的 是, 在 显 微 镜 问 题 上 的 确 是 他 错 了 海 森 堡 大 概 生 来 患 有 某 种 显 微 镜 恐 惧 症, 一 碰 到 显 微 镜 就 犯 晕 当 年, 他 在 博 士 论 文 答 辩 里 就 搞 不 清 最 基 本 的 显 微 镜 分 辨 度 问 题, 差 点 没 拿 到 学 位 这 次 玻 尔 也 终 于 让 他 意 识 到, 不 确 定 性 是 建 立 在 波 和 粒 子 的 双 重 基 础 上 的, 它 其 实 是 电 子 在 波 和 粒 子 间 的 一 种 摇 摆 : 对 于 波 的 属 性 了 解 得 越 多, 关 于 粒 子 的 属 性 就 了 解 得 越 少 海 森 堡 最 后 终 于 接 受 了 玻 尔 的 批 评, 给 他 的 论 文 加 了 一 个 附 注, 声 明 不 确 定 性 其 实 同 时 建 筑 在 连 续 性 和 不 连 续 性 两 者 之 上, 并 感 谢 玻 尔 指 出 了 这 一 点 玻 尔 也 在 这 场 争 论 中 有 所 收 获, 他 发 现 不 确 定 原 理 的 普 遍 意 义 原 来 比 他 想 象 中 的 要 大 他 本 以 为, 这 只 是 一 个 局 部 的 原 理, 但 现 在 他 领 悟 到 这 个 原 理 是 量 子 论 中 最 核 心 的 基 石 之 一 在 给 爱 因 斯 坦 的 信 中, 玻 尔 称 赞 了 海 森 堡 的 理 论, 说 他 用 一 种 极 为 漂 亮 的 手 法 显 示 了 不 确 定 如 何 被 应 用 在 量 子 论 中 复 活 节 长 假 后, 双 方 各 退 一 步, 局 面 终 于 海 阔 天 空 起 来 海 森 堡 写 给 泡 利 的 信 中 又 恢 复 了 良 好 的 心 情, 说 是 又 可 以 单 纯 地 讨 论 物 理 问 题, 忘 记 别 的 一 切 了 的 确, 兄 弟 阋 于 墙, 也 要 外 御 其 侮, 哥 本 哈 根 派 现 在 又 团 结 得 像 一 块 坚 石 了, 他 们 很 快 就 要 共 同 面 对 更 大 的 挑 战, 并 把 哥 本 哈 根 这 个 名 字 深 深 镌 刻 在 物 理 学 的 光 辉 历 史 上 不 过, 话 又 说 回 来 波 动 性, 微 粒 性, 从 我 们 史 话 的 一 开 始, 这 两 个 词 已 经 深 深 困 扰 我 们, 一 直 到 现 在 好 吧, 不 确 定 性 同 时 建 立 在 波 动 性 和 微 粒 性 上 可 这 不 是 白 说 吗? 我 们 的 耐 心 是 有 限 的, 不 如 摊 开 天 窗 说 亮 话 吧, 这 个 该 死 的 电 子 到 底 是 个 粒 子 还 是 波 那? 粒 子 还 是 波, 真 是 令 人 感 慨 万 千 的 话 题 啊 这 是 一 出 300 年 来 的 传 奇 故 事, 其 中 悲 欢 起 落, 穿 插 着 物 理 史 上 最 伟 大 的 那 些 名 字 : 牛 顿 胡 克 惠 更 斯 杨 菲 涅 尔 傅 科 麦 克 斯 韦 赫 兹 汤 姆 逊 爱 因 斯 坦 康 普 顿 德 布 罗 意 恩 恩 怨 怨, 谁 又 能 说 得 明 白? 我 们 处 在 一 种 进 退 维 谷 的 境 地 中, 一 方 面 双 缝 实 验 和 麦 氏 理 论 毫 不 含 糊 地 揭 示 出 光 的 波 动 性, 另 一 方 面 光 电 效 应, 康 普 顿 效 应 又 同 样 清 晰 地 表 明 它 是 粒 子 就 电 子 来 说, 玻 尔 的 跃 迁, 原 子 里 的 光

97 谱, 海 森 堡 的 矩 阵 都 强 调 了 它 不 连 续 的 一 面, 似 乎 粒 子 性 占 了 上 风, 但 薛 定 谔 的 方 程 却 又 大 肆 渲 染 它 的 连 续 性, 甚 至 把 波 动 的 标 签 都 贴 到 了 它 脸 上 怎 么 看, 电 子 都 没 法 不 是 个 粒 子 ; 怎 么 看, 电 子 都 没 法 不 是 个 波 这 该 如 何 是 好 呢? 当 遇 到 棘 手 的 问 题 时, 最 好 的 办 法 还 是 问 问 咱 们 的 偶 像, 无 所 不 能 的 歇 洛 克? 福 尔 摩 斯 先 生 他 是 这 样 说 的 : 我 的 方 法, 就 建 立 在 这 样 一 种 假 设 上 面 : 当 你 把 一 切 不 可 能 的 结 论 都 排 除 之 后, 那 剩 下 的, 不 管 多 么 离 奇, 也 必 然 是 事 实 ( 新 探 案? 皮 肤 变 白 的 军 人 ) 真 是 至 理 名 言 啊 那 么, 电 子 不 可 能 不 是 个 粒 子, 它 也 不 可 能 不 是 波 那 剩 下 的, 唯 一 的 可 能 性 就 是 它 既 是 个 粒 子, 同 时 又 是 个 波! 可 是, 等 等, 这 太 过 分 了 吧? 完 全 没 法 叫 人 接 受 嘛 什 么 叫 既 是 个 粒 子, 同 时 又 是 波? 这 两 种 图 像 分 明 是 互 相 排 斥 的 呀 一 个 人 可 能 既 是 男 的, 又 是 女 的 吗 ( 太 监 之 类 的 不 算 )? 这 种 说 法 难 道 不 自 相 矛 盾 吗? 不 过, 要 相 信 福 尔 摩 斯, 更 要 相 信 玻 尔, 因 为 玻 尔 就 是 这 样 想 的 毫 无 疑 问, 一 个 电 子 必 须 由 粒 子 和 波 两 种 角 度 去 作 出 诠 释, 任 何 单 方 面 的 描 述 都 是 不 完 全 的 只 有 粒 子 和 波 两 种 概 念 有 机 结 合 起 来, 电 子 才 成 为 一 个 有 血 有 肉 的 电 子, 才 真 正 成 为 一 种 完 备 的 图 像 没 有 粒 子 性 的 电 子 是 盲 目 的, 没 有 波 动 性 的 电 子 是 跛 足 的 这 还 是 不 能 让 我 们 信 服 啊, 既 是 粒 子 又 是 波? 难 以 想 象, 难 道 电 子 像 一 个 幽 灵, 在 粒 子 的 周 围 同 时 散 发 出 一 种 奇 怪 的 波, 使 得 它 本 身 成 为 这 两 种 状 态 的 叠 加? 谁 曾 经 亲 眼 目 睹 这 种 恶 梦 般 的 场 景 吗? 出 来 作 个 证? 不, 你 理 解 得 不 对 玻 尔 摇 头 说, 任 何 时 候 我 们 观 察 电 子, 它 当 然 只 能 表 现 出 一 种 属 性, 要 么 是 粒 子 要 么 是 波 声 称 看 到 粒 子 - 波 混 合 叠 加 的 人 要 么 是 老 花 眼, 要 么 是 纯 粹 在 胡 说 八 道 但 是, 作 为 电 子 这 个 整 体 概 念 来 说, 它 却 表 现 出 一 种 波 - 粒 的 二 像 性 来, 它 可 以 展 现 出 粒 子 的 一 面, 也 可 以 展 现 出 波 的 一 面, 这 完 全 取 决 于 我 们 如 何 去 观 察 它 我 们 想 看 到 一 个 粒 子? 那 好, 让 它 打 到 荧 光 屏 上 变 成 一 个 小 点 看, 粒 子! 我 们 想 看 到 一 个 波? 也 行, 让 它 通 过 双 缝 组 成 干 涉 图 样 看, 波! 奇 怪, 似 乎 有 哪 里 不 对, 却 说 不 出 来 好 吧, 电 子 有 时 候 变 成 电 子 的 模 样, 有 时 候 变 成 波 的 模 样, 嗯, 不 错 的 变 脸 把 戏 可 是, 撕 下 它 的 面 具, 它 本 来 的 真 身 究 竟 是 个 什 么 呢? 这 就 是 关 键! 这 就 是 你 我 的 分 歧 所 在 了 玻 尔 意 味 深 长 地 说, 电 子 的 真 身? 或 者 换 几 个 词, 电 子 的 原 型? 电 子 的 本 来 面 目? 电 子 的 终 极 理 念? 这 些 都 是 毫 无 意 义 的 单 词, 对 于 我 们 来 说, 唯 一 知 道 的 只 是 每 次 我 们 看 到 的 电 子 是 什 么 我 们 看 到 电 子 呈 现 出 粒 子 性, 又 看 到 电 子 呈 现 出 波 动 性, 那 么 当 然 我 们 就 假 设 它 是 粒 子 和 波 的 混 合 体 我 一 点 都 不 关 心 电 子 本 来 是 什 么, 我 觉 得 那 是 没 有 意 义 的 事 实 上 我 也 不 关 心 大 自 然 本 来 是 什 么, 我 只 关 心

98 我 们 能 够 观 测 到 大 自 然 是 什 么 电 子 又 是 个 粒 子 又 是 个 波, 但 每 次 我 们 观 察 它, 它 只 展 现 出 其 中 的 一 面, 这 里 的 关 键 是 我 们 如 何 观 察 它, 而 不 是 它 究 竟 是 什 么 玻 尔 的 话 也 许 太 玄 妙 了, 我 们 来 通 俗 地 理 解 一 下 现 在 流 行 手 机 换 彩 壳, 我 昨 天 心 情 好, 就 配 一 个 shining 的 亮 银 色, 今 天 心 情 不 好, 换 一 个 比 较 有 忧 郁 感 的 蓝 色 咦 奇 怪 了, 为 什 么 我 的 手 机 昨 天 是 银 色 的, 今 天 变 成 蓝 色 了 呢? 这 两 种 颜 色 不 是 互 相 排 斥 的 吗? 我 的 手 机 怎 么 可 能 又 是 银 色, 又 是 蓝 色 呢? 很 显 然, 这 并 不 是 说 我 的 手 机 同 时 展 现 出 银 色 和 蓝 色, 变 成 某 种 稀 奇 的 银 蓝 色, 它 是 银 色 还 是 蓝 色, 完 全 取 决 于 我 如 何 搭 配 它 的 外 壳 我 昨 天 决 定 这 样 装 配 它, 它 就 呈 现 出 银 色, 而 今 天 改 一 种 方 式, 它 就 变 成 蓝 色 它 是 什 么 颜 色, 取 决 于 我 如 何 装 配 它! 但 是, 如 果 你 一 定 要 打 破 砂 锅 地 问 : 我 的 手 机 本 来 是 什 么 颜 色? 那 可 就 糊 涂 了 假 如 你 指 的 是 它 原 装 出 厂 时 配 着 什 么 外 壳, 我 倒 可 以 告 诉 你 不 过 要 是 你 强 调 是 哲 学 意 义 上 的 本 来, 或 者 理 念 中 手 机 的 颜 色 到 底 是 什 么, 我 会 觉 得 你 不 可 理 喻 真 要 我 说, 我 觉 得 它 本 来 没 什 么 颜 色, 只 有 我 们 给 它 装 上 某 种 外 壳 并 观 察 它, 它 才 展 现 出 某 种 颜 色 来 它 是 什 么 颜 色, 取 决 于 我 们 如 何 观 察 它, 而 不 是 取 决 于 它 本 来 是 什 么 颜 色 我 觉 得, 讨 论 它 本 来 的 颜 色 是 痴 人 说 梦 再 举 个 例 子, 大 家 都 知 道 白 马 非 马 的 诡 辩, 不 过 我 们 不 讨 论 这 个 我 们 问 : 这 匹 马 到 底 是 什 么 颜 色 呢? 你 当 然 会 说 : 白 色 啊 可 是, 也 许 你 身 边 有 个 色 盲, 他 会 争 辩 说 : 不 对, 是 红 色! 大 家 指 的 是 同 一 匹 马, 它 怎 么 可 能 又 是 白 色 又 是 红 色 呢? 你 当 然 要 说, 那 个 人 在 感 觉 颜 色 上 有 缺 陷, 他 说 的 不 是 马 本 来 的 颜 色, 可 是, 谁 又 知 道 你 看 到 的 就 一 定 是 正 确 的 颜 色 呢? 假 如 世 上 有 一 半 色 盲, 谁 来 分 辨 哪 一 半 说 的 是 真 相 呢? 不 说 色 盲, 我 们 戴 上 一 副 红 色 眼 镜, 这 下 看 出 去 的 马 也 变 成 了 红 色 吧? 它 怎 么 刚 刚 是 白 色, 现 在 是 红 色 呢? 哦, 因 为 你 改 变 了 观 察 方 式, 戴 上 了 眼 镜 那 么 哪 一 种 方 式 看 到 的 是 真 实 呢? 天 晓 得, 庄 周 做 梦 变 成 了 蝴 蝶 还 是 蝴 蝶 做 梦 变 成 了 庄 周? 你 戴 上 眼 镜 看 到 的 是 真 实 还 是 脱 下 眼 镜 看 到 的 是 真 实? 我 们 的 结 论 是, 讨 论 哪 个 是 真 实 毫 无 意 义 我 们 唯 一 能 说 的, 是 在 某 种 观 察 方 式 确 定 的 前 提 下, 它 呈 现 出 什 么 样 子 来 我 们 可 以 说, 在 我 们 运 用 肉 眼 的 观 察 方 式 下, 马 呈 现 出 白 色 同 样 我 们 也 可 以 说, 在 戴 上 眼 镜 的 观 察 方 式 下, 马 呈 现 出 红 色 色 盲 也 可 以 声 称, 在 他 那 种 特 殊 构 造 的 感 光 方 式 观 察 下, 马 是 红 色 至 于 马 本 来 是 什 么 色, 完 全 没 有 意 义 甚 至 我 们 可 以 说, 马 本 来 的 颜 色 是 子 虚 乌 有 的 我 们 大 多 数 人 说 马 是 白 色, 只 不 过 我 们 大 多 数 人 采 用 了 一 种 类 似 的 观 察 方 式 罢 了, 这 并 不 指 向 一 种 终 极 真 理 电 子 也 是 一 样 电 子 是 粒 子 还 是 波? 那 要 看 你 怎 么 观 察 它 如 果 采 用 光 电 效 应 的 观 察 方 式, 那 么 它 无 疑 是 个 粒 子 ; 要 是 用 双 缝 来 观 察, 那 么 它 无 疑 是 个 波 它 本 来 到 底 是 个 粒 子 还 是 波 呢? 又 来 了, 没 有 什 么 本 来, 所 有 的 属 性 都 是 同 观 察 联 系 在 一 起 的, 让 本 来 见 鬼 去 吧 但 是, 一 旦 观 察 方 式 确 定 了, 电 子 就 要 选 择 一 种 表 现 形 式, 它 得 作 为 一 个 波 或 者 粒 子 出 现, 而 不 能 再 暧 昧 地 混 杂 在 一 起 这 就 像 我 们 可 怜 的 马, 不 管 谁 用 什 么 方 式 观 察, 它 只 能 在 某 一 时 刻 展 现 出 一 种 颜 色 从 来 没 有 人 有 过 这 样 奇 妙 的 体 验 : 这 匹 马 同 时 又 是 白 色, 又 是 红 色 波 和 粒 子 在 同 一 时 刻 是 互 斥 的, 但 它 们 却 在 一 个 更 高 的 层 次 上 统 一 在 一 起, 作 为 电 子 的 两 面 被 纳 入 一 个 整 体 概 念 中 这 就 是 玻 尔 的 互 补 原 理 (Complementary Principle), 它 连 同 波 恩

99 的 概 率 解 释, 海 森 堡 的 不 确 定 性, 三 者 共 同 构 成 了 量 子 论 哥 本 哈 根 解 释 的 核 心, 至 今 仍 然 深 刻 地 影 响 我 们 对 于 整 个 宇 宙 的 终 极 认 识 第 三 次 波 粒 战 争 便 以 这 样 一 种 戏 剧 化 的 方 式 收 场 而 量 子 世 界 的 这 种 奇 妙 结 合, 就 是 大 名 鼎 鼎 的 波 粒 二 象 性 yutian 回 复 于 : :30:39 第 七 章 不 确 定 性 四 castor_v_pollux 三 百 年 硝 烟 散 尽, 波 和 粒 子 以 这 样 一 种 奇 怪 的 方 式 达 成 了 妥 协 : 两 者 原 来 是 不 可 分 割 的 一 个 整 体 就 像 漫 画 中 教 皇 善 与 恶 的 两 面, 虽 然 在 每 个 确 定 的 时 刻, 只 有 一 面 能 够 体 现 出 来, 但 它 们 确 实 集 中 在 一 个 人 的 身 上 波 和 粒 子 是 一 对 孪 生 兄 弟, 它 们 如 此 苦 苦 争 斗, 却 原 来 是 演 出 了 一 场 物 理 学 中 的 绝 代 双 骄 故 事, 这 教 人 拍 案 惊 奇, 唏 嘘 不 已 现 在 我 们 再 回 到 上 一 章 的 最 后, 重 温 一 下 波 和 粒 子 在 双 缝 前 遇 到 的 困 境 : 电 子 选 择 左 边 的 狭 缝, 还 是 右 边 的 狭 缝 呢? 现 在 我 们 知 道, 假 如 我 们 采 用 任 其 自 然 的 观 测 方 式, 它 波 动 的 一 面 就 占 了 上 风 这 个 电 子 于 是 以 某 种 方 式 同 时 穿 过 了 两 道 狭 缝, 自 身 与 自 身 发 生 干 涉, 它 的 波 函 数 ψ 按 照 严 格 的 干 涉 图 形 花 样 发 展 但 是, 当 它 撞 上 感 应 屏 的 一 刹 那, 观 测 方 式 发 生 了 变 化! 我 们 现 在 在 试 图 探 测 电 子 的 实 际 位 置 了, 于 是 突 然 间, 粒 子 性 接 管 了 一 切, 这 个 电 子 凝 聚 成 一 点, 按 照 ψ 的 概 率 随 机 地 出 现 在 屏 幕 的 某 个 地 方 假 使 我 们 在 某 个 狭 缝 上 安 装 仪 器, 试 图 测 出 电 子 究 竟 通 过 了 哪 一 边, 注 意, 这 是 另 一 种 完 全 不 同 的 观 测 方 式!!! 我 们 试 图 探 测 电 子 在 通 过 狭 缝 时 的 实 际 位 置, 可 是 只 有 粒 子 才 有 实 际 的 位 置 这 实 际 上 是 我 们 施 加 的 一 种 暗 示, 让 电 子 早 早 地 展 现 出 粒 子 性 事 实 上, 的 确 只 有 一 边 的 仪 器 将 记 录 下 它 的 踪 影, 但 同 时, 干 涉 条 纹 也 被 消 灭, 因 为 波 动 性 随 着 粒 子 性 的 唤 起 而 消 失 了 我 们 终 于 明 白, 电 子 如 何 表 现, 完 全 取 决 于 我 们 如 何 观 测 它 种 瓜 得 瓜, 种 豆 得 豆, 想 记 录 它 的 位 置? 好, 那 是 粒 子 的 属 性, 电 子 善 解 人 意, 便 表 现 出 粒 子 性 来, 同 时 也 就 没 有 干 涉 不 作 这 样 的 企 图, 电 子 就 表 现 出 波 动 性 来, 穿 过 两 道 狭 缝 并 形 成 熟 悉 的 干 涉 条 纹 量 子 派 物 理 学 家 现 在 终 于 逐 渐 领 悟 到 了 事 情 的 真 相 : 我 们 的 结 论 和 我 们 的 观 测 行 为 本 身 大 有 联 系 这 就 像 那 匹 马 是 白 的 还 是 红 的, 这 个 结 论 和 我 们 用 什 么 样 的 方 法 去 观 察 它 有 关 系 有 些 看 官 可 能 还 不 服 气 : 结 论 只 有 一 个, 亲 眼 看 见 的 才 是 唯 一 的 真 实 色 盲 是 视 力 缺 陷, 眼 镜 是 外 部 装 备, 这 些 怎 么 能 够 说 是 看 到 真 实 呢? 其 实 没 什 么 分 别, 它 们 不 外 乎 是 两 种 不 同 的 观 测 方 式 罢 了, 我 们 的 论 点 是, 根 本 不 存 在 所 谓 真 实 好 吧, 现 在 我 视 力 良 好, 也 不 戴 任 何 装 置, 看 到 马 是 白 色 的 那 么, 它 当 真 是 白 色 的 吗? 其 实 我 说 这 话 前, 已 经 隐 含 了 一 个 前 提 : 用 人 类 正 常 的 肉 眼, 在 普 通 光 线 下 看 来, 马 呈 现 出 白 色 再 技 术 化 一 点, 人 眼 只 能 感 受 可 见 光, 波 长 在 纳 米 左 右, 这 些 频 段 的 光 混 合 在 一 起 才 形 成 我 们 印 象 中 的 白 色 所 以 我 们 论 断 的 前 提 就 是, 在 纳 米 的 光 谱 区 感 受 马, 它 是 白 色 的 许 多 昆 虫, 比 如 蜜 蜂, 它 的 复 眼 所 感 受 的 光 谱 是 大 大 不 同 的 蜜 蜂 看 不 见 波 长 比 黄 光 还 长 的 光, 却 对 紫 外 线 很 敏 感 在 它 看 来, 这 匹 马 大 概 是 一 种 蓝 紫 色, 甚 至 它 可 能 绘 声 绘 色 地 向 你

100 描 绘 一 种 难 以 想 象 的 紫 外 色 现 在 你 和 蜜 蜂 吵 起 来 了, 你 坚 持 这 马 是 白 色 的, 而 蜜 蜂 一 口 咬 定 是 蓝 紫 色 你 和 蜜 蜂 谁 对 谁 错 呢? 其 实 都 对 那 么, 马 怎 么 可 能 又 是 白 色 又 是 紫 色 呢? 其 实 是 你 们 的 观 测 手 段 不 同 罢 了 对 于 蜜 蜂 来 说, 它 也 是 亲 眼 见 到, 人 并 不 比 蜜 蜂 拥 有 更 多 的 正 确 性, 离 真 相 更 近 一 点 话 说 回 来, 色 盲 只 是 对 于 某 些 频 段 的 光 有 盲 点, 眼 镜 只 不 过 加 上 一 个 滤 镜 而 已, 本 质 上 也 是 一 样 的, 也 没 理 由 说 它 们 看 到 的 就 是 虚 假 事 实 上, 没 有 什 么 客 观 真 相 讨 论 马 本 质 上 到 底 是 什 么 颜 色, 正 如 我 们 已 经 指 出 过 的, 是 很 无 聊 的 行 为 根 本 不 存 在 一 个 绝 对 的 所 谓 本 色, 除 非 你 先 定 义 观 测 的 方 式 玻 尔 也 好, 海 森 堡 也 好, 现 在 终 于 都 明 白 : 谈 论 任 何 物 理 量 都 是 没 有 意 义 的, 除 非 你 首 先 描 述 你 测 量 这 个 物 理 量 的 方 式 一 个 电 子 的 动 量 是 什 么? 我 不 知 道, 一 个 电 子 没 有 什 么 绝 对 的 动 量, 不 过 假 如 你 告 诉 我 你 打 算 怎 么 去 测 量, 我 倒 可 以 告 诉 你 测 量 结 果 会 是 什 么 根 据 测 量 方 式 的 不 同, 这 个 动 量 可 以 从 十 分 精 确 一 直 到 万 分 模 糊, 这 些 结 果 都 是 可 能 的, 也 都 是 正 确 的 一 个 电 子 的 动 量, 只 有 当 你 测 量 时, 才 有 意 义 假 如 这 不 好 理 解, 想 象 有 人 在 纸 上 画 了 两 横 夹 一 竖, 问 你 这 是 什 么 字 嗯, 这 是 一 个 工 字, 但 也 可 能 是 横 过 来 的 H, 在 他 没 告 诉 你 怎 么 看 之 前, 这 个 问 题 是 没 有 定 论 的 现 在, 你 被 告 知 : 这 个 图 案 的 看 法 应 该 是 横 过 来 看 这 下 我 们 明 确 了 : 这 是 一 个 大 写 字 母 H 只 有 观 测 手 段 明 确 之 后, 答 案 才 有 意 义 测 量! 在 经 典 理 论 中, 这 不 是 一 个 被 考 虑 的 问 题 测 量 一 块 石 头 的 重 量, 我 用 天 平, 用 弹 簧 秤, 用 磅 秤, 或 者 用 电 子 秤 来 做, 理 论 上 是 没 有 什 么 区 别 的 在 经 典 理 论 看 来, 石 头 是 处 在 一 个 绝 对 的, 客 观 的 外 部 世 界 中, 而 我 -- 观 测 者 -- 对 这 个 世 界 是 没 有 影 响 的, 至 少, 这 种 影 响 是 微 小 得 可 以 忽 略 不 计 的 你 测 得 的 数 据 是 多 少, 石 头 的 客 观 重 量 就 是 多 少 但 量 子 世 界 就 不 同 了, 我 们 已 经 看 到, 我 们 测 量 的 对 象 都 是 如 此 微 小, 以 致 我 们 的 介 入 对 其 产 生 了 致 命 的 干 预 我 们 本 身 的 扰 动 使 得 我 们 的 测 量 中 充 满 了 不 确 定 性, 从 原 则 上 都 无 法 克 服 采 取 不 同 的 手 段, 往 往 会 得 到 不 同 的 答 案, 它 们 随 着 不 确 定 性 原 理 摇 摇 摆 摆, 你 根 本 不 能 说 有 一 个 客 观 确 定 的 答 案 在 那 里 在 量 子 论 中 没 有 外 部 世 界 和 我 之 分, 我 们 和 客 观 世 界 天 人 合 一, 融 和 成 为 一 体, 我 们 和 观 测 物 互 相 影 响, 使 得 测 量 行 为 成 为 一 种 难 以 把 握 的 手 段 在 量 子 世 界, 一 个 电 子 并 没 有 什 么 客 观 动 量, 我 们 能 谈 论 的, 只 有 它 的 测 量 动 量, 而 这 又 和 我 们 的 测 量 手 段 密 切 相 关 各 位, 我 们 已 经 身 陷 量 子 论 那 奇 怪 的 沼 泽 中 了, 我 只 希 望 大 家 不 要 过 于 头 昏 脑 涨, 因 为 接 下 来 还 有 无 数 更 稀 奇 古 怪 的 东 西, 错 过 了 未 免 可 惜 我 很 抱 歉, 这 几 节 我 们 似 乎 沉 浸 于 一 种 玄 奥 的 哲 学 讨 论, 而 且 似 乎 还 要 继 续 讨 论 下 去 这 是 因 为 量 子 革 命 牵 涉 到 我 们 世 界 观 的 根 本 变 革, 以 及 我 们 对 于 宇 宙 的 认 识 方 法 量 子 论 的 背 后 有 一 些 非 常 形 而 上 的 东 西, 它 使 得 我 们 的 理 性 战 战 兢 兢, 汗 流 浃 背 但 是, 为 了 理 解 量 子 论 的 伟 大 力 量, 我 们 又 无 法 绕 开 这 些 而 自 欺 欺 人 地 盲 目 前 进 如 果 你 从 史 话 的 一 开 始 跟 着 我 一 起 走 到 了 现 在, 我 至 少 对 你 的 勇 气 和 毅 力 表 示 赞 赏, 但 我 也 无 法 给 你 更 多 的 帮 助 假 如 你 感 到 困 惑 彷 徨, 那 么 玻 尔 的 名 言 如 果 谁 不 为 量 子 论 而 感 到 困 惑, 那 他 就 是 没 有 理 解 量 子 论 或 许 可 以 给 你 一 些 安 慰 而 且, 正 如 我 们 以 后 即 将 描 述 的 那 样, 你 也 许 应 该 感 到 非 常 自 豪, 因 为 爱 因 斯 坦 和 你 是 一 个 处 境 但 现 在, 我 们 必 须 走 得 更 远 上 面 一 段 文 字 只 是 给 大 家 一 个 小 小 的 喘 息 机 会, 我 们 这 就 继 续 出 发 了

101 如 果 不 定 义 一 个 测 量 动 量 的 方 式, 那 么 我 们 谈 论 电 子 动 量 就 是 没 有 意 义 的? 这 听 上 去 似 乎 是 一 种 唯 心 主 义 的 说 法 难 道 我 们 无 法 测 量 电 子, 它 就 没 有 动 量 了 吗? 让 我 们 非 常 惊 讶 和 尴 尬 的 是, 玻 尔 和 海 森 堡 两 个 人 对 此 大 点 其 头 一 点 也 不 错, 假 如 一 个 物 理 概 念 是 无 法 测 量 的, 它 就 是 没 有 意 义 的 我 们 要 时 时 刻 刻 注 意, 在 量 子 论 中 观 测 者 是 和 外 部 宇 宙 结 合 在 一 起 的, 它 们 之 间 现 在 已 经 没 有 明 确 的 分 界 线, 是 一 个 整 体 在 经 典 理 论 中, 我 们 脱 离 一 个 绝 对 客 观 的 外 部 世 界 而 存 在, 我 们 也 许 不 了 解 这 个 世 界 的 某 些 因 素, 但 这 不 影 响 其 客 观 性 可 如 今 我 们 自 己 也 已 经 融 入 这 个 世 界 了, 对 于 这 个 物 我 合 一 的 世 界 来 说, 任 何 东 西 都 应 该 是 可 以 测 量 和 感 知 的 只 有 可 观 测 的 量 才 是 存 在 的! 卡 尔? 萨 根 (Karl Sagan) 曾 经 举 过 一 个 很 有 意 思 的 例 子, 虽 然 不 是 直 接 关 于 量 子 论 的, 但 颇 能 说 明 问 题 我 的 车 库 里 有 一 条 喷 火 的 龙! 他 这 样 声 称 太 稀 罕 了! 他 的 朋 友 连 忙 跑 到 车 库 中, 但 没 有 看 见 龙 龙 在 哪 里? 哦, 萨 根 说, 我 忘 了 说 明, 这 是 一 条 隐 身 的 龙 朋 友 有 些 狐 疑, 不 过 他 建 议, 可 以 撒 一 些 粉 末 在 地 上, 看 看 龙 的 爪 印 是 不 是 会 出 现 但 是 萨 根 又 声 称, 这 龙 是 飘 在 空 中 的 那 既 然 这 条 龙 在 喷 火, 我 们 用 红 外 线 检 测 仪 做 一 个 热 扫 描? 也 不 行 萨 根 说, 隐 形 的 火 也 没 有 温 度 要 么 对 这 条 龙 喷 漆 让 它 现 形? -- 这 条 龙 是 非 物 质 的, 滑 不 溜 手, 油 漆 无 处 可 粘 反 正 没 有 一 种 物 理 方 法 可 以 检 测 到 这 条 龙 的 存 在 萨 根 最 后 问 : 这 样 一 条 看 不 见 摸 不 着, 没 有 实 体 的, 飘 在 空 中 喷 着 没 有 热 度 的 火 的 龙, 一 条 任 何 仪 器 都 无 法 探 测 的 龙, 和 根 本 没 有 龙 之 间 又 有 什 么 差 别 呢? 现 在, 玻 尔 和 海 森 堡 也 以 这 种 苛 刻 的 怀 疑 主 义 态 度 去 对 待 物 理 量 不 确 定 性 原 理 说, 不 可 能 同 时 测 准 电 子 的 动 量 p 和 位 置 q, 任 何 精 密 的 仪 器 也 不 行 许 多 人 或 许 会 认 为, 好 吧, 就 算 这 是 理 论 上 的 限 制, 和 我 们 实 验 的 笨 拙 无 关, 我 们 仍 然 可 以 安 慰 自 己, 说 一 个 电 子 实 际 上 是 同 时 具 有 准 确 的 位 置 和 动 量 的, 只 不 过 我 们 出 于 某 种 限 制 无 法 得 知 罢 了 但 哥 本 哈 根 派 开 始 严 厉 地 打 击 这 种 观 点 : 一 个 具 有 准 确 p 和 q 的 经 典 电 子? 这 恐 怕 是 自 欺 欺 人 吧 有 任 何 仪 器 可 以 探 测 到 这 样 的 一 个 电 子 吗?-- 没 有, 理 论 上 也 不 可 能 有 那 么, 同 样 道 理, 一 个 在 臆 想 的 世 界 中 生 存 的, 完 全 探 测 不 到 的 电 子, 和 根 本 没 有 这 样 一 个 电 子 之 间 又 有 什 么 区 别 呢? 事 实 上, 同 时 具 有 p 和 q 的 电 子 是 不 存 在 的!p 和 q 也 像 波 和 微 粒 一 样, 在 不 确 定 原 理 和 互 补 原 理 的 统 治 下 以 一 种 此 长 彼 消 的 方 式 生 存 对 于 一 些 测 量 手 段 来 说, 电 子 呈 现 出 一 个 准 确 的 p, 对 于 另 一 些 测 量 手 段 来 说, 电 子 呈 现 出 准 确 的 q 我 们 能 够 测 量 到 的 电 子 才 是 唯 一 的

102 实 在, 这 后 面 不 存 在 一 个 客 观 的, 或 者 实 际 上 的 电 子! 换 言 之, 不 存 在 一 个 客 观 的, 绝 对 的 世 界 唯 一 存 在 的, 就 是 我 们 能 够 观 测 到 的 世 界 物 理 学 的 全 部 意 义, 不 在 于 它 能 够 揭 示 出 自 然 是 什 么, 而 在 于 它 能 够 明 确, 关 于 自 然 我 们 能 说 什 么 没 有 一 个 脱 离 于 观 测 而 存 在 的 绝 对 自 然, 只 有 我 们 和 那 些 复 杂 的 测 量 关 系, 熙 熙 攘 攘 纵 横 交 错, 构 成 了 这 个 令 人 心 醉 的 宇 宙 的 全 部 测 量 是 新 物 理 学 的 核 心, 测 量 行 为 创 造 了 整 个 世 界 ********* 饭 后 闲 话 : 奥 卡 姆 剃 刀 同 时 具 有 p 和 q 的 电 子 是 不 存 在 的 有 人 或 许 感 到 不 理 解, 探 测 不 到 的 就 不 是 实 在 吗? 我 们 来 问 自 己, 这 个 世 界 究 竟 是 什 么 和 我 们 在 最 大 程 度 上 能 够 探 测 到 这 个 世 界 是 什 么 两 个 命 题, 其 实 质 到 底 有 多 大 的 不 同? 我 们 探 测 能 力 所 达 的 那 个 世 界, 是 不 是 就 是 全 部 实 在 的 世 界? 比 如 说, 我 们 不 管 怎 样, 每 次 只 能 探 测 到 电 子 是 个 粒 子 或 者 是 个 波, 那 么, 是 不 是 有 一 个 实 在 的 世 界, 在 那 里 电 子 以 波 - 粒 子 的 奇 妙 方 式 共 存, 我 们 每 次 探 测, 只 不 过 探 测 到 了 这 个 终 极 实 在 于 我 们 感 观 中 的 一 部 分 投 影? 同 样, 在 这 个 实 在 世 界 中 还 有 同 时 具 备 p 和 q 的 电 子, 只 不 过 我 们 与 它 缘 悭 一 面, 每 次 测 量 都 只 有 半 面 之 交, 没 法 窥 得 它 的 真 面 目? 假 设 宇 宙 在 创 生 初 期 膨 胀 得 足 够 快, 以 致 它 的 某 些 区 域 对 我 们 来 说 是 如 此 遥 远, 甚 至 从 创 生 的 一 刹 那 以 光 速 出 发, 至 今 也 无 法 与 它 建 立 起 任 何 沟 通 宇 宙 年 龄 大 概 有 150 亿 岁, 任 何 信 号 传 播 最 远 的 距 离 也 不 过 150 亿 光 年, 那 么, 在 距 离 我 们 150 亿 光 年 之 外, 有 没 有 另 一 些 实 在 的 宇 宙, 虽 然 它 们 不 可 能 和 我 们 的 宇 宙 之 间 有 任 何 因 果 联 系? 在 那 个 实 在 世 界 里, 是 不 是 有 我 们 看 不 见 的 喷 火 的 龙, 是 不 是 有 一 匹 具 有 实 在 颜 色 的 马, 而 我 们 每 次 观 察 只 不 过 是 这 种 实 在 颜 色 的 肤 浅 表 现 而 已 我 跟 你 争 论 说, 地 球 其 实 是 方 的, 只 不 过 它 在 我 们 观 察 的 时 候, 表 现 出 圆 形 而 已 但 是 在 那 个 实 在 世 界 里, 它 是 方 的, 而 这 个 实 在 世 界 我 们 是 观 察 不 到 的, 但 不 表 明 它 不 存 在 如 果 我 们 运 用 奥 卡 姆 剃 刀 原 理 (Occam's Razor), 这 些 观 测 不 到 的 实 在 世 界 全 都 是 子 虚 乌 有 的, 至 少 是 无 意 义 的 这 个 原 理 是 14 世 纪 的 一 个 修 道 士 威 廉 所 创 立 的, 奥 卡 姆 是 他 出 生 的 地 方 这 位 奥 卡 姆 的 威 廉 还 有 一 句 名 言, 那 是 他 对 巴 伐 利 亚 的 路 易 四 世 说 的 : 你 用 剑 来 保 卫 我, 我 用 笔 来 保 卫 你 剃 刀 原 理 是 说, 当 两 种 说 法 都 能 解 释 相 同 的 事 实 时, 应 该 相 信 假 设 少 的 那 个 比 如, 地 球 本 来 是 方 的, 但 观 测 时 显 现 出 圆 形 这 和 地 球 本 来 就 是 圆 的 说 明 的 是 同 一 件 事 但 前 者 引 入 了 一 个 莫 名 其 妙 的 不 必 要 的 假 设, 所 以 前 者 是 胡 说 同 样, 电 子 本 来 有 准 确 的 p 和 q, 但 是 观 测 时 只 有 1 个 能 显 示, 这 和 只 存 在 具 有 p 或 者 具 有 q 的 电 子 说 明 的 也 是 同 一 回 事, 但 前 者 多 了 一 个 假 设, 我 们 应 当 相 信 后 者 存 在 但 观 测 不 到, 这 和 不 存 在 根 本 就 是 一 码 事

103 同 样 道 理, 没 有 粒 子 - 波 混 合 的 电 子, 没 有 看 不 见 的 喷 火 的 龙, 没 有 绝 对 颜 色 的 马, 没 有 150 亿 光 年 外 的 宇 宙 (150 亿 光 年 这 个 距 离 称 作 视 界 ), 没 有 隔 着 1 厘 米 四 维 尺 度 观 察 我 们 的 四 维 人, 没 有 绝 对 的 外 部 世 界 史 蒂 芬? 霍 金 在 时 间 简 史 中 说 : 我 们 仍 然 可 以 想 像, 对 于 一 些 超 自 然 的 生 物, 存 在 一 组 完 全 地 决 定 事 件 的 定 律, 它 们 能 够 观 测 宇 宙 现 在 的 状 态 而 不 必 干 扰 它 然 而, 我 们 人 类 对 于 这 样 的 宇 宙 模 型 并 没 有 太 大 的 兴 趣 看 来, 最 好 是 采 用 奥 卡 姆 剃 刀 原 理, 将 理 论 中 不 能 被 观 测 到 的 所 有 特 征 都 割 除 掉 你 也 许 对 这 种 实 证 主 义 感 到 反 感, 反 驳 说 : 一 片 无 人 观 察 的 荒 漠, 难 道 就 不 存 在 吗? 以 后 我 们 会 从 另 一 个 角 度 来 讨 论 这 片 无 人 观 察 的 荒 漠, 这 里 只 想 指 出, 无 人 的 荒 漠 并 不 是 原 则 上 不 可 观 察 的 yutian 回 复 于 : :31:20 第 七 章 不 确 定 性 五 castor_v_pollux 正 如 我 们 的 史 话 在 前 面 一 再 提 醒 各 位 的 那 样, 量 子 论 革 命 的 破 坏 力 是 相 当 惊 人 的 在 概 率 解 释, 不 确 定 性 原 理 和 互 补 原 理 这 三 大 核 心 原 理 中, 前 两 者 摧 毁 了 经 典 世 界 的 因 果 性, 互 补 原 理 和 不 确 定 原 理 又 合 力 捣 毁 了 世 界 的 客 观 性 和 实 在 性 新 的 量 子 图 景 展 现 出 一 个 前 所 未 有 的 世 界, 它 是 如 此 奇 特, 难 以 想 象, 和 人 们 的 日 常 生 活 格 格 不 入, 甚 至 违 背 我 们 的 理 性 本 身 但 是, 它 却 能 够 解 释 量 子 世 界 一 切 不 可 思 议 的 现 象 这 种 主 流 解 释 被 称 为 量 子 论 的 哥 本 哈 根 解 释, 它 是 以 玻 尔 为 首 的 一 帮 科 学 家 作 出 的, 他 们 大 多 数 曾 在 哥 本 哈 根 工 作 过, 许 多 是 量 子 论 本 身 的 创 立 者 哥 本 哈 根 派 的 人 物 除 了 玻 尔, 自 然 还 有 海 森 堡 波 恩 泡 利 狄 拉 克 克 莱 默 约 尔 当, 也 包 括 后 来 的 魏 扎 克 和 盖 莫 夫 等 等, 这 个 解 释 一 直 被 当 作 是 量 子 论 的 正 统, 被 写 进 各 种 教 科 书 中 当 然, 因 为 它 太 过 奇 特, 太 教 常 人 困 惑, 近 80 年 来 没 有 一 天 它 不 受 到 来 自 各 方 面 的 置 疑 指 责 攻 击 也 有 一 些 别 的 解 释 被 纷 纷 提 出, 这 里 面 包 括 德 布 罗 意 - 玻 姆 的 隐 函 数 理 论, 埃 弗 莱 特 的 多 重 宇 宙 解 释, 约 翰 泰 勒 的 系 综 解 释 Ghirardi-Rimini-Weber 的 自 发 定 域 (Spontaneous Localization),Griffiths-Omnès-GellMann-Hartle 的 脱 散 历 史 态 (Decoherent Histories, or Consistent Histories), 等 等, 等 等 我 们 的 史 话 以 后 会 逐 一 地 去 看 看 这 些 理 论, 但 是 公 平 地 说, 至 今 没 有 一 个 理 论 能 取 代 哥 本 哈 根 解 释 的 地 位, 也 没 有 人 能 证 明 哥 本 哈 根 解 释 实 际 上 错 了 ( 当 然, 可 能 有 人 争 辩 说 它 不 完 备 ) 隐 函 数 理 论 曾 被 认 为 相 当 有 希 望, 可 惜 它 的 胜 利 直 到 今 天 还 仍 然 停 留 在 口 头 上 因 此, 我 们 的 史 话 仍 将 以 哥 本 哈 根 解 释 为 主 线 来 叙 述, 对 于 读 者 来 说, 他 当 然 可 以 自 行 判 断, 并 得 出 他 自 己 的 独 特 看 法 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

104 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 ψ 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 有 些 人 可 能 觉 得 非 常 糟 糕 : 又 是 不 确 定 又 是 没 有 因 果 关 系, 这 个 世 界 不 是 乱 套 了 吗? 物 理 学 家 既 然 什 么 都 不 知 道, 那 他 们 还 好 意 思 呆 在 大 学 里 领 薪 水, 或 者 在 电 视 节 目 上 欺 世 盗 名? 然 而 事 情 并 没 有 想 象 的 那 么 坏, 虽 然 我 们 对 单 个 电 子 的 行 为 只 能 预 测 其 概 率, 但 我 们 都 知 道, 当 样 本 数 量 变 得 非 常 非 常 大 时, 概 率 论 就 很 有 用 了 我 们 没 法 知 道 一 个 电 子 在 屏 幕 上 出 现 在 什 么 位 置, 但 我 们 很 有 把 握, 当 数 以 万 亿 记 的 电 子 穿 过 双 缝, 它 们 会 形 成 干 涉 图 案 这 就 好 比 保 险 公 司 没 法 预 测 一 个 客 户 会 在 什 么 时 候 死 去, 但 它 对 一 个 城 市 的 总 体 死 亡 率 是 清 楚 的, 所 以 保 险 公 司 一 定 是 赚 钱 的! 传 统 的 电 视 或 者 电 脑 屏 幕, 它 后 面 都 有 一 把 电 子 枪, 不 断 地 逐 行 把 电 子 打 到 屏 幕 上 形 成 画 面 对 于 单 个 电 子 来 说, 我 并 不 知 道 它 将 出 现 在 屏 幕 上 的 哪 个 点, 只 有 概 率 而 已 不 过 大 量 电 子 叠 在 一 起, 组 成 稳 定 的 画 面 是 确 定 无 疑 的 看, 就 算 本 质 是 随 机 性, 但 科 学 家 仍 然 能 够 造 出 一 些 有 用 的 东 西 如 果 你 家 电 视 画 面 老 是 有 雪 花, 不 要 怀 疑 到 量 子 论 头 上 来, 先 去 检 查 一 下 天 线 当 然 时 代 在 进 步, 俺 的 电 脑 屏 幕 现 在 变 成 了 薄 薄 的 液 晶 型, 那 是 另 一 回 事 了 至 于 令 人 迷 惑 的 波 粒 二 象 性, 那 也 只 是 量 子 微 观 世 界 的 奇 特 性 质 罢 了 我 们 已 经 谈 到 德 布 罗 意 方 程 λ= h/p, 改 写 一 下 就 是 λp=h, 波 长 和 动 量 的 乘 积 等 于 普 朗 克 常 数 h 对 于 微 观 粒 子 来 说, 它 的 动 量 非 常 小, 所 以 相 应 的 波 长 便 不 能 忽 略 但 对 于 日 常 事 物 来 说, 它 们 质 量 之 大 相 比 h 简 直 是 个 天 文 数 字, 所 以 对 于 生 活 中 的 一 个 足 球, 它 所 伴 随 的 德 布 罗 意 波 微 乎 其 微, 根 本 感 觉 不 到 我 们 一 点 都 用 不 着 担 心, 在 世 界 杯 决 赛 中, 眼 看 要 入 门 的 那 个 球 会 突 然 化 为 一 缕 波, 消 失 得 杳 然 无 踪 但 是, 我 们 还 是 觉 得 不 太 满 意, 因 为 对 观 测 行 为, 我 们 似 乎 还 没 有 作 出 合 理 的 解 释 一 个 电 子 以 奇 特 的 分 身 术 穿 过 双 缝, 它 的 波 函 数 自 身 与 自 身 发 生 了 干 涉, 在 空 间 中 严 格 地, 确 定 地 发 展 在 这 个 阶 段, 因 为 没 有 进 行 观 测, 说 电 子 在 什 么 地 方 是 没 有 什 么 意 义 的, 只 有 它 的 概 率 在 空 间 中 展 开 物 理 学 家 们 常 常 摆 弄 玄 虚 说 : 电 子 无 处 不 在, 而 又 无 处 在, 指 的 就 是 这 个 意 思 然 而 在 那 以 后, 当 我 们 把 一 块 感 光 屏 放 在 它 面 前 以 测 量 它 的 位 置 的 时 候, 事 情 突 然 发 生 了 变 化! 电 子 突 然 按 照 波 函 数 的 概 率 分 布 而 随 机 地 作 出 了 一 个 选 择, 并 以 一 个 小 点 的 形 式 出 现 在 了 某 处 这 时 候, 电 子 确 定 地 存 在 于 某 点, 自 然 这 个 点 的 概 率 变 成 了 100%, 而 别 的 地 方 的 概 率 都 变 成 了 0 也 就 是 说, 它 的 波 函 数 突 然 从 空 间 中 收 缩, 聚 集 到 了 这 一 个 点 上 面, 在 这 个 点 出 现 了 强 度 为 1 的 高 峰 而 其 他 地 方 的 波 函 数 都 瞬 间 降 为 0 哦, 上 帝, 发 生 了 什 么 事? 为 什 么 电 子 的 波 函 数 在 一 刹 那 发 生 了 这 样 的 巨 变? 原 本 形 态 优 美, 严 格 地 符 合 薛 定 谔 方 程 的 波 函 数 在 一 刹 那 轰 然 崩 溃, 变 成 了 一 个 针 尖 般 的 小 点 从 数 学 上 来 说, 这 两 种 状 态 显 然 是 没 法 互 相 推 导 的 在 我 们 观 测 电 子 以 前, 它 实 际 上 处 在 一 种 叠 加 态, 所 有 关 于 位 置 的 可 能 性 叠 合 在 一 起, 弥 漫 到 整 个 空 间 中 去 但 是, 当 我 们 真 的 去 看 它 的 时 候, 电 子 便 无 法 保 持 它 这 样 优 雅 而 面 面 俱 到 的 行 为 方 式 了, 它 被 迫 作 出 选 择, 在 无 数 种 可

105 能 性 中 挑 选 一 种, 以 一 个 确 定 的 位 置 出 现 在 我 们 面 前 波 函 数 这 种 奇 迹 般 的 变 化, 在 哥 本 哈 根 派 的 口 中 被 称 之 为 坍 缩 (collapse), 每 当 我 们 试 图 测 量 电 子 的 位 置, 它 那 原 本 按 照 薛 定 谔 方 程 演 变 的 波 函 数 ψ 便 立 刻 按 照 那 个 时 候 的 概 率 分 布 坍 缩 ( 我 们 记 得 ψ 的 平 方 就 是 概 率 ), 所 有 的 可 能 全 都 在 瞬 间 集 中 到 某 一 点 上 而 一 个 实 实 在 在 的 电 子 便 大 摇 大 摆 地 出 现 在 那 里, 供 我 们 观 赏 在 电 子 通 过 双 缝 前, 假 如 我 们 不 去 测 量 它 的 位 置, 那 么 它 的 波 函 数 就 按 照 方 程 发 散 开 去, 同 时 通 过 两 个 缝 而 自 我 互 相 干 涉 但 要 是 我 们 试 图 在 两 条 缝 上 装 个 仪 器 以 探 测 它 究 竟 通 过 了 哪 条 缝, 在 那 一 刹 那, 电 子 的 波 函 数 便 坍 缩 了, 电 子 随 机 地 选 择 了 一 个 缝 通 过 而 坍 缩 过 的 波 函 数 自 然 就 无 法 再 进 行 干 涉, 于 是 乎, 干 涉 条 纹 一 去 不 复 返 奇 怪, 非 常 奇 怪 为 什 么 我 们 一 观 测, 电 子 的 波 函 数 就 开 始 坍 缩 了 呢? 事 实 似 乎 是 这 样 的, 当 我 们 闭 上 眼 睛 不 去 看 这 个 电 子, 它 就 不 是 一 个 实 实 在 在 的 电 子 它 像 一 个 幽 灵 一 般 按 照 波 函 数 向 四 周 散 发 开 去, 虚 无 飘 渺, 没 有 实 体, 而 以 概 率 波 的 形 态 漂 浮 在 空 间 中 随 着 时 间 的 演 化, 这 种 概 率 波 严 格 地 按 照 薛 定 谔 波 动 方 程 的 指 使, 听 话 而 确 定 地 按 照 经 典 方 式 发 展 这 个 时 候, 与 其 说 它 是 一 个 电 子, 不 如 说 它 是 一 个 鬼 魂, 一 团 混 沌, 一 幅 浸 润 开 来 的 水 彩 画, 一 朵 概 率 云, 爱 丽 丝 梦 境 中 那 难 以 捉 摸 的 柴 郡 猫 的 笑 容 不 管 你 怎 么 形 容 都 好, 反 正 它 不 是 一 个 实 体, 它 以 概 率 的 方 式 扩 散 开 来, 这 种 概 率 似 波 动 一 般 起 伏, 可 以 干 涉 和 叠 加, 为 ψ 所 精 确 描 述 但 是, 当 你 一 睁 开 眼 睛, 奇 妙 的 事 情 发 生 了! 所 有 的 幻 影, 所 有 的 幽 灵 都 消 失 了 电 子 那 散 发 开 去 的 波 函 数 在 瞬 间 坍 缩, 它 重 新 变 成 了 一 个 实 实 在 在 的 粒 子, 随 机 地 出 现 在 某 处 除 了 这 个 地 方 之 外, 一 切 的 概 率 波, 一 切 的 可 能 性 都 消 失 了 化 为 一 缕 清 风 的 妖 怪 重 新 凝 聚 成 为 一 个 白 骨 精, 被 牢 牢 地 摁 死 在 一 个 地 方 电 子 回 到 了 现 实 世 界 里 来, 又 成 了 大 家 所 熟 悉 的 经 典 粒 子 你 又 闭 上 眼 睛, 刚 刚 变 回 原 型 的 电 子 又 化 为 概 率 波, 向 四 周 扩 散 再 睁 开 眼 睛, 它 又 变 回 粒 子 出 现 在 某 个 地 方 你 测 量 一 次, 它 的 波 函 数 就 坍 缩 一 次, 随 机 地 决 定 一 个 新 的 位 置 当 然, 这 里 的 随 机 是 严 格 按 照 波 函 数 所 严 格 描 述 的 概 率 分 布 来 决 定 的 我 们 不 如 叙 述 得 更 加 生 动 活 泼 一 些 金 庸 在 笑 傲 江 湖 第 二 十 六 回 里 描 述 了 令 狐 冲 在 武 当 脚 下 与 冲 虚 一 战, 冲 虚 一 柄 长 剑 幻 为 一 个 个 光 圈, 让 令 狐 冲 眼 花 缭 乱, 看 不 出 剑 尖 所 在 用 量 子 语 言 说, 这 时 候 冲 虚 的 剑 已 经 不 是 一 个 实 体, 它 变 成 许 许 多 多 的 虚 剑, 在 光 圈 里 分 布 开 来, 每 一 个 虚 剑 尖 都 代 表 一 种 可 能 性, 它 可 能 就 是 实 剑 尖 所 在 冲 虚 的 剑 可 以 为 一 个 波 函 数 所 描 述, 很 有 可 能 在 光 圈 的 中 心, 这 个 波 函 数 的 强 度 最 大, 也 就 是 说 这 剑 最 可 能 出 现 在 光 圈 中 心 现 在 令 狐 冲 挥 剑 直 入, 注 意, 这 是 一 次 测 量 行 为! 好, 在 那 瞬 间 冲 虚 剑 的 波 函 数 坍 缩 了, 又 变 成 一 柄 实 剑 令 狐 冲 运 气 好, 它 真 的 出 现 在 光 圈 中 间, 于 是 破 了 此 招 要 是 猜 错 了 呢? 那 免 不 了 断 送 一 条 手 臂, 但 冲 虚 剑 的 波 函 数 总 是 坍 缩 了, 它 无 论 如 何 要 实 实 在 在 地 出 现 在 某 处, 这 才 能 伤 敌 在 三 国 演 义 评 话 里, 有 一 个 类 似 的 情 节 赵 云 在 长 坂 坡 遇 上 高 览 ( 有 些 说 是 张 绣 ), 后 者 使 一 招 百 鸟 朝 凤, 枪 尖 幻 化 为 千 百 点, 赵 云 侥 幸 破 了 此 招 -- 他 随 便 一 挡, 迫 使 其 波 函 数 坍 缩,

106 结 果 正 好 坍 缩 到 两 枪 相 遇 的 位 置, 然 后 高 览 心 慌 意 乱, 反 死 于 赵 云 之 蛇 盘 七 探 枪 下, 这 就 不 多 说 了 我 们 还 是 回 到 物 理 上 来 这 种 哥 本 哈 根 解 释 听 起 来 未 免 也 太 奇 怪 了, 我 们 观 测 一 下, 电 子 才 变 成 实 在, 不 然 就 是 个 幽 灵 许 多 人 一 定 觉 得 不 可 思 议 : 当 我 们 背 过 身, 或 者 闭 着 眼 的 时 候, 电 子 一 定 在 某 个 地 方, 只 不 过 我 们 不 知 道 而 已 但 正 如 我 们 指 出 的, 假 使 电 子 真 的 在 某 个 地 方, 它 便 只 能 通 过 一 道 狭 缝, 这 就 难 以 解 释 干 涉 条 纹 而 且 我 们 以 后 也 会 看 到, 实 验 完 全 排 除 了 这 种 可 能 也 许 我 们 说 幽 灵 太 耸 人 听 闻, 严 格 地 说, 电 子 在 没 有 观 测 的 时 候 什 么 也 不 是, 谈 论 它 是 无 意 义 的, 只 有 数 学 可 以 描 述 -- 波 函 数! 按 照 哥 本 哈 根 解 释, 不 观 测 的 时 候, 根 本 没 有 个 实 在! 自 然 也 就 没 有 实 在 的 电 子 事 实 上, 不 存 在 电 子 这 个 东 西, 只 存 在 我 们 与 电 子 之 间 的 观 测 关 系 我 已 经 可 以 预 见 到 即 将 扔 过 来 的 臭 鸡 蛋 的 数 量 -- 不 过 它 现 在 还 是 个 波 函 数, 等 一 会 儿 才 会 坍 缩, 哈 哈 -- 然 而 在 那 些 扔 臭 鸡 蛋 的 人 中, 有 几 位 是 让 我 感 到 十 分 荣 幸 的 事 实 上, 哥 本 哈 根 派 这 下 遇 到 真 正 的 麻 烦 了, 他 们 要 面 对 一 些 强 大 的 怀 疑 论 者, 这 些 人 中 间 不 少 还 刚 刚 和 他 们 并 肩 战 斗 过 二 十 世 纪 物 理 史 上 最 激 烈, 影 响 最 大, 意 义 最 深 远 的 一 场 争 论 马 上 就 要 展 开, 这 使 得 我 们 能 够 对 自 然 的 行 为 和 精 神 有 更 加 深 刻 的 理 解 下 一 章 我 们 就 来 谈 这 场 伟 大 的 辩 论 -- 玻 尔 - 爱 因 斯 坦 之 争 yutian 回 复 于 : :32:02 第 八 章 论 战 一 castor_v_pollux 意 大 利 北 部 的 科 莫 市 (Como) 是 一 个 美 丽 的 小 城, 北 临 风 景 胜 地 科 莫 湖, 与 米 兰 相 去 不 远 它 市 中 心 那 几 座 著 名 的 教 堂 洋 溢 着 哥 特 式 风 格 以 及 文 艺 复 兴 时 代 的 气 息, 折 射 出 这 个 国 家 那 悠 远 的 历 史 和 文 化 沉 淀 这 个 小 城 也 有 一 支 足 球 队 -- 科 莫 队, 在 上 个 赛 季 ( ) 还 打 入 了 甲 级 联 赛, 可 惜 现 在 又 降 级 了 一 度 报 道 说, 它 对 中 国 球 员 吴 承 瑛 有 兴 趣, 想 来 对 球 迷 不 算 陌 生 不 过, 科 莫 市 最 著 名 的 人 物, 当 然 还 是 1745 年 出 生 于 此 的 大 科 学 家, 亚 里 山 德 罗? 伏 打 (Alessandro Volta) 他 在 电 学 方 面 的 成 就 如 此 伟 大, 以 致 人 们 用 他 的 名 字 来 作 为 电 压 的 单 位 : 伏 特 (volt) 伏 打 于 1827 年 9 月 去 世, 被 他 的 家 乡 视 为 永 远 的 光 荣 和 骄 傲 他 出 世 的 地 方 被 命 名 为 伏 打 广 场, 他 的 雕 像 自 1839 年 起 耸 立 于 此 他 的 名 字 被 用 来 命 名 教 堂 和 科 莫 湖 畔 的 灯 塔, 他 的 光 辉 照 耀 这 个 城 镇, 给 它 带 来 世 界 性 的 声 名 斗 转 星 移, 眨 眼 间 已 是 1927, 科 学 巨 人 已 离 开 我 们 整 整 100 周 年 一 向 安 静 宁 谧 的 科 莫 忽 然 又 热 闹 起 来, 新 时 代 的 科 学 大 师 们 又 聚 集 于 此, 在 纪 念 先 人 的 同 时 探 讨 物 理 学 的 最 新 进 展 科 莫 会 议 邀 请 了 当 时 几 乎 所 有 的 最 杰 出 的 物 理 学 家, 洵 为 盛 会 赴 会 者 包 括 玻 尔 海 森 堡 普 朗 克 泡 利 波 恩 洛 伦 兹 德 布 罗 意 费 米 克 莱 默 劳 厄 康 普 顿 魏 格 纳 索 末 菲 德 拜 冯 诺 依 曼 ( 当 然 严 格 说 来 此 人 是 数 学 家 ) 遗 憾 的 是, 爱 因 斯 坦 和 薛 定 谔 都 别 有 要 务, 未 能 出 席 这 两 位 哥 本 哈 根 派 主 要 敌 手 的 缺 席 使 得 论 战 的 火 花 向 后 推 迟 了 几 个 月 同 样 没 能 赶 到 科 莫 的 还 有 狄 拉 克 和 玻 色 其 中 玻 色 的 case 颇 为 离 奇 : 大 会 本 来 是 邀 请 了 他 的, 但 是 邀 请 信 发 给 了 加 尔 各 答 大 学 物 理 系 的 玻 色 教 授 显 然 这 封 信 是 寄 给 著 名 的 S.N. 玻 色, 也

107 就 是 发 现 了 玻 色 - 爱 因 斯 坦 统 计 的 那 个 玻 色, 他 和 爱 因 斯 坦 还 预 测 了 有 名 的 玻 色 - 爱 因 斯 坦 凝 聚 现 象 2001 年,3 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 不 过 在 1927 年, 玻 色 早 就 离 开 了 加 尔 各 答 去 了 达 卡 大 学 但 无 巧 不 成 书, 加 尔 各 答 还 有 一 个 D.M. 玻 色 阴 差 阳 错 之 下, 这 个 名 不 见 经 传 的 玻 色 就 参 加 了 众 星 云 集 的 科 莫 会 议, 也 算 是 饭 后 的 一 大 谈 资 吧 在 准 备 科 莫 会 议 讲 稿 的 过 程 中, 互 补 原 理 的 思 想 进 一 步 在 玻 尔 脑 中 成 型 他 决 定 在 这 个 会 议 上 把 这 一 大 胆 的 思 想 披 露 出 来 在 准 备 讲 稿 的 同 时, 他 还 给 Nature 杂 志 写 短 文 以 介 绍 这 个 发 现, 事 情 太 多 而 时 间 仓 促, 最 后 搞 得 他 手 忙 脚 乱 在 出 发 前 的 一 刹 那, 他 竟 然 找 不 到 他 的 护 照 -- 这 耽 误 了 几 个 小 时 的 火 车 但 是, 不 管 怎 么 样, 玻 尔 最 后 还 是 完 成 那 长 达 8 页 的 讲 稿, 并 在 大 会 上 成 功 地 作 了 发 言 这 个 演 讲 名 为 量 子 公 设 和 原 子 论 的 最 近 发 展, 在 其 中 玻 尔 第 一 次 描 述 了 波 - 粒 的 二 象 性, 用 互 补 原 理 详 尽 地 阐 明 我 们 对 待 原 子 尺 度 世 界 的 态 度 他 强 调 了 观 测 的 重 要 性, 声 称 完 全 独 立 和 绝 对 的 测 量 是 不 存 在 的 当 然 互 补 原 理 本 身 在 这 个 时 候 还 没 有 完 全 定 型, 一 直 要 到 后 来 的 索 尔 维 会 议 它 才 算 最 终 完 成, 不 过 这 一 思 想 现 在 已 经 引 起 了 人 们 的 注 意 波 恩 赞 扬 了 玻 尔 中 肯 的 观 点, 同 时 又 强 调 了 量 子 论 的 不 确 定 性 他 特 别 举 了 波 函 数 坍 缩 的 例 子, 来 说 明 这 一 点 这 种 坍 缩 显 然 引 起 了 冯 诺 伊 曼 的 兴 趣, 他 以 后 会 证 明 关 于 它 的 一 些 有 趣 的 性 质 海 森 堡 和 克 莱 默 等 人 也 都 作 了 评 论 当 然 我 们 也 要 指 出 的 是, 许 多 不 属 于 哥 本 哈 根 派 的 人 物, 对 玻 尔 等 人 的 想 法 和 工 作 一 点 都 不 熟 悉, 这 种 互 补 原 理 对 他 们 来 说 令 人 迷 惑 不 解 许 多 人 都 以 为 这 不 过 是 一 种 文 字 游 戏, 是 对 大 家 都 了 解 的 情 况 换 一 种 说 法 罢 了 正 如 罗 森 菲 尔 德 (Rosenfeld) 后 来 在 访 谈 节 目 中 评 论 的 : 这 个 互 补 原 理 只 是 对 各 人 所 清 楚 的 情 况 的 一 种 说 明 科 莫 会 议 并 没 有 明 确 论 据, 关 于 概 念 的 定 义 要 到 后 来 才 作 出 尤 金? 魏 格 纳 (Eugene Wigner) 总 结 道 : ( 大 家 都 觉 得, 玻 尔 的 演 讲 ) 没 能 改 变 任 何 人 关 于 量 子 论 的 理 解 方 式 但 科 莫 会 议 的 历 史 作 用 仍 然 不 容 低 估, 互 补 原 理 第 一 次 公 开 亮 相, 标 志 着 哥 本 哈 根 解 释 迈 出 了 关 键 的 一 步 不 久 出 版 了 玻 尔 的 讲 稿, 内 容 已 经 有 所 改 进, 距 离 这 个 解 释 的 最 终 成 熟 只 差 最 后 一 步 了 在 哥 本 哈 根 派 聚 集 力 量 的 同 时, 他 们 的 反 对 派 也 开 始 为 最 后 的 决 战 做 好 准 备 对 于 爱 因 斯 坦 来 说, 一 个 没 有 严 格 因 果 律 的 物 理 世 界 是 不 可 想 象 的 物 理 规 律 应 该 统 治 一 切, 物 理 学 应 该 简 单 明 确 :A 导 致 了 B,B 导 致 了 C,C 导 致 了 D 每 一 个 事 件 都 有 来 龙 去 脉, 原 因 结 果, 而 不 依 赖 于 什 么 随 机 性 至 于 抛 弃 客 观 实 在, 更 是 不 可 思 议 的 事 情 这 些 思 想 从 他 当 年 对 待 玻 尔 的 电 子 跃 迁 的 看 法 中, 已 经 初 露 端 倪 1924 年 他 在 写 给 波 恩 的 信 中 坚 称 : 我 决 不 愿 意 被 迫 放 弃 严 格 的 因 果 性, 并 将 对 其 进 行 强 有 力 的 辩 护 我 觉 得 完 全 不 能 容 忍 这 样 的 想 法, 即 认 为 电 子 受 到 辐 射 的 照 射, 不 仅 它 的 跃 迁 时 刻, 而 且 它 的 跃 迁 方 向, 都 由 它 自 己 的 自 由 意 志 来 选 择 旧 量 子 论 已 经 让 爱 因 斯 坦 无 法 认 同, 那 么 更 加 疯 狂 的 新 量 子 论 就 更 使 他 忍 无 可 忍 了 虽

108 然 爱 因 斯 坦 本 人 曾 经 提 出 了 光 量 子 假 设, 在 量 子 论 的 发 展 历 程 中 作 出 过 不 可 磨 灭 的 贡 献, 但 现 在 他 却 完 全 转 向 了 这 个 新 生 理 论 的 对 立 面 爱 因 斯 坦 坚 信, 量 子 论 的 基 础 大 有 毛 病, 从 中 必 能 挑 出 点 刺 来, 迫 使 人 们 回 到 一 个 严 格 的, 富 有 因 果 性 的 理 论 中 来 玻 尔 后 来 回 忆 说 : 爱 因 斯 坦 最 善 于 不 抛 弃 连 续 性 和 因 果 性 来 标 示 表 面 上 矛 盾 着 的 经 验, 他 比 别 人 更 不 愿 意 放 弃 这 些 概 念 两 大 巨 头 未 能 在 科 莫 会 议 上 碰 面, 然 而 低 头 不 见 抬 头 见, 命 运 已 经 在 冥 冥 中 安 排 好 了 这 样 的 相 遇 不 可 避 免 仅 仅 一 个 多 月 后, 另 一 个 历 史 性 的 时 刻 就 到 来 了, 第 五 届 索 尔 维 会 议 在 比 利 时 布 鲁 塞 尔 召 开 这 一 次, 各 路 冤 家 对 头 终 于 聚 首 一 堂, 就 量 子 论 的 问 题 作 一 个 大 决 战 从 黄 金 年 代 走 来 的 老 人, 在 革 命 浪 潮 中 成 长 起 来 的 反 叛 青 年, 经 典 体 系 的 庄 严 守 护 者, 新 时 代 的 冒 险 家, 这 次 终 于 都 要 作 一 个 最 终 了 断 世 纪 大 辩 论 的 序 幕 即 将 拉 开, 像 一 场 熊 熊 的 大 火 燃 烧 不 已, 而 量 子 论 也 将 在 这 大 火 中 接 受 最 严 苛 的 洗 礼, 锻 烧 出 更 加 璀 璨 的 光 芒 来 布 鲁 塞 尔 见 饭 后 闲 话 : 海 森 堡 和 德 国 原 子 弹 计 划 ( 一 ) 如 果 说 玻 尔 - 爱 因 斯 坦 之 争 是 二 十 世 纪 科 学 史 上 最 有 名 的 辩 论, 那 么 海 森 堡 在 二 战 中 的 角 色 恐 怕 就 是 二 十 世 纪 科 学 史 上 最 大 的 谜 题 不 知 多 少 历 史 学 家 为 此 费 尽 口 水, 牵 涉 到 数 不 清 的 跨 国 界 的 争 论 甚 至 到 现 在, 还 有 人 不 断 地 提 出 异 议 我 打 算 在 这 一 章 的 饭 后 闲 话 里 专 门 地 来 谈 一 谈 这 个 话 题, 这 件 事 说 来 话 长, 可 能 要 用 掉 一 整 章, 我 们 还 是 废 话 少 说, 这 就 开 始 吧 纳 粹 德 国 为 什 么 没 能 造 出 原 子 弹? 战 后 几 乎 人 人 都 在 问 这 个 问 题 是 政 策 上 的 原 因? 理 论 上 的 原 因? 技 术 上 的 原 因? 资 源 上 的 原 因? 或 是 道 德 上 的 原 因? 不 错, 美 国 造 出 了 原 子 弹, 他 们 有 奥 本 海 默, 有 费 米, 有 劳 伦 斯 贝 特 西 伯 格 魏 格 纳 查 德 威 克 佩 尔 斯 弗 里 西 塞 格 雷, 后 来 又 有 了 玻 尔, 以 致 像 费 因 曼 这 样 的 小 字 辈 根 本 就 不 起 眼, 而 洛 斯 阿 拉 莫 斯 也 被 称 作 诺 贝 尔 得 奖 者 的 集 中 营 但 德 国 一 点 也 不 差 是 的, 希 特 勒 的 犹 太 政 策 赶 走 了 国 内 几 乎 一 半 的 精 英, 纳 粹 上 台 的 第 一 年, 就 有 大 约 2600 名 学 者 离 开 了 德 国, 四 分 之 一 的 物 理 学 家 从 德 国 的 大 学 辞 职 而 去, 到 战 争 前 夕 已 经 有 40% 的 大 学 教 授 失 去 了 职 位 是 的, 整 个 轴 心 国 流 失 了 多 达 27 名 诺 贝 尔 获 奖 者, 其 中 甚 至 包 括 爱 因 斯 坦 薛 定 谔 费 米 波 恩 泡 利 德 拜 这 样 最 杰 出 的 人 物, 这 个 数 字 还 不 算 间 接 损 失 的 如 玻 尔 之 类 但 德 国 凭 其 惊 人 的 实 力 仍 保 有 对 抗 全 世 界 的 能 力 战 争 甫 一 爆 发, 德 国 就 展 开 了 原 子 弹 的 研 究 计 划 那 时 是 1939 年, 全 世 界 只 有 德 国 一 家 在 进 行 这 样 一 个 原 子 能 的 军 事 应 用 项 目 德 国 占 领 着 世 界 上 最 大 的 铀 矿 ( 在 捷 克 斯 洛 伐 克 ), 德 国 有 世 界 上 最 强 大 的 化 学 工 业, 他 们 仍 然 拥 有 世 界 上 最 好 的 科 学 家, 原 子 的 裂 变 现 象 就 是 两 个 德 国 人 -- 奥 托? 哈 恩 (Otto Hahn) 和 弗 里 兹? 斯 特 拉 斯 曼 (Fritz Strassmann) 在 前 一 年 发 现 的, 这 两 人 都 还 在 德 国, 哈 恩 以 后 会 因 此 发 现 获 得 诺 贝 尔 化 学 奖 当 然 不 止 这 两 人, 德 国 还 有 劳 厄 (1914 年 诺 贝 尔 物 理 ) 波 特 (Bothe,1954 诺 贝 尔 物 理 ) 盖 革 ( 盖 革 计 数 器 的 发 明 者, 他 进 行 了 α 散 射 实 验 ) 魏 扎 克 (Karl von Weizsacker) 巴 格 (Erich Bagge) 迪 布 纳 (Kurt Diebner) 格 拉 赫 (Walther Gerlach) 沃 兹 (Karl Wirtz) 当 然, 他 们 还 有 定 海 神 针 海 森 堡, 这 位 20 世 纪 最 伟 大 的 物 理 学 家 之 一 所 有 的 这 些 科 学 家 都 参 与 了 希 特 勒 的 原 子 弹 计 划, 成 为 铀 俱 乐 部 的 成 员 之 一, 海 森 堡 是 这 个 计 划 的 总 负 责 人

109 然 而, 德 国 并 没 能 造 出 原 子 弹, 它 甚 至 连 门 都 没 有 入 从 1942 年 起, 德 国 似 乎 已 经 放 弃 整 个 原 子 弹 计 划, 而 改 为 研 究 制 造 一 个 能 提 供 能 源 的 原 子 核 反 应 堆 主 要 原 因 是 因 为 1942 年 6 月, 海 森 堡 向 军 备 部 长 斯 佩 尔 (Albert Speer) 报 告 说, 铀 计 划 因 为 技 术 原 因 在 短 时 间 内 难 以 产 出 任 何 实 际 的 结 果, 在 战 争 期 间 造 出 原 子 弹 是 不 大 可 能 的 但 他 同 时 也 使 斯 佩 尔 相 信, 德 国 的 研 究 仍 处 在 领 先 的 地 位 斯 佩 尔 将 这 一 情 况 报 告 希 特 勒, 当 时 由 于 整 个 战 场 情 况 的 紧 迫, 德 国 的 研 究 计 划 被 迫 采 取 一 种 急 功 近 利 的 方 略, 也 就 是 不 能 在 短 时 间, 确 切 地 说 是 六 周 内 见 效 的 计 划 都 被 暂 时 放 在 一 边 希 特 勒 和 斯 佩 尔 达 成 一 致 意 见 : 对 原 子 弹 不 必 花 太 大 力 气, 不 过 既 然 在 这 方 面 仍 然 领 先, 也 不 妨 继 续 拨 款 研 究 下 去 当 时 海 森 堡 申 请 附 加 的 预 算 只 有 寥 寥 35 万 帝 国 马 克, 有 它 无 它 都 影 响 不 大 这 个 计 划 在 被 高 层 放 任 了 近 2 年 后, 终 于 到 1944 年 又 为 希 姆 莱 所 注 意 到 他 下 令 大 力 拨 款, 推 动 原 子 弹 计 划 的 前 进, 并 建 了 几 个 新 的 铀 工 厂 计 划 确 实 有 所 进 展, 不 过 到 了 那 时, 全 德 国 的 工 业 早 已 被 盟 军 的 轰 炸 破 坏 得 体 无 完 肤, 难 以 进 一 步 支 撑 下 去 而 且 为 时 也 未 免 太 晚, 不 久 德 国 就 投 降 了 1942 年 的 报 告 是 怎 么 一 回 事? 海 森 堡 在 其 中 扮 演 了 一 个 什 么 样 的 角 色? 这 答 案 扑 朔 迷 离, 历 史 学 家 们 各 执 一 词, 要 不 是 新 证 据 的 逐 一 披 露, 恐 怕 人 们 至 今 仍 然 在 云 里 雾 中 这 就 是 科 学 史 上 有 名 的 海 森 堡 之 谜 yutian 回 复 于 : :33:02 第 八 章 论 战 二 castor_v_pollux 索 尔 维 会 议 是 由 一 位 比 利 时 的 实 业 家 Ernest Solvay 创 立 的, 并 以 他 的 名 字 命 名 第 一 届 索 尔 维 会 议 于 1911 年 在 布 鲁 塞 尔 召 开, 后 来 虽 然 一 度 被 第 一 次 世 界 大 战 所 打 断, 但 从 1921 年 开 始 又 重 新 恢 复, 定 期 3 年 举 行 一 届 到 了 1927 年, 这 已 经 是 第 五 届 索 尔 维 会 议 了, 也 许, 这 也 将 是 最 著 名 的 一 次 索 尔 维 会 议 这 次 会 议 弥 补 了 科 莫 的 遗 憾, 爱 因 斯 坦, 薛 定 谔 等 人 都 如 约 而 至 目 前 流 传 得 最 广 的 那 张 物 理 学 全 明 星 梦 之 队 的 照 片, 就 是 这 次 会 议 的 合 影 当 然 世 事 无 完 美, 硬 要 挑 点 缺 陷, 那 就 是 索 末 菲 和 约 尔 当 不 在 其 中, 不 过 我 们 要 求 不 能 太 高 了, 人 生 不 如 意 者 还 是 十 有 八 九 的 这 次 会 议 从 10 月 24 日 到 29 日, 为 期 6 天 主 题 是 电 子 和 光 子 ( 我 们 还 记 得, 光 子 -photon 是 个 新 名 词, 它 刚 刚 在 1926 年 由 美 国 人 刘 易 斯 所 提 出 ), 会 议 议 程 如 下 : 首 先 劳 伦 斯? 布 拉 格 作 关 于 X 射 线 的 实 验 报 告, 然 后 康 普 顿 报 告 康 普 顿 实 验 以 及 其 和 经 典 电 磁 理 论 的 不 一 致 接 下 来, 德 布 罗 意 作 量 子 新 力 学 的 演 讲, 主 要 是 关 于 粒 子 的 德 布 罗 意 波 随 后 波 恩 和 海 森 堡 介 绍 量 子 力 学 的 矩 阵 理 论, 而 薛 定 谔 介 绍 波 动 力 学 最 后, 玻 尔 在 科 莫 演 讲 的 基 础 上 再 次 做 那 个 关 于 量 子 公 设 和 原 子 新 理 论 的 报 告, 进 一 步 总 结 互 补 原 理, 给 量 子 论 打 下 整 个 哲 学 基 础 这 个 议 程 本 身 简 直 就 是 量 子 论 的 一 部 微 缩 史, 从 中 可 以 明 显 地 分 成 三 派 : 只 关 心 实 验 结 果 的 实 验 派 : 布 拉 格 和 康 普 顿 ; 哥 本 哈 根 派 : 玻 尔 波 恩 和 海 森 堡 ; 还 有 哥 本 哈 根 派 的 死 敌 : 德 布 罗 意, 薛 定 谔, 以 及 坐 在 台 下 的 爱 因 斯 坦 会 议 的 气 氛 从 一 开 始 便 是 火 热 的, 像 拳 王 争 霸 赛 一 样, 重 头 戏 到 来 之 前 先 有 一 系 列 的 垫 赛 :

110 大 家 先 就 康 普 顿 的 实 验 做 了 探 讨, 然 后 各 人 分 成 了 泾 渭 分 明 的 阵 营, 互 相 炮 轰 德 布 罗 意 一 马 当 先 做 了 发 言, 他 试 图 把 粒 子 融 合 到 波 的 图 像 里 去, 提 出 了 一 种 导 波 (pivot wave) 的 理 论, 认 为 粒 子 是 波 动 方 程 的 一 个 奇 点, 它 必 须 受 波 的 控 制 和 引 导 泡 利 站 起 来 狠 狠 地 批 评 这 个 理 论, 他 首 先 不 能 容 忍 历 史 车 轮 倒 转, 回 到 一 种 传 统 图 像 中, 然 后 他 引 了 一 系 列 实 验 结 果 来 反 驳 德 布 罗 意 众 所 周 知, 泡 利 是 世 界 第 一 狙 击 手, 谁 要 是 被 他 盯 上 了 多 半 是 没 有 好 下 场 的, 德 布 罗 意 最 后 不 得 不 公 开 声 明 放 弃 他 的 观 点 幸 好 薛 定 谔 大 举 来 援, 不 过 他 还 是 坚 持 一 个 非 常 传 统 的 解 释, 这 连 盟 军 德 布 罗 意 也 觉 得 不 大 满 意, 泡 利 早 就 嘲 笑 薛 定 谔 为 幼 稚 波 恩 和 海 森 堡 躲 在 哥 本 哈 根 掩 体 后 面 对 其 开 火, 他 们 在 报 告 最 后 说 : 我 们 主 张, 量 子 力 学 是 一 种 完 备 的 理 论, 它 的 基 本 物 理 假 说 和 数 学 假 设 是 不 能 进 一 步 修 改 的 他 们 也 集 中 火 力 猛 烈 攻 击 了 薛 定 谔 的 电 子 云, 后 者 认 为 电 子 的 确 在 空 间 中 实 际 地 如 波 般 扩 散 开 去 海 森 堡 评 论 说 : 我 从 薛 定 谔 的 计 算 中 看 不 到 任 何 东 西 可 以 证 明 事 实 如 同 他 所 希 望 的 那 样 薛 定 谔 承 认 他 的 计 算 确 实 还 不 太 令 人 满 意, 不 过 他 依 然 坚 持, 谈 论 电 子 的 轨 道 是 胡 扯 ( 应 该 是 波 本 征 态 的 叠 加 ), 波 恩 回 敬 道 : 不, 一 点 都 不 是 胡 扯 在 一 片 硝 烟 中, 会 议 的 组 织 者, 老 资 格 的 洛 伦 兹 也 发 表 了 一 些 保 守 的 观 点,and so on and so on 爱 因 斯 坦 一 开 始 按 兵 不 动, 保 持 着 可 怕 的 沉 默, 不 过 当 波 恩 提 到 他 的 名 字 后, 他 终 于 忍 不 住 出 击 了 他 提 出 了 一 个 模 型 : 一 个 电 子 通 过 一 个 小 孔 得 到 衍 射 图 像 爱 因 斯 坦 指 出, 目 前 存 在 着 两 种 观 点, 第 一 是 说 这 里 没 有 一 个 电 子, 只 有 一 团 电 子 云, 它 是 一 个 空 间 中 的 实 在, 为 德 布 罗 意 - 薛 定 谔 波 所 描 述 第 二 是 说 的 确 有 一 个 电 子, 而 ψ 是 它 的 几 率 分 布, 电 子 本 身 不 扩 散 到 空 中, 而 是 它 的 几 率 波 爱 因 斯 坦 承 认, 观 点 II 是 比 观 点 I 更 加 完 备 的, 因 为 它 整 个 包 含 了 观 点 I 尽 管 如 此, 爱 因 斯 坦 仍 然 说, 他 不 得 不 反 对 观 点 II 因 为 这 种 随 机 性 表 明, 同 一 个 过 程 会 产 生 许 多 不 同 的 结 果, 而 且 这 样 一 来, 感 应 屏 上 的 许 多 区 域 就 要 同 时 对 电 子 的 观 测 作 出 反 应, 这 似 乎 暗 示 了 一 种 超 距 作 用, 从 而 违 背 相 对 论 风 云 变 幻, 龙 虎 交 济, 现 在 两 大 阵 营 的 幕 后 主 将 终 于 都 走 到 台 前, 开 始 进 行 一 场 决 定 命 运 的 单 挑 可 惜 的 是, 玻 尔 等 人 的 原 始 讨 论 记 录 没 有 官 方 资 料 保 存 下 来, 对 当 时 情 景 的 重 建 主 要 依 靠 几 位 当 事 人 的 回 忆 这 其 中 有 玻 尔 本 人 1949 年 为 庆 祝 爱 因 斯 坦 70 岁 生 日 而 应 邀 撰 写 的 就 原 子 物 理 学 中 的 认 识 论 问 题 与 爱 因 斯 坦 进 行 的 商 榷 长 文, 有 海 森 堡 德 布 罗 意 和 埃 仑 菲 斯 特 的 回 忆 和 信 件 等 等 当 时 那 一 场 激 战, 讨 论 的 问 题 中 有 我 们 已 经 描 述 过 的 那 个 电 子 在 双 缝 前 的 困 境 : 如 何 选 择 它 的 路 径 以 及 快 速 地 关 闭 / 打 开 一 条 狭 缝 对 电 子 产 生 的 影 响 还 有 许 许 多 多 别 的 思 维 实 验 埃 仑 费 斯 特 在 写 给 他 那 些 留 守 在 莱 登 的 弟 子 们 ( 乌 仑 贝 特 和 古 德 施 密 特 等 ) 的 信 中 描 述 说 : 爱 因 斯 坦 像 一 个 弹 簧 玩 偶, 每 天 早 上 都 带 着 新 的 主 意 从 盒 子 里 弹 出 来, 而 玻 尔 则 从 云 雾 缭 绕 的 哲 学 中 找 到 工 具, 把 对 方 所 有 的 论 据 都 一 一 碾 碎 海 森 堡 1967 年 的 回 忆 则 说 : 讨 论 很 快 就 变 成 了 一 场 爱 因 斯 坦 和 玻 尔 之 间 的 决 斗 : 当 时 的 原 子 理 论 在 多 大 程 度 上 可 以 看 成 是 讨 论 了 几 十 年 的 那 些 困 难 的 最 终 答 案 呢? 我 们 一 般 在 旅 馆 用 早 餐 时 就 见 面 了, 于 是 爱 因 斯 坦 就 描 绘 一 个 思 维 实 验, 他 认 为 从 中 可 以 清 楚 地 看 出 哥 本 哈 根 解 释 的 内 部 矛 盾 然 后 爱 因 斯 坦, 玻 尔 和 我 便 一 起 走 去 会 场, 我 就 可 以 现 场 聆 听 这 两 个 哲 学 态 度 迥 异 的 人 的 讨 论, 我 自 己 也 常 常 在 数 学 表 达 结 构 方 面 插 几 句 话 在 会 议 中 间, 尤 其 是 会 间 休 息 的 时 候, 我 们 这 些 年 轻 人 -- 大 多 数 是 我 和 泡 利 -- 就 试 着 分 析 爱 因 斯 坦 的 实 验, 而 在 吃 午 饭 的 时 候 讨 论 又 在 玻 尔 和 别 的 来 自 哥 本 哈 根 的 人 之 间 进 行 一 般 来 说 玻 尔 在 傍 晚 的 时 候 就 对 这 些 理 想 实 验 完 全 心 中 有 数 了, 他 会 在 晚 餐 时 把 它 们 分 析 给 爱 因 斯 坦 听 爱 因 斯 坦 对 这 些 分 析 提 不 出 反 驳, 但 在 心 里

111 他 是 不 服 气 的 爱 因 斯 坦 当 然 是 不 服 气 的, 他 如 此 虔 诚 地 信 仰 因 果 律, 以 致 决 不 能 相 信 哥 本 哈 根 那 种 愤 世 嫉 俗 的 概 率 解 释 玻 尔 回 忆 说, 爱 因 斯 坦 有 一 次 嘲 弄 般 地 问 他, 难 道 他 真 的 相 信 上 帝 的 力 量 要 依 靠 掷 骰 子 (ob der liebe Gott würfelt)? 上 帝 不 掷 骰 子! 这 已 经 不 是 爱 因 斯 坦 第 一 次 说 这 话 了 早 在 1926 年 写 给 波 恩 的 信 里, 他 就 说 : 量 子 力 学 令 人 印 象 深 刻, 但 是 一 种 内 在 的 声 音 告 诉 我 它 并 不 是 真 实 的 这 个 理 论 产 生 了 许 多 好 的 结 果, 可 它 并 没 有 使 我 们 更 接 近 老 头 子 的 奥 秘 我 毫 无 保 留 地 相 信, 老 头 子 是 不 掷 骰 子 的 老 头 子 是 爱 因 斯 坦 对 上 帝 的 昵 称 然 而,1927 年 这 场 华 山 论 剑, 爱 因 斯 坦 终 究 输 了 一 招 并 非 剑 术 不 精, 实 乃 内 力 不 足 面 对 浩 浩 荡 荡 的 历 史 潮 流, 他 顽 强 地 逆 流 而 上, 结 果 被 冲 刷 得 站 立 不 稳, 苦 苦 支 撑 1927 年, 量 子 革 命 的 大 爆 发 已 经 进 入 第 三 年, 到 了 一 个 收 官 的 阶 段 当 年 种 下 的 种 子 如 今 开 花 结 果, 革 命 的 思 潮 已 经 席 卷 整 个 物 理 界, 毫 无 保 留 地 指 明 了 未 来 的 方 向 越 来 越 多 的 人 终 究 领 悟 到 了 哥 本 哈 根 解 释 的 核 心 奥 义, 并 诚 心 皈 依, 都 投 在 量 子 门 下 爱 因 斯 坦 非 但 没 能 说 服 玻 尔, 反 而 常 常 被 反 驳 得 说 不 出 话 来, 而 且 他 这 个 反 动 态 度 引 得 了 许 多 人 扼 腕 叹 息 遥 想 当 年, 1905, 爱 因 斯 坦 横 空 出 世, 一 年 之 内 六 次 出 手, 每 一 役 都 打 得 天 摇 地 动, 惊 世 骇 俗, 独 自 创 下 了 一 番 轰 轰 烈 烈 的 事 业 当 时 少 年 意 气, 睥 睨 群 雄, 扬 鞭 策 马, 笑 傲 江 湖, 这 一 幅 传 奇 画 面 在 多 少 人 心 目 中 留 下 了 永 恒 的 神 往! 可 是, 当 年 那 个 最 反 叛, 最 革 命, 最 不 拘 礼 法, 最 蔑 视 权 威 的 爱 因 斯 坦, 如 今 竟 然 站 在 新 生 量 子 论 的 对 立 面! 波 恩 哀 叹 说 : 我 们 失 去 了 我 们 的 领 袖 埃 伦 费 斯 特 气 得 对 爱 因 斯 坦 说 : 爱 因 斯 坦, 我 为 你 感 到 脸 红! 你 把 自 己 放 到 了 和 那 些 徒 劳 地 想 推 翻 相 对 论 的 人 一 样 的 位 置 上 了 爱 因 斯 坦 这 一 仗 输 得 狼 狈, 玻 尔 看 上 去 沉 默 驽 钝, 可 是 重 剑 无 锋, 大 巧 不 工, 在 他 一 生 中 几 乎 没 有 输 过 哪 一 场 认 真 的 辩 论 哥 本 哈 根 派 和 它 对 量 子 论 的 解 释 大 获 全 胜, 海 森 堡 在 写 给 家 里 的 信 中 说 : 我 对 结 果 感 到 非 常 满 意, 玻 尔 和 我 的 观 点 被 广 泛 接 受 了, 至 少 没 人 提 得 出 严 格 的 反 驳, 即 使 爱 因 斯 坦 和 薛 定 谔 也 不 行 多 年 后 他 又 总 结 道 : 刚 开 始 ( 持 有 这 种 观 点 的 ) 主 要 是 玻 尔, 泡 利 和 我, 大 概 也 只 有 我 们 三 个, 不 过 它 很 快 就 扩 散 开 去 了 但 是 爱 因 斯 坦 不 是 那 种 容 易 被 打 败 的 人, 他 逆 风 而 立, 一 头 乱 发 掩 不 住 眼 中 的 坚 决 他 身 后 还 站 着 两 位, 一 个 是 德 布 罗 意, 一 个 是 薛 定 谔 三 人 吴 带 凌 风, 衣 袂 飘 飘, 在 量 子 时 代 到 来 的 曙 光 中, 大 有 长 铗 寒 瑟, 易 水 萧 萧, 誓 与 经 典 理 论 共 存 亡 的 悲 壮 气 慨 时 光 荏 苒, 一 弹 指 又 是 三 年, 各 方 俊 杰 又 重 聚 布 鲁 塞 尔, 会 面 于 第 六 届 索 尔 维 会 议 三 年 前 那 一 战 已 成 往 事, 这 第 二 次 华 山 论 剑, 又 不 知 谁 胜 谁 负? 饭 后 闲 话 : 海 森 堡 和 德 国 原 子 弹 计 划 ( 二 )

112 1944 年, 盟 军 在 诺 曼 底 登 陆, 形 成 两 面 夹 攻 之 势 到 1945 年 4 月, 纳 粹 德 国 大 势 已 去, 欧 洲 战 场 战 斗 的 结 束 已 经 近 在 眼 前 摆 在 美 国 人 面 前 的 任 务 现 在 是 尽 可 能 地 搜 罗 德 国 残 存 的 科 学 家 和 设 备 仪 器, 不 让 他 们 落 到 别 的 国 家 手 里 ( 苏 联 不 用 说, 法 国 也 不 行 ) 和 苏 联 人 比 赛 看 谁 先 攻 占 柏 林 是 无 望 的 了, 他 们 转 向 南 方, 并 很 快 俘 获 了 德 国 铀 计 划 的 科 学 家 们, 缴 获 了 大 部 分 资 料 和 设 备 不 过 那 时 候 海 森 堡 已 经 提 前 离 开 逃 回 厄 菲 尔 德 (Urfeld) 的 家 中, 这 个 地 方 当 时 还 在 德 国 人 手 里, 但 为 了 得 到 海 森 堡 这 个 第 一 目 标, 盟 军 派 出 一 支 小 分 队, 于 5 月 3 日, 也 就 是 希 特 勒 夫 妇 自 杀 后 的 第 四 天, 到 海 森 堡 家 中 抓 住 了 他 这 位 科 学 家 倒 是 表 现 得 颇 有 风 度, 他 礼 貌 地 介 绍 自 己 的 妻 子 和 孩 子 们, 并 问 那 些 美 国 大 兵, 他 们 觉 得 德 国 的 风 景 如 何 到 了 5 月 7 日, 德 国 便 投 降 了 10 位 德 国 最 有 名 的 科 学 家 被 秘 密 送 往 英 国, 关 在 剑 桥 附 近 的 一 幢 称 为 农 园 堂 (Farm Hall) 的 房 子 里 他 们 并 不 知 道 这 房 子 里 面 装 满 了 窃 听 器, 他 们 在 此 的 谈 话 全 部 被 录 了 音 并 记 录 下 来, 我 们 在 后 面 会 谈 到 这 些 关 键 性 的 记 录 8 月 6 日 晚 上, 广 岛 原 子 弹 爆 炸 的 消 息 传 来, 这 让 每 一 个 人 都 惊 得 目 瞪 口 呆 关 于 当 时 的 详 细 情 景, 我 们 也 会 在 以 后 讲 到 战 争 结 束 后, 这 些 科 学 家 都 被 释 放 了 但 现 在 不 管 是 专 家 还 是 公 众, 都 对 德 国 为 什 么 没 能 造 出 原 子 弹 大 感 兴 趣 以 德 国 科 学 家 那 一 贯 的 骄 傲, 承 认 自 己 技 不 如 人 是 绝 对 无 法 接 受 的 还 在 监 禁 期 间, 广 岛 之 后 的 第 三 天, 海 森 堡 等 人 便 起 草 了 一 份 备 忘 录, 声 称 :1. 原 子 裂 变 现 象 是 德 国 人 哈 恩 和 斯 特 拉 斯 曼 在 1938 年 发 现 的 2. 只 有 到 战 争 爆 发 后, 德 国 才 成 立 了 相 关 的 研 究 小 组 但 是 从 当 时 的 德 国 来 看 并 无 可 能 造 出 一 颗 原 子 弹, 因 为 即 使 技 术 上 存 在 着 可 能 性, 仍 然 有 资 源 不 足 的 问 题, 特 别 是 需 要 更 多 的 重 水 返 回 德 国 后, 海 森 堡 又 起 草 了 一 份 更 详 细 的 声 明 大 致 是 说, 德 国 小 组 早 就 意 识 到 铀 235 可 以 作 为 反 应 堆 或 者 炸 弹 来 使 用, 但 是 从 天 然 铀 中 分 离 出 稀 少 的 同 位 素 铀 235 却 是 一 件 极 为 困 难 的 事 情 (* 这 里 补 充 一 下 原 子 弹 的 常 识 : 当 一 个 中 子 轰 击 容 易 分 裂 的 铀 235 原 子 核 时, 会 使 它 裂 成 两 半, 同 时 放 出 更 多 的 中 子 去 进 一 步 轰 击 别 的 原 子 核 这 样 就 引 起 一 连 串 的 连 锁 反 应, 在 每 次 分 裂 时 都 放 出 大 量 能 量, 便 是 通 常 说 的 链 式 反 应 但 只 有 铀 235 是 不 稳 定 而 容 易 裂 变 的, 它 的 同 位 素 铀 238 则 不 是, 所 以 必 须 提 高 铀 235 的 浓 度 才 能 引 发 可 持 续 的 反 应, 不 然 中 子 就 都 被 铀 238 吸 收 了 但 天 然 铀 中 铀 238 占 了 99% 以 上, 所 以 要 把 那 一 点 铀 235 分 离 出 来, 这 在 当 时 的 技 术 来 说 是 极 困 难 的 ) 海 森 堡 说, 分 离 出 足 够 的 铀 235 需 要 大 量 的 资 源 和 人 力 物 力, 这 项 工 作 在 战 争 期 间 是 难 以 完 成 的 德 国 科 学 家 也 意 识 到 了 另 一 种 可 能 的 方 法, 那 就 是 说, 虽 然 铀 238 本 身 不 能 分 裂, 但 它 吸 收 中 子 后 会 衰 变 成 另 一 种 元 素 -- 钚 而 这 种 元 素 和 铀 235 一 样, 是 可 以 形 成 链 式 反 应 的 不 过 无 论 如 何, 前 提 是 要 有 一 个 原 子 反 应 堆, 制 造 原 子 的 反 应 堆 需 要 中 子 减 速 剂 一 种 很 好 的 减 速 剂 是 重 水, 但 对 德 国 来 说, 唯 一 的 重 水 来 源 是 在 挪 威 的 一 个 工 厂, 这 个 工 厂 被 盟 军 的 特 遣 队 多 次 破 坏, 不 堪 使 用 总 而 言 之, 海 森 堡 的 潜 台 词 是, 德 国 科 学 家 和 盟 国 科 学 家 在 理 论 和 技 术 上 的 优 势 是 相 同 的 但 是 因 为 德 国 缺 乏 相 应 的 资 源, 因 此 德 国 人 放 弃 了 这 一 计 划 他 声 称 一 直 到 1942 年 以 前, 双 方 的 进 展 还 基 本 相 同, 只 不 过 由 于 外 部 因 素 的 影 响, 德 国 认 为 在 战 争 期 间 没 有 条 件 ( 而 不 是 没 有 理 论 能 力 ) 造 出 原 子 弹, 因 此 转 为 反 应 堆 能 源 的 研 究 海 森 堡 声 称, 德 国 的 科 学 家 一 开 始 就 意 识 到 了 原 子 弹 所 引 发 的 道 德 问 题, 这 样 一 种 如 此 大 杀

113 伤 力 的 武 器 使 他 们 也 意 识 到 对 人 类 所 负 有 的 责 任 但 是 对 国 家 ( 不 是 纳 粹 ) 的 义 务 又 使 得 他 们 不 得 不 投 入 到 工 作 中 去 不 过 他 们 心 怀 矛 盾, 消 极 怠 工, 并 有 意 无 意 地 夸 大 了 制 造 的 难 度, 因 此 在 1942 年 使 得 高 层 相 信 原 子 弹 并 没 有 实 际 意 义 再 加 上 外 部 环 境 的 恶 化 使 得 实 际 制 造 成 为 不 可 能, 这 让 德 国 科 学 家 松 了 一 口 气, 因 为 他 们 不 必 像 悲 剧 中 的 安 提 戈 涅, 亲 自 来 作 出 这 个 道 德 上 两 难 的 决 定 了 这 样 一 来, 德 国 人 的 科 学 优 势 得 以 保 持, 同 时 又 捍 卫 了 一 种 道 德 地 位 两 全 其 美 这 种 说 法 惹 火 了 古 德 施 密 特, 他 战 时 是 曼 哈 顿 计 划 的 重 要 领 导 人, 本 来 也 是 海 森 堡 的 好 朋 友 他 认 为 说 德 国 人 和 盟 国 一 样 地 清 楚 原 子 弹 的 技 术 原 理 和 关 键 参 数 是 胡 说 八 道 1942 年 海 森 堡 报 告 说 难 以 短 期 制 造 出 原 子 弹, 那 是 因 为 德 国 人 算 错 了 参 数, 他 们 真 的 相 信 不 可 能 造 出 它, 而 不 是 什 么 虚 与 委 蛇, 更 没 有 什 么 消 极 古 德 施 密 特 地 位 特 殊, 手 里 掌 握 着 许 多 资 料, 包 括 德 国 自 己 的 秘 密 报 告, 他 很 快 写 出 一 本 书 叫 做 ALSOS, 主 要 是 介 绍 曼 哈 顿 计 划 的 过 程, 但 同 时 也 汇 报 德 国 方 面 的 情 况 海 森 堡 怎 肯 苟 同, 两 人 在 Nature 杂 志 和 报 纸 上 公 开 辩 论, 断 断 续 续 地 打 了 好 多 年 笔 仗, 最 后 私 下 讲 和, 不 了 了 之 双 方 各 有 支 持 者 纽 约 时 报 的 通 讯 记 者 Kaempffert 为 海 森 堡 辩 护, 说 了 一 句 引 起 轩 然 大 波 的 话 : 说 谎 者 得 不 了 诺 贝 尔 奖! 言 下 之 意 自 然 是 说 古 德 施 密 特 说 谎 这 滋 味 对 于 后 者 肯 定 不 好 受, 大 家 知 道 古 德 施 密 特 是 电 子 自 旋 的 发 现 者 之 一, 以 如 此 伟 大 发 现 而 终 究 未 获 诺 贝 尔 奖, 很 多 人 是 鸣 不 平 的 ALSOS 的 出 版 人 舒 曼 (Schuman) 当 真 写 信 给 爱 因 斯 坦, 问 诺 贝 尔 得 奖 者 真 的 不 说 谎? 爱 因 斯 坦 只 好 回 信 说 : 说 谎 是 得 不 了 诺 贝 尔 的, 但 也 不 能 排 除 有 些 幸 运 者 会 在 压 力 下 在 特 定 的 场 合 可 能 说 谎 爱 因 斯 坦 大 概 想 起 了 勒 纳 德 和 斯 塔 克, 两 位 货 真 价 实 的 诺 贝 尔 得 主, 为 了 狂 热 的 纳 粹 信 仰 而 疯 狂 攻 击 他 和 相 对 论, 这 情 景 犹 然 在 眼 前 呢 yutian 回 复 于 : :34:10 第 八 章 论 战 三 castor_v_pollux 花 开 花 落, 黄 叶 飘 零, 又 是 秋 风 季 节, 第 六 届 索 尔 维 会 议 在 布 鲁 塞 尔 召 开 了 玻 尔 来 到 会 场 时 心 中 惴 惴, 看 爱 因 斯 坦 表 情 似 笑 非 笑, 吃 不 准 他 三 年 间 练 成 了 什 么 新 招, 不 知 到 了 一 个 什 么 境 界 不 过 玻 尔 倒 也 不 是 太 过 担 心, 量 子 论 的 兴 起 已 经 是 板 上 钉 钉 的 事 实, 现 在 整 个 体 系 早 就 站 稳 脚 跟, 枝 繁 叶 茂 地 生 长 起 来 爱 因 斯 坦 再 厉 害, 凭 一 人 之 力 也 难 以 撼 动 它 的 根 基 玻 尔 当 年 的 弟 子 们, 海 森 堡, 泡 利 等, 如 今 也 都 是 独 当 一 面 的 大 宗 师 了, 哥 本 哈 根 派 名 震 整 个 物 理 界, 玻 尔 自 信 吃 不 了 大 亏 爱 因 斯 坦 则 在 盘 算 另 一 件 事 : 量 子 论 方 兴 未 艾, 当 其 之 强, 要 打 败 它 的 确 太 难 了 可 是 难 道 因 果 律 和 经 典 理 论 就 这 么 完 了 不 成? 不 可 能, 量 子 论 一 定 是 错 的! 嗯, 想 来 想 去, 要 破 量 子 论, 只 有 釜 底 抽 薪, 击 溃 它 的 基 础 才 行 爱 因 斯 坦 凭 着 和 玻 尔 交 手 的 经 验 知 道, 在 细 节 问 题 上 是 争 不 出 个 什 么 所 以 然 的, 量 子 论 就 像 神 话 中 那 个 九 头 怪 蛇 海 德 拉 (Hydra), 你 砍 掉 它 一 个 头 马 上 会 再 生 一 个 出 来 必 须 得 瞄 准 最 关 键 的 那 一 个 头 才 行, 这 个 头 就 是 其 精 髓 所 在 -- 不

114 确 定 性 原 理! 爱 因 斯 坦 站 起 来 发 话 了 : 想 象 一 个 箱 子, 上 面 有 一 个 小 孔, 并 有 一 道 可 以 控 制 其 开 闭 的 快 门, 箱 子 里 面 有 若 干 个 光 子 好, 假 设 快 门 可 以 控 制 得 足 够 好, 它 每 次 打 开 的 时 间 是 如 此 之 短, 以 致 于 每 次 只 允 许 一 个 光 子 从 箱 子 里 飞 到 外 面 因 为 时 间 极 短, t 是 足 够 小 的 那 么 现 在 箱 子 里 少 了 一 个 光 子, 它 轻 了 那 么 一 点 点, 这 可 以 用 一 个 理 想 的 称 测 量 出 来 假 如 轻 了 m 吧, 那 么 就 是 说 飞 出 去 的 光 子 重 m, 根 据 相 对 论 的 质 能 方 程 E=mc^2, 可 以 精 确 地 算 出 减 少 的 能 量 E 那 么, E 和 t 都 很 确 定, 海 森 堡 的 公 式 E t > h/2π 也 就 不 成 立 所 以 整 个 量 子 论 是 错 误 的! 这 可 以 说 是 爱 因 斯 坦 凝 聚 了 毕 生 功 夫 的 一 击, 其 中 还 包 含 了 他 的 成 名 绝 技 相 对 论 这 一 招 如 白 虹 贯 日, 直 中 要 害, 沉 稳 老 辣, 干 净 漂 亮 玻 尔 对 此 毫 无 思 想 准 备, 他 大 吃 一 惊, 一 时 想 不 出 任 何 反 击 的 办 法 据 目 击 者 说, 他 变 得 脸 如 死 灰, 呆 若 木 鸡 ( 不 是 比 喻!), 张 口 结 舌 地 说 不 出 话 来 一 整 个 晚 上 他 都 闷 闷 不 乐, 搜 肠 刮 肚, 苦 思 冥 想 罗 森 菲 尔 德 后 来 描 述 说 : ( 玻 尔 ) 极 力 游 说 每 一 个 人, 试 图 使 他 们 相 信 爱 因 斯 坦 说 的 不 可 能 是 真 的, 不 然 那 就 是 物 理 学 的 末 日 了 但 是 他 想 不 出 任 何 反 驳 来 我 永 远 不 会 忘 记 两 个 对 手 离 开 会 场 时 的 情 景 : 爱 因 斯 坦 的 身 影 高 大 庄 严, 带 着 一 丝 嘲 讽 的 笑 容, 静 悄 悄 地 走 了 出 去 玻 尔 跟 在 后 面 一 路 小 跑, 他 激 动 不 已, 词 不 达 意 地 辩 解 说 要 是 爱 因 斯 坦 的 装 置 真 的 管 用, 物 理 学 就 完 蛋 了 这 一 招 当 真 如 此 淳 厚 完 美, 无 懈 可 击? 玻 尔 在 这 关 键 时 刻 力 挽 沧 海, 方 显 英 雄 本 色 他 经 过 一 夜 苦 思, 终 于 想 出 了 破 解 此 招 的 方 法, 一 个 更 加 妙 到 巅 毫 的 巧 招 罗 森 菲 尔 德 接 着 说 : 第 二 天 早 上, 玻 尔 的 胜 利 便 到 来 了 物 理 学 也 得 救 了 玻 尔 指 出 : 好, 一 个 光 子 跑 了, 箱 子 轻 了 m 我 们 怎 么 测 量 这 个 m 呢? 用 一 个 弹 簧 称, 设 置 一 个 零 点, 然 后 看 箱 子 位 移 了 多 少 假 设 位 移 为 q 吧, 这 样 箱 子 就 在 引 力 场 中 移 动 了 q 的 距 离, 但 根 据 广 义 相 对 论 的 红 移 效 应, 这 样 的 话 时 间 的 快 慢 也 要 随 之 改 变 相 应 的 T 可 以 根 据 公 式 计 算 出 : T>h/ mc^2 再 代 以 质 能 公 式 E= mc^2, 则 得 到 最 终 的 结 果, 这 结 果 是 如 此 眼 熟 : T E > h, 正 是 海 森 堡 测 不 准 关 系! 我 们 可 以 不 理 会 数 学 推 导, 关 键 是 爱 因 斯 坦 忽 略 了 广 义 相 对 论 的 红 移 效 应! 引 力 场 可 以 使 原 子 频 率 变 低, 也 就 是 红 移, 等 效 于 时 间 变 慢 当 我 们 测 量 一 个 很 准 确 的 m 时, 我 们 在 很 大 程 度 上 改 变 了 箱 子 里 的 时 钟, 造 成 了 一 个 很 大 的 不 确 定 的 T 也 就 是 说, 在 爱 因 斯 坦 的 装 置 里, 假 如 我 们 准 确 地 测 量 m, 或 者 E 时, 我 们 就 根 本 没 法 控 制 光 子 逃 出 的 时 间 T! 广 义 相 对 论 本 是 爱 因 斯 坦 的 独 门 绝 技, 玻 尔 这 一 招 以 彼 之 道, 还 施 彼 身 不 但 封 挡 住 了 爱

115 因 斯 坦 那 雷 霆 万 钧 的 一 击, 更 把 这 诸 般 招 数 都 回 加 到 了 他 自 己 身 上 虽 说 是 殚 精 竭 虑 最 后 想 出 此 法, 但 招 数 精 奇, 才 气 横 溢, 教 人 击 节 叹 服, 大 开 眼 界 觉 得 见 证 两 大 纵 世 奇 才 出 全 力 相 拚, 实 在 不 虚 此 行 现 在 轮 到 爱 因 斯 坦 自 己 说 不 出 话 来 了 难 道 量 子 论 当 真 天 命 所 归, 严 格 的 因 果 性 当 真 已 经 迟 迟 老 去, 不 再 属 于 这 个 叛 逆 的 新 时 代? 玻 尔 是 最 坚 决 的 革 命 派, 他 的 思 想 闳 廓 深 远, 穷 幽 极 渺, 却 又 如 大 江 奔 流, 浩 浩 荡 荡, 翻 腾 不 息 物 理 学 的 未 来 只 有 靠 量 子, 这 个 古 怪 却 又 强 大 的 精 灵 去 开 拓 新 世 界 不 再 有 因 果 性, 不 再 有 实 在 性, 可 能 让 人 觉 得 不 太 安 全, 但 它 却 是 那 样 胸 怀 博 大, 气 派 磅 礴, 到 处 都 有 珍 贵 的 宝 藏 和 激 动 人 心 的 秘 密 等 待 着 人 们 去 发 掘 狄 拉 克 后 来 有 一 次 说, 自 海 森 堡 取 得 突 破 以 来, 理 论 物 理 进 入 了 前 所 未 有 的 黄 金 年 代, 任 何 一 个 二 流 的 学 生 都 可 能 在 其 中 作 出 一 流 的 发 现 是 的, 人 们 应 当 毫 不 畏 惧 地 走 进 这 样 一 个 生 机 勃 勃 的, 充 满 了 艰 险 挑 战 和 无 上 光 荣 的 新 时 代 中 来, 把 过 时 的 因 果 性 做 成 一 个 纪 念 物, 装 饰 在 泛 黄 的 老 照 片 上 去 回 味 旧 日 的 似 水 年 华 革 命! 前 进! 玻 尔 在 大 会 上 又 开 始 显 得 精 神 抖 擞, 豪 气 万 丈 爱 因 斯 坦 的 这 个 光 箱 实 验 非 但 没 能 击 倒 量 子 论, 反 而 成 了 它 最 好 的 证 明, 给 它 的 光 辉 又 添 上 了 浓 重 的 一 笔 现 在 没 什 么 好 怀 疑 的 了, 因 果 性 是 不 存 在 的, 哥 本 哈 根 解 释 如 野 火 一 般 在 人 们 的 思 想 中 蔓 延 开 来 玻 尔 是 这 场 革 命 的 旗 手, 他 慷 慨 陈 词, 就 像 当 年 在 议 会 前 的 罗 伯 斯 庇 尔 要 是 可 能 的 话, 他 大 概 真 想 来 上 这 么 一 句 : 因 果 性 必 须 死, 因 为 物 理 学 需 要 生! 停 止 争 论 吧, 上 帝 真 的 掷 骰 子! 随 机 性 是 世 界 的 基 石, 当 电 子 出 现 在 这 里 时, 它 是 一 个 随 机 的 过 程, 并 不 需 要 有 谁 给 它 加 上 难 以 忍 受 的 条 条 框 框 全 世 界 的 粒 子 和 波 现 在 都 得 到 了 解 放, 从 牛 顿 和 麦 克 斯 韦 写 好 的 剧 本 中 挣 扎 出 来, 大 口 地 呼 吸 自 由 空 气 它 们 和 观 测 者 玩 捉 迷 藏, 在 他 们 背 后 融 化 成 概 率 波 弥 散 开 去, 神 秘 地 互 相 渗 透 和 干 涉 当 观 测 者 回 过 头 去 寻 找 它 们, 它 们 又 快 乐 地 现 出 原 型, 呈 现 出 一 个 面 貌 等 候 在 那 里 这 种 游 戏 不 致 于 过 火, 因 为 还 有 波 动 方 程 和 不 确 定 原 理 在 起 着 规 则 的 作 用 而 统 计 规 律 则 把 微 观 上 的 无 法 无 天 抹 平 成 为 宏 观 上 的 井 井 有 条 爱 因 斯 坦 失 望 地 看 着 这 个 场 面, 发 展 到 如 此 地 步 实 在 让 他 始 料 不 及 没 有 因 果 性, 一 片 混 乱 恐 怕 约 翰? 米 尔 顿 描 绘 的 那 个 群 魔 殿 (Pandemonium) 就 是 这 个 样 子 吧? 爱 因 斯 坦 对 玻 尔 已 经 两 战 两 败, 他 现 在 知 道 量 子 论 的 根 基 比 想 象 的 要 牢 固 得 多 看 起 来, 量 子 论 不 太 可 能 是 错 误 的, 或 者 自 相 矛 盾 的 但 爱 因 斯 坦 也 决 不 会 相 信 它 代 表 了 真 相 好 吧, 量 子 论 内 部 是 没 有 矛 盾 的, 但 它 并 不 是 一 幅 完 整 的 图 像 我 们 看 到 的 量 子 论, 可 能 只 是 管 中 窥 豹, 虽 然 看 到 了 真 实 的 一 部 分, 但 仍 然 有 更 多 的 真 实 未 能 发 现 一 定 有 一 些 其 他 的 因 素, 它 们 虽 然 不 为 我 们 所 见, 但 无 疑 对 电 子 的 行 为 有 着 影 响, 从 而 严 格 地 决 定 了 它 们 的 行 为 好 比 我 们 在 赌 场 扔 骰 子 赌 钱, 虽 然 我 们 睁 大 眼 睛 看 明 白 四 周 一 切, 确 定 没 人 作 弊, 但 的 确 可 能 还 有 一 个 暗 中 的 武 林 高 手, 凭 借 一 些 独 门 手 法 比 如 说 吹 气 来 影 响 骰 子 的 结 果 虽 然 我 们 水 平 不 行, 发 现 不 了 这 个 武 林 高 手 的 存 在, 觉 得 骰 子 是 完 全 随 机 的, 但 事 实 上 不 是! 它 是 完 全 人 为 的, 如 果 把 这 个 隐 藏 的 高 手 也 考 虑 进 去, 它 是 有 严 格 因 果 关 系 的! 尽 管 单 单 从 我 们 看 到 的 来 讲, 也 没 有 什 么 互 相 矛 盾, 但 一 幅 完 整 的 图 像 应 该 包 含 那 个 隐 藏 着 的 人, 这 个 人 是 一 个 隐 变 量!

116 不 管 怎 么 说, 因 果 关 系 不 能 抛 弃! 爱 因 斯 坦 的 信 念 到 此 时 几 乎 变 成 一 种 信 仰 了, 他 已 决 定 终 生 为 经 典 理 论 而 战, 这 不 知 算 是 科 学 的 悲 剧 还 是 收 获 一 方 面, 那 个 大 无 畏 的 领 路 人, 那 个 激 情 无 限 的 开 拓 者 永 远 地 从 历 史 上 消 失 了 亚 伯 拉 罕? 帕 斯 (Abraham Pais) 在 爱 因 斯 坦 曾 住 在 这 里 一 书 中 说, 就 算 1925 年 后, 爱 因 斯 坦 改 行 钓 鱼 以 度 过 余 生, 这 对 科 学 来 说 也 没 什 么 损 失 但 另 一 方 面, 爱 因 斯 坦 对 量 子 论 的 批 评 和 诘 问 也 确 实 使 它 时 时 三 省 吾 身, 冷 静 地 审 视 和 思 考 自 己 存 在 的 意 义, 并 不 断 地 在 斗 争 中 完 善 自 己 大 概 可 算 一 种 反 面 的 激 励 吧? 反 正 他 不 久 又 要 提 出 一 个 新 的 实 验, 作 为 对 量 子 论 的 进 一 步 考 验 可 怜 的 玻 尔 得 第 三 次 接 招 了 饭 后 闲 话 : 海 森 堡 和 德 国 原 子 弹 计 划 ( 三 ) 玩 味 一 下 海 森 堡 的 声 明 是 很 有 意 思 的 : 讨 厌 纳 粹 和 希 特 勒, 但 忠 实 地 执 行 对 祖 国 的 义 务, 作 为 国 家 机 器 的 一 部 分 来 履 行 爱 国 的 职 责 这 听 起 来 的 确 像 一 幅 典 型 的 德 国 式 场 景 服 从, 这 是 德 国 文 化 的 一 部 分, 在 英 语 世 界 的 人 们 看 来, 对 付 一 个 邪 恶 的 政 权, 符 合 道 德 的 方 式 是 不 与 之 合 作 甚 至 摧 毁 它, 但 对 海 森 堡 等 人 来 说, 符 合 道 德 的 方 式 是 服 从 它 -- 正 如 他 以 后 所 说 的 那 样, 虽 然 纳 粹 占 领 全 欧 洲 不 是 什 么 好 事, 但 对 一 个 德 国 人 来 说, 也 许 要 好 过 被 别 人 占 领, 一 战 后 那 种 惨 痛 的 景 象 已 经 不 堪 回 首 原 子 弹, 对 于 海 森 堡 来 说, 是 本 质 上 邪 恶 的, 不 管 它 是 为 希 特 勒 服 务, 还 是 为 别 的 什 么 人 服 务 战 后 在 西 方 科 学 家 中 有 一 种 对 海 森 堡 的 普 遍 憎 恶 情 绪 当 海 森 堡 后 来 访 问 洛 斯 阿 拉 莫 斯 时, 那 里 的 科 学 家 拒 绝 同 其 握 手, 因 为 他 是 为 希 特 勒 制 造 原 子 弹 的 人 这 在 海 森 堡 看 来 是 天 大 的 委 屈, 他 不 敢 相 信, 那 些 实 际 制 造 了 原 子 弹 的 人 竟 然 拒 绝 与 他 握 手! 也 许 在 他 心 中, 盟 军 的 科 学 家 比 自 己 更 加 应 该 在 道 德 上 加 以 谴 责 但 显 然 在 后 者 看 来, 只 有 为 希 特 勒 制 造 原 子 弹 才 是 邪 恶, 如 果 以 消 灭 希 特 勒 和 法 西 斯 为 目 的 而 研 究 这 种 武 器, 那 是 非 常 正 义 和 道 德 的 这 种 道 德 观 的 差 异 普 遍 存 在 于 双 方 阵 营 之 中 魏 扎 克 曾 经 激 动 地 说 : 历 史 将 见 证, 是 美 国 人 和 英 国 人 造 出 了 一 颗 炸 弹, 而 同 时 德 国 人 -- 在 希 特 勒 政 权 下 的 德 国 人 -- 只 发 展 了 铀 引 擎 动 力 的 和 平 研 究 这 在 一 个 美 国 人 看 来, 恐 怕 要 喷 饭 何 况 在 许 多 人 看 来, 这 种 声 明 纯 粹 是 马 后 炮 要 是 德 国 人 真 的 造 得 出 来 原 子 弹, 恐 怕 伦 敦 已 经 从 地 球 上 消 失 了, 也 不 会 罗 里 罗 嗦 地 讲 这 一 大 通 风 凉 话 不 错, 海 森 堡 肯 定 在 1940 年 就 意 识 到 铀 炸 弹 是 可 能 的, 但 这 不 表 明 他 确 切 地 知 道 到 底 怎 么 去 制 造 啊! 海 森 堡 在 1942 年 意 识 到 以 德 国 的 环 境 来 说 分 离 铀 235 十 分 困 难, 但 这 不 表 明 他 确 切 地 知 道 到 底 要 分 离 多 少 铀 235 啊! 事 实 上, 许 多 证 据 表 明, 海 森 堡 非 常 错 误 地 估 计 了 工 程 量, 为 了 维 持 链 式 反 应, 必 须 至 少 要 有 一 个 最 小 量 的 铀 235 才 行, 这 个 质 量 叫 做 临 界 质 量 (critical mass), 海 森 堡 -- 不 管 他 是 真 的 算 错 还 是 假 装 不 知 -- 在 1942 年 认 为 至 少 需 要 几 吨 的 铀 235 才 能 造 出 原 子 弹! 事 实 上, 只 要 几 十 千 克 就 可 以 了 诚 然, 即 使 只 分 离 这 么 一 点 点 铀 235 也 是 非 常 困 难 的 美 国 动 用 了 人, 投 资 超 过 20 亿 美 元 才 完 成 整 个 曼 哈 顿 计 划 而 德 国 整 个 只 有 100 多 人 在 搞 这 事, 总 资 金 不 过 百 万 马 克 左 右, 这 简 直 是 笑 话 但 这 都 不 是 关 键, 关 键 是, 海 森 堡 到 底 知 不 知 道 准 确 的 数 字? 如 果 他 的

117 确 有 一 个 准 确 数 字 的 概 念, 那 么 虽 然 这 德 国 来 说 仍 然 是 困 难 的, 但 至 少 不 是 那 样 的 遥 不 可 及, 难 以 克 服 英 国 也 同 样 困 难, 但 他 们 知 道 准 确 的 临 界 质 量 数 字, 于 是 仍 然 上 马 了 原 子 弹 计 划 海 森 堡 争 辩 说, 他 对 此 非 常 清 楚, 他 引 用 了 许 多 证 据 说 明 在 与 斯 佩 尔 会 面 前 他 的 确 知 道 准 确 的 数 字 可 惜 他 的 证 据 全 都 模 糊 不 清, 无 法 确 定 德 国 的 报 告 上 的 确 说 一 个 炸 弹 可 能 需 要 千 克, 海 森 堡 也 描 绘 过 一 个 菠 萝 大 小 的 炸 弹, 这 被 许 多 人 看 作 证 明 然 而 这 些 全 都 是 指 钚 炸 弹, 而 不 是 铀 235 炸 弹 这 些 数 字 不 是 证 明 出 来 的, 而 是 猜 测 的, 德 国 根 本 没 有 反 应 堆 来 大 量 生 产 钚 德 国 科 学 家 们 在 许 多 时 候 都 流 露 出 这 样 的 印 象, 铀 炸 弹 至 少 需 要 几 吨 的 铀 235 不 过 当 然 你 也 可 以 从 反 方 面 去 理 解, 海 森 堡 故 意 隐 瞒 了 数 字, 只 有 天 知 地 知 他 一 个 人 知 他 一 手 造 成 夸 大 了 的 假 相 至 于 反 应 堆, 其 实 石 墨 也 可 以 做 很 好 的 减 速 剂, 美 国 人 就 是 用 的 石 墨 可 是 当 时 海 森 堡 委 派 波 特 去 做 实 验, 他 的 结 果 错 了 好 几 倍, 显 示 石 墨 不 适 合 用 在 反 应 堆 中, 于 是 德 国 人 只 好 在 重 水 这 一 棵 树 上 吊 死 这 又 是 一 个 悬 案, 海 森 堡 把 责 任 推 到 波 特 身 上, 说 他 用 的 石 墨 不 纯, 因 此 导 致 了 整 个 计 划 失 败 波 特 是 非 常 有 名 的 实 验 物 理 学 家, 后 来 也 得 了 诺 贝 尔 奖, 这 个 黑 锅 如 何 肯 背 他 给 海 森 堡 写 信, 暗 示 说 石 墨 是 纯 的, 而 且 和 理 论 相 符 合! 如 果 说 实 验 错 了, 那 还 不 如 说 理 论 错 了, 理 论 可 是 海 森 堡 负 责 的 在 最 初 的 声 明 中 海 森 堡 被 迫 撤 回 了 对 波 特 的 指 责, 但 在 以 后 的 岁 月 中, 他, 魏 扎 克, 沃 兹 等 人 仍 然 不 断 地 把 波 特 拉 进 来 顶 罪 目 前 看 来, 德 国 人 当 年 无 论 是 理 论 还 是 实 验 上 都 错 了 对 这 一 公 案 的 争 论 逐 渐 激 烈 起 来, 最 有 影 响 的 几 本 著 作 有 :Robert Jungk 的 比 一 千 个 太 阳 更 明 亮 (Brighter Than a Thousand Sunds,1956), 此 书 赞 扬 了 德 国 科 学 家 那 高 尚 的 道 义, 在 战 时 不 忘 人 类 公 德, 虽 然 洞 察 原 子 弹 的 奥 秘, 却 不 打 开 这 潘 多 拉 盒 子 1967 年 David Irving 出 版 了 德 国 原 子 弹 计 划 (The German Atomic Bomb), 此 时 德 国 当 年 的 秘 密 武 器 报 告 已 经 得 见 天 日, 给 作 品 带 来 了 丰 富 的 资 料 Irving 虽 然 不 认 为 德 国 科 学 家 有 吹 嘘 的 那 样 高 尚 的 品 德, 但 他 仍 然 相 信 当 年 德 国 人 是 清 楚 原 子 弹 技 术 的 然 后 是 Margaret Gowing 那 本 关 于 英 国 核 计 划 的 历 史, 里 面 考 证 说 德 国 人 当 年 在 一 些 基 本 问 题 上 错 得 离 谱, 这 让 海 森 堡 本 人 非 常 恼 火 他 说 : ( 这 本 书 ) 大 错 特 错, 每 一 句 都 是 错 的, 完 全 是 胡 说 八 道 他 随 后 出 版 了 著 名 的 自 传 物 理 和 物 理 之 外 (Physics and Beyond), 自 然 再 次 地 强 调 了 德 国 人 的 道 德 和 科 学 水 平 凡 是 当 年 和 此 事 有 点 关 系 的 人 都 纷 纷 发 表 评 论 意 见, 众 说 纷 纭, 有 如 聚 讼, 谁 也 没 法 说 服 对 方 1989 年, 杨 振 宁 在 上 海 交 大 演 讲 的 时 候 还 说 : 很 好 的 海 森 堡 传 记 至 今 还 没 写 出, 而 已 有 的 传 记 对 这 件 事 是 语 焉 不 详 的 这 是 一 段 非 常 复 杂 的 历 史, 我 相 信 将 来 有 人 会 写 出 重 要 的 有 关 海 森 堡 的 传 记 幸 运 的 是, 从 那 时 起 到 今 天, 事 情 总 算 是 如 其 所 愿, 有 了 根 本 性 的 变 化 yutian 回 复 于 : :35:35 第 八 章 论 战 四 castor_v_pollux

118 爱 因 斯 坦 没 有 出 席 1933 年 第 七 届 索 尔 维 会 议, 他 被 纳 粹 德 国 逼 得 离 开 家 乡, 流 落 异 国, 忧 郁 地 思 索 着 欧 洲 那 悲 惨 的 未 来 另 一 方 面, 这 届 索 尔 维 会 议 的 议 题 也 早 就 不 是 量 子 论 本 身, 而 换 成 了 另 一 个 激 动 人 心 的 话 题 : 爆 炸 般 发 展 的 原 子 物 理 不 过 这 个 领 域 里 的 成 就 当 然 也 是 在 量 子 论 的 基 础 上 取 得 的, 而 量 子 力 学 的 基 本 形 式 已 经 确 定 下 来, 成 为 物 理 学 的 基 础 似 乎 是 尘 埃 落 定, 没 什 么 人 再 怀 疑 它 的 力 量 和 正 确 性 了 在 人 们 的 一 片 乐 观 情 绪 中, 爱 因 斯 坦 和 薛 定 谔 等 寥 寥 几 人 愈 加 显 得 孤 独 起 来 薛 定 谔 和 德 布 罗 意 参 加 了 1933 年 索 尔 维 会 议, 却 都 没 有 发 言, 也 许 是 他 们 对 这 一 领 域 不 太 熟 悉 的 缘 故 吧 新 新 人 类 们 在 激 动 地 探 讨 物 质 的 产 生 和 湮 灭 正 电 子 重 水 中 子 那 样 多 的 新 发 现 让 人 眼 花 缭 乱, 根 本 忙 不 过 来 而 爱 因 斯 坦 他 们 现 在 还 能 做 什 么 呢? 难 道 他 们 的 思 想 真 的 已 经 如 此 过 时, 以 致 跟 不 上 新 时 代 那 飞 一 般 的 步 伐 了 吗? 1933 年 9 月 25 日, 埃 仑 费 斯 特 在 荷 兰 莱 登 枪 杀 了 他 那 患 有 智 力 障 碍 的 儿 子, 然 后 自 杀 了 他 在 留 给 爱 因 斯 坦, 玻 尔 等 好 友 的 信 中 说 : 这 几 年 我 越 来 越 难 以 理 解 物 理 学 的 飞 速 发 展, 我 努 力 尝 试, 却 更 为 绝 望 和 撕 心 裂 肺, 我 终 于 决 定 放 弃 一 切 我 的 生 活 令 人 极 度 厌 倦 我 仅 仅 是 为 了 孩 子 们 的 经 济 来 源 而 活 着, 这 使 我 感 到 罪 恶 我 试 过 别 的 方 法 但 是 收 效 甚 微, 因 此 我 越 来 越 多 地 去 考 虑 自 杀 的 种 种 细 节, 除 此 之 外 我 没 有 第 二 条 路 走 了 原 谅 我 吧 在 爱 因 斯 坦 看 来, 埃 仑 费 斯 特 的 悲 剧 无 疑 是 一 个 时 代 的 悲 剧 两 代 物 理 学 家 的 思 想 猛 烈 冲 突 和 撞 击, 在 一 个 天 翻 地 覆 的 飘 摇 乱 世, 带 给 整 个 物 理 学 以 强 烈 的 阵 痛 埃 仑 费 斯 特 虽 然 从 理 智 上 支 持 玻 尔, 但 当 一 个 文 化 衰 落 之 时, 曾 经 为 此 文 化 所 感 之 人 必 感 到 强 烈 的 痛 苦 昔 日 黄 金 时 代 的 黯 淡 老 去, 代 以 雨 后 春 笋 般 兴 起 的 新 思 潮, 从 量 子 到 量 子 场 论, 原 子 中 各 种 新 粒 子 层 出 不 穷, 稀 奇 古 怪 的 概 念 统 治 整 个 世 界 爱 因 斯 坦 的 心 中 何 曾 没 有 埃 仑 费 斯 特 那 样 难 以 名 状 的 巨 大 忧 伤? 爱 因 斯 坦 远 远 地, 孤 独 地 站 在 鸿 沟 的 另 一 边, 看 着 年 轻 人 们 义 无 反 顾 地 高 唱 着 向 远 方 进 军, 每 一 个 人 都 对 他 说 他 站 错 了 地 方 这 种 感 觉 是 那 样 奇 怪, 似 乎 世 界 都 显 得 朦 胧 而 不 真 实 难 怪 曾 经 有 人 叹 息 说, 宁 愿 早 死 几 年, 也 不 愿 看 到 现 代 物 理 这 样 一 幅 令 人 难 以 接 受 的 画 面 不 过, 爱 因 斯 坦 却 仍 然 没 有 倒 下, 虽 然 他 身 在 异 乡, 他 的 第 二 个 妻 子 又 重 病 缠 身, 不 久 将 与 他 生 离 死 别, 可 这 一 切 都 不 能 使 爱 因 斯 坦 放 弃 内 心 那 个 坚 强 的 信 仰, 那 个 对 于 坚 固 的 因 果 关 系, 对 于 一 个 宇 宙 和 谐 秩 序 的 痴 痴 信 仰 爱 因 斯 坦 仍 然 选 择 战 斗, 他 的 身 影 在 斜 阳 下 拉 得 那 样 长, 似 乎 是 勇 敢 的 老 战 士 为 一 个 消 逝 的 王 国 做 最 后 的 悲 壮 抗 争 这 一 次 他 争 取 到 了 两 个 同 盟 军, 他 们 分 别 是 他 的 两 个 同 事 波 多 尔 斯 基 (Boris Podolsky) 和 罗 森 (Nathan Rosen) 1935 年 3 月, 三 人 共 同 在 物 理 评 论 (Physics Review) 杂 志 上 发 表 了 一 篇 论 文, 名 字 叫 量 子 力 学 对 物 理 实 在 的 描 述 可 能 是 完 备 的 吗?, 再 一 次 对 量 子 论 的 基 础 发 起 攻 击 当 然 他 们 改 变 策 略, 不 再 说 量 子 论 是 自 相 矛 盾, 或 者 错 误 的, 而 改 说 它 是 不 完 备 的 具 体 来 说, 三 人 争 辩 量 子 论 的 那 种 对 于 观 察 和 波 函 数 的 解 释 是 不 对 的 我 们 用 一 个 稍 稍 简 化 了 的 实 验 来 描 述 他 们 的 主 要 论 据 我 们 已 经 知 道, 量 子 论 认 为 在 我 们 没 有 观 察 之 前, 一 个 粒 子 的 状 态 是 不 确 定 的, 它 的 波 函 数 弥 散 开 来, 代 表 它 的 概 率 但 当 我 们 探 测 以 后, 波 函 数 坍 缩, 粒 子 随 机 地 取 一 个 确 定 值 出 现 在 我 们 面 前 现 在 让 我 们 想 象 一 个 大 粒 子, 它 是 不 稳 定 的, 很 快 就 会 衰 变 成 两 个 小 粒 子, 向 相 反 的 两 个 方 向 飞 开 去 我 们 假 设 这 种 粒 子 有 两 种 可 能 的 自 旋, 分 别 叫 左 和 右, 那 么 如 果 粒 子 A 的 自 旋 为 左, 粒 子 B 的 自 旋 便 一 定 是 右, 以 保 持 总 体 守 恒, 反 之 亦 然

119 好, 现 在 大 粒 子 分 裂 了, 两 个 小 粒 子 相 对 飞 了 出 去 但 是 要 记 住, 在 我 们 没 有 观 察 其 中 任 何 一 个 之 前, 它 们 的 状 态 都 是 不 确 定 的, 只 有 一 个 波 函 数 可 以 描 绘 它 们 只 要 我 们 不 去 探 测, 每 个 粒 子 的 自 旋 便 都 处 在 一 种 左 / 右 可 能 性 叠 加 的 混 合 状 态, 为 了 方 便 我 们 假 定 两 种 概 率 对 半 分, 各 50% 现 在 我 们 观 察 粒 子 A, 于 是 它 的 波 函 数 一 瞬 间 坍 缩 了, 随 机 地 选 择 了 一 种 状 态, 比 如 说 是 左 旋 但 是 因 为 我 们 知 道 两 个 粒 子 总 体 要 守 恒, 那 么 现 在 粒 子 B 肯 定 就 是 右 旋 了 问 题 是, 在 这 之 前, 粒 子 A 和 粒 子 B 之 间 可 能 已 经 相 隔 非 常 遥 远 的 距 离, 比 如 说 几 万 光 年 好 了 它 们 怎 么 能 够 做 到 及 时 地 互 相 通 信, 使 得 在 粒 子 A 坍 缩 成 左 的 一 刹 那, 粒 子 B 毅 然 坍 缩 成 右 呢? 量 子 论 的 概 率 解 释 告 诉 我 们, 粒 子 A 选 择 左, 那 是 一 个 完 全 随 机 的 决 定, 两 个 粒 子 并 没 有 事 先 商 量 好, 说 粒 子 A 一 定 会 选 择 左 事 实 上, 这 种 选 择 是 它 被 观 测 的 那 一 刹 那 才 做 出 的, 并 没 有 先 兆 关 键 在 于, 当 A 随 机 地 作 出 一 个 选 择 时, 远 在 天 边 的 B 便 一 定 要 根 据 它 的 决 定 而 作 出 相 应 的 坍 缩, 变 成 与 A 不 同 的 状 态 以 保 持 总 体 守 恒 那 么,B 是 如 何 得 知 这 一 遥 远 的 信 息 的 呢? 难 道 有 超 过 光 速 的 信 号 来 回 于 它 们 之 间? 假 设 有 两 个 观 察 者 在 宇 宙 的 两 端 守 株 待 兔, 在 某 个 时 刻 t, 他 们 同 时 进 行 了 观 测 一 个 观 测 A, 另 一 个 同 时 观 测 B, 那 么, 这 两 个 粒 子 会 不 会 因 为 距 离 过 于 遥 远, 一 时 无 法 对 上 口 径 而 在 仓 促 间 做 出 手 忙 脚 乱 的 选 择, 比 如 两 个 同 时 变 成 了 左, 或 者 右? 显 然 是 不 太 可 能 的, 不 然 就 违 反 了 守 恒 定 律, 那 么 是 什 么 让 它 们 之 间 保 持 着 心 有 灵 犀 的 默 契, 当 你 是 左 的 时 候, 我 一 定 是 右? 爱 因 斯 坦 等 人 认 为, 既 然 不 可 能 有 超 过 光 速 的 信 号 传 播, 那 么 说 粒 子 A 和 B 在 观 测 前 是 不 确 定 的 幽 灵 显 然 是 难 以 自 圆 其 说 的 唯 一 的 可 能 是 两 个 粒 子 从 分 离 的 一 刹 那 开 始, 其 状 态 已 经 确 定 了, 后 来 人 们 的 观 测 只 不 过 是 得 到 了 这 种 状 态 的 信 息 而 已, 就 像 经 典 世 界 中 所 描 绘 的 那 样 粒 子 在 观 测 时 才 变 成 真 实 的 说 法 显 然 违 背 了 相 对 论 的 原 理, 它 其 中 涉 及 到 瞬 间 传 播 的 信 号 这 个 诘 难 以 三 位 发 起 者 的 首 字 母 命 名, 称 为 EPR 佯 谬 玻 尔 在 得 到 这 个 消 息 后 大 吃 一 惊, 他 马 上 放 下 手 头 的 其 他 工 作, 来 全 神 贯 注 地 对 付 爱 因 斯 坦 的 这 次 挑 战 这 套 潜 心 演 练 的 新 阵 法 看 起 来 气 势 汹 汹, 宏 大 堂 皇, 颇 能 夺 人 心 魄, 但 玻 尔 也 算 是 爱 因 斯 坦 的 老 对 手 了 他 睡 了 一 觉 后, 马 上 发 现 了 其 中 的 破 绽 所 在, 原 来 这 看 上 去 让 人 眼 花 缭 乱 的 一 次 攻 击 却 是 个 完 完 全 全 的 虚 招, 并 无 实 质 力 量 玻 尔 不 禁 得 意 地 唱 起 一 支 小 调, 调 侃 了 波 多 尔 斯 基 一 下 原 来 爱 因 斯 坦 和 玻 尔 根 本 没 有 个 共 同 的 基 础 在 爱 因 斯 坦 的 潜 意 识 里, 一 直 有 个 经 典 的 实 在 影 像 他 不 言 而 喻 地 假 定,EPR 实 验 中 的 两 个 粒 子 在 观 察 之 前, 分 别 都 有 个 客 观 的 自 旋 状 态 存 在, 就 算 是 概 率 混 合 吧, 但 粒 子 客 观 地 存 在 于 那 里 但 玻 尔 的 意 思 是, 在 观 测 之 前, 没 有 一 个 什 么 粒 子 的 自 旋! 那 时 候 自 旋 的 粒 子 是 不 存 在 的, 不 是 客 观 实 在 的 一 部 分, 这 不 能 用 经 典 语 言 来 表 达, 只 有 波 函 数 可 以 描 述 因 此 在 观 察 之 前, 两 个 粒 子 -- 无 论 相 隔 多 远 都 好 -- 仍 然 是 一 个 互 相 关 联 的 整 体! 它 们 仍 然 必 须 被 看 作 母 粒 子 分 裂 时 的 一 个 全 部, 直 到 观 察 以 前, 这 两 个 独 立 的 粒 子 都 是 不 存 在 的, 更 谈 不 上 客 观 的 自 旋 状 态!

120 这 是 爱 因 斯 坦 和 玻 尔 思 想 基 础 的 尖 锐 冲 突, 玻 尔 认 为, 当 没 有 观 测 的 时 候, 不 存 在 一 个 客 观 独 立 的 世 界 所 谓 实 在 只 有 和 观 测 手 段 连 起 来 讲 才 有 意 义 在 观 测 之 前, 并 没 有 两 个 粒 子, 而 只 有 一 个 粒 子, 直 到 我 们 观 测 了 A 或 者 B, 两 个 粒 子 才 变 成 真 实, 变 成 客 观 独 立 的 存 在 但 在 那 以 前, 它 们 仍 然 是 互 相 联 系 的 一 个 虚 无 整 体 并 不 存 在 什 么 超 光 速 的 信 号, 两 个 遥 远 的 粒 子 只 有 到 观 测 的 时 候 才 同 时 出 现 在 宇 宙 中, 它 们 本 是 协 调 的 一 体, 之 间 无 需 传 递 什 么 信 号 其 实 是 这 个 系 统 没 有 实 在 性, 而 不 是 没 有 定 域 性 EPR 佯 谬 其 实 根 本 不 是 什 么 佯 谬, 它 最 多 表 明 了, 在 经 典 实 在 观 看 来, 量 子 论 是 不 完 备 的, 这 简 直 是 废 话 但 是 在 玻 尔 那 种 量 子 实 在 观 看 来, 它 是 非 常 完 备 和 逻 辑 自 洽 的 既 生 爱, 何 生 玻 两 人 的 世 纪 争 论 进 入 了 尾 声 在 哲 学 基 础 上 的 不 同 使 得 两 人 间 的 意 见 分 歧 直 到 最 后 也 没 能 调 和 一 直 到 死, 玻 尔 也 未 能 使 爱 因 斯 坦 信 服, 认 为 量 子 论 的 解 释 是 完 备 的 而 玻 尔 本 人 也 一 直 在 同 爱 因 斯 坦 的 思 想 作 斗 争, 在 他 1962 年 去 世 后 的 第 二 天, 人 们 在 他 的 黑 板 上 仍 然 发 现 画 有 当 年 爱 因 斯 坦 光 箱 实 验 的 草 图 两 位 科 学 巨 人 都 为 各 自 的 信 念 而 奋 斗 了 毕 生, 但 别 的 科 学 家 已 经 甚 少 关 心 这 种 争 执 在 量 子 论 的 引 导 下, 科 学 显 得 如 此 朝 气 蓬 勃, 它 的 各 个 分 支 以 火 箭 般 的 速 度 发 展, 给 人 类 社 会 带 来 了 伟 大 的 技 术 革 命 从 半 导 体 到 核 能, 从 激 光 到 电 子 显 微 镜, 从 集 成 电 路 到 分 子 生 物 学, 量 子 论 把 它 的 光 辉 播 撒 到 人 类 社 会 的 每 一 个 角 落, 成 为 有 史 以 来 在 实 用 中 最 成 功 的 物 理 理 论 许 多 人 觉 得, 争 论 量 子 论 到 底 对 不 对 简 直 太 可 笑 了, 只 要 转 过 头, 看 看 身 边 发 生 的 一 切, 看 看 社 会 的 日 新 月 异, 目 光 所 及, 无 不 是 量 子 论 的 最 好 证 明 如 果 说 EPR 最 大 的 价 值 所 在, 那 就 是 它 和 别 的 奇 想 空 谈 不 同 只 要 稍 微 改 装 一 下,EPR 是 可 以 为 实 践 所 检 验 的! 我 们 的 史 话 在 以 后 会 谈 到, 人 们 是 如 何 在 实 验 室 里 用 实 践 裁 决 了 爱 因 斯 坦 和 玻 尔 的 争 论, 经 典 实 在 的 概 念 无 可 奈 何 花 落 去, 只 留 下 一 个 苍 凉 的 背 影 和 深 沉 的 叹 息 但 量 子 论 仍 然 困 扰 着 我 们 它 的 内 在 意 义 是 如 此 扑 朔 迷 离, 使 得 对 它 的 诠 释 依 旧 众 说 纷 纭 量 子 论 取 得 的 成 就 是 无 可 怀 疑 的, 但 人 们 一 直 无 法 确 认 它 的 真 实 面 目 所 在, 这 争 论 一 直 持 续 到 今 天 它 将 把 一 些 让 物 理 学 家 们 毛 骨 悚 然 的 概 念 带 入 物 理 中, 令 人 一 想 来 就 不 禁 倒 吸 一 口 凉 气 而 反 对 派 那 里 还 有 一 个 薛 定 谔, 他 要 放 出 一 只 可 怕 的 怪 兽, 撕 咬 人 们 的 理 智 和 神 经, 这 就 是 叫 许 多 人 闻 之 色 变 的 薛 定 谔 的 猫 饭 后 闲 话 : 海 森 堡 和 德 国 原 子 弹 计 划 ( 四 ) 海 森 堡 本 人 于 1976 年 去 世 了 在 他 死 后 两 年, 英 国 人 Jones 出 版 了 高 度 机 密 战 争 : 英 国 科 学 情 报 部 门 (Most Secret War:British Scientific Intelligentce) 一 书, 详 细 地 分 析 了 海 森 堡 当 年 在 计 算 时 犯 下 的 令 人 咋 舌 的 错 误 但 他 的 分 析 却 没 有 被 Mark Walker 所 采 信, 在 资 料 详 细 的 德 国 国 家 社 会 主 义 及 核 力 量 的 寻 求 (German National Socialism and the Quest for Nubclear Power,1989 年 出 版 ) 中,Walker 还 是 认 为 海 森 堡 在 1942 年 头 脑 清 楚, 知 道 正 确 的 事 实 到 了 1992 年,Hofstra 大 学 的 戴 维? 卡 西 迪 (David Cassidy) 出 版 了 著 名 的 海 森 堡 传 记 不 确 定 性 : 海 森 堡 传, 这 至 今 仍 被 认 为 是 海 森 堡 的 标 准 传 记 他 分 析 了 整 件 事 情, 并 最 后 站 在 了 古 德 施 密 特 等 人 的 立 场 上, 认 为 海 森 堡 并 没 有 什 么 主 观 的 愿 望 去 摧 毁 一 个 原 子 弹 计 划, 他 当 年 确 实 算 错 了

121 但 是 很 快 到 了 1993 年, 戏 剧 性 的 情 况 又 发 生 了 Thomas Powers 写 出 了 巨 著 海 森 堡 的 战 争 (Heisenberg s War) Powers 本 是 记 者 出 身, 非 常 了 解 如 何 使 得 作 品 具 有 可 读 性 因 此 虽 然 这 本 厚 书 足 有 607 页, 但 文 字 奇 巧, 读 来 引 人 入 胜, 很 快 成 了 畅 销 作 品 Powers 言 之 凿 凿 地 说, 海 森 堡 当 年 不 仅 仅 是 消 极 地 对 待 原 子 弹 计 划, 他 更 是 积 极 地 破 坏 了 这 个 计 划 的 成 功 实 施 他 绘 声 绘 色 地 向 人 们 描 绘 了 一 幕 幕 阴 谋 间 谍 计 划, 后 来 有 人 挪 揄 说, 这 本 书 的 前 半 部 分 简 直 就 是 一 部 间 谍 小 说 不 管 怎 么 样 说, 这 本 书 在 公 众 中 的 反 响 是 很 大 的, 海 森 堡 作 为 一 个 高 尚 的, 富 有 机 智 和 正 义 感 的 科 学 家 形 象 也 深 入 人 心, 更 直 接 影 响 了 后 来 的 戏 剧 哥 本 哈 根 从 以 上 的 描 述 可 以 见 到, 对 这 件 事 的 看 法 在 短 短 几 年 中 产 生 了 多 少 极 端 不 同 的 看 法, 这 在 科 学 史 上 几 乎 独 一 无 二 1992 年 披 露 了 一 件 非 常 重 要 的 史 料, 那 就 是 海 森 堡 他 们 当 初 被 囚 在 Farm Hall 的 窃 听 录 音 抄 本 这 个 东 东 长 期 来 是 保 密 的, 只 能 在 几 个 消 息 灵 通 者 的 著 作 中 见 到 一 星 半 点 1992 年 这 份 被 称 为 Farm Hall Transcript 的 文 件 解 密, 由 加 州 大 学 伯 克 利 出 版, 引 起 轰 动 Powers 就 借 助 了 这 份 新 资 料, 写 出 了 他 的 著 作 海 森 堡 的 战 争 一 书 被 英 国 记 者 兼 剧 作 家 Michael Frayn 读 到, 后 者 为 其 所 深 深 吸 引, 不 由 产 生 了 一 个 巧 妙 的 戏 剧 构 思 在 海 森 堡 之 谜 的 核 心, 有 一 幕 非 常 神 秘, 长 期 为 人 们 争 议 不 休 的 场 景, 那 就 是 1941 年 他 对 玻 尔 的 访 问 当 时 丹 麦 已 被 德 国 占 领, 纳 粹 在 全 欧 洲 的 攻 势 势 如 破 竹 海 森 堡 那 时 意 识 到 了 原 子 弹 制 造 的 可 能 性, 他 和 魏 扎 克 两 人 急 急 地 假 借 一 个 学 术 会 议 的 名 头, 跑 到 哥 本 哈 根 去 会 见 当 年 的 老 师 玻 尔 这 次 会 见 的 目 的 和 谈 话 内 容 一 直 不 为 人 所 知, 玻 尔 本 人 对 此 隐 讳 莫 深, 绝 口 不 谈 唯 一 能 够 确 定 的 就 是 当 时 两 人 闹 得 很 不 愉 快, 玻 尔 和 海 森 堡 之 间 原 本 情 若 父 子, 但 这 次 见 面 后 多 年 的 情 义 一 朝 了 断, 只 剩 下 表 面 上 的 客 气 发 生 了 什 么 事? 有 人 说, 海 森 堡 去 警 告 玻 尔 让 他 注 意 德 国 的 计 划 有 人 说 海 森 堡 去 试 图 把 玻 尔 也 拉 进 他 们 的 计 划 中 来 有 人 说 海 森 堡 想 探 听 盟 军 在 这 方 面 的 进 展 如 何 有 人 说 海 森 堡 感 到 罪 孽, 要 向 玻 尔 这 位 教 皇 请 求 宽 恕 Michael Frayn 着 迷 于 Powers 的 说 法, 海 森 堡 去 到 哥 本 哈 根 向 玻 尔 求 证 盟 军 在 这 方 面 的 进 展, 并 试 图 达 成 协 议, 双 方 一 起 破 坏 这 个 可 怕 的 计 划 也 就 是 说, 任 何 一 方 的 科 学 家 都 不 要 积 极 投 入 到 原 子 弹 这 个 领 域 中 去, 这 样 大 家 扯 平, 人 类 也 可 以 得 救 这 几 乎 是 一 幕 可 遇 而 不 可 求 的 戏 剧 场 景, 种 种 复 杂 的 环 境 和 内 心 冲 突 交 织 在 一 起, 纠 缠 成 千 千 情 结, 组 成 精 彩 的 高 潮 段 落 一 方 面 海 森 堡 有 强 烈 的 爱 国 热 情 和 服 从 性, 他 无 法 拒 绝 为 德 国 服 务 的 命 令 但 海 森 堡 又 挣 扎 于 人 类 的 责 任 感, 感 受 到 科 学 家 的 道 德 情 怀 而 且 他 又 是 那 样 生 怕 盟 军 也 造 出 原 子 弹, 给 祖 国 造 成 永 远 的 伤 痕 海 森 堡 面 对 玻 尔, 那 个 伟 大 的 老 师 玻 尔, 那 个 他 当 作 父 亲 一 样 看 待 的 玻 尔, 曾 经 领 导 梦 幻 般 哥 本 哈 根 派 的 玻 尔, 却 也 是 敌 人 玻 尔, 视 德 国 为 仇 敌 的 玻 尔, 却 又 教 人 如 何 开 口, 如 何 遣 词 少 年 的 回 忆, 物 理 上 的 思 索, 敬 爱 的 师 长, 现 实 的 政 治, 祖 国 的 感 情, 人 类 的 道 德 责 任, 战 争 年 代 这 些 融 在 一 起 会 产 生 怎 样 的 语 言 和 思 绪? 还 有 比 这 更 杰 出 的 戏 剧 题 材 吗? 哥 本 哈 根 的 第 一 幕 中 为 海 森 堡 安 排 了 如 此 的 台 词 : 玻 尔, 我 必 须 知 道 ( 盟 军 的 计 划 )! 我 是 那 个 能 够 作 出 最 后 决 定 的 人! 如 果 盟 军 也 在 制 造 炸 弹, 我 正 在 为 我 的 祖 国 作 出 怎 样 的 选 择? 要 是 一 个 人 认 为 如 果 祖 国 做 错 了, 他 就 不 应 该

122 爱 她, 那 是 错 误 的 德 意 志 是 生 我 养 我 的 地 方, 是 我 长 大 成 人 的 地 方, 她 是 我 童 年 时 的 一 张 张 面 孔, 是 我 跌 倒 时 把 我 扶 起 的 那 双 双 大 手, 是 鼓 起 我 的 勇 气 支 持 我 前 进 的 那 些 声 音, 是 和 我 内 心 直 接 对 话 的 那 些 灵 魂 德 国 是 我 孀 居 的 母 亲 和 难 缠 的 兄 弟, 德 国 是 我 的 妻 子, 是 我 的 孩 子, 我 必 须 知 道 我 正 在 为 她 作 出 怎 样 的 决 定! 是 又 一 次 的 失 败? 又 一 场 恶 梦, 如 同 伴 随 我 成 长 起 来 的 那 个 一 样 的 恶 梦? 玻 尔, 我 在 慕 尼 黑 的 童 年 结 束 在 无 政 府 和 内 战 中, 我 们 的 孩 子 们 是 不 是 要 再 一 次 挨 饿, 就 像 我 们 当 年 那 样? 他 们 是 不 是 要 像 我 那 样, 在 寒 冷 的 冬 夜 里 手 脚 并 用 地 爬 过 敌 人 的 封 锁 线, 在 黑 暗 的 掩 护 下 于 雪 地 中 匍 匐 前 进, 只 是 为 了 给 家 里 找 来 一 些 食 物? 他 们 是 不 是 会 像 我 17 岁 那 年 时, 整 个 晚 上 守 着 惊 恐 的 犯 人, 长 夜 里 不 停 地 和 他 们 说 话, 因 为 他 们 一 早 就 要 被 处 决? 这 样 的 残 酷 的 两 难, 造 成 观 众 情 感 上 的 巨 大 冲 击, 展 示 整 个 复 杂 的 人 性 戏 剧 本 质 上 便 是 一 连 串 的 冲 突, 如 此 精 彩 的 题 材, 已 经 注 定 了 这 是 一 出 伟 大 的 戏 剧 作 品 但 从 历 史 上 来 说, 这 样 的 美 妙 景 象 却 是 靠 不 住 的 Michael Frayn 后 来 说 他 认 为 Powers 有 道 理, 至 少 他 掌 握 了 以 前 人 们 没 有 的 资 料, 也 就 是 Farm Hall Transcript, 可 惜 他 的 这 一 宝 似 乎 押 错 了 yutian 回 复 于 : :37:10 第 八 章 论 战 五 castor_v_pollux 上 帝 掷 骰 子 吗 -- 量 子 物 理 史 话 即 使 摆 脱 了 爱 因 斯 坦, 量 子 论 也 没 有 多 少 轻 松 关 于 测 量 的 难 题 总 是 困 扰 着 多 数 物 理 学 家, 只 不 过 他 们 通 常 乐 得 不 去 想 它 不 管 它 有 多 奇 怪, 太 阳 还 是 每 天 升 起, 不 是 吗? 周 末 仍 然 有 联 赛, 那 个 足 球 还 是 硬 梆 梆 的 你 的 工 资 不 会 因 为 不 确 定 性 而 有 奇 妙 的 增 长 考 试 交 白 卷 而 依 然 拿 到 学 分 的 机 会 仍 旧 是 没 有 的 你 化 成 一 团 概 率 波 直 接 穿 过 墙 壁 而 走 到 房 子 外 面, 怎 么 说 呢, 不 是 完 全 不 可 能 的, 但 机 会 是 如 此 之 低, 以 致 你 数 尽 了 恒 河 沙, 轮 回 了 亿 万 世, 宇 宙 入 灭 而 又 涅 槃 了 无 数 回, 还 是 难 得 见 到 这 种 景 象 确 实 是 这 样, 电 子 是 个 幽 灵 就 让 它 去 好 了 只 要 我 们 日 常 所 见 的 那 个 世 界 实 实 在 在, 这 也 就 不 会 增 添 乐 观 的 世 人 太 多 的 烦 恼 可 是 薛 定 谔 不 这 么 想, 如 果 世 界 是 建 立 在 幽 灵 的 基 础 上, 谁 说 世 界 本 身 不 就 是 个 幽 灵 呢? 量 子 论 玩 的 这 种 瞒 天 过 海 的 把 戏, 是 别 想 逃 过 他 的 眼 睛 的 EPR 出 台 的 时 候, 薛 定 谔 大 为 高 兴, 称 赞 爱 因 斯 坦 抓 住 了 量 子 论 的 小 辫 子 受 此 启 发, 他 在 1935 年 也 发 表 了 一 篇 论 文, 题 为 量 子 力 学 的 现 状 (Die gegenwartige Situation in der Quantenmechanik), 文 中 的 口 气 非 常 讽 刺 总 而 言 之, 是 和 哥 本 哈 根 派 誓 不 两 立 的 了 在 论 文 的 第 5 节, 薛 定 谔 描 述 了 那 个 常 被 视 为 恶 梦 的 猫 实 验 好, 哥 本 哈 根 派 说, 没 有 测 量 之 前, 一 个 粒 子 的 状 态 模 糊 不 清, 处 于 各 种 可 能 性 的 混 合 叠 加, 是 吧? 比 如 一 个 放 射 性 原 子, 它 何 时 衰 变 是 完 全 概 率 性 的 只 要 没 有 观 察, 它 便 处 于 衰 变 / 不 衰 变 的 叠 加 状 态 中, 只 有 确 实 地 测 量 了, 它 才 随 机 选 择 一 种 状 态 而 出 现 好 得 很, 那 么 让 我 们 把 这 个 原 子 放 在 一 个 不 透 明 的 箱 子 中 让 它 保 持 这 种 叠 加 状 态 现 在 薛 定 谔 想 象 了 一 种 结 构 巧 妙 的 精 密 装 置, 每 当 原 子 衰 变 而 放 出 一 个 中 子, 它 就 激 发 一 连 串 连 锁 反

123 应, 最 终 结 果 是 打 破 箱 子 里 的 一 个 毒 气 瓶, 而 同 时 在 箱 子 里 的 还 有 一 只 可 怜 的 猫 事 情 很 明 显 : 如 果 原 子 衰 变 了, 那 么 毒 气 瓶 就 被 打 破, 猫 就 被 毒 死 要 是 原 子 没 有 衰 变, 那 么 猫 就 好 好 地 活 着 自 然 的 推 论 : 当 它 们 都 被 锁 在 箱 子 里 时, 因 为 我 们 没 有 观 察, 所 以 那 个 原 子 处 在 衰 变 / 不 衰 变 的 叠 加 状 态 因 为 原 子 的 状 态 不 确 定, 所 以 猫 的 状 态 也 不 确 定, 只 有 当 我 们 打 开 箱 子 察 看, 事 情 才 最 终 定 论 : 要 么 猫 四 脚 朝 天 躺 在 箱 子 里 死 掉 了, 要 么 它 活 蹦 乱 跳 地 喵 呜 直 叫 问 题 是, 当 我 们 没 有 打 开 箱 子 之 前, 这 只 猫 处 在 什 么 状 态? 似 乎 唯 一 的 可 能 就 是, 它 和 我 们 的 原 子 一 样 处 在 叠 加 态, 这 只 猫 当 时 陷 于 一 种 死 / 活 的 混 合 现 在 就 不 光 光 是 原 子 是 否 幽 灵 的 问 题 了, 现 在 猫 也 变 成 了 幽 灵 一 只 猫 同 时 又 是 死 的 又 是 活 的? 它 处 在 不 死 不 活 的 叠 加 态? 这 未 免 和 常 识 太 过 冲 突, 同 时 在 生 物 学 角 度 来 讲 也 是 奇 谈 怪 论 如 果 打 开 箱 子 出 来 一 只 活 猫, 那 么 要 是 它 能 说 话, 它 会 不 会 描 述 那 种 死 / 活 叠 加 的 奇 异 感 受? 恐 怕 不 太 可 能 薛 定 谔 的 实 验 把 量 子 效 应 放 大 到 了 我 们 的 日 常 世 界, 现 在 量 子 的 奇 特 性 质 牵 涉 到 我 们 的 日 常 生 活 了, 牵 涉 到 我 们 心 爱 的 宠 物 猫 究 竟 是 死 还 是 活 的 问 题 这 个 实 验 虽 然 简 单, 却 比 EPR 要 辛 辣 许 多, 这 一 次 扎 得 哥 本 哈 根 派 够 疼 的 他 们 不 得 不 退 一 步 以 咽 下 这 杯 苦 酒 : 是 的, 当 我 们 没 有 观 察 的 时 候, 那 只 猫 的 确 是 又 死 又 活 的 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 不 能 不 承 认, 这 听 起 来 很 有 强 烈 的 主 观 唯 心 论 的 味 道 虽 然 它 其 实 和 我 们 通 常 理 解 的 那 种 哲 学 理 论 有 一 定 区 别, 不 过 讲 到 这 里, 许 多 人 大 概 都 会 自 然 而 然 地 想 起 贝 克 莱 (George Berkeley) 主 教 的 那 句 名 言 : 存 在 就 是 被 感 知 ( 拉 丁 文 :Esse Est Percipi) 这 句 话 要 是 稍 微 改 一 改 讲 成 存 在 就 是 被 测 量, 那 就 和 哥 本 哈 根 派 的 意 思 差 不 离 了 贝 克 莱 在 哲 学 史 上 的 地 位 无 疑 是 重 要 的, 但 人 们 通 常 乐 于 批 判 他, 我 们 的 哥 本 哈 根 派 是 否 比 他 走 得 更 远 呢? 好 歹 贝 克 莱 还 认 为 事 物 是 连 续 客 观 地 存 在 的, 因 为 总 有 上 帝 在 不 停 地 看 着 一 切 而 量 子 论? 陛 下, 我 不 需 要 上 帝 这 个 假 设 与 贝 克 莱 互 相 辉 映 的 东 方 代 表 大 概 要 算 王 阳 明 他 在 传 习 录? 下 中 也 说 过 一 句 有 名 的 话 : 你 未 看 此 花 时, 此 花 与 汝 同 归 于 寂 ; 你 来 看 此 花 时, 则 此 花 颜 色 一 时 明 白 起 来 如 果 王 阳 明 懂 量 子 论, 他 多 半 会 说 : 你 未 观 测 此 花 时, 此 花 并 未 实 在 地 存 在, 按 波 函 数 而 归 于 寂 ; 你 来 观 测 此 花 时, 则 此 花 波 函 数 发 生 坍 缩, 它 的 颜 色 一 时 变 成 明 白 的 实 在 测 量 即 是 理, 测 量 外 无 理

124 当 然, 我 们 无 意 把 这 篇 史 话 变 成 纯 粹 的 乏 味 的 哲 学 探 讨, 经 验 往 往 表 明, 这 类 空 洞 的 议 论 最 终 会 变 成 毫 无 意 义, 让 人 昏 昏 欲 睡 的 鸡 肋 文 字 我 们 还 是 回 到 具 体 的 问 题 上 来, 当 我 们 不 去 观 察 箱 子 内 的 情 况 的 时 候, 那 只 猫 真 的 又 是 活 的 又 是 死 的? 这 的 确 是 一 个 让 人 尴 尬 和 难 以 想 象 的 问 题 霍 金 曾 说 过 : 当 我 听 说 薛 定 谔 的 猫 的 时 候, 我 就 跑 去 拿 枪 薛 定 谔 本 人 在 论 文 里 把 它 描 述 成 一 个 恶 魔 般 的 装 置 (diabolische, 英 文 diabolical, 玩 Diablo 的 人 大 概 能 更 好 地 理 解 它 的 意 思 ) 我 们 已 经 见 识 到 了 量 子 论 那 种 种 令 人 惊 异 甚 至 瞠 目 结 舌 的 古 怪 性 质, 但 那 只 是 在 我 们 根 本 不 熟 悉 也 没 有 太 大 兴 趣 了 解 的 微 观 世 界 而 已, 可 现 在 它 突 然 要 开 始 影 响 我 们 周 围 的 一 切 了? 一 个 人 或 许 能 接 受 电 子 处 在 叠 加 状 态 的 事 实, 但 一 旦 谈 论 起 宏 观 的 事 物 比 如 我 们 的 猫 也 处 在 某 种 叠 加 状 态, 任 谁 都 要 感 到 一 点 畏 首 畏 尾 不 过, 对 于 这 个 问 题, 我 们 现 在 已 经 知 道 许 多, 特 别 是 近 十 年 来 有 着 许 多 杰 出 的 实 验 来 证 实 它 的 一 些 奇 特 的 性 质 但 我 们 还 是 按 着 我 们 史 话 的 步 伐, 一 步 步 地 来 探 究 这 个 饶 有 趣 味 的 话 题, 还 是 从 哥 本 哈 根 解 释 说 起 吧 猫 处 于 死 / 活 的 叠 加 态? 人 们 无 法 接 受 这 一 点, 最 关 键 的 地 方 就 在 于 : 经 验 告 诉 我 们 这 种 奇 异 的 二 重 状 态 似 乎 是 不 太 可 能 被 一 个 宏 观 的 生 物, 比 如 猫 或 者 我 们 自 己, 所 感 受 到 的 还 是 那 句 话 : 如 果 猫 能 说 话, 它 会 描 述 这 种 二 象 性 的 感 觉 吗? 如 果 它 侥 幸 幸 存, 它 会 不 会 说 : 是 的, 我 当 时 变 成 了 一 缕 概 率 波, 我 感 到 自 己 弥 漫 在 空 间 里, 一 半 已 经 死 去 了, 而 另 一 半 还 活 着 这 真 是 令 人 飘 飘 然 的 感 觉, 你 也 来 试 试 看? 这 恐 怕 没 人 相 信 好, 我 们 退 一 步, 猫 不 会 说 话, 那 么 我 们 把 一 个 会 说 话 的 人 放 入 箱 子 里 面 去 当 然, 这 听 起 来 有 点 残 忍, 似 乎 是 纳 粹 的 毒 气 集 中 营, 不 过 我 们 只 是 在 想 象 中 进 行 而 已 这 个 人 如 果 能 生 还, 他 会 那 样 说 吗? 显 然 不 会, 他 肯 定 无 比 坚 定 地 宣 称, 自 己 从 头 到 尾 都 活 得 好 好 的, 根 本 没 有 什 么 半 生 半 死 的 状 态 出 现 可 是, 这 次 不 同 了, 因 为 他 自 己 已 经 是 一 个 观 察 者 了 啊! 他 在 箱 子 里 不 断 观 察 自 己 的 状 态, 从 而 不 停 地 触 动 自 己 的 波 函 数 坍 缩, 我 们 把 一 个 观 测 者 放 进 了 箱 子 里! 可 是, 奇 怪, 为 什 么 我 们 对 猫 就 不 能 这 样 说 呢? 猫 也 在 不 停 观 察 着 自 己 啊 猫 和 人 有 什 么 不 同 呢? 难 道 区 别 就 在 于 一 个 可 以 出 来 愤 怒 地 反 驳 量 子 论 的 论 调, 一 个 只 能 喵 喵 叫 吗? 令 我 们 吃 惊 的 是, 这 的 确 可 能 是 至 关 重 要 的 分 别! 人 可 以 感 觉 到 自 己 的 存 活, 而 猫 不 能, 换 句 话 说, 人 有 能 力 测 量 自 己 活 着 与 否, 而 猫 不 能! 人 有 一 样 猫 所 没 有 的 东 西, 那 就 是 意 识! 因 此, 人 能 够 测 量 自 己 的 波 函 数 使 其 坍 缩, 而 猫 无 能 为 力, 只 能 停 留 在 死 / 活 叠 加 任 其 发 展 的 波 函 数 中 意 识! 这 个 字 眼 出 现 在 物 理 学 中 真 是 难 以 想 象 如 果 它 还 出 自 一 位 诺 贝 尔 物 理 学 奖 得 主 之 口, 是 不 是 令 人 晕 眩 不 已? 难 道, 这 世 界 真 的 已 经 改 变 了 么? 半 死 半 活 的 薛 定 谔 的 猫 是 科 学 史 上 著 名 的 怪 异 形 象 之 一, 和 它 同 列 名 人 堂 的 也 许 还 有 芝 诺 的 那 只 永 远 追 不 上 的 乌 龟, 拉 普 拉 斯 的 那 位 无 所 不 知 从 而 预 言 一 切 的 老 智 者, 麦 克 斯 韦 的 那 个 机 智 地 控 制 出 入 口, 以 致 快 慢 分 子 逐 渐 分 离, 系 统 熵 为 之 倒 流 的 妖 精, 被 相 对 论 搞 得 头 昏 脑 涨, 分 不 清 谁 是 哥 哥 谁 是 弟 弟 的 那 对 双 生 子, 等 等 等 等 薛 定 谔 的 猫 在 大 众 中 也 十 分 受 欢 迎, 常 常 出 现 在 剧 本, 漫 画 和 音 乐 中, 虽 然 比 不 上 同 胞 Garfield 或 者 Tom, 也 算 是 有 点 人 气 有 意 思 的 是, 它 常 常 和 巴 甫 洛 夫 的 狗 作 为 搭 档 一 唱 一 和 出 现 它 最 长 脸 的 一 次 大 概 是 被 恐 惧 之 泪 (Tears for Fears), 这 个 在 80 年 代 红 极 一 时 的 乐 队 作 为 一 首 歌 的 标 题 演 唱,

125 虽 然 歌 词 是 薛 定 谔 的 猫 死 在 了 这 个 世 界 饭 后 闲 话 : 海 森 堡 和 德 国 原 子 弹 计 划 ( 五 ) 哥 本 哈 根 一 剧 于 1998 年 5 月 21 日 于 伦 敦 皇 家 剧 院 首 演, 随 后 进 军 法 国 和 百 老 汇, 引 起 轰 动, 囊 括 了 包 括 英 国 标 准 晚 报 奖 (Evening Standard), 法 国 莫 里 哀 戏 剧 奖 和 美 国 东 尼 奖 等 一 系 列 殊 荣 剧 本 描 写 玻 尔 和 夫 人 玛 格 丽 特, 还 有 海 森 堡 三 人 在 死 后 重 聚 在 某 个 时 空, 不 断 地 回 首 前 尘 往 世, 追 寻 1941 年 会 面 的 前 因 后 果 时 空 维 度 的 错 乱, 从 各 个 角 度 对 前 生 的 探 寻, 简 洁 却 富 予 深 意 的 对 话, 平 淡 到 极 点 的 布 景, 把 气 氛 塑 造 得 迷 离 惝 恍, 如 梦 如 幻, 从 戏 剧 角 度 说 极 其 出 色, 得 到 好 评 如 潮 后 来 PBS 又 把 它 改 编 成 电 视 剧 播 出, 获 得 的 成 功 是 巨 大 的 但 Thomas Powers 海 森 堡 的 战 争 一 书 的 命 运 却 大 相 径 庭 甚 至 早 在 哥 剧 大 红 大 紫 之 前, 它 便 开 始 被 许 多 历 史 学 家 所 批 评, 一 时 间 在 各 种 学 术 期 刊 上 几 乎 成 为 众 矢 之 的 因 为 对 Farm Hall Transcript 稍 加 深 入 的 研 究 很 快 就 表 明 事 实 完 全 和 Powers 说 的 不 一 样 海 森 堡 的 主 要 传 记 作 者 Cassidy 在 为 Nature 杂 志 写 的 书 评 里 说 : 该 作 者 在 研 究 中 过 于 肤 浅, 对 材 料 的 处 理 又 过 于 带 有 偏 见, 以 致 于 他 的 精 心 论 证 一 点 也 不 令 人 信 服 (Nature V363) 而 Science 杂 志 的 评 论 则 说 : 这 本 书, 就 像 铀 的 临 界 质 量 一 样, 需 要 特 别 小 心 地 对 待 (Science V259) 纽 约 大 学 的 Paul Forman 在 美 国 历 史 评 论 杂 志 上 说 : ( 这 本 书 ) 更 适 合 做 一 本 小 说, 而 不 是 学 术 著 作 他 统 计 说 在 英 美 的 评 论 者 中, 大 约 3/5 的 人 完 全 不 相 信 Powers 的 话, 1/5 的 人 认 为 他 不 那 么 具 有 说 服 力, 只 有 1/5 倾 向 于 赞 同 他 的 说 法 而 在 1998 年 出 版 的 海 森 堡 与 纳 粹 原 子 弹 计 划 一 书 中, 历 史 学 家 Paul Rose 大 约 是 过 于 义 愤 填 膺, 用 了 许 多 在 学 者 中 少 见 的 尖 刻 词 语 来 评 价 Powers 的 这 本 书, 诸 如 彻 头 彻 尾 虚 假 的 (entirely bogus) 幻 想 (fantasy) 学 术 上 的 灾 难 (scholarly disaster) 臃 肿 的 (elephantine) 等 等 OK, 不 管 人 们 怎 么 说, 我 们 还 是 回 过 头 来 看 看 海 森 堡 宣 称 的 一 切 首 先 非 常 明 显 可 以 感 受 到 的 就 是 他 对 于 德 国 物 理 学 的 一 种 极 其 的 自 负, 这 种 态 度 是 如 此 明 显, 以 致 后 来 一 位 德 国 教 授 评 论 时 都 说 : 我 真 不 敢 相 信 他 们 竟 能 有 如 此 傲 慢 的 态 度 海 森 堡 大 约 是 死 也 不 肯 承 认 德 国 人 在 理 论 上 技 不 如 人 的 了, 他 说 直 到 1942 年 双 方 的 进 展 还 基 本 相 当, 这 本 身 就 很 奇 怪 盟 国 方 面 在 1942 年 已 经 对 原 子 弹 的 制 造 有 了 非 常 清 楚 的 概 念, 他 们 明 确 地 知 道 正 确 的 临 界 质 量 参 数, 他 们 已 经 做 了 大 量 的 实 验 得 到 了 充 分 的 相 关 数 据 到 了 1942 年 12 月, 费 米 已 经 在 芝 加 哥 大 学 的 网 球 场 房 里 建 成 了 世 界 上 第 一 个 可 控 反 应 堆, 而 德 国 直 到 战 争 结 束 也 只 在 这 方 面 得 到 了 有 限 的 进 展 一 旦 万 事 具 备, 曼 哈 顿 计 划 启 动, 在 盟 国 方 面 整 个 工 程 就 可 以 顺 利 地 上 马 进 行, 而 德 国 方 面 显 然 不 具 备 这 样 的 能 力 海 森 堡 的 这 种 骄 傲 心 理 是 明 显 的, 当 然 这 不 是 什 么 坏 事, 但 似 乎 能 够 使 我 们 更 好 地 揣 摩 他 的 心 理 当 广 岛 的 消 息 传 来, 众 人 都 陷 入 震 惊 没 心 计 的 哈 恩 对 海 森 堡 说 : 你 只 是 一 个 二 流 人 物, 不 如 卷 铺 盖 回 家 吧 而 且 前 后 说 了 两 次 海 森 堡 要 是 可 以 容 忍 二 流, 那 也 不 是 海 森 堡 了 早 在 1938 年, 海 森 堡 因 为 不 肯 放 弃 教 授 所 谓 犹 太 物 理 学 而 被 党 卫 军 报 纸 称 为 白 犹 太 人, 他 马 上 通 过 私 人 关 系 找 到 希 姆 莱 要 求 澄 清, 甚 至 做 好 了 离 国 的 准 备 海 森 堡 对 索 末 菲 说 : 你 知 道 离 开 德 国 对 我 来 说 是 痛 苦 的 事 情, 不 是 万 不 得 已 我 不 会 这 样 做 但 是, 我 也 没

126 有 兴 趣 在 这 里 做 一 个 二 等 公 民 海 森 堡 对 个 人 荣 誉 还 是 很 看 重 的 但 是, 一 流 的 海 森 堡 却 在 计 算 中 犯 了 一 个 末 流, 甚 至 不 入 流 的 错 误, 直 接 导 致 了 德 国 对 临 界 质 量 的 夸 大 估 计 这 个 低 级 错 误 实 在 令 人 吃 惊, 至 今 无 法 理 解 为 何 如 此, 或 许, 一 些 偶 然 的 事 件 真 的 能 够 改 变 历 史 吧? yutian 回 复 于 : :52:51 第 九 章 测 量 问 题 一 castor_v_pollux 我 们 已 经 在 科 莫 会 议 上 认 识 了 冯? 诺 伊 曼 (John Von Neumann), 这 位 现 代 计 算 机 的 奠 基 人 之 一,20 世 纪 最 杰 出 的 数 学 家 关 于 他 的 种 种 传 说 在 科 学 界 就 像 经 久 不 息 的 传 奇 故 事, 流 传 得 越 来 越 广 越 来 越 玄 : 说 他 6 岁 就 能 心 算 8 位 数 乘 法 啦,8 岁 就 懂 得 微 积 分 啦,12 岁 就 精 通 泛 函 分 析 啦, 又 有 人 说 他 过 目 不 忘, 精 熟 历 史, 有 人 举 出 种 种 匪 夷 所 思 的 例 子 来 说 明 他 的 心 算 能 力 如 何 惊 人 有 人 说 他 10 岁 便 通 晓 5 种 语 言, 并 能 用 每 一 种 来 写 搞 笑 的 打 油 诗, 这 一 数 字 在 另 一 些 人 口 中 变 成 了 7 种 不 管 怎 么 样, 每 个 人 都 承 认, 这 家 伙 是 一 个 百 年 罕 见 的 天 才 要 一 一 列 举 他 的 杰 出 成 就 得 花 上 许 多 时 间 : 从 集 合 论 到 数 学 基 础 方 面 的 研 究 ; 从 算 子 环 到 遍 历 理 论, 从 博 弈 论 到 数 值 分 析, 从 计 算 机 结 构 到 自 动 机 理 论, 每 一 项 都 可 以 大 书 特 书 不 过 我 们 在 这 里 只 关 注 他 对 于 量 子 论 的 贡 献, 仅 仅 这 一 项 也 已 经 足 够 让 他 在 我 们 的 史 话 里 占 有 一 席 之 地 我 们 在 前 面 已 经 说 到, 狄 拉 克 在 1930 年 出 版 了 著 名 的 量 子 力 学 原 理 教 材, 完 成 了 量 子 力 学 的 普 遍 综 合 但 从 纯 数 学 上 来 说, 量 子 论 仍 然 缺 乏 一 个 共 同 的 严 格 基 础, 这 一 缺 陷 便 由 冯 诺 伊 曼 来 弥 补 1926 年, 他 来 到 哥 廷 根, 担 任 著 名 的 希 尔 伯 特 的 助 手, 他 们 俩 再 加 上 诺 戴 姆 不 久 便 共 同 发 表 了 量 子 力 学 基 础 的 论 文, 将 希 尔 伯 特 的 算 子 理 论 引 入 量 子 论 中, 将 这 一 物 理 体 系 从 数 学 上 严 格 化 到 了 1932 年, 冯 诺 伊 曼 又 发 展 了 这 一 工 作, 出 版 了 名 著 量 子 力 学 的 数 学 基 础 这 本 书 于 1955 年 由 普 林 斯 顿 推 出 英 文 版, 至 今 仍 是 经 典 的 教 材 我 们 无 意 深 入 数 学 中 去, 不 过 冯 诺 伊 曼 证 明 了 几 个 很 有 意 思 的 结 论, 特 别 是 关 于 我 们 的 测 量 行 为 的, 这 深 深 影 响 了 一 代 物 理 学 家 对 波 函 数 坍 缩 的 看 法 我 们 还 对 上 一 章 困 扰 我 们 的 测 量 问 题 记 忆 犹 新 : 每 当 我 们 一 观 测 时, 系 统 的 波 函 数 就 坍 缩 了, 按 概 率 跳 出 来 一 个 实 际 的 结 果, 如 果 不 观 测, 那 它 就 按 照 方 程 严 格 发 展 这 是 两 种 迥 然 不 同 的 过 程, 后 者 是 连 续 的, 在 数 学 上 可 逆 的, 完 全 确 定 的, 而 前 者 却 是 一 个 坍 缩, 它 随 机, 不 可 逆, 至 今 也 不 清 楚 内 在 的 机 制 究 竟 是 什 么 这 两 种 过 程 是 如 何 转 换 的? 是 什 么 触 动 了 波 函 数 这 种 剧 烈 的 变 化? 是 观 测 吗? 但 是, 我 们 这 样 讲 的 时 候, 用 的 语 言 是 日 常 的, 暧 昧 的, 模 棱 两 可 的 我 们 一 直 理 所 当 然 地 用 使 用 观 测 这 个 词 语, 却 没 有 给 它 下 一 个 精 确 的 定 义 什 么 样 的 行 为 算 是 一 次 观 测? 如 果 说 睁 开 眼 睛 看 算 是 一 次 观 测, 那 么 闭 上 眼 睛 用 手 去 摸 呢? 用 棍 子 去 捅 呢? 用 仪 器 记 录 呢? 如 果 说 人 可 以 算 是 观 测 者, 那 么 猫 呢? 一 台 计 算 机 呢? 一 个 盖 革 计 数 器 又 如 何? 冯 诺 伊 曼 敏 锐 地 指 出, 我 们 用 于 测 量 目 标 的 那 些 仪 器 本 身 也 是 由 不 确 定 的 粒 子 所 组 成 的, 它

127 们 自 己 也 拥 有 自 己 的 波 函 数 当 我 们 用 仪 器 去 观 测 的 时 候, 这 只 会 把 仪 器 本 身 也 卷 入 到 这 个 模 糊 叠 加 态 中 间 去 怎 么 说 呢, 假 如 我 们 想 测 量 一 个 电 子 是 通 过 了 左 边 还 是 右 边 的 狭 缝, 我 们 用 一 台 仪 器 去 测 量, 并 用 指 针 摇 摆 的 方 向 来 报 告 这 一 结 果 但 是, 令 人 哭 笑 不 得 的 是, 因 为 这 台 仪 器 本 身 也 有 自 己 的 波 函 数, 如 果 我 们 不 观 测 这 台 仪 器 本 身, 它 的 波 函 数 便 也 陷 入 一 种 模 糊 的 叠 加 态 中! 诺 伊 曼 的 数 学 模 型 显 示, 当 仪 器 测 量 电 子 后, 电 子 的 波 函 数 坍 缩 了 不 假, 但 左 / 右 的 叠 加 只 是 被 转 移 到 了 仪 器 那 里 而 已 现 在 是 我 们 的 仪 器 处 于 指 针 指 向 左 还 是 右 的 叠 加 状 态 了! 假 如 我 们 再 用 仪 器 B 去 测 量 那 台 仪 器 A, 好, 现 在 A 的 波 函 数 又 坍 缩 了, 它 的 状 态 变 成 确 定, 可 是 B 又 陷 入 模 糊 不 定 中 总 而 言 之, 当 我 们 用 仪 器 去 测 量 仪 器, 这 整 个 链 条 的 最 后 一 台 仪 器 总 是 处 在 不 确 定 状 态 中, 这 叫 做 无 限 后 退 (infinite regression) 从 另 一 个 角 度 看, 假 如 我 们 把 用 于 测 量 的 仪 器 也 加 入 到 整 个 系 统 中 去, 这 个 大 系 统 的 波 函 数 从 未 彻 底 坍 缩 过! 可 是, 我 们 相 当 肯 定 的 是, 当 我 们 看 到 了 仪 器 报 告 的 结 果 后, 这 个 过 程 就 结 束 了 我 们 自 己 不 会 处 于 什 么 荒 诞 的 叠 加 态 中 去 当 我 们 的 大 脑 接 受 到 测 量 的 信 息 后,game over, 波 函 数 不 再 捣 乱 了 难 道 说, 人 类 意 识 (Consciousness) 的 参 予 才 是 波 函 数 坍 缩 的 原 因? 只 有 当 电 子 的 随 机 选 择 结 果 被 意 识 到 了, 它 才 真 正 地 变 为 现 实, 从 波 函 数 中 脱 胎 而 出 来 到 这 个 世 界 上 而 只 要 它 还 没 有 被 意 识 到, 波 函 数 便 总 是 留 在 不 确 定 的 状 态, 只 不 过 从 一 个 地 方 不 断 地 往 最 后 一 个 测 量 仪 器 那 里 转 移 罢 了 在 诺 伊 曼 看 来, 波 函 数 可 以 看 作 希 尔 伯 特 空 间 中 的 一 个 矢 量, 而 坍 缩 则 是 它 在 某 个 方 向 上 的 投 影 然 而 是 什 么 造 成 这 种 投 影 呢? 难 道 是 我 们 的 自 由 意 识? 换 句 话 说, 因 为 一 台 仪 器 无 法 意 识 到 自 己 的 指 针 是 指 向 左 还 是 指 向 右 的, 所 以 它 必 须 陷 入 左 / 右 的 混 合 态 中 一 只 猫 无 法 意 识 到 自 己 是 活 着 还 是 死 了, 所 以 它 可 以 陷 于 死 / 活 的 混 合 态 中 但 是, 你 和 我 可 以 意 识 到 电 子 究 竟 是 左 还 是 右, 我 们 是 生 还 是 死, 所 以 到 了 我 们 这 里 波 函 数 终 于 彻 底 坍 缩 了, 世 界 终 于 变 成 现 实, 以 免 给 我 们 的 意 识 造 成 混 乱 疯 狂? 不 理 性? 一 派 胡 言? 难 以 置 信? 或 许 每 个 人 都 有 这 种 震 惊 的 感 觉 自 然 科 学, 这 最 骄 傲 的 贵 族, 宇 宙 万 物 的 立 法 者, 对 自 然 终 极 奥 秘 孜 孜 不 倦 的 探 险 家, 这 个 总 是 自 诩 为 最 客 观, 最 严 苛 最 一 丝 不 苟 最 不 能 容 忍 主 观 意 识 的 法 官, 现 在 居 然 要 把 人 类 的 意 识, 或 者 换 个 词 说, 灵 魂, 放 到 宇 宙 的 中 心! 哥 白 尼 当 年 将 人 从 宇 宙 中 心 驱 逐 了 出 去, 而 现 在 他 们 又 改 头 换 面 地 回 来 了? 这 足 以 让 每 一 个 科 学 家 毛 骨 悚 然 不, 这 一 定 是 胡 说 八 道, 说 这 话 的 人 肯 定 是 发 疯 了, 要 不 就 是 个 物 理 白 痴 物 理 学 需 要 意 识? 这 是 本 世 纪 最 大 的 笑 话! 但 是, 且 慢, 说 这 话 的 人 也 许 比 你 聪 明 许 多, 说 不 定, 还 是 一 位 诺 贝 尔 物 理 学 奖 得 主? 尤 金? 维 格 纳 (Eugene Wigner) 于 1902 年 11 月 17 日 出 生 于 匈 牙 利 布 达 佩 斯 他 在 一 间 路 德 教 会 中 学 上 学 时 认 识 了 冯 诺 伊 曼, 后 者 是 他 的 学 弟 两 人 一 个 更 擅 长 数 学, 一 个 更 擅 长 物 理, 在 很 长 时 间 里 是 一 个 相 当 互 补 的 组 合 维 格 纳 是 20 世 纪 最 重 要 的 物 理 学 家 之 一, 他 把 群 论 应 用 到 量 子 力 学 中, 对 原 子 核 模 型 的 建 立 起 到 了 至 关 重 要 的 作 用 他 和 狄 拉 克 约 尔 当 等 人 一 起 成 为 量 子 场 论 的 奠 基 人, 顺 便 说 一 句, 他 的 妹 妹 嫁 给 了 狄 拉 克, 因 而 成 为 后 者 的 大 舅 子 他 参 予 了 曼 哈 顿 计 划, 在 核 反 应 理 论 方 面 有 着 突 出 的 贡 献 1963 年, 他 被 授 予 诺 贝 尔 物 理

128 奖 金 对 于 量 子 论 中 的 观 测 问 题, 维 格 纳 的 意 见 是 : 意 识 无 疑 在 触 动 波 函 数 中 担 当 了 一 个 重 要 的 角 色 当 人 们 还 在 为 薛 定 谔 那 只 倒 霉 的 猫 而 争 论 不 休 的 时 候, 维 格 纳 又 出 来 捅 了 一 个 更 大 的 马 蜂 窝, 这 就 是 所 谓 的 维 格 纳 的 朋 友 维 格 纳 的 朋 友 是 他 所 想 象 的 某 个 熟 人 ( 我 猜 想 其 原 型 不 是 狄 拉 克 就 是 冯 诺 伊 曼!), 当 薛 定 谔 的 猫 在 箱 子 里 默 默 地 等 待 命 运 的 判 决 之 时, 这 位 朋 友 戴 着 一 个 防 毒 面 具 也 同 样 呆 在 箱 子 里 观 察 这 只 猫 维 格 纳 本 人 则 退 到 房 间 外 面 不 去 观 测 箱 子 里 到 底 发 生 了 什 么 现 在, 对 于 维 格 纳 来 说, 他 对 房 间 里 的 情 况 一 无 所 知, 他 是 不 是 可 以 假 定 箱 子 里 处 于 一 个 ( 活 猫 高 兴 的 朋 友 )AND( 死 猫 悲 伤 的 朋 友 ) 的 混 合 态 呢? 可 是, 当 他 事 后 询 问 那 位 朋 友 的 时 候, 后 者 肯 定 会 否 认 这 一 种 叠 加 状 态 维 格 纳 总 结 道, 当 朋 友 的 意 识 被 包 含 在 整 个 系 统 中 的 时 候, 叠 加 态 就 不 适 用 了 即 使 他 本 人 在 门 外, 箱 子 里 的 波 函 数 还 是 因 为 朋 友 的 观 测 而 不 断 地 被 触 动, 因 此 只 有 活 猫 或 者 死 猫 两 个 纯 态 的 可 能 维 格 纳 论 证 说, 意 识 可 以 作 用 于 外 部 世 界, 使 波 函 数 坍 缩 是 不 足 为 奇 的 因 为 外 部 世 界 的 变 化 可 以 引 起 我 们 意 识 的 改 变, 根 据 牛 顿 第 三 定 律, 作 用 与 反 作 用 原 理, 意 识 也 应 当 能 够 反 过 来 作 用 于 外 部 世 界 他 把 论 文 命 名 为 对 于 灵 肉 问 题 的 评 论 (Remarks on the mind-body question), 收 集 在 他 1967 年 的 论 文 集 里 量 子 论 是 不 是 玩 得 过 火 了? 难 道 意 识, 这 种 虚 无 飘 渺 的 概 念 真 的 要 占 领 神 圣 的 物 理 领 域, 成 为 我 们 理 论 的 一 个 核 心 吗? 人 们 总 在 内 心 深 处 排 斥 这 种 恐 怖 的 想 法, 柯 文 尼 (Peter Coveney) 和 海 菲 尔 德 (Roger Highfield) 写 过 一 本 叫 做 时 间 之 箭 (The arrow of time) 的 书, 其 中 讲 到 了 维 格 纳 的 主 张 但 在 这 本 书 的 中 文 版 里, 译 者 特 地 加 了 一 个 读 者 存 照, 说 这 种 基 于 意 识 的 解 释 是 牵 强 附 会 的, 它 声 称 观 测 完 全 可 以 由 一 套 测 量 仪 器 作 出, 因 此 是 完 全 客 观 的 但 是 这 种 说 法 显 然 也 站 不 住 脚, 因 为 仪 器 也 只 不 过 给 冯 诺 伊 曼 的 无 限 后 退 链 条 增 添 了 一 个 环 节 而 已, 不 观 测 这 仪 器, 它 仍 然 处 在 叠 加 的 波 函 数 中 可 问 题 是, 究 竟 什 么 才 是 意 识? 这 带 来 的 问 题 比 我 们 的 波 函 数 本 身 还 要 多 得 多, 是 一 个 得 不 偿 失 的 策 略 意 识 是 独 立 于 物 质 的 吗? 它 服 从 物 理 定 律 吗? 意 识 可 以 存 在 于 低 等 动 物 身 上 吗? 可 以 存 在 于 机 器 中 吗? 更 多 的 难 题 如 潮 水 般 地 涌 来 把 无 助 的 我 们 吞 没, 这 滋 味 并 不 比 困 扰 于 波 函 数 怎 样 坍 缩 来 得 好 受 多 少 事 实 上, 只 有 没 事 干 的 哲 学 家 才 对 这 种 问 题 津 津 乐 道, 真 正 的 脑 科 学 家 和 神 经 科 学 家 对 此 往 往 是 不 屑 一 顾 或 者 漠 不 关 心 当 意 识 问 题 被 拉 入 对 于 量 子 论 的 解 释 后, 许 多 介 绍 物 理 的 书 籍 里 都 煞 有 介 事 地 出 现 了 大 脑 的 剖 面 图, 不 厌 其 烦 地 讲 解 皮 层 的 各 个 分 区, 神 经 结 的 连 接, 海 马 体 这 的 确 是 有 趣 的 景 象! 接 下 来, 我 们 不 如 对 这 个 意 识 问 题 做 几 句 简 单 的 探 讨, 不 过 我 们 并 不 想 在 这 上 面 花 太 多 的 时 间, 因 为 我 们 的 史 话 还 要 继 续 前 进, 仍 有 一 些 新 奇 的 东 西 正 等 着 我 们 在 这 节 的 最 后 要 特 别 声 明 的 是, 关 于 意 识 作 用 于 外 部 世 界 只 是 一 种 可 能 的 说 法 而 已 这 并 不 意 味 着 种 种 所 谓 的 特 异 功 能, 心 灵 感 应, 意 念 移 物, 远 距 离 弯 曲 勺 子 等 等 有 了 理 论 基 础 对 于 这 些 东 西, 大 家 最 好 还 是 坚 持 特 别 异 乎 寻 常 的 声 明 需 要 有 特 别 坚 强 的 证 据 支 持 这 一 原 则, 要 求 对 每 一 个 个 例 进 行 严 格 的, 可 重 复 的 双 盲 实 验 就 我 所 知, 还 没 有

129 一 个 特 异 功 能 的 例 子 通 过 了 类 似 的 检 验 饭 后 闲 话 : 海 森 堡 和 德 国 原 子 弹 计 划 ( 六 ) 计 算 临 界 质 量 的 大 小 本 质 上 是 一 个 统 计 问 题 为 了 确 保 在 过 多 的 中 子 逃 逸 而 使 链 式 反 应 停 止 之 前 有 足 够 的 铀 235 分 子 得 到 分 裂, 它 至 少 应 该 能 保 证 2^80 个 分 子 ( 大 约 1 摩 尔 ) 进 行 了 反 应, 也 就 是 维 持 80 次 分 裂 这 个 范 围 是 多 大 呢? 这 相 当 于 问, 一 个 人 ( 分 子 ) 在 随 机 地 前 进 并 折 返 了 80 次 之 后 大 约 会 停 留 在 多 大 的 半 径 里 这 是 非 常 有 名 的 醉 鬼 走 路 问 题, 如 果 你 读 过 盖 莫 夫 的 老 科 普 书 从 一 到 无 穷 大, 也 许 你 还 会 对 它 有 点 印 象 海 森 堡 就 此 算 出 了 一 个 距 离 :54 厘 米, 这 相 当 于 需 要 13 吨 铀 235, 而 在 当 时 要 分 离 出 如 此 之 多 是 难 以 想 象 的 但 是,54 厘 米 这 个 数 字 是 一 个 上 限, 也 就 是 说, 在 最 坏 的 情 况 下 才 需 要 54 厘 米 半 径 的 铀 235 实 际 上 在 计 算 中 忽 略 了 许 多 的 具 体 情 况 比 如 中 子 的 吸 收, 或 者 在 少 得 多 的 情 况 下 也 能 够 引 起 链 式 反 应, 还 有 种 种 海 森 堡 因 为 太 过 聪 明 而 忽 略 的 重 要 限 制 条 件 海 森 堡 把 一 个 相 当 复 杂 的 问 题 过 分 简 化, 从 他 的 计 算 中 可 以 看 出, 他 对 快 中 子 反 应 其 实 缺 乏 彻 底 的 了 解, 这 一 切 都 导 致 他 在 报 告 中 把 几 吨 的 铀 235 当 作 一 个 下 限, 也 就 是 最 少 需 要 的 质 量, 而 且 直 到 广 岛 原 子 弹 爆 炸 后 还 带 着 这 一 观 点 ( 他 不 知 道, 佩 尔 斯 在 1939 年 已 经 做 出 了 正 确 的 结 果!) 这 样 一 个 错 误, 不 要 说 是 海 森 堡 这 样 的 一 流 物 理 学 家, 哪 怕 是 一 个 普 通 的 物 理 系 大 学 生 也 不 应 该 犯 下 而 且 竟 然 没 有 人 对 他 的 结 果 进 行 过 反 驳! 这 不 免 让 一 些 人 浮 想 联 翩, 认 为 海 森 堡 特 地 炮 制 了 这 样 一 个 错 误 来 欺 骗 上 头 从 而 阻 止 原 子 弹 的 制 造 可 惜 从 一 切 的 情 况 来 看, 海 森 堡 自 己 对 此 也 是 深 信 不 疑 的 1945 年 8 月 6 日, 被 囚 在 Farm Hall 的 德 国 科 学 家 们 被 告 知 广 岛 的 消 息, 各 个 震 惊 不 已 海 森 堡 一 开 始 评 论 说 : 我 一 点 也 不 相 信 这 个 原 子 弹 的 消 息, 当 然 我 可 能 错 了 我 以 为 他 们 ( 盟 国 ) 可 能 有 10 吨 的 富 铀, 但 没 想 到 他 们 有 10 吨 的 纯 铀 235! 海 森 堡 仍 然 以 为, 一 颗 核 弹 要 几 吨 的 铀 235 哈 恩 对 这 个 评 论 感 到 震 惊, 因 为 他 原 以 为 只 要 很 少 的 铀 就 可 以 制 造 炸 弹 ( 这 是 海 森 堡 以 前 说 过 的, 但 那 是 指 一 个 反 应 堆 炸 弹, 也 就 是 反 应 堆 陷 入 不 稳 定 而 变 成 爆 炸 物, 哈 恩 显 然 搞 错 了 ) 海 森 堡 纠 正 了 这 一 观 点, 然 后 猜 测 盟 国 可 能 找 到 了 一 种 有 效 地 分 离 同 位 素 的 办 法 ( 他 仍 然 以 为 盟 国 分 离 了 那 么 多 铀 235, 而 不 是 自 己 的 估 计 错 了!) 9 点 整, 众 人 一 起 收 听 了 BBC 的 新 闻, 然 后 又 展 开 热 烈 讨 论 海 森 堡 虽 然 作 了 一 些 正 确 的 分 析, 但 却 又 提 出 了 那 个 54 厘 米 的 估 计 第 二 天, 众 人 开 始 起 草 备 忘 录 第 三 天, 海 森 堡 和 沃 兹 讨 论 了 钚 炸 弹 的 可 能 性, 海 森 堡 觉 得 钚 可 能 比 想 象 得 更 容 易 分 裂 ( 他 从 报 纸 上 得 知 原 子 弹 并 不 大 ), 但 他 自 己 没 有 数 据, 因 为 德 国 没 有 反 应 堆 来 生 产 钚 直 到 此 时, 海 森 堡 仍 然 以 为 铀 弹 需 要 几 吨 的 质 量 才 行 yutian 回 复 于 : :54:11 第 九 章 测 量 问 题 二 castor_v_pollux 意 识 使 波 函 数 坍 缩? 可 什 么 才 是 意 识 呢? 这 是 被 哲 学 家 讨 论 得 最 多 的 问 题 之 一, 但 在 科 学 界 的 反 应 却 相 对 冷 淡 在 心 理 学 界, 以 沃 森 (John B.Watson) 和 斯 金 纳 (B.F.Skinner) 等 人 所 代 表

130 的 行 为 主 义 学 派 通 常 乐 于 把 精 神 事 件 分 解 为 刺 激 和 反 应 来 研 究, 而 忽 略 无 法 用 实 验 确 证 的 意 识 本 身 的 确, 甚 至 给 意 识 下 一 个 准 确 的 定 义 都 是 困 难 的, 它 产 生 于 何 处, 具 体 活 动 于 哪 个 部 分, 如 何 作 用 于 我 们 的 身 体 都 还 是 未 知 之 谜 人 们 一 般 能 够 达 成 共 识 的 是, 并 非 大 脑 的 所 有 活 动 都 是 意 识, 事 实 上 大 脑 的 许 多 活 动 是 我 们 本 身 意 识 不 到 的, 我 们 通 常 只 注 意 到 它 的 输 出 结 果, 而 并 不 参 控 它 运 行 的 整 个 过 程 当 我 的 耳 边 响 起 第 九 交 响 曲 时, 我 的 眼 前 突 然 不 由 浮 现 出 我 在 中 学 时 代 的 童 年 时 光, 但 我 自 己 一 点 都 不 知 道 我 的 大 脑 是 如 何 具 体 地 一 步 步 完 成 了 这 个 过 程, 这 是 在 我 的 下 意 识 中 完 成 的! 有 时 候 我 甚 至 会 奇 怪 : 我 为 什 么 会 这 样 想 呢? 另 外, 许 多 人 也 承 认, 意 识 似 乎 与 我 们 的 注 意 密 切 相 关, 它 同 时 还 要 求 一 定 的 记 忆 能 力 来 完 成 前 后 连 贯 的 动 作 可 以 肯 定 的 是, 意 识 不 是 一 种 具 体 的 物 质 实 在 没 有 人 在 进 行 脑 科 手 术 时 在 颅 骨 内 发 现 过 任 何 有 形 的 意 识 的 存 在 它 是 不 是 脑 的 一 部 分 的 作 用 体 现 呢? 看 起 来 应 该 如 此, 但 具 体 哪 个 部 分 负 责 意 识 却 是 众 说 纷 纭 有 人 说 是 大 脑, 因 为 大 脑 才 有 种 种 复 杂 的 交 流 性 功 能, 而 掌 握 身 体 控 制 的 小 脑 看 起 来 更 像 一 台 自 动 机 器 我 们 在 学 习 游 泳 或 者 骑 自 行 车 的 时 候, 一 开 始 总 是 要 战 战 兢 兢, 注 意 身 体 每 个 姿 势 的 控 制, 每 个 动 作 前 都 要 想 想 好 但 一 旦 熟 练 以 后, 小 脑 就 接 管 了 身 体 的 运 动, 把 它 变 成 了 一 种 本 能 般 的 行 为 比 如 骑 惯 自 行 车 的 人 就 并 不 需 要 时 时 意 识 到 他 的 每 个 动 作 事 实 上, 我 们 意 识 的 反 应 是 相 当 迟 缓 的 ( 有 实 验 报 告 说 有 半 秒 的 延 迟 ), 当 一 位 钢 琴 家 进 行 熟 练 的 演 奏 时, 他 往 往 是 不 假 思 索, 一 气 呵 成, 从 某 种 角 度 来 说, 这 已 经 不 能 称 作 完 全 有 意 识 的 行 为, 就 像 我 们 平 常 说 的 : 熟 极 而 流, 想 都 不 想 而 且 值 得 注 意 的 是, 这 种 后 天 学 习 的 身 体 技 能 往 往 可 以 保 持 很 长 时 间 不 被 遗 忘 也 有 人 说, 大 脑 并 没 有 意 识, 而 只 是 指 挥 身 体 的 行 动 在 一 个 实 验 中, 我 们 刺 激 大 脑 的 某 个 区 域 使 得 试 验 者 的 右 手 运 动, 但 试 验 者 本 身 并 不 想 使 它 运 动! 那 么, 当 我 们 有 意 识 地 想 要 运 动 我 们 的 右 手 时, 必 定 在 某 处 由 意 识 产 生 了 这 种 欲 望, 然 后 通 过 电 信 号 传 达 给 特 定 的 皮 层, 最 后 才 导 致 运 动 本 身 实 验 者 认 为 中 脑 和 丘 脑 是 这 种 自 由 意 识 所 在 但 也 有 别 人 认 为 是 网 状 体, 或 者 海 马 体 的 很 多 人 还 认 为, 大 脑 左 半 球 才 可 以 称 得 上 有 意 识, 而 右 半 球 则 是 自 动 机 这 些 具 体 的 争 论 且 放 在 一 边 不 管, 我 们 站 高 一 点 来 看 问 题 : 意 识 在 本 质 上 是 什 么 东 西 呢? 它 是 不 是 某 种 神 秘 的 非 物 质 世 界 的 幽 灵, 完 全 脱 离 我 们 的 身 体 大 脑 而 存 在, 只 有 当 它 附 体 在 我 们 身 上 时, 我 们 才 会 获 得 这 种 意 识 呢? 显 然 绝 大 多 数 科 学 家 都 不 会 认 同 这 种 说 法, 一 种 心 照 不 宣 的 观 点 是, 意 识 是 一 种 结 构 模 式, 它 完 全 基 于 物 质 基 础 ( 我 们 的 脑 ) 而 存 在, 但 却 需 要 更 高 一 层 次 的 规 律 去 阐 释 它 这 就 是 所 谓 的 整 体 论 (Holism) 的 解 释 什 么 是 意 识? 这 好 比 问 : 什 么 是 信 息? 一 个 消 息 是 一 种 信 息, 但 是, 它 的 载 体 本 身 并 非 信 息, 它 所 蕴 涵 的 内 容 才 是 我 告 诉 你 : 湖 人 队 今 天 输 球 了, 这 8 个 字 本 身 并 不 是 信 息, 它 的 内 容 湖 人 队 输 球 才 是 真 正 的 信 息 同 样 的 信 息 完 全 可 以 用 另 外 的 载 体 来 表 达, 比 如 写 一 行 字 告 诉 你, 或 者 发 一 个 给 你, 或 者 做 一 个 手 势 所 以, 研 究 载 体 本 身 并 不 能 得 出 对 相 关 信 息 有 益 的 结 论, 就 算 我 把 这 8 个 字 拆 成 一 笔 一 划 研 究 个 透 彻, 这 也 不 能 帮 助 我 了 解 湖 人 队 输 球 的 意 义 何 在 信 息 并 不 存 在 于 每 一 个 字 中, 而 存 在 于 这 8 个 字 的 组 合 中, 对 于 它 的 描 述 需 要 用 到 比 单 个 字 更 高 一 层 次 的 语 言 和 规 律 什 么 是 贝 多 芬 的 第 九 交 响 曲? 它 无 非 是 一 串 音 符 的 组 合 但 音 符 本 身 并 不 是 交 响 曲, 如 果 我 们 想 描 述 这 首 伟 大 作 品, 我 们 要 涉 及 的 是 音 符 的 组 合 模 式! 什 么 是 海 明 威 的 老 人

131 与 海? 它 无 非 是 一 串 字 母 的 组 合 但 字 母 本 身 也 不 是 小 说, 它 们 的 组 合 模 式 才 是! 为 了 更 好 地 理 解 字 母 不 是 小 说, 组 合 模 式 才 是 小 说 的 概 念, 我 们 假 设 用 最 简 单 的 编 码 方 法 来 加 密 老 人 与 海 这 部 作 品, 也 就 是 对 于 每 一 个 字 母 用 相 应 的 符 号 来 替 换 比 如 说 A 换 成 圆 圈,B 换 成 方 块,C 换 成 三 角 等 等 现 在 我 们 手 上 有 一 本 充 满 了 古 怪 符 号 的 书, 我 问 你 : 这 还 是 老 人 与 海 吗? 大 部 分 人 应 该 承 认 : 还 是 因 为 原 书 的 信 息 并 没 有 任 何 的 损 失, 它 的 组 合 模 式 仍 然 原 封 不 动 地 保 留 在 那 里, 只 不 过 在 基 础 层 面 上 换 了 一 种 表 达 方 式 罢 了, 它 完 全 可 以 再 反 编 译 回 来 这 本 密 码 版 老 人 与 海 完 全 等 价 于 原 本 老 人 与 海! 回 到 我 们 的 问 题 上 来 : 什 么 是 意 识? 意 识 是 组 成 脑 的 原 子 群 的 一 种 组 合 模 式! 我 们 脑 的 物 质 基 础 和 一 块 石 头 没 什 么 不 同, 是 由 同 样 的 碳 原 子 氢 原 子 氧 原 子 组 成 的 构 成 我 们 脑 的 电 子 和 构 成 一 块 石 头 的 电 子 完 全 相 同, 就 算 把 它 们 相 互 调 换, 也 不 会 造 成 我 们 的 脑 袋 变 成 一 块 石 头 的 奇 观 我 们 的 意 识, 完 全 建 筑 在 我 们 脑 袋 的 结 构 模 式 之 上! 只 要 一 堆 原 子 按 照 特 定 的 方 式 排 列 起 来, 它 就 可 以 构 成 我 们 的 意 识, 就 像 只 要 一 堆 字 母 按 照 特 定 的 方 式 排 列 起 来, 就 可 以 构 成 老 人 与 海 一 样 这 里 并 不 需 要 某 个 非 物 质 的 灵 魂 来 附 体, 就 如 你 不 会 相 信, 只 有 当 海 明 威 之 魂 附 在 一 堆 字 母 上 才 会 使 它 变 成 老 人 与 海 一 样 单 个 脑 细 胞 显 然 不 能 意 识 到 任 何 东 西, 但 是 许 多 脑 细 胞 按 照 特 定 的 模 式 组 合 起 来, 意 识 就 在 组 合 中 产 生 了 好, 到 此 为 止, 大 部 分 人 还 是 应 该 对 这 种 相 当 唯 物 的 说 法 感 到 满 意 的 但 只 要 再 往 下 合 理 地 推 论 几 步, 许 多 人 可 能 就 要 觉 得 背 上 出 冷 汗 了 如 果 意 识 完 全 取 决 于 原 子 的 组 合 模 式 的 话, 第 一 个 推 论 就 是 : 它 可 以 被 复 制 出 版 社 印 刷 成 千 上 万 本 的 老 人 与 海, 为 什 么 原 子 不 能 被 复 制 呢? 假 如 我 们 的 技 术 发 达 到 一 定 程 度, 可 以 扫 描 你 身 体 里 每 一 个 原 子 的 位 置 和 状 态, 并 在 另 一 个 地 方 把 它 们 重 新 组 合 起 来 的 话, 这 个 新 的 人 是 不 是 你 呢? 他 会 不 会 拥 有 和 你 一 样 的 意 识? 或 者 干 脆 说, 他 和 你 是 不 是 同 一 个 人? 假 如 我 们 承 认 意 识 完 全 基 于 原 子 排 列 模 式, 我 们 的 回 答 无 疑 就 是 YES! 这 和 克 隆 人 是 两 个 概 念, 克 隆 人 只 不 过 继 承 了 你 的 基 因, 而 这 个 复 制 人 却 拥 有 你 的 意 识, 你 的 记 忆, 你 的 感 情, 你 的 一 切, 他 就 是 你 本 人! 近 几 年 来, 在 量 子 通 信 方 面 我 们 有 了 极 大 的 突 破 把 一 个 未 知 的 量 子 态 原 封 不 动 地 传 输 到 第 二 者 那 里 已 经 成 为 可 能, 而 且 事 实 上 已 经 有 许 多 具 体 协 议 的 提 出 虽 然 令 人 欣 慰 的 是, 有 一 个 叫 做 不 可 复 制 定 理 (no cloning theorem,1982 年 Wootters,Zurek 和 Dieks 提 出 ) 的 原 则 规 定 在 传 输 量 子 态 的 同 时 一 定 会 毁 掉 原 来 那 个 原 本 换 句 话 说, 量 子 态 只 能 cut paste, 不 能 copy paste, 这 阻 止 了 两 个 你 的 出 现 但 问 题 是, 如 果 把 你 毁 掉, 然 后 在 另 一 个 地 方 重 建 起 来, 你 是 否 认 为 这 还 是 原 来 的 你? 另 一 个 推 论 就 是 : 组 合 模 式 本 身 并 非 要 特 定 的 物 质 基 础 才 能 呈 现 我 们 已 经 看 到, 我 们 完 全 可 以 用 另 一 套 符 号 系 统 去 重 写 老 人 与 海, 这 并 不 造 成 实 质 的 差 别 一 套 电 影, 我 可 以 用 胶 片 记 录, 也 可 以 用 录 像 带,VCD,LD 或 者 DVD 记 录 当 然 有 人 会 提 出 异 议, 说 压 缩 实 际 上 造 成 了 信 息 的 损 失,VCD 版 的 Matrix 已 经 不 是 电 影 版 的 Matrix, 其 实 这 无 所 谓, 我 们 换 个 比 喻 说, 一 张 彩 色 数 字 照 片 可 以 用 RGB 来 表 示 色 彩, 也 可 以 用 另 一 些 表 达 系 统 比 如 说 CMY,HSI,YUV 或 者 YIQ 来 表 示 再 比 如, 任 何 序 列 都 可 以 用 一 些 可 逆 的 压 缩 手 法 例 如 Huffman 编 码 来 压 缩, 字 母 也 可 以 用 摩 尔 斯 电 码 来 替 换, 歌 曲 可 以 用 简 谱 或 者 五 线 谱 记 录, 虽 然 它 们 看 上 去 很 不 同, 但 其 中 包 含 的 信 息 却 是 相 同 的! 假 如 你 有 兴 趣, 用 围 棋 中 的 白 子 代 表 0, 黑 子 代 表 1, 你 无 疑 也 可 以 用 铺 满 整 个 天 安 门 广 场 的 围 棋 来 拷 贝 一 张 VCD, 这

132 是 完 全 等 价 的! 那 么, 只 要 有 某 种 复 杂 的 系 统 可 以 包 含 我 们 意 识 模 式 的 主 要 信 息 或 者 与 其 等 价, 显 然 我 们 应 该 认 为, 意 识 并 不 一 定 要 依 赖 于 我 们 这 个 生 物 有 机 体 的 肉 身 而 存 在! 假 设 我 们 大 脑 的 所 有 信 息 都 被 扫 描 而 存 入 一 台 计 算 机 中, 这 台 计 算 机 严 格 地 按 照 物 理 定 律 来 计 算 这 些 分 子 对 于 各 种 刺 激 的 反 应 而 最 终 求 出 相 应 结 果 以 作 出 回 应, 那 么 从 理 论 上 说, 这 台 计 算 机 的 行 为 完 全 等 同 于 我 们 自 身! 我 们 是 不 是 可 以 说, 这 台 计 算 机 实 际 上 拥 有 了 我 们 的 意 识? 对 于 许 多 实 证 主 义 者 来 说, 判 定 拥 有 意 识 或 者 能 思 考 的 标 准 便 严 格 地 按 照 这 个 模 式 结 构 理 论 的 方 法 意 识 只 不 过 是 某 种 复 杂 的 模 式 结 构, 或 者 说, 是 在 输 入 和 输 出 之 间 进 行 的 某 种 复 杂 算 法 任 何 系 统 只 要 能 够 模 拟 这 种 算 法, 它 就 可 以 被 合 理 地 认 为 拥 有 意 识 和 冯? 诺 伊 曼 同 为 现 代 计 算 机 奠 基 人 的 阿 兰? 图 灵 (Alan Turin) 在 1950 年 提 出 了 判 定 计 算 机 能 否 像 人 那 般 实 际 思 考 的 标 准, 也 就 是 著 名 的 图 灵 检 验 他 设 想 一 台 超 级 计 算 机 和 一 个 人 躲 藏 在 幕 后 回 答 提 问 者 的 问 题, 而 提 问 者 则 试 图 分 辨 哪 个 是 人 哪 个 是 计 算 机 图 灵 争 辩 说, 假 如 计 算 机 伪 装 得 如 此 巧 妙, 以 致 没 有 人 可 以 在 实 际 上 把 它 和 一 个 真 人 分 辨 开 来 的 话, 那 么 我 们 就 可 以 声 称, 这 台 计 算 机 和 人 一 样 具 备 了 思 考 能 力, 或 者 说, 意 识 ( 他 的 原 词 是 智 慧 ) 现 代 计 算 机 已 经 可 以 击 败 国 际 象 棋 大 师 ( 可 怜 的 卡 斯 帕 罗 夫!), 真 正 骗 倒 一 个 测 试 者 的 日 子 不 知 还 有 多 久 才 能 来 到, 大 家 自 己 估 计 一 下 好 了 计 算 机 在 复 杂 到 了 一 定 程 度 之 后 便 可 以 实 际 拥 有 意 识, 持 这 种 看 法 的 人 通 常 被 称 为 强 人 工 智 能 派 在 他 们 看 来, 人 的 大 脑 本 质 上 也 不 过 是 一 台 异 常 复 杂 的 计 算 机, 只 是 它 不 由 晶 体 管 或 者 集 成 电 路 构 成, 而 是 生 物 细 胞 而 已 但 细 胞 也 得 靠 细 微 的 电 流 工 作, 就 算 我 们 尚 不 完 全 清 楚 其 中 的 机 制, 也 没 有 理 由 认 为 有 某 种 超 自 然 的 东 西 在 里 面 就 像 薛 定 谔 在 他 那 本 名 扬 四 海 的 小 册 子 生 命 是 什 么 中 所 做 的 比 喻 一 样, 一 个 蒸 汽 机 师 在 第 一 次 看 到 电 动 机 时 会 惊 讶 地 发 现 这 机 器 和 他 所 了 解 的 热 力 学 机 器 十 分 不 同, 但 他 会 合 理 地 假 定 这 是 按 照 某 些 他 所 不 了 解 的 原 理 所 运 行 的, 而 不 会 大 惊 小 怪 地 认 为 是 幽 灵 驱 动 了 一 切 你 可 能 要 问, 算 法 复 杂 到 了 何 种 程 度 才 有 资 格 被 称 为 意 识 呢? 这 的 确 对 我 们 理 解 波 函 数 何 时 坍 缩 有 实 际 好 处! 但 这 很 可 能 又 是 一 个 难 题, 像 那 个 著 名 的 悖 论 : 一 粒 沙 落 地 不 算 一 个 沙 堆, 两 粒 沙 落 地 不 算 一 个 沙 堆, 但 10 万 粒 沙 落 地 肯 定 是 一 个 沙 堆 了 那 么, 具 体 到 哪 一 粒 沙 落 地 时 才 形 成 一 个 沙 堆 呢? 对 这 种 模 糊 性 的 问 题 科 学 家 通 常 不 屑 解 答, 正 如 争 论 猫 或 者 大 肠 杆 菌 有 没 有 意 识 一 样, 我 们 对 波 函 数 还 是 一 头 雾 水! 当 然, 也 有 一 些 更 为 极 端 的 看 法 认 为, 任 何 执 行 了 某 种 算 法 的 系 统 都 可 以 看 成 具 有 某 种 程 度 的 意 识! 比 如 指 南 针, 人 们 会 论 证 说, 它 喜 欢 指 着 南 方, 当 把 它 拨 乱 后, 它 就 出 于 厌 恶 而 竭 力 避 免 这 种 状 态, 而 回 到 它 所 喜 欢 的 状 态 里 去 以 这 种 带 相 当 泛 神 论 色 彩 的 观 点 来 看, 万 事 万 物 都 有 着 意 识, 只 是 程 度 的 不 同 罢 了 意 识, 简 单 来 说, 就 是 一 个 系 统 的 算 法, 它 喜 欢 那 些 大 概 率 的 输 出, 讨 厌 那 些 小 概 率 的 输 出 一 个 有 着 趋 光 性 的 变 形 虫 也 有 意 识, 只 不 过 它 意 识 的 复 杂 程 度 比 我 们 人 类 要 低 级 好 多 好 多 倍 罢 了 你 也 许 不 相 信 这 种 说 法, 但 你 只 要 承 认 意 识 只 是 在 物 质 基 础 上 的 一 种 排 列 模 式, 你 便 很 难 否 认 我 们 说 到 的 一 些 奇 特 性 质 甚 至 连 意 识 是 否 可 能 在 死 后 继 续 存 在 这 样 的 可 怕 问 题, 我 们 的 答 案 也 应 该 是 在 原 则 上 肯 定 的! 这 就 好 比 问, 第 九 交 响 曲 在 音 乐 会 结 束 后 是 不 是 还 继 续 存 在? 显 然 我 们 只 要 保 留 了 这 个 排 列 信 息 的 资 料, 我 们 随 时 可 以 用 不 同 的 方 法 把 它 具

133 体 重 现 出 来 ( 任 何 时 候 都 不 缺 碳 原 子 氢 原 子 ) 当 然, 在 我 们 的 技 术 能 力 还 达 不 到 能 够 获 得 全 部 组 合 信 息 并 保 留 它 们 之 前 ( 可 能 我 们 永 远 也 没 有 这 个 技 术 ), 人 死 后 自 然 就 没 有 意 识 了, 就 像 音 乐 会 后 烧 毁 了 所 有 的 乐 谱 一 样, 这 个 乐 曲 自 然 就 此 失 传 了 你 可 能 已 经 看 得 瞠 目 结 舌, 不 过 我 们 的 说 法 把 意 识 建 立 在 完 全 客 观 和 唯 物 的 基 础 上, 它 实 在 已 经 是 最 不 故 作 神 秘 的 一 种! 意 识 不 是 一 个 独 立 的 存 在, 而 是 系 统 复 杂 到 了 一 定 程 度 后 表 现 出 来 的 客 观 性 质 它 虽 然 是 一 种 组 合 机 制, 但 脱 离 了 具 体 的 物 质 ( 暂 时 肉 体 是 唯 一 可 能 ) 它 也 无 法 表 现 出 来 就 像 软 件 脱 离 了 硬 件 无 法 具 体 运 行 一 样, 意 识 的 体 现 不 可 能 脱 离 物 质 而 进 行 假 如 我 们 被 迫 去 寻 找 一 种 独 立 于 物 质 的 意 识 的 话, 那 未 免 走 得 太 远 了 当 然, 对 于 习 惯 了 二 元 论 的 公 众 来 说, 试 图 使 他 们 相 信 灵 魂 或 者 意 识 只 是 大 量 神 经 原 的 排 列 和 集 体 行 为 是 教 他 们 吃 惊 的 对 于 彻 底 的 唯 物 论 者, 试 图 使 他 们 相 信 意 识 作 为 一 种 特 定 的 排 列 信 息 可 能 长 期 保 存 并 在 不 同 平 台 上 重 现 也 是 艰 难 的 任 务 心 理 学 家 和 神 经 科 学 家 克 里 克 (Francis Crick) 不 得 不 把 这 一 论 断 称 为 惊 人 的 假 说 ( 见 惊 人 的 假 说 : 灵 魂 的 科 学 探 索 ) 但 对 于 大 多 数 科 学 家 来 说, 这 也 许 是 一 种 理 所 当 然 的 推 论 当 然 也 有 某 些 人 认 为 意 识 或 者 灵 魂 并 非 复 杂 性 造 就 的 一 个 客 观 的 副 产 品, 它 并 不 一 定 能 够 用 算 法 来 模 拟, 并 的 确 具 有 某 种 主 动 效 应! 这 里 面 包 括 牛 津 大 学 的 罗 杰? 彭 罗 斯 (Roger Penrose), 诸 位 如 果 有 兴 趣 了 解 他 的 观 点, 可 以 阅 读 其 著 作 皇 帝 新 脑 (The Emperor s New Mind) ********* 这 一 节 已 经 太 长 了, 我 把 海 森 堡 的 那 个 闲 话 的 最 后 一 部 分 放 到 下 一 节 里 去 许 多 人 说 这 个 闲 话 专 题 有 点 罗 嗦, 我 是 很 赞 同 的 其 实 这 是 我 很 久 以 来 一 直 想 写 的 一 个 内 容, 只 不 过 借 了 史 话 的 因 头 趁 兴 完 成 而 已, 所 以 有 点 不 厌 其 烦, 风 格 和 正 文 有 些 出 入 在 以 后 修 订 的 时 候 我 会 把 它 独 立 出 来, 作 为 外 一 篇 处 理 吧 yutian 回 复 于 : :55:05 第 九 章 测 量 问 题 三 castor_v_pollux 我 们 在 意 识 问 题 那 里 头 晕 眼 花 地 转 了 一 圈 回 来 之 后, 究 竟 得 到 了 什 么 收 获 呢? 我 们 弄 清 楚 猫 的 量 子 态 在 何 时 产 生 坍 缩 了 吗? 我 们 弄 清 意 识 究 竟 是 如 何 作 用 于 波 函 数 了 吗? 似 乎 都 没 有, 反 倒 是 疑 问 更 多 了 : 如 果 说 意 识 只 不 过 是 大 脑 复 杂 性 的 一 种 表 现, 那 么 这 个 精 巧 结 构 是 如 何 具 体 作 用 到 波 函 数 上 的 呢? 我 们 是 不 是 已 经 可 以 假 设, 一 台 足 够 复 杂 的 计 算 机 也 具 有 坍 缩 波 函 数 的 能 力 了 呢? 反 而 让 我 们 感 到 困 惑 的 是, 似 乎 这 是 一 条 走 不 通 的 死 路 电 子 的 波 函 数 是 自 然 界 在 一 个 最 基 本 层 次 上 的 物 理 规 律, 而 正 如 我 们 已 经 讨 论 过 的 那 样, 意 识 所 遵 循 的 规 则, 是 一 个 大 量 原 子 的 组 合 才 可 能 体 现 出 来 的 整 体 效 果, 它 很 可 能 处 在 一 个 很 高 的 层 次 上 面 就 像 你 不 能 用 处 理 单 词 和 句 子 的 语 法 规 则 去 处 理 小 说 情 节 一 样, 用 波 函 数 和 意 识 去 互 相 联 系, 看 起 来 似 乎 是 一 种 层 面 的 错 乱, 好 比 有 人 试 图 用 牛 顿 定 律 去 阐 述 经 济 学 规 则 一 样 如 果 说 意 识 使 得 一 切 从 量 子 叠 加 态 中 脱 离, 成 为 真 正 的 现 实 的 话, 那 么 我 们 不 禁 要 问 一 个 自 然 的 问 题 : 当 智 能 生 物 尚 未 演 化 出 来, 这 个 宇 宙 中 还 没 有 意 识 的 时 候, 它 的 状 态 是

134 怎 样 的 呢? 难 道 说, 第 一 个 有 意 识 的 生 物 的 出 现 才 使 得 从 创 生 起 至 那 一 刹 那 的 宇 宙 历 史 在 一 瞬 间 成 为 现 实? 难 道 说 智 能 的 参 予 可 以 在 那 一 刻 改 变 过 去, 而 这 个 过 去 甚 至 包 含 了 它 自 身 的 演 化 历 史? 1979 年 是 爱 因 斯 坦 诞 辰 100 周 年, 在 他 生 前 工 作 的 普 林 斯 顿 召 开 了 一 次 纪 念 他 的 讨 论 会 在 会 上, 爱 因 斯 坦 的 同 事, 也 是 玻 尔 的 密 切 合 作 者 之 一 约 翰? 惠 勒 (John Wheeler) 提 出 了 一 个 相 当 令 人 吃 惊 的 构 想, 也 就 是 所 谓 的 延 迟 实 验 (delayed choice experiment) 在 前 面 的 章 节 里, 我 们 已 经 对 电 子 的 双 缝 干 涉 非 常 熟 悉 了, 根 据 哥 本 哈 根 解 释, 当 我 们 不 去 探 究 电 子 到 底 通 过 了 哪 条 缝, 它 就 同 时 通 过 双 缝 而 产 生 干 涉, 反 之, 它 就 确 实 地 通 过 一 条 缝 而 顺 便 消 灭 干 涉 图 纹 惠 勒 通 过 一 个 戏 剧 化 的 思 维 实 验 指 出, 我 们 可 以 延 迟 电 子 的 这 一 决 定, 使 得 它 在 已 经 实 际 通 过 了 双 缝 屏 幕 之 后, 再 来 选 择 究 竟 是 通 过 了 一 条 缝 还 是 两 条! 这 个 实 验 的 基 本 思 路 是, 用 涂 着 半 镀 银 的 反 射 镜 来 代 替 双 缝 一 个 光 子 有 一 半 可 能 通 过 反 射 镜, 一 半 可 能 被 反 射, 这 是 一 个 量 子 随 机 过 程, 跟 它 选 择 双 缝 还 是 单 缝 本 质 上 是 一 样 的 把 反 射 镜 和 光 子 入 射 途 径 摆 成 45 度 角, 那 么 它 一 半 可 能 直 飞, 另 一 半 可 能 被 反 射 成 90 度 角 但 是, 我 们 可 以 通 过 另 外 的 全 反 射 镜, 把 这 两 条 分 开 的 岔 路 再 交 汇 到 一 起 在 终 点 观 察 光 子 飞 来 的 方 向, 我 们 可 以 确 定 它 究 竟 是 沿 着 哪 一 条 道 路 飞 来 的 但 是, 我 们 也 可 以 在 终 点 处 再 插 入 一 块 呈 45 度 角 的 半 镀 银 反 射 镜, 这 又 会 造 成 光 子 的 自 我 干 涉 如 果 我 们 仔 细 安 排 位 相, 我 们 完 全 可 以 使 得 在 一 个 方 向 上 的 光 子 呈 反 相 而 相 互 抵 消, 而 在 一 个 确 定 的 方 向 输 出 这 样 的 话 我 们 每 次 都 得 到 一 个 确 定 的 结 果 ( 就 像 每 次 都 得 到 一 个 特 定 的 干 涉 条 纹 一 样 ), 根 据 量 子 派 的 说 法, 此 时 光 子 必 定 同 时 沿 着 两 条 途 径 而 来! 总 而 言 之, 如 果 我 们 不 在 终 点 处 插 入 半 反 射 镜, 光 子 就 沿 着 某 一 条 道 路 而 来, 反 之 它 就 同 时 经 过 两 条 道 路 现 在 的 问 题 是, 是 不 是 要 在 终 点 处 插 入 反 射 镜, 这 可 以 在 光 子 实 际 通 过 了 第 一 块 反 射 镜, 已 经 快 要 到 达 终 点 时 才 决 定 我 们 可 以 在 事 情 发 生 后 再 来 决 定 它 应 该 怎 样 发 生! 如 果 说 我 们 是 这 出 好 戏 的 导 演 的 话, 那 么 我 们 的 光 子 在 其 中 究 竟 扮 演 了 什 么 角 色, 这 可 以 等 电 影 拍 完 以 后 再 由 我 们 决 定! 虽 然 听 上 去 古 怪, 但 这 却 是 哥 本 哈 根 派 的 一 个 正 统 推 论! 惠 勒 后 来 引 玻 尔 的 话 说, 任 何 一 种 基 本 量 子 现 象 只 在 其 被 记 录 之 后 才 是 一 种 现 象, 我 们 是 在 光 子 上 路 之 前 还 是 途 中 来 做 出 决 定, 这 在 量 子 实 验 中 是 没 有 区 别 的 历 史 不 是 确 定 和 实 在 的 -- 除 非 它 已 经 被 记 录 下 来 更 精 确 地 说, 光 子 在 通 过 第 一 块 透 镜 到 我 们 插 入 第 二 块 透 镜 这 之 间 到 底 在 哪 里, 是 个 什 么, 是 一 个 无 意 义 的 问 题, 我 们 没 有 权 利 去 谈 论 它, 它 不 是 一 个 客 观 真 实! 惠 勒 用 那 幅 著 名 的 龙 图 来 说 明 这 一 点, 龙 的 头 和 尾 巴 ( 输 入 输 出 ) 都 是 确 定 的 清 晰 的, 但 它 的 身 体 ( 路 径 ) 却 是 一 团 迷 雾, 没 有 人 可 以 说 清 在 惠 勒 的 构 想 提 出 5 年 后, 马 里 兰 大 学 的 卡 洛 尔? 阿 雷 (Carroll O Alley) 和 其 同 事 当 真 做 了 一 个 延 迟 实 验, 其 结 果 真 的 证 明, 我 们 何 时 选 择 光 子 的 模 式, 这 对 于 实 验 结 果 是 无 影 响 的 ( 和 玻 尔 预 言 的 一 样, 和 爱 因 斯 坦 的 相 反!), 与 此 同 时 慕 尼 黑 大 学 的 一 个 小 组 也 作 出 了 类 似 的 结 果 这 样 稀 奇 古 怪 的 事 情 说 明 了 什 么 呢?

135 这 说 明, 宇 宙 的 历 史, 可 以 在 它 实 际 发 生 后 才 被 决 定 究 竟 是 怎 样 发 生 的! 在 薛 定 谔 的 猫 实 验 里, 如 果 我 们 也 能 设 计 某 种 延 迟 实 验, 我 们 就 能 在 实 验 结 束 后 再 来 决 定 猫 是 死 是 活! 比 如 说, 原 子 在 1 点 钟 要 么 衰 变 毒 死 猫, 要 么 就 断 开 装 置 使 猫 存 活 但 如 果 有 某 个 延 迟 装 置 能 够 让 我 们 在 2 点 钟 来 延 迟 决 定 原 子 衰 变 与 否, 我 们 就 可 以 在 2 点 钟 这 个 未 来 去 实 际 决 定 猫 在 1 点 钟 的 死 活! 这 样 一 来, 宇 宙 本 身 由 一 个 有 意 识 的 观 测 者 创 造 出 来 也 不 是 什 么 不 可 能 的 事 情 虽 然 宇 宙 的 行 为 在 道 理 上 讲 已 经 演 化 了 几 百 亿 年, 但 某 种 延 迟 使 得 它 直 到 被 一 个 高 级 生 物 所 观 察 才 成 为 确 定 我 们 的 观 测 行 为 本 身 参 予 了 宇 宙 的 创 造 过 程! 这 就 是 所 谓 的 参 予 性 宇 宙 模 型 (The Prticipatory Universe) 宇 宙 本 身 没 有 一 个 确 定 的 答 案, 而 其 中 的 生 物 参 予 了 这 个 谜 题 答 案 的 构 建 本 身! 这 实 际 上 是 某 种 增 强 版 的 人 择 原 理 (anthropic principle) 人 择 原 理 是 说, 我 们 存 在 这 个 事 实 本 身, 决 定 了 宇 宙 的 某 些 性 质 为 什 么 是 这 样 的 而 不 是 那 样 的 也 就 是 说, 我 们 讨 论 所 有 问 题 的 前 提 是 : 事 实 上 已 经 存 在 了 一 些 像 我 们 这 样 的 智 能 生 物 来 讨 论 这 些 问 题 我 们 回 忆 一 下 笛 卡 儿 的 第 一 原 理 : 不 管 我 怀 疑 什 么 也 好, 有 一 点 我 是 不 能 怀 疑 的, 那 就 是 我 在 怀 疑 本 身 我 思 故 我 在! 类 似 的 原 则 也 适 用 于 人 择 原 理 : 不 管 这 个 宇 宙 有 什 么 样 的 性 质 也 好, 它 必 须 要 使 得 智 能 生 物 可 能 存 在 于 其 中, 不 然 就 没 有 人 来 问 宇 宙 为 什 么 是 这 样 的? 这 个 问 题 了 随 便 什 么 问 题 也 好, 你 首 先 得 保 证 有 一 个 人 来 问 问 题, 不 然 就 没 有 意 义 了 举 个 例 子, 目 前 宇 宙 似 乎 是 在 以 一 个 恰 到 好 处 的 速 度 在 膨 胀 只 要 它 膨 胀 得 稍 稍 快 一 点, 当 初 的 物 质 就 会 四 散 飞 开, 而 无 法 凝 聚 成 星 系 和 行 星 反 过 来, 如 果 稍 微 慢 一 点 点, 引 力 就 会 把 所 有 的 物 质 都 吸 到 一 起, 变 成 一 团 具 有 惊 人 的 密 度 和 温 度 的 大 杂 烩 而 我 们 正 好 处 在 一 个 临 界 速 度 上, 这 才 使 得 宇 宙 中 的 各 种 复 杂 结 构 和 生 命 的 诞 生 成 为 可 能 这 个 速 度 要 准 确 到 什 么 程 度 呢? 大 约 是 10^55 分 之 一, 这 是 什 么 概 念? 你 从 宇 宙 的 一 端 瞄 准 并 打 中 在 另 一 端 的 一 只 苍 蝇 ( 相 隔 300 亿 光 年 ), 所 需 准 确 性 也 不 过 10^30 分 之 一 类 似 的 惊 人 准 确 的 宇 宙 常 数, 我 们 还 可 以 举 出 几 十 个 我 们 问 : 为 什 么 宇 宙 以 这 样 一 个 速 度 膨 胀? 人 择 原 理 的 回 答 是 : 宇 宙 必 须 以 这 样 一 个 速 度 膨 胀, 不 然 就 没 有 你 来 问 这 个 问 题 了 因 为 只 有 以 这 样 一 个 速 度 膨 胀, 生 命 和 智 慧 才 可 能 诞 生, 从 而 使 问 题 的 提 出 成 为 可 能! 显 然 不 会 有 人 问 : 为 什 么 宇 宙 以 1 米 / 秒 的 速 度 膨 胀? 因 为 以 这 个 速 度 膨 胀 的 宇 宙 是 一 团 火 球, 不 会 有 人 在 那 里 存 在 参 予 性 宇 宙 是 增 强 的 人 择 原 理, 它 不 仅 表 明 我 们 的 存 在 影 响 了 宇 宙 的 性 质, 更 甚, 我 们 的 存 在 创 造 了 宇 宙 和 它 的 历 史 本 身! 可 以 想 象 这 样 一 种 情 形 : 各 种 宇 宙 常 数 首 先 是 一 个 不 确 定 的 叠 加, 只 有 被 观 测 者 观 察 后 才 变 成 确 定 但 这 样 一 来 它 们 又 必 须 保 持 在 某 些 精 确 的 范 围 内, 以 便 创 造 一 个 好 的 环 境, 令 观 测 者 有 可 能 在 宇 宙 中 存 在 并 观 察 它 们! 这 似 乎 是 一 个 逻 辑 循 环 : 我 们 选 择 了 宇 宙, 宇 宙 又 创 造 了 我 们 这 件 怪 事 叫 做 自 指 或 者 自 激 活 (self-exciting), 意 识 的 存 在 反 过 来 又 创 造 了 它 自 身 的 过 去! 请 各 位 读 者 确 信, 我 写 到 这 里 已 经 和 你 们 一 样 头 大 如 斗, 嗡 嗡 作 响 不 已 这 个 理 论 的 古 怪 差 不 多 已 经 超 出 了 我 们 可 以 承 受 的 心 理 极 限, 我 们 在 意 识 这 里 已 经 筋 疲 力 尽, 无 力 继 续 前 进 了 对 此 感 到 不 可 接 受 的 也 绝 不 仅 仅 是 我 们 这 些 门 外 汉, 当 时 已 经 大 大 有 名 的 约 翰? 贝 尔 (John Bell, 我 们 很 快 就 要 讲 到 他 ) 就 嘟 囔 道 : 难 道 亿 万 年 来, 宇 宙 波 函 数 一 直 在 等 一 个 单 细

136 胞 生 物 的 出 现, 然 后 才 坍 缩? 还 是 它 还 得 多 等 一 会 儿, 直 到 出 现 了 一 个 有 资 格 的, 有 博 士 学 位 的 观 测 者? 要 是 爱 因 斯 坦 在 天 有 灵, 看 到 有 人 在 他 的 诞 辰 纪 念 上 发 表 这 样 古 怪 的, 违 反 因 果 律 的 模 型, 不 知 作 何 感 想? 就 算 从 哥 本 哈 根 解 释 本 身 而 言, 意 识 似 乎 也 走 得 太 远 了 大 多 数 主 流 的 物 理 学 家 仍 然 小 心 谨 慎 地 对 待 这 一 问 题, 持 有 一 种 更 为 正 统 的 哥 本 哈 根 观 点 然 而 所 谓 正 统 观 念 其 实 是 一 种 鸵 鸟 政 策, 它 实 际 上 就 是 把 这 个 问 题 抛 在 一 边, 简 单 地 假 设 波 函 数 一 观 测 就 坍 缩, 而 对 它 如 何 坍 缩, 何 时 坍 缩, 为 什 么 会 坍 缩 不 闻 不 问 量 子 论 只 要 在 实 际 中 管 用 就 行 了, 我 们 更 为 关 心 的 是 一 些 实 际 问 题, 而 不 是 这 种 玄 之 又 玄 的 阐 述! 但 是, 无 论 如 何, 当 新 物 理 学 触 及 到 这 样 一 个 困 扰 了 人 类 千 百 年 的 本 体 问 题 核 心 后, 这 无 疑 也 激 起 了 许 多 物 理 学 家 们 的 热 情 和 好 奇 心 的 确 有 科 学 家 沿 着 维 格 纳 的 方 向 继 续 探 索, 并 论 证 意 识 在 量 子 论 解 释 中 所 扮 演 的 地 位 这 里 面 的 代 表 人 物 是 伯 克 利 劳 伦 斯 国 家 物 理 实 验 室 的 美 国 物 理 学 家 亨 利? 斯 塔 普 (Henry Stapp), 他 自 1993 年 出 版 了 著 作 精 神, 物 质 和 量 子 力 学 (Mind, Matter, and Quantum Mechanics) 之 后, 便 一 直 与 别 的 物 理 学 家 为 此 辩 论 至 今 ( 大 家 如 果 有 兴 趣, 可 以 去 他 的 网 页 看 看 他 的 文 章 ) 这 种 说 法 也 获 得 了 某 些 人 的 支 持, 去 年, 也 就 是 2003 年, 还 有 人 ( 阿 姆 斯 特 丹 大 学 的 Dick J. Bierman) 宣 称 用 实 验 证 明 了 人 类 意 识 的 确 使 波 函 数 坍 缩 不 过 这 一 派 的 支 持 者 也 始 终 无 法 就 意 识 建 立 起 有 说 服 力 的 模 型 来, 对 于 他 们 的 宣 称, 我 们 在 心 怀 惧 意 的 情 况 下 最 好 还 是 采 取 略 为 审 慎 的 保 守 态 度, 看 看 将 来 的 发 展 如 何 再 说 我 们 沿 着 哥 本 哈 根 派 开 拓 的 道 路 走 来, 但 或 许 是 走 得 过 头 了, 误 入 歧 途, 结 果 发 现 在 尽 头 藏 着 一 只 叫 做 意 识 的 怪 兽 让 我 们 惊 恐 不 已 这 已 经 不 是 玻 尔 和 哥 本 哈 根 派 的 本 意, 我 们 还 是 退 回 到 大 多 数 人 站 着 的 地 方, 看 看 还 有 没 有 别 的 道 路 可 以 前 进 嗯, 我 们 发 现 的 确 还 有 几 条 小 路 通 向 未 知 的 尽 头, 让 我 们 试 着 换 几 条 道 路 走 走, 看 看 它 是 不 是 会 把 我 们 引 向 光 明 的 康 庄 大 道 不 过 让 我 们 先 在 原 来 的 那 条 路 上 做 好 记 号, 醒 目 地 写 下 意 识 怪 兽 的 字 样 并 打 上 惊 叹 号 以 警 醒 后 人 好, 现 在 我 们 出 发 去 另 一 条 道 路 探 险, 这 条 小 道 看 上 去 笼 罩 在 一 片 浓 雾 缭 绕 中, 并 且 好 像 在 远 处 分 裂 成 无 限 条 岔 路 我 似 乎 已 经 有 不 太 美 妙 的 预 感, 不 过 还 是 让 我 们 擦 擦 汗, 壮 着 胆 子 前 去 看 看 吧 ********* 饭 后 闲 话 : 海 森 堡 和 德 国 原 子 弹 计 划 ( 七 ) 海 森 堡 不 久 便 从 报 上 得 知 了 炸 弹 的 实 际 重 量 :200 千 克, 核 心 爆 炸 物 只 有 几 千 克 他 显 得 烦 躁 不 已, 对 自 己 的 估 计 错 在 何 处 感 到 非 常 纳 闷 他 对 哈 特 克 说 : 他 们 是 怎 么 做 到 的? 如 果 我 们 这 些 曾 经 干 过 同 样 工 作 的 教 授 们 连 他 们 ( 理 论 上 ) 是 怎 么 做 到 的 都 搞 不 懂, 我 感 到 很 丢 脸 德 国 人 讨 论 了 多 种 可 能 性, 但 一 直 到 14 号, 事 情 才 起 了 决 定 性 的 转 变 到 了 8 月 14 号, 海 森 堡 终 于 意 识 到 了 正 确 的 计 算 方 法 ( 也 不 是 全 部 的 ), 他 在 别 的 科 学 家 面 前 进 行 了 一 次 讲 授, 并 且 大 体 上 得 到 了 相 对 正 确 的 结 果 他 的 结 论 是 6.2 厘 米 半 径 --16 千 克! 而 在 他 授 课 时, 别 的 科 学 家 对 此 表 现 出 一 无 所 知, 他 们 的 提 问 往 往 幼 稚 可 笑 德 国 人 为 他 们 的 骄 傲 自 大 付 出 了 最 终 的 代 价

137 对 此 事 的 进 一 步 分 析 可 以 在 1998 年 出 版 的 海 森 堡 与 纳 粹 原 子 弹 计 划 (Paul Rose) 和 2000 年 出 版 的 希 特 勒 的 铀 俱 乐 部 (Jeremy Bernstein) 二 书 中 找 到 非 常 详 尽 的 资 料 大 体 上 说, 近 几 年 来 已 经 比 较 少 有 认 真 的 历 史 学 家 对 此 事 表 示 异 议, 至 少 在 英 语 世 界 是 如 此 关 于 1941 年 海 森 堡 和 玻 尔 在 哥 本 哈 根 的 会 面, 也 就 是 哥 本 哈 根 一 剧 中 所 探 寻 的 那 个 场 景, 我 们 也 已 经 有 了 突 破 性 的 进 展 关 于 这 场 会 面 的 讨 论 是 如 此 之 多 之 热 烈, 以 致 玻 尔 的 家 属 提 前 10 年 ( 原 定 保 密 50 年 ) 公 布 了 他 的 一 些 未 寄 出 的 信 件, 其 中 谈 到 了 1941 年 的 会 面 ( 我 们 知 道, 玻 尔 生 前 几 乎 从 不 谈 起 这 些 ), 为 的 是 不 让 人 们 再 误 解 它 们 的 内 容 这 些 信 件 于 2002 年 2 月 6 日 在 玻 尔 的 官 方 网 站 ( 上 公 布, 引 起 一 阵 热 潮, 使 这 个 网 站 的 日 点 击 率 从 50 左 右 猛 涨 至 在 这 些 首 次 被 披 露 的 信 件 中, 我 们 可 以 看 到 玻 尔 对 海 森 堡 来 访 的 态 度 这 些 信 件 中 主 要 的 一 封 是 在 玻 尔 拿 到 Robert Jungk 的 新 书 比 一 千 个 太 阳 更 明 亮 之 后 准 备 寄 给 海 森 堡 的, 我 们 在 前 面 已 经 说 到, 这 本 书 赞 扬 了 德 国 人 在 原 子 弹 问 题 上 表 现 出 的 科 学 道 德 ( 基 于 对 海 森 堡 本 人 的 采 访!) 玻 尔 明 确 地 说, 他 清 楚 地 记 得 当 年 的 每 一 句 谈 话, 他 和 妻 子 玛 格 丽 特 都 留 下 了 强 烈 的 印 象 : 海 森 堡 和 魏 扎 克 努 力 地 试 图 说 服 玻 尔 他 们, 德 国 的 最 终 胜 利 不 可 避 免, 因 此 采 取 不 合 作 态 度 是 不 明 智 的 玻 尔 说, 海 森 堡 谈 到 原 子 弹 计 划 时, 给 他 留 下 的 唯 一 感 觉 就 是 在 海 森 堡 的 领 导 下, 德 国 正 在 按 部 就 班 地 完 成 一 切 他 强 调 说, 他 保 持 沉 默, 不 是 海 森 堡 后 来 宣 称 的 因 为 对 原 子 弹 的 可 行 性 感 到 震 惊, 而 是 因 为 德 国 在 致 力 于 制 造 原 子 弹! 玻 尔 显 然 对 海 森 堡 的 以 及 Jungk 的 书 造 成 的 误 导 感 到 不 满 在 别 的 信 件 中, 他 也 提 到, 海 森 堡 等 人 对 别 的 丹 麦 科 学 家 解 释 说, 他 们 对 德 国 的 态 度 是 不 明 智 的, 因 为 德 国 的 胜 利 十 分 明 显 玻 尔 似 乎 曾 经 多 次 想 和 海 森 堡 私 下 谈 一 次, 以 澄 清 关 于 这 段 历 史 的 误 解, 但 最 终 他 的 信 件 都 没 有 发 出, 想 必 是 思 量 再 三, 还 是 觉 得 恩 恩 怨 怨 就 这 样 让 它 去 吧 这 些 文 件 可 以 在 找 到 容 易 理 解, 为 什 么 多 年 后 玻 尔 夫 人 再 次 看 到 海 森 堡 和 魏 扎 克 时, 愤 怒 地 对 旁 人 说 : 不 管 别 人 怎 么 说, 那 不 是 一 次 友 好 的 访 问! 这 些 文 件 也 部 分 支 持 了 海 森 堡 的 传 记 作 者 Cassidy 在 2000 年 的 Physics Today 杂 志 上 的 文 章 ( 这 篇 文 章 是 针 对 哥 本 哈 根 一 剧 而 写 的 ) Cassidy 认 为 海 森 堡 当 年 去 哥 本 哈 根 是 为 了 说 服 玻 尔 德 国 占 领 欧 洲 并 不 是 最 坏 的 事 ( 至 少 比 苏 联 占 领 欧 洲 好 ), 并 希 望 玻 尔 运 用 他 的 影 响 来 说 服 盟 国 的 科 学 家 不 要 制 造 原 子 弹 当 然 仍 然 有 为 海 森 堡 辩 护 的 人, 主 要 代 表 是 他 的 一 个 学 生 Klaus Gottstein, 当 年 一 起 同 行 的 魏 扎 克 也 仍 然 认 定, 是 玻 尔 犯 了 一 个 可 怕 的 记 忆 错 误 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 对 于 纳 粹 的 不 认 同 态 度 有 目 共 睹, 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

138 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?( yutian 回 复 于 : :57:21 第 九 章 测 量 问 题 四 castor_v_pollux 吃 一 堑, 长 一 智, 我 们 总 结 一 下 教 训 之 所 以 前 头 会 碰 到 意 识 这 样 的 可 怕 东 西, 关 键 在 于 我 们 无 法 准 确 地 定 义 一 个 观 测 者! 一 个 人 和 一 台 照 相 机 之 间 有 什 么 分 别, 大 家 都 说 不 清 道 不 明, 于 是 给 意 识 乘 隙 而 入 而 把 我 们 逼 到 不 得 不 去 定 义 什 么 是 观 测 者 这 一 步 的, 则 是 那 该 死 的 坍 缩 一 个 观 测 者 使 得 波 函 数 坍 缩? 这 似 乎 就 赋 予 了 所 谓 的 观 测 者 一 种 在 宇 宙 中 至 高 无 上 的 地 位, 他 们 享 有 某 种 超 越 基 本 物 理 定 律 的 特 权, 可 以 创 造 一 些 真 正 奇 妙 的 事 情 出 来 真 的, 追 本 朔 源, 罪 魁 祸 首 就 在 暧 昧 的 波 函 数 坍 缩 那 里 了 这 似 乎 像 是 哥 本 哈 根 派 的 一 个 魔 咒, 至 今 仍 然 把 我 们 陷 在 其 中 不 得 动 弹, 而 物 理 学 的 未 来 也 在 它 的 诅 咒 下 显 得 一 片 黯 淡 拿 康 奈 尔 大 学 的 物 理 学 家 科 特 戈 特 弗 雷 德 (Kurt Gottfried) 的 话 来 说, 这 个 坍 缩 就 像 是 一 个 美 丽 理 论 上 的 一 道 丑 陋 疤 痕, 它 云 遮 雾 绕, 似 是 而 非, 模 糊 不 清, 每 个 人 都 各 持 己 见, 为 此 吵 嚷 不 休 怎 样 在 观 测 者 和 非 观 测 者 之 间 划 定 界 限? 薛 定 谔 猫 的 波 函 数 是 在 我 们 打 开 箱 子 的 那 一 刹 那 坍 缩? 还 是 它 要 等 到 光 子 进 入 我 们 的 眼 睛 并 在 视 网 膜 上 激 起 电 脉 冲 信 号? 或 者 它 还 要 再 等 一 会 儿, 一 直 到 这 信 号 传 输 到 大 脑 皮 层 的 某 处 并 最 终 成 为 一 种 精 神 活 动 时 才 真 正 坍 缩? 如 果 我 们 在 这 上 面 大 钻 牛 角 尖 的 话, 前 途 似 乎 不 太 美 妙 那 么, 有 没 有 办 法 绕 过 这 所 谓 的 坍 缩 和 观 测 者, 把 智 能 生 物 的 介 入 从 物 理 学 中 一 脚 踢 开, 使 它 重 新 回 到 我 们 所 熟 悉 和 热 爱 的 轨 道 上 来 呢? 让 我 们 重 温 那 个 经 典 的 双 缝 困 境 : 电 子 是 穿 过 左 边 的 狭 缝 呢, 还 是 右 边 的? 按 照 哥 本 哈 根 解 释, 当 我 们 未 观 测 时, 它 的 波 函 数 呈 现 两 种 可 能 的 线 性 叠 加 而 一 旦 观 测, 则 在 一 边 出 现 峰 值, 波 函 数 坍 缩 了, 随 机 地 选 择 通 过 了 左 边 或 者 右 边 的 一 条 缝 量 子 世 界 的 随 机 性 在 坍 缩 中 得 到 了 最 好 的 体 现 要 摆 脱 这 一 困 境, 不 承 认 坍 缩, 那 么 只 有 承 认 波 函 数 从 未 选 择 左 还 是 右, 它 始 终 保 持 在 一 个 线 性 叠 加 的 状 态, 不 管 是 不 是 进 行 了 观 测 可 是 这 又 明 显 与 我 们 的 实 际 经 验 不 符, 因 为 从 未 有 人 在 现 实 中 观 察 到 同 时 穿 过 左 和 右 两 条 缝 的 电 子, 也 没 有 人 看 见 过 同 时 又 死 又 活 的 猫 ( 半 死 不 活, 奄 奄 一 息 的 倒 有 不 少 ) 事 到 如 今, 我 们 已 经 是 骑 虎 难 下, 进 退 维 谷, 哥 本 哈 根 的 魔 咒 已 经 缠 住 了 我 们, 如 果 我 们 不 鼓 起 勇 气, 作 出 最 惊 世 骇 俗 的 假 设, 我 们 将 注 定 困 顿 不 前 如 果 波 函 数 没 有 坍 缩, 则 它 必 定 保 持 线 性 叠 加 电 子 必 定 是 左 / 右 的 叠 加, 但 在 现 实 世 界 中 从 未 观 测 到 这 种 现 象 有 一 个 狂 想 可 以 解 除 这 个 可 憎 的 诅 咒, 虽 然 它 听 上 去 真 的 很 疯 狂, 但 慌 不 择 路, 我 们 已 经 是 nothing to lose 失 去 的 只 是 桎 梏, 但 说 不 定 赢 得 的 是 整 个 世 界 呢?

139 是 的! 电 子 即 使 在 观 测 后 仍 然 处 在 左 / 右 的 叠 加, 但 是, 我 们 的 世 界 也 只 不 过 是 叠 加 的 一 部 分! 当 电 子 穿 过 双 缝 后, 处 于 叠 加 态 的 不 仅 仅 是 电 子, 还 包 括 我 们 整 个 的 世 界! 也 就 是 说, 当 电 子 经 过 双 缝 后, 出 现 了 两 个 叠 加 在 一 起 的 世 界, 在 其 中 的 一 个 世 界 里 电 子 穿 过 了 左 边 的 狭 缝, 而 在 另 一 个 里, 电 子 则 通 过 了 右 边! 波 函 数 无 需 坍 缩, 去 随 机 选 择 左 还 是 右, 事 实 上 两 种 可 能 都 发 生 了! 只 不 过 它 表 现 为 整 个 世 界 的 叠 加 : 生 活 在 一 个 世 界 中 的 人 们 发 现 在 他 们 那 里 电 子 通 过 了 左 边 的 狭 缝, 而 在 另 一 个 世 界 中, 人 们 观 察 到 的 电 子 则 在 右 边! 量 子 过 程 造 成 了 两 个 世 界! 这 就 是 量 子 论 的 多 世 界 解 释 (Many Worlds Interpretation, 简 称 MWI) 要 更 好 地 了 解 MWI, 不 得 不 从 它 的 创 始 人, 一 生 颇 有 传 奇 色 彩 的 休 埃 弗 莱 特 (Hugh Everett III, 他 的 祖 父 和 父 亲 也 都 叫 Hugh Everett, 因 此 他 其 实 是 埃 弗 莱 特 三 世 ) 讲 起 1930 年 11 月 9 日, 爱 因 斯 坦 在 纽 约 时 报 杂 志 上 发 表 了 他 著 名 的 文 章 论 科 学 与 宗 教, 他 的 那 句 名 言 至 今 仍 然 在 我 们 耳 边 回 响 : 没 有 宗 教 的 科 学 是 跛 足 的, 没 有 科 学 的 宗 教 是 盲 目 的 两 天 后, 小 埃 弗 莱 特 就 在 华 盛 顿 出 生 了 埃 弗 莱 特 对 爱 因 斯 坦 怀 有 深 深 的 崇 敬, 在 他 只 有 12 岁 的 时 候, 他 就 写 信 问 在 普 林 斯 顿 的 爱 因 斯 坦 一 些 关 于 宇 宙 的 问 题, 而 爱 因 斯 坦 还 真 的 复 信 回 答 了 他 当 他 拿 到 化 学 工 程 的 本 科 学 位 之 后, 他 也 进 入 了 普 林 斯 顿 攻 读 一 开 始 他 进 的 是 数 学 系, 但 他 很 快 想 方 设 法 转 投 物 理 50 年 代 正 是 量 子 论 方 兴 未 艾, 而 哥 本 哈 根 解 释 如 日 中 天, 一 统 天 下 的 时 候 埃 弗 莱 特 认 识 了 许 多 在 这 方 面 的 物 理 学 生, 其 中 包 括 玻 尔 的 助 手 Aage Peterson, 后 者 和 他 讨 论 了 量 子 论 中 的 观 测 难 题, 这 激 起 了 埃 弗 莱 特 极 大 的 兴 趣 他 很 快 接 触 了 约 翰 惠 勒, 惠 勒 鼓 励 了 他 在 这 方 面 的 思 考, 到 了 1954 年, 埃 弗 莱 特 向 惠 勒 提 交 了 两 篇 论 文, 多 世 界 理 论 ( 有 时 也 被 称 作 埃 弗 莱 特 主 义 -Everettism ) 第 一 次 亮 相 了 按 照 埃 弗 莱 特 的 看 法, 波 函 数 从 未 坍 缩, 而 只 是 世 界 和 观 测 者 本 身 进 入 了 叠 加 状 态 当 电 子 穿 过 双 缝 后, 整 个 世 界, 包 括 我 们 本 身 成 为 了 两 个 独 立 的 叠 加, 在 每 一 个 世 界 里, 电 子 以 一 种 可 能 出 现 但 不 幸 的 是, 埃 弗 莱 特 用 了 一 个 容 易 误 导 和 引 起 歧 义 的 词 分 裂 (splitting), 他 打 了 一 个 比 方, 说 宇 宙 像 一 个 阿 米 巴 变 形 虫, 当 电 子 通 过 双 缝 后, 这 个 虫 子 自 我 裂 变, 繁 殖 成 为 两 个 几 乎 一 模 一 样 的 变 形 虫 唯 一 的 不 同 是, 一 个 虫 子 记 得 电 子 从 左 而 过, 另 一 个 虫 子 记 得 电 子 从 右 而 过 惠 勒 也 许 意 识 到 了 这 个 用 词 的 不 妥, 他 在 论 文 的 空 白 里 写 道 : 分 裂? 最 好 换 个 词 但 大 多 数 物 理 学 家 并 不 知 道 他 的 意 见 也 许, 惠 勒 应 该 搞 得 戏 剧 化 一 点, 比 如 写 上 我 想 到 了 一 个 绝 妙 的 用 词, 可 惜 空 白 太 小, 写 不 下 在 很 长 的 一 段 时 间 里, 埃 弗 莱 特 的 理 论 被 人 们 理 解 成 : 当 电 子 通 过 双 缝 的 时 候, 宇 宙 神 奇 地 分 裂 成 了 两 个 独 立 的 宇 宙, 在 一 个 里 面 电 子 通 过 左 缝, 另 一 个 相 反 这 样 一 来, 宇 宙 的 历 史 就 像 一 条 岔 路, 每 进 行 一 次 观 测, 它 就 分 岔 成 若 干 小 路, 每 条 路 对 应 于 一 个 可 能 的 结 果 而 每 一 条 岔 路 又 随 着 继 续 观 察 而 进 一 步 分 裂, 直 至 无 穷 但 每 一 条 路 都 是 实 在 的, 只 不 过 它 们 之 间 无 法 相 互 沟 通 而 已 假 设 我 们 观 测 双 缝 实 验, 发 现 电 子 通 过 了 左 缝 其 实 当 我 们 观 测 的 一 瞬 间, 宇 宙 已 经 不 知 不 觉 地 分 裂 了, 变 成 了 几 乎 相 同 的 两 个 我 们 现 在 处 于 的 这 个 叫 做 左 宇 宙, 另 外 还 有 一 个 右 宇 宙, 在 那 里 我 们 将 发 现 电 子 通 过 了 右 缝, 但 除 此 之 外 一 切 都 和 我 们 这 个 宇 宙 完

140 全 一 样 你 也 许 要 问 : 为 什 么 我 在 左 宇 宙 里, 而 不 是 在 右 宇 宙 里? 这 种 问 题 显 然 没 什 么 意 义, 因 为 在 另 一 个 宇 宙 中, 另 一 个 你 或 许 也 在 问 : 为 什 么 我 在 右 宇 宙, 而 不 是 左 宇 宙 里? 观 测 者 的 地 位 不 再 重 要, 因 为 无 论 如 何 宇 宙 都 会 分 裂, 实 际 上 所 有 的 结 果 都 会 出 现, 量 子 过 程 所 产 生 的 一 切 可 能 都 对 应 于 相 应 的 一 个 宇 宙, 只 不 过 在 大 多 数 蛮 荒 宇 宙 中, 没 有 智 能 生 物 来 提 出 问 题 罢 了 这 样 一 来, 薛 定 谔 的 猫 也 不 必 再 为 死 活 问 题 困 扰 只 不 过 是 宇 宙 分 裂 成 了 两 个, 一 个 有 活 猫, 一 个 有 死 猫 罢 了 对 于 那 个 活 猫 的 宇 宙, 猫 是 一 直 活 着 的, 不 存 在 死 活 叠 加 的 问 题 对 于 死 猫 的 宇 宙, 猫 在 分 裂 的 那 一 刻 就 实 实 在 在 地 死 了, 不 要 等 人 们 打 开 箱 子 才 坍 缩, 从 而 盖 棺 定 论 从 宇 宙 诞 生 以 来, 已 经 进 行 过 无 数 次 这 样 的 分 裂, 它 的 数 量 以 几 何 级 数 增 长, 很 快 趋 于 无 穷 我 们 现 在 处 于 的 这 个 宇 宙 只 不 过 是 其 中 的 一 个, 在 它 之 外, 还 有 非 常 多 的 其 他 的 宇 宙 有 些 和 我 们 很 接 近, 那 是 在 家 谱 树 上 最 近 刚 刚 分 离 出 来 的, 而 那 些 从 遥 远 的 古 代 就 同 我 们 分 道 扬 镳 的 宇 宙 则 可 能 非 常 不 同 也 许 在 某 个 宇 宙 中, 小 行 星 并 未 撞 击 地 球, 恐 龙 仍 是 世 界 主 宰 在 某 个 宇 宙 中, 埃 及 艳 后 克 娄 帕 特 拉 的 鼻 子 稍 短 了 一 点, 没 有 教 恺 撒 和 安 东 尼 怦 然 心 动 那 些 反 对 历 史 决 定 论 的 鼻 子 派 历 史 学 家 一 定 会 对 后 来 的 发 展 大 感 兴 趣, 看 看 是 不 是 真 的 存 在 历 史 蝴 蝶 效 应 在 某 个 宇 宙 中, 格 鲁 希 没 有 在 滑 铁 卢 迟 到, 而 希 特 勒 没 有 在 敦 刻 尔 克 前 下 达 停 止 进 攻 的 命 令 而 在 更 多 的 宇 宙 里, 因 为 物 理 常 数 的 不 适 合, 根 本 就 没 有 生 命 和 行 星 的 存 在 严 格 地 说, 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 剃 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 宇 宙 的 分 裂 其 实 应 该 算 是 一 种 误 解, 不 过 直 到 现 在, 大 多 数 人, 包 括 许 多 物 理 学 家 仍 然 是 这 样 理 解 埃 弗 莱 特 的! 这 样 一 来, 这 个 理 论 就 显 得 太 大 惊 小 怪 了, 为 了 一 个 小 小 的 电 子 从 左 边 还 是 右 边 通 过 的 问 题, 我 们 竟 然 要 兴 师 动 众 地 牵 涉 整 个 宇 宙 的 分 裂! 许 多 人 对 此 的 评 论 是 杀 鸡 用 牛 刀 爱 因 斯 坦 曾 经 有 一 次 说 : 我 不 能 相 信, 仅 仅 是 因 为 看 了 它 一 眼, 一 只 老 鼠 就 使 得 宇 宙 发 生 剧 烈 的 改 变 这 话 他 本 来 是 对 着 哥 本 哈 根 派 说 的, 不 过 的 确 代 表 了 许 多 人 的 想 法 : 用 牺 牲 宇 宙 的 代 价 来 迎 合 电 子 的 随 机 选 择, 未 免 太 不 经 济 廉 价, 还 产 生 了 那 么 多 不 可 观 察 的 平 行 宇 宙 的 废 料 MWI 后 来 最 为 积 极 的 鼓 吹 者 之 一, 德 克 萨 斯 大 学 的 布 莱 斯 德 威 特 (Bryce S. DeWitt) 在 描 述 他 第 一 次 听 说 MWI 的 时 候 说 : 我 仍 然 清 晰 地 记 得, 当 我 第 一 次 遇 到 多 世 界 概 念 时 所 受 到 的 震 动 100 个 略 有 缺 陷 的 自 我 拷 贝 贝, 都 在 不 停 地 分 裂 成 进 一 步 的 拷 贝, 而 最 后 面 目 全 非 这 个 想 法 是 很 难 符 合 常 识 的 这 是 一 种 彻 头 彻 尾 的 精 神 分 裂 症 对 于 我 们 来 说, 也 许 接 受 意 识, 还 要 比 相 信 宇 宙 分 裂 来 得 容 易 一 些! 不 难 想 象, 埃 弗 莱 特 的 MWI 在 1957 年 作 为 博 士 论 文 发 表 后, 虽 然 有 惠 勒 的 推 荐 和 修 改, 在 物 理 界 仍 然 反 应 冷 淡 埃 弗 莱 特 曾 经 在 1959 年 特 地 飞 去 哥 本 哈 根 见 到 玻 尔, 但 玻 尔 根 本 就 不 想 讨 论 任 何 对 于 量 子 论 新 的 解 释, 也 不 想 对 此 作 什 么 评 论, 这 使 他 心 灰 意 冷 作 为 玻 尔 来 说, 他 当 然 一 生 都 坚 定 地 维 护 着 哥 本 哈 根 理 论, 对 于 50 年 代 兴 起 的 一 些 别 的 解 释, 比 如 玻 姆 的 隐 函 数 理 论 ( 我 们 后 面 要 谈 到 ), 他 的 评 论 是 这 就 好 比 我 们 希 望 以 后 能 证 明 2 2=5 一 样 在 玻 尔 临 死 前 的 最 后 的 访 谈 中, 他 还 在 批 评 一 些 哲 学 家, 声 称 : 他 们 不 知 道 它 ( 互

141 补 原 理 ) 是 一 种 客 观 描 述, 而 且 是 唯 一 可 能 的 客 观 描 述 受 到 冷 落 的 埃 弗 莱 特 逐 渐 退 出 物 理 界, 他 先 供 职 于 国 防 部, 后 来 又 成 为 著 名 的 Lambda 公 司 的 创 建 人 之 一 和 主 席, 这 使 他 很 快 成 为 百 万 富 翁 但 他 的 见 解 后 来 被 人 称 为 20 世 纪 隐 藏 得 最 深 的 秘 密 之 一 的 却 长 期 不 为 人 们 所 重 视 直 到 70 年 代, 德 威 特 重 新 发 掘 了 他 的 多 世 界 解 释 并 在 物 理 学 家 中 大 力 宣 传,MWI 才 开 始 为 人 所 知, 并 迅 速 成 为 热 门 的 话 题 之 一 如 今, 这 种 解 释 已 经 拥 有 大 量 支 持 者, 坐 稳 哥 本 哈 根 解 释 之 后 的 第 二 把 交 椅, 并 大 有 后 来 居 上 之 势 为 此, 埃 弗 莱 特 本 人 曾 计 划 复 出, 重 返 物 理 界 去 做 一 些 量 子 力 学 方 面 的 研 究 工 作, 但 他 不 幸 在 1982 年 因 为 心 脏 病 去 世 了 在 惠 勒 和 德 威 特 所 在 的 德 州 大 学, 埃 弗 莱 特 是 最 受 尊 崇 的 人 之 一 当 他 应 邀 去 做 量 子 论 的 演 讲 时, 因 为 他 的 烟 瘾 很 重, 被 特 别 允 许 吸 烟 这 是 那 个 礼 堂 有 史 以 来 唯 一 的 一 次 例 外 yutian 回 复 于 : :59:51 针 对 人 们 对 MWI 普 遍 存 在 的 误 解, 近 来 一 些 科 学 家 也 试 图 为 其 正 名, 澄 清 这 种 稀 奇 古 怪 的 宇 宙 分 裂 并 非 MWI 和 埃 弗 莱 特 的 本 意 ( 如 Tegmark1998), 我 们 在 这 里 也 不 妨 稍 微 讲 一 讲 当 然 要 准 确 地 描 述 它 需 要 用 到 非 常 复 杂 的 数 学 工 具 和 数 学 表 达, 我 们 的 史 话 还 是 以 史 为 本, 在 理 论 上 尽 量 浅 显 一 点 这 里 只 是 和 诸 位 进 行 一 点 最 肤 浅 的 探 讨, 用 到 的 数 学 保 证 不 超 过 中 学 水 平, 希 望 各 位 看 官 也 不 要 望 而 却 步 首 先 我 们 要 谈 谈 所 谓 相 空 间 的 概 念 每 个 读 过 中 学 数 学 的 人 应 该 都 建 立 过 二 维 的 笛 卡 儿 平 面 : 画 一 条 x 轴 和 一 条 与 其 垂 直 的 y 轴, 并 加 上 箭 头 和 刻 度 在 这 样 一 个 平 面 系 统 里, 每 一 个 点 都 可 以 用 一 个 包 含 两 个 变 量 的 坐 标 (x, y) 来 表 示, 例 如 (1, 2), 或 者 (4.3, 5.4), 这 两 个 数 字 分 别 表 示 该 点 在 x 轴 和 y 轴 上 的 投 影 当 然, 并 不 一 定 要 使 用 直 角 坐 标 系 统, 也 可 以 用 极 坐 标 或 者 其 他 坐 标 系 统 来 描 述 一 个 点, 但 不 管 怎 样, 对 于 2 维 平 面 来 说, 用 两 个 数 字 就 可 以 唯 一 地 指 明 一 个 点 了 如 果 要 描 述 三 维 空 间 中 的 一 个 点, 那 么 我 们 的 坐 标 里 就 要 有 3 个 数 字, 比 如 (1, 2, 3), 这 3 个 数 字 分 别 代 表 该 点 在 3 个 互 相 垂 直 的 维 度 方 向 的 投 影 让 我 们 扩 展 一 下 思 维 : 假 如 有 一 个 四 维 空 间 中 的 点, 我 们 又 应 该 如 何 去 描 述 它 呢? 显 然 我 们 要 使 用 含 有 4 个 变 量 的 坐 标, 比 如 (1, 2, 3, 4), 如 果 我 们 用 的 是 直 角 坐 标 系 统, 那 么 这 4 个 数 字 便 代 表 该 点 在 4 个 互 相 垂 直 的 维 度 方 向 的 投 影, 推 广 到 n 维, 情 况 也 是 一 样 诸 位 大 可 不 必 费 神 在 脑 海 中 努 力 构 想 4 维 或 者 11 维 空 间 是 如 何 在 4 个 乃 至 11 个 方 向 上 都 互 相 垂 直 的, 事 实 上 这 只 是 我 们 在 数 学 上 构 造 的 一 个 假 想 系 统 而 已 我 们 所 关 心 的 是 :n 维 空 间 中 的 一 个 点 可 以 用 n 个 变 量 来 唯 一 描 述, 而 反 过 来,n 个 变 量 也 可 以 用 一 个 n 维 空 间 中 的 点 来 涵 盖 现 在 让 我 们 回 到 物 理 世 界, 我 们 如 何 去 描 述 一 个 普 通 的 粒 子 呢? 在 每 一 个 时 刻 t, 它 应 该 具 有 一 个 确 定 的 位 置 坐 标 (q1, q2, q3), 还 具 有 一 个 确 定 的 动 量 p 动 量 也 就 是 速 度 乘 以 质 量, 是 一 个 矢 量, 在 每 个 维 度 方 向 都 有 分 量, 所 以 要 描 述 动 量 p 还 得 用 3 个 数 字 :p1,p2 和 p3, 分 别 表 示 它 在 3 个 方 向 上 的 速 度 总 而 言 之, 要 完 全 描 述 一 个 物 理 质 点 在 t 时 刻 的 状 态, 我 们 一 共 要 用 到 6 个 变 量 而 我 们 在 前 面 已 经 看 到 了, 这 6 个 变 量 可 以 用 6 维 空 间 中 的 一 个 点 来 概 括, 所 以 用 6 维 空 间 中 的 一 个 点, 我 们 可 以 描 述 1 个 普 通 物 理 粒 子 的 经 典 行 为 我 们 这 个 存 心 构 造 出 来 的 高 维 空 间 就 是 系 统 的 相 空 间

142 假 如 一 个 系 统 由 两 个 粒 子 组 成, 那 么 在 每 个 时 刻 t 这 个 系 统 则 必 须 由 12 个 变 量 来 描 述 了 但 同 样, 我 们 可 以 用 12 维 空 间 中 的 一 个 点 来 代 替 它 对 于 一 些 宏 观 物 体, 比 如 一 只 猫, 它 所 包 含 的 粒 子 可 就 太 多 了, 假 设 有 n 个 吧, 不 过 这 不 是 一 个 本 质 问 题, 我 们 仍 然 可 以 用 一 个 6n 维 相 空 间 中 的 质 点 来 描 述 它 这 样 一 来, 一 只 猫 在 任 意 一 段 时 期 内 的 活 动 其 实 都 可 以 等 价 为 6n 空 间 中 一 个 点 的 运 动 ( 假 定 组 成 猫 的 粒 子 数 目 不 变 ) 我 们 这 样 做 并 不 是 吃 饱 了 饭 太 闲 的 缘 故, 而 是 因 为 在 数 学 上, 描 述 一 个 点 的 运 动, 哪 怕 是 6n 维 空 间 中 的 一 个 点, 也 要 比 描 述 普 通 空 间 中 的 一 只 猫 来 得 方 便 在 经 典 物 理 中, 对 于 这 样 一 个 代 表 了 整 个 系 统 的 相 空 间 中 的 点, 我 们 可 以 用 所 谓 的 哈 密 顿 方 程 去 描 述, 并 得 出 许 多 有 益 的 结 论 在 我 们 史 话 的 前 面 已 经 提 到 过, 无 论 是 海 森 堡 的 矩 阵 力 学 还 是 薛 定 谔 的 波 动 力 学, 都 是 从 哈 密 顿 的 方 程 改 造 而 来, 所 以 它 们 后 来 被 证 明 互 相 等 价 也 是 不 足 为 奇 现 在, 在 量 子 理 论 中, 我 们 也 可 以 使 用 与 相 空 间 类 似 的 手 法 来 描 述 一 个 系 统 的 状 态, 只 不 过 把 经 典 的 相 空 间 改 造 成 复 的 希 尔 伯 特 矢 量 空 间 罢 了 具 体 的 细 节 读 者 们 可 以 不 用 理 会, 只 要 把 握 其 中 的 精 髓 : 一 个 复 杂 系 统 的 状 态 可 以 看 成 某 种 高 维 空 间 中 的 一 个 点 或 者 一 个 矢 量 比 如 一 只 活 猫, 它 就 对 应 于 某 个 希 尔 伯 特 空 间 中 的 一 个 态 矢 量, 如 果 采 用 狄 拉 克 引 入 的 符 号, 我 们 可 以 把 它 用 一 个 带 尖 角 的 括 号 来 表 示, 写 成 : 活 猫 > 死 猫 可 以 类 似 地 写 成 : 死 猫 > 说 了 那 么 多, 这 和 量 子 论 或 者 MWI 有 什 么 关 系 呢? 让 我 们 回 头 来 看 一 个 量 子 过 程, 比 如 那 个 经 典 的 双 缝 困 境 吧 正 如 我 们 已 经 反 复 提 到 的 那 样, 如 果 我 们 不 去 观 测 电 子 究 竟 通 过 了 哪 条 缝, 它 就 应 该 同 时 通 过 两 条 缝 而 产 生 干 涉 此 时 它 的 波 函 数 是 一 个 线 性 叠 加, 且 严 格 按 照 薛 定 谔 方 程 演 化 也 就 是 说, ψ> 可 以 表 示 为 : a 通 过 左 缝 > + b 通 过 右 缝 > 我 们 还 记 得 波 函 数 强 度 的 平 方 就 是 概 率, 为 了 简 化 起 见 我 们 假 定 粒 子 通 过 左 右 缝 的 概 率 是 相 等 的, 而 且 没 有 别 的 可 能 如 此 一 来 则 a^2+b^2=1, 得 出 a 和 b 均 为 根 号 2 分 之 1 不 过 这 些 只 是 表 明 概 率 的 系 数 而 已, 我 们 也 不 去 理 会, 关 键 是 系 统 在 未 经 观 察 时, 必 须 是 一 个 左 >+ 右 > 的 叠 加! 如 果 我 们 不 去 干 扰 这 个 系 统, 则 其 按 薛 定 谔 波 动 方 程 严 格 地 发 展 为 了 表 述 方 便, 我 们 按 照 彭 罗 斯 的 话, 把 这 称 为 U 过 程, 它 是 一 个 确 定 的 严 格 的 经 典 的 可 逆 ( 时 间 对 称 ) 的 过 程 但 值 得 一 提 的 是, 薛 定 谔 方 程 是 线 性 的, 也 就 是 说, 只 要 左 > 和 右 > 都 是 可 能 的 解, 则 a 左 >+b 右 > 也 必 定 满 足 方 程! 不 管 U 过 程 如 何 发 展, 系 统 始 终 会 保 持 在 线 性 叠 加 的 状 态 只 有 当 我 们 去 观 测 电 子 的 实 际 行 为 时, 电 子 才 被 迫 表 现 为 一 个 粒 子, 选 择 某 一 条 狭 缝 穿 过 拿 哥 本 哈 根 派 的 话 来 说, 电 子 的 波 函 数 坍 缩 了, 最 终 我 们 只 剩 下 左 > 或 者 右 > 中 的 一 个 态 独 领 风 骚 这 个 过 程 像 是 一 个 奇 迹, 它 完 全 按 照 概 率 随 机 地 发 生, 也 不 再 可 逆, 正 如 你 不 能 让 实 际 已 经 发 生 的 事 情 回 到 许 多 概 率 的 不 确 定 叠 加 中 去 还 是 按 照 彭 罗 斯 的 称 呼, 我 们 把 这 叫 做 R 过 程, 其 实 就 是 所 谓 的 坍 缩 如 何 解 释 R 过 程 的 发 生, 这 就 是 困 扰 我 们 的 难 题 哥 本 哈 根 派 认 为 观 测 者 引 发 了 这 一 过 程, 个 别 极 端 的 则 扯 上 意 识, 那 么,MWI 又 有 何 高 见 呢?

143 它 的 说 法 可 能 让 你 大 吃 一 惊 : 根 本 就 没 有 所 谓 的 坍 缩,R 过 程 实 际 上 从 未 发 生 过! 从 开 天 辟 地 以 来, 在 任 何 时 刻, 任 何 孤 立 系 统 的 波 函 数 都 严 格 地 按 照 薛 定 谔 方 程 以 U 过 程 演 化! 如 果 系 统 处 在 叠 加 态, 它 必 定 永 远 按 照 叠 加 态 演 化! 可 是, 等 等, 这 样 说 固 然 意 气 风 发, 畅 快 淋 漓, 但 它 没 有 解 答 我 们 的 基 本 困 惑 啊! 如 果 叠 加 态 是 不 可 避 免 的, 为 什 么 我 们 在 现 实 中 从 未 观 察 到 同 时 穿 过 双 缝 的 电 子, 或 者 又 死 又 活 的 猫 呢? 只 有 当 我 们 不 去 观 测, 它 们 才 似 乎 处 于 叠 加,MWI 如 何 解 释 我 们 的 观 测 难 题 呢? 让 我 们 来 小 心 地 看 看 埃 弗 莱 特 的 假 定 : 任 何 孤 立 系 统 都 必 须 严 格 地 按 照 薛 定 谔 方 程 演 化 所 谓 孤 立 系 统 指 的 是 与 外 界 完 全 隔 绝 的 系 统, 既 没 有 能 量 也 没 有 物 质 交 流, 这 是 个 理 想 状 态, 在 现 实 中 很 难 做 到, 所 以 几 乎 是 不 可 能 的 只 有 一 样 东 西 例 外 我 们 的 宇 宙 本 身! 因 为 宇 宙 本 身 包 含 了 一 切, 所 以 也 就 无 所 谓 外 界, 把 宇 宙 定 义 为 一 个 孤 立 系 统 似 乎 是 没 有 什 么 大 问 题 的 宇 宙 包 含 了 n 个 粒 子,n 即 便 不 是 无 穷, 也 是 非 常 非 常 大 的, 但 这 不 是 本 质 问 题, 我 们 仍 然 可 以 把 整 个 宇 宙 的 状 态 用 一 个 态 矢 量 来 表 示, 描 述 宇 宙 波 函 数 的 演 化 MWI 的 关 键 在 于 : 虽 然 宇 宙 只 有 一 个 波 函 数, 但 这 个 极 为 复 杂 的 波 函 数 却 包 含 了 许 许 多 多 互 不 干 涉 的 子 世 界 宇 宙 的 整 体 态 矢 量 实 际 上 是 许 许 多 多 子 矢 量 的 叠 加 和, 每 一 个 子 矢 量 都 是 在 某 个 子 世 界 中 的 投 影, 代 表 了 薛 定 谔 方 程 一 个 可 能 的 解, 但 这 些 子 世 界 却 都 是 互 相 垂 直 正 交, 彼 此 不 能 干 涉 的! 为 了 各 位 容 易 理 解, 我 们 假 想 一 种 没 有 维 度 的 质 点 人, 它 本 身 是 一 个 小 点, 而 且 只 能 在 一 个 维 度 上 做 直 线 运 动 这 样 一 来, 它 所 生 活 的 整 个 世 界, 便 是 一 条 特 定 的 直 线, 对 于 这 个 质 点 人 来 说, 它 只 能 感 觉 到 这 条 直 线 上 的 东 西, 而 对 别 的 一 无 所 知 现 在 我 们 回 到 最 简 单 的 二 维 平 面 假 设 有 一 个 矢 量 (1, 2), 我 们 容 易 看 出 它 在 x 轴 上 投 影 为 1,y 轴 上 投 影 为 2 如 果 有 两 个 质 点 人 A 和 B,A 生 活 在 x 轴 上,B 生 活 在 y 轴 上, 那 么 对 于 A 君 来 说, 他 对 我 们 的 矢 量 的 所 有 感 觉 就 是 其 在 x 轴 上 的 那 段 长 度 为 1 的 投 影, 而 B 君 则 感 觉 到 其 在 y 轴 上 的 长 度 为 2 的 投 影 因 为 A 和 B 生 活 在 不 同 的 两 个 世 界 里, 所 以 他 们 的 感 觉 是 不 一 样 的! 但 事 实 上, 真 实 的 矢 量 只 有 一 个, 它 是 A 和 B 所 感 觉 到 的 叠 加! 我 们 的 宇 宙 也 是 如 此 真 实 的, 完 全 的 宇 宙 态 矢 量 存 在 于 一 个 非 常 高 维 的 希 尔 伯 特 空 间 中, 但 这 个 高 维 的 空 间 却 由 许 许 多 多 低 维 的 世 界 所 构 成 ( 正 如 我 们 的 三 维 空 间 可 以 看 成 由 许 多 二 维 平 面 构 成 一 样 ), 每 个 世 界 都 只 能 感 受 到 那 个 真 实 的 矢 量 在 其 中 的 投 影 因 此 在 每 个 世 界 看 来, 宇 宙 都 是 不 同 的 但 实 际 上, 宇 宙 波 函 数 是 按 照 薛 定 谔 方 程 演 化 的 叠 加 态 但 还 剩 下 一 个 问 题 : 如 果 说 每 一 种 量 子 态 代 表 一 个 世 界, 为 什 么 我 们 感 觉 不 到 别 的 世 界 呢? 而 相 当 稀 奇 的 是, 未 经 观 测 的 电 子 却 似 乎 有 特 异 功 能, 可 以 感 觉 来 自 别 的 世 界 的 信 息 比 如 不 受 观 察 的 电 子 必 定 同 时 感 受 到 了 左 缝 世 界 和 右 缝 世 界 的 信 息, 不 然 如 何 产 生 干 涉 呢? 这 其 实 还 是 老 问 题 : 为 什 么 我 们 一 观 察, 量 子 层 次 上 的 叠 加 态 就 土 崩 瓦 解, 绝 不 会 带 到 宏 观 世 界 中 来? 非 常 妙 的 解 释 是 : 这 牵 涉 到 我 们 所 描 述 世 界 的 维 数, 或 者 说 自 由 度 的 数 量 在 上 面 的 例 子 中, 我 们 举 了 A 和 B 分 别 生 活 在 x 轴 和 y 轴 上 的 例 子 因 为 x 轴 和 y 轴 互 相 垂 直, 所 以 A 世 界 在 B 世 界 上 根 本 没 有 投 影, 也 就 是 说,B 完 全 无 法 感 觉 到 A 所 生 活 的 那 个 世 界 究 竟

144 是 怎 样 的 但 是, 这 是 一 个 非 常 极 端 的 例 子, 事 实 上 如 果 我 们 在 二 维 平 面 上 随 便 取 两 条 直 线 作 为 两 个 世 界, 则 它 们 很 有 可 能 并 不 互 相 垂 直 态 矢 量 在 这 两 个 世 界 上 的 投 影 在 很 大 程 度 上 仍 然 是 彼 此 相 干 (coherent) 的,B 仍 然 能 够 在 很 大 程 度 上 感 受 到 A 世 界 的 观 测 结 果, 反 之 亦 然 ( 参 见 附 图 ) 但 是, 假 如 不 是 2 维, 而 是 在 很 多 维 的 空 间 中, 我 们 随 便 画 两 条 直 线, 其 互 相 垂 直 的 程 度 就 很 可 能 要 比 2 维 中 的 来 得 大 因 为 它 比 2 维 有 着 多 得 多 的 维 数, 亦 即 自 由 度, 直 线 可 以 寻 求 在 多 个 方 向 上 的 发 展 而 互 不 干 扰 如 果 有 一 个 非 常 高 维 的 空 间, 比 如 说 1000 亿 维 空 间, 那 么 我 们 随 便 画 两 条 直 线 或 者 平 面, 它 们 就 几 乎 必 定 是 基 本 垂 直 了 如 果 各 位 不 相 信, 不 妨 自 己 动 手 证 明 一 下 在 双 缝 实 验 中, 假 如 我 们 不 考 虑 测 量 仪 器 或 者 我 们 自 己 的 态 矢 量, 不 考 虑 任 何 环 境 的 影 响, 单 单 考 虑 电 子 本 身 的 态 矢 量 的 话, 那 么 所 涉 及 的 变 量 是 相 对 较 少 的, 也 就 是 说, 单 纯 描 述 电 子 行 为 的 世 界 是 一 个 较 低 维 的 空 间 我 们 在 前 面 已 经 讨 论 过 了, 在 双 缝 实 验 中, 必 定 存 在 着 两 个 世 界 : 左 世 界 和 右 世 界 宇 宙 态 矢 量 分 别 在 这 两 个 世 界 上 投 影 为 通 过 左 缝 > 和 通 过 右 缝 > 两 个 量 子 态 但 因 为 这 两 个 世 界 维 数 较 低, 所 以 它 们 互 相 并 不 是 完 全 垂 直 的, 每 个 世 界 都 还 能 清 晰 地 感 觉 到 另 外 一 个 世 界 的 投 影 这 两 个 世 界 仍 然 彼 此 相 干 着! 因 此 电 子 能 够 同 时 感 觉 到 双 缝 而 自 我 干 涉 请 各 位 密 切 注 意, 左 世 界 和 右 世 界 只 是 单 纯 地 描 述 了 电 子 的 行 为, 并 不 包 括 任 何 别 的 东 西 在 内! 当 我 们 通 过 仪 器 而 观 测 到 电 子 究 竟 是 通 过 了 左 还 是 右 之 后, 对 于 这 一 事 件 的 描 述 就 不 再 是 左 世 界 等 可 以 胜 任 的 了 事 实 上, 为 了 描 述 我 们 发 现 了 电 子 在 左 这 个 态, 我 们 必 须 动 用 一 个 更 大 的 世 界, 叫 做 我 们 感 知 到 电 子 在 左 世 界, 或 者 简 称 知 左 世 界 这 个 世 界 包 括 了 电 子 仪 器 和 我 们 本 身 在 内, 对 它 的 描 述 就 要 用 到 比 单 个 电 子 多 得 多 的 变 量 ( 光 我 们 本 身 就 有 n 个 粒 子 组 成 ) 知 左 世 界 的 维 度, 要 比 左 世 界 高 出 不 知 凡 几, 现 在 知 左 和 知 右 世 界, 就 很 难 不 互 相 垂 直 了, 这 个 戏 剧 性 的 变 化 在 于 拥 有 巨 大 变 量 数 目 的 环 境 的 引 入 : 当 电 子 层 次 上 的 量 子 态 叠 加 被 仪 器 或 者 任 何 宏 观 事 物 放 大, 我 们 所 用 于 描 述 该 态 的 世 界 的 维 数 也 就 迅 速 增 加, 这 直 接 导 致 了 原 本 相 干 的 两 个 投 影 变 成 基 本 垂 直 而 互 不 干 涉 这 个 过 程 叫 做 离 析 或 者 退 相 干 (decoherence), 量 子 叠 加 态 在 宏 观 层 面 上 的 瓦 解, 正 是 退 相 干 的 直 接 后 果 用 前 面 所 引 的 符 号 来 表 示 可 能 会 直 观 一 些, 在 我 们 尚 未 进 行 观 测 时, 唯 一 的 不 确 定 是 电 子 本 身, 只 有 它 是 两 个 态 的 叠 加 此 时 宇 宙 的 态 可 以 表 示 为 : (a 通 过 左 缝 > + b 通 过 右 缝 >) 未 进 行 观 测 的 我 们 > 宇 宙 的 其 他 部 分 > 号 表 示 并 且 (AND), 这 里 无 非 是 说, 宇 宙 的 态 由 电 子 态, 我 们 的 态 和 其 他 部 分 的 态 共 同 构 成 在 我 们 尚 未 进 行 观 测 时, 只 有 电 子 态 处 在 叠 加 中, 而 正 如 我 们 讨 论 过 的, 仅 涉 及 电 子 时, 这 两 个 态 仍 然 可 能 在 另 一 个 世 界 里 造 成 投 影 而 互 相 感 觉 可 是, 一 旦 我 们 进 行 了 观 测, 宇 宙 态 就 变 成 : (a 通 过 左 缝 > 观 测 到 左 的 我 们 > + b 通 过 右 缝 > 观 测 到 右 的 我 们 >) 宇 宙 的 其 他 部 分 > 现 在 叠 加 的 是 两 个 更 大 的 系 统 态 : 通 过 左 缝 > 观 测 到 左 的 我 们 > 和 通 过 右 缝 > 观 测 到 右

145 的 我 们 >, 它 们 可 以 简 并 成 我 们 发 现 电 子 在 左 > 和 我 们 发 现 电 子 在 右 >, 分 别 存 在 于 知 左 和 知 右 世 界 观 测 者 的 分 裂, 也 就 在 这 一 刻 因 为 退 相 干 而 发 生 了 因 为 维 数 庞 大, 知 左 和 知 右 世 界 几 乎 不 互 相 干 涉, 因 此 在 这 个 层 次 上, 我 们 感 觉 不 到 量 子 态 的 叠 加 但 是, 作 为 宇 宙 态 矢 量 本 身 来 说, 它 始 终 按 照 薛 定 谔 方 程 演 化 只 有 一 个 宇 宙, 但 它 包 含 了 多 个 世 界 所 谓 的 坍 缩, 只 不 过 是 投 影 在 的 某 个 世 界 里 的 我 们 因 为 身 在 此 山 中 而 产 生 的 幼 稚 想 法 罢 了 最 后 要 提 醒 大 家 的 是, 我 们 这 里 所 说 的 空 间 维 度, 都 是 指 构 造 的 希 尔 伯 特 空 间, 而 非 真 实 时 空 事 实 上, 所 有 的 世 界 都 发 生 在 同 一 个 时 空 中 ( 而 不 是 在 另 一 些 维 度 中 ), 只 不 过 因 为 互 相 正 交 而 无 法 彼 此 交 流 你 一 定 会 觉 得 很 不 可 思 议, 但 量 子 论 早 就 已 经 不 止 一 次 地 带 给 我 们 无 比 的 惊 讶 了, 不 是 吗? df yutian 回 复 于 : :02:26 在 多 世 界 奇 境 中 的 这 趟 旅 行 可 能 会 让 大 家 困 惑 不 解, 但 就 像 爱 丽 丝 在 镜 中 读 到 的 那 首 晦 涩 的 长 诗 Jabberwocky, 它 无 疑 应 该 给 人 留 下 深 刻 的 印 象 的 确, 想 象 我 们 自 身 随 着 时 间 的 流 逝 不 停 地 分 裂 成 多 个 世 界 里 的 投 影, 而 这 些 分 身 以 几 何 数 目 增 长, 以 至 无 穷 这 样 一 幅 奇 妙 的 景 象 实 在 给 这 个 我 们 生 活 其 中 的 宇 宙 增 添 了 几 分 哭 笑 不 得 的 意 味 也 许 有 人 会 觉 得, 这 样 一 个 模 型, 实 在 看 不 出 有 比 意 识 更 加 可 爱 的 地 方, 埃 弗 莱 特, 还 有 那 些 拥 护 多 世 界 的 科 学 家 们, 究 竟 看 中 了 它 哪 一 点 呢? 不 过 MWI 的 好 处 也 是 显 而 易 见 的, 它 最 大 的 丰 功 伟 绩 就 是 把 观 测 者 这 个 碍 手 碍 脚 的 东 西 从 物 理 中 一 脚 踢 开 现 在 整 个 宇 宙 只 是 严 格 地 按 照 波 函 数 演 化, 不 必 再 低 声 下 气 地 去 求 助 于 观 测 者, 或 者 智 能 生 物 的 选 择 了 物 理 学 家 现 在 也 不 必 再 为 那 个 奇 迹 般 的 坍 缩 大 伤 脑 筋, 无 奈 地 在 漂 亮 的 理 论 框 架 上 贴 上 丑 陋 的 补 丁, 用 以 解 释 R 过 程 的 机 理 我 们 可 怜 的 薛 定 谔 猫 也 终 于 摆 脱 了 那 又 死 又 活 的 煎 熬, 而 改 为 自 得 其 乐 地 生 活 ( 一 死 一 活 ) 在 两 个 不 同 的 世 界 中 重 要 的 是, 大 自 然 又 可 以 自 己 做 主 了, 它 不 必 在 观 测 者 的 阴 影 下 战 战 兢 兢 地 苟 延 残 喘, 直 到 某 个 拥 有 意 识 的 主 人 赏 了 一 次 观 测 才 得 以 变 成 现 实, 不 然 就 只 好 在 概 率 波 叠 加 中 埋 没 一 生 在 MWI 里, 宇 宙 本 身 重 新 成 为 唯 一 的 主 宰, 任 何 观 测 者 都 是 它 的 一 部 分, 随 着 它 的 演 化 被 分 裂 投 影 到 各 种 世 界 中 去 宇 宙 的 分 裂 只 取 决 于 环 境 的 引 入 和 不 可 逆 的 放 大 过 程, 这 样 一 幅 客 观 的 景 象 还 是 符 合 大 部 分 科 学 家 的 传 统 口 味 的, 至 少 不 会 像 哥 本 哈 根 派 那 样 让 人 抓 狂, 以 致 寝 食 难 安 MWI 的 一 个 副 产 品 是, 它 重 新 回 到 了 经 典 理 论 的 决 定 论 中 去 因 为 就 薛 定 谔 方 程 本 身 来 说, 它 是 决 定 性 的, 也 就 是 说, 给 定 了 某 个 时 刻 t 的 状 态, 我 们 就 可 以 从 正 反 两 个 方 向 推 演, 得 出 系 统 在 任 意 时 刻 的 状 态 从 这 个 意 义 上 来 说, 时 间 的 流 逝 不 过 是 种 错 觉! 另 外, 既 然 不 存 在 坍 缩 或 者 R 过 程, 只 有 确 定 的 U 过 程, 随 机 性 便 不 再 因 人 而 异 地 胡 搅 蛮 缠 从 这 个 意 义 上 说, 上 帝 又 不 掷 骰 子 了, 他 老 人 家 站 在 一 个 高 高 在 上 的 角 度, 鸟 瞰 整 个 宇 宙 的 波 函 数, 则 一 切 仍 然 尽 在 把 握 : 宇 宙 整 体 上 还 是 严 格 地 按 照 确 定 的 薛 定 谔 方 程 演 化 电 子 也 不 必 投 掷 骰 子, 做 出 随 机 的 选 择 来 穿 过 一 条 缝 : 它 同 时 在 两 个 世 界 中 各 穿 过 了 一 条 缝 而 已 只 不 过, 对 于 我 们 这 些 凡 夫 俗 子, 芸 芸 众 生 来 说, 因 为 我 们 纠 缠 在 红 尘 之 中, 与 生 俱 来 的 限

146 制 迷 乱 了 我 们 的 眼 睛, 让 我 们 只 看 得 见 某 一 个 世 界 的 影 子 而 在 这 个 投 影 中, 现 实 是 随 机 的, 跳 跃 的, 让 人 惊 奇 的 (* 这 里 顺 便 澄 清 一 下 词 语 方 面 的 问 题, 对 于 MWI, 一 般 人 们 喜 欢 把 多 个 分 支 称 为 世 界 (World), 把 它 们 的 总 和 称 为 宇 宙 (Universe), 这 样 一 来 宇 宙 只 有 一 个, 它 按 照 薛 定 谔 方 程 发 展, 而 世 界 有 许 多, 随 着 时 间 不 停 地 分 裂 但 也 有 人 喜 欢 把 各 个 分 支 都 称 为 宇 宙, 把 它 们 的 总 和 称 为 多 宙 (Multiverse), 比 如 著 名 的 多 宇 宙 派 物 理 学 家 David Deutsch 这 只 是 一 个 叫 法 的 问 题, 多 世 界 还 是 多 宇 宙, 它 们 指 的 是 一 个 意 思 ) 然 而, 虽 然 MWI 也 算 可 以 自 圆 其 说, 但 无 论 如 何, 现 实 中 存 在 着 许 多 个 宇 宙, 这 在 一 般 人 听 起 来 也 实 在 太 古 怪 了 哪 怕 是 出 于 哲 学 上 的 雅 致 理 由 ( 特 别 是 奥 卡 姆 剃 刀 ), 人 们 也 觉 得 应 当 对 MWI 采 取 小 心 的 态 度 : 这 种 为 了 小 小 电 子 动 辄 把 整 个 宇 宙 拉 下 水 的 做 法 不 大 值 得 欣 赏 但 在 宇 宙 学 家 中,MWI 却 是 很 流 行 和 广 受 欢 迎 的 观 点 特 别 是 它 不 要 求 观 测 者 的 特 殊 地 位, 而 把 宇 宙 的 历 史 和 进 化 归 结 到 它 本 身 上 去, 这 使 得 饱 受 哥 本 哈 根 解 释, 还 有 参 予 性 模 型 诅 咒 之 苦 的 宇 宙 学 家 们 感 到 异 常 窝 心 大 致 来 说, 搞 量 子 引 力 ( 比 如 超 弦 ) 和 搞 宇 宙 论 等 专 业 的 物 理 学 家 比 较 青 睐 MWI, 而 如 果 把 范 围 扩 大 到 一 般 的 科 学 家 中 去, 则 认 为 其 怪 异 不 可 接 受 的 比 例 就 大 大 增 加 在 多 世 界 的 支 持 者 中, 有 我 们 熟 悉 的 费 因 曼 温 伯 格 霍 金, 有 人 把 夸 克 模 型 的 建 立 者,1969 年 诺 贝 尔 物 理 奖 得 主 盖 尔 曼 (Murray Gell-Mann) 也 计 入 其 中, 不 过 作 为 量 子 论 一 致 历 史 (consistent history) 解 释 的 创 建 人 之 一, 我 们 还 是 把 他 留 到 史 话 相 应 的 章 节 中 去 讲, 虽 然 这 种 解 释 实 际 上 可 以 看 作 MWI 的 加 强 版 对 MWI 表 示 直 接 反 对 的, 著 名 的 有 贝 尔 斯 特 恩 (Stein) 肯 特 (Kent) 彭 罗 斯 等 其 中 有 些 人 比 如 彭 罗 斯 也 是 搞 引 力 的, 可 以 算 是 非 常 独 特 了 但 是, 对 于 我 们 史 话 的 读 者 们 来 说, 也 许 大 家 并 不 用 理 会 宇 宙 学 家 或 者 其 他 科 学 家 的 哲 学 口 味 有 何 不 同, 重 要 的 是, 现 在 我 们 手 上 有 一 个 哥 本 哈 根 解 释, 有 一 个 多 宇 宙 解 释, 我 们 如 何 才 能 知 道, 究 竟 应 该 相 信 哪 一 个 呢? 各 人 在 生 活 中 的 审 美 观 点 不 同 是 很 正 常 的, 比 如 你 喜 欢 贝 多 芬 而 我 喜 欢 莫 扎 特, 你 中 意 李 白 我 沉 迷 杜 甫, 都 没 有 什 么 好 大 惊 小 怪, 但 科 学, 尤 其 是 自 然 科 学 就 不 同 了 科 学 之 所 以 伟 大, 不 正 是 因 为 它 可 以 不 受 到 主 观 意 志 的 影 响, 成 为 宇 宙 独 一 无 二 的 法 则 吗? 经 济 学 家 们 或 者 为 了 各 种 不 同 的 模 型 而 争 得 你 死 我 活, 但 物 理 学 的 终 极 目 标 不 是 经 世 致 用, 而 是 去 探 索 大 自 然 那 深 深 隐 藏 着 的 奥 秘 它 必 须 以 最 严 苛 的 态 度 去 对 待 各 种 假 设, 把 那 些 不 合 格 的 挑 剔 出 来 从 自 身 体 系 中 清 除 出 去, 以 永 远 保 持 它 那 不 朽 的 活 力 科 学 的 历 史 应 该 是 一 个 不 断 检 讨 自 己, 不 断 以 实 践 为 唯 一 准 绳, 不 断 向 那 个 柏 拉 图 式 的 理 想 攀 登 的 过 程 为 了 这 一 点, 它 就 必 须 提 供 一 个 甄 别 的 机 制, 把 那 些 虽 然 看 上 去 很 美, 但 确 实 不 符 合 事 实 的 理 论 踢 走, 这 也 就 成 为 它 和 哲 学, 或 者 宗 教 所 不 同 的 重 要 标 志 也 许 我 们 可 以 接 受 那 位 著 名 而 又 饱 受 争 议 的 科 学 哲 学 家, 卡 尔 波 普 尔 (Karl Popper) 的 意 见, 把 科 学 和 形 而 上 学 的 分 界 线 画 在 可 证 伪 性 这 里 也 就 是 说, 一 个 科 学 的 论 断 必 须 是 可 能 被 证 明 错 误 的 比 如 我 说 : 世 界 上 不 存 在 白 色 的 乌 鸦 这 就 是 一 个 符 合 科 学 方 法 的 论 断, 因 为 只 要 你 真 的 找 到 一 只 白 色 的 乌 鸦, 就 可 以 证 明 我 的 错 误, 从 而 推 翻 我 这 个 理 论 但 是, 如 前 面 我 们 举 过 的 那 个 例 子, 假 如 我 声 称 我 的 车 库 里 有 一 条 看 不 见 的 飞 龙, 这 就 不 是 一 个 科 学 的 论 断, 因 为 你 无 论 如 何 也 不 能 证 明 我 是 错 的 要 是 我 们 把 这 些 不 能 证 明 错 误 的 论 断 都 接 受 为 科 学, 那 科 学 里 滑 稽 的 事 情 可 就 多 了 : 除 了 飞 龙 以 外, 还 会 有 三 个 头 的 狗 八 条 腿 的 驴, 讲 中 文 的 猴 子 无 奇 不 有 了 无 论 如 何, 你 无 法 证 明 不 存 在 三 个 头 的 狗,

147 是 吧? 如 果 赫 兹 在 1887 年 的 实 验 中 没 有 发 现 电 磁 波 引 发 的 火 花, 那 么 麦 克 斯 韦 理 论 就 被 证 伪 了 如 果 爱 丁 顿 在 1919 年 日 食 中 没 有 发 现 那 些 恒 星 的 位 移, 那 么 爱 因 斯 坦 的 相 对 论 就 被 证 伪 了 ( 虽 然 这 个 实 验 在 今 天 看 来 不 是 全 无 问 题 ) 如 果 吴 健 雄 等 人 在 年 的 那 次 实 验 中 没 有 找 到 他 们 所 预 计 的 效 应, 那 么 杨 和 李 的 弱 作 用 下 宇 称 不 守 恒 设 想 就 被 证 伪 了 不 管 是 当 时 还 是 以 后, 你 都 可 以 设 计 一 些 实 验, 假 如 它 的 结 果 是 某 某, 就 可 以 证 明 理 论 是 不 正 确 的, 这 就 是 科 学 的 可 证 伪 性 当 然, 有 一 些 概 念 真 的 被 证 伪 了, 比 如 地 平 说 燃 素 光 以 太, 但 不 管 如 何, 我 们 至 少 可 以 说 它 们 所 采 取 的 表 达 方 式 是 符 合 科 学 方 法 的 另 外 一 些, 比 如 上 帝, 那 可 就 难 说 了, 没 有 什 么 实 验 可 能 证 明 上 帝 不 存 在 ( 不 是 一 定 要 证 明 不 存 在, 而 是 连 这 种 可 能 都 没 有 ) 所 以 我 们 最 好 还 是 把 它 踢 出 科 学 领 域, 留 给 宗 教 爱 好 者 们 去 思 考 回 到 史 话 中 来, 为 了 使 我 们 的 两 种 解 释 符 合 波 普 尔 的 原 则, 我 们 能 不 能 设 计 一 种 实 验, 来 鉴 定 究 竟 哪 一 种 是 可 信, 哪 一 种 是 虚 假 的 呢? 哥 本 哈 根 解 释 说 观 测 者 使 得 波 函 数 坍 缩,MWI 说 宇 宙 分 裂, 可 是, 对 于 现 实 中 的 我 们 来 说, 这 没 有 可 观 测 的 区 别 啊! 不 管 怎 么 样, 事 实 一 定 是 电 子 看 似 随 机 地 按 照 波 函 数 概 率 出 现 在 屏 幕 的 某 处, 不 是 吗? 就 算 观 测 100 万 次, 我 们 也 没 法 区 分 哥 本 哈 根 和 多 世 界 究 竟 哪 个 不 对 啊! 自 70 年 代 以 来 由 泽 (Dieter Zeh) 苏 雷 克 (Wojciech H Zurek) 盖 尔 曼 等 人 提 出 发 展 并 走 红 至 今 的 退 相 干 理 论 (decoherence) 对 于 埃 弗 莱 特 的 多 宇 宙 解 释 似 乎 有 巨 大 的 帮 助 我 们 在 前 面 已 经 略 微 讨 论 过 了, 这 个 理 论 解 释 了 物 体 如 何 由 微 观 下 的 叠 加 态 过 渡 到 宏 观 的 确 定 态 : 它 主 要 牵 涉 到 类 如 探 测 器 或 者 猫 一 类 物 体 的 宏 观 性, 也 即 比 起 电 子 来 说 多 得 多 的 自 由 度 的 数 量, 以 及 它 们 和 环 境 的 相 互 作 用 这 个 理 论 在 MWI 里 可 谓 如 鱼 得 水, 它 解 释 了 为 何 世 界 没 有 在 大 尺 度 下 显 示 叠 加 性, 解 释 了 世 界 如 何 分 裂, 这 些 都 是 MWI 以 前 所 无 法 解 释 的 笼 统 地 说, 当 仪 器 观 测 系 统 时, 它 同 时 还 与 环 境 发 生 了 纠 缠, 结 果 导 致 仪 器 的 叠 加 态 迅 速 退 化 成 经 典 的 关 联 我 们 这 样 讲 是 非 常 粗 略 的, 事 实 上 可 以 从 数 学 上 证 明 这 一 点 假 如 我 们 采 用 系 统 所 谓 的 密 度 矩 阵 (Desity Matrix) 来 表 示 的 话, 那 么 这 个 矩 阵 对 角 线 上 的 元 素 代 表 了 经 典 的 概 率 态, 其 他 地 方 则 代 表 了 这 些 态 之 间 的 相 干 关 联 我 们 会 看 到, 当 退 相 干 产 生 时, 仪 器 或 者 猫 的 密 度 矩 阵 迅 速 对 角 化, 从 而 使 得 量 子 叠 加 性 质 一 去 不 复 返 ( 参 见 附 图 ) 这 个 过 程 极 快, 我 们 根 本 就 无 法 察 觉 到 不 过, 尽 管 退 相 干 理 论 是 MWI 的 一 个 有 力 补 充, 它 却 不 能 说 明 MWI 就 是 唯 一 的 解 释 退 相 干 可 以 解 答 为 什 么 在 一 个 充 满 了 量 子 叠 加 和 不 确 定 的 宇 宙 中, 我 们 在 日 常 大 尺 度 下 看 世 界 仍 然 似 乎 是 经 典 和 客 观 的, 但 它 不 能 解 答 波 函 数 到 底 是 一 直 正 常 发 展 下 去, 还 是 会 时 不 时 地 跃 迁 事 实 上, 我 们 也 可 以 把 退 相 干 用 在 哥 本 哈 根 解 释 里, 用 来 确 定 观 测 者 和 非 观 测 者 之 间 的 界 限 按 照 它 们 各 自 的 size, 或 者 自 由 度 的 数 量! 那 些 容 易 产 生 退 相 干 的 或 许 便 更 有 资 格 作 为 观 测 者 出 现, 所 谓 的 观 测 或 许 也 不 过 是 种 不 可 逆 的 放 大 过 程 可 是 归 根 到 底, 我 们 还 是 不 能 确 定 到 底 是 哥 本 哈 根, 还 是 多 宇 宙! 波 普 尔 晚 年 的 时 候 ( 他 1994 年 去 世 ), 我 想 他 的 心 情 会 比 较 复 杂 一 方 面 他 当 年 的 一 些 论 断 是 对 的, 比 如 量 子 力 学 本 身 的 确 没 有 排 除 决 定 论 的 因 素 ( 也 没 有 排 除 非 决 定 论 ) 关 于 互 补 原 理, 当 年 他 在 哥 本 哈 根 几 乎 被 玻 尔 所 彻 底 说 服, 不 过 现 在 他 还 是 可 以 重 新 考 虑 一 下 别 的

148 alternatives 另 一 方 面, 我 们 也 会 很 有 兴 趣 知 道 波 普 尔 对 于 量 子 论 领 域 各 种 解 释 并 立, 几 乎 无 法 用 实 践 分 辨 开 来 的 现 状 发 表 会 什 么 看 法 但 我 们 还 是 来 描 述 一 些 有 趣 的 强 烈 支 持 MWI 的 实 验, 其 中 包 括 那 个 疯 狂 的 量 子 自 杀, 还 有 目 前 炙 手 可 热, 号 称 利 用 多 个 平 行 世 界 一 起 工 作 的 量 子 计 算 机 饭 后 闲 话 : 证 伪 和 证 实 关 于 科 学 的 界 定, 证 实 和 证 伪 两 派 一 直 吵 个 不 休, 这 个 题 目 太 大, 我 们 没 有 兴 趣 参 予, 这 里 只 是 随 便 聊 两 句 证 实 和 证 伪 的 问 题 怎 样 表 述 一 个 命 题 才 算 是 科 学 的? 按 照 证 伪 派, 它 必 须 有 可 能 被 证 明 是 错 误 的 比 如 所 有 的 乌 鸦 都 是 黑 的, 那 么 你 只 要 找 到 一 只 不 是 黑 色 的 乌 鸦, 就 可 以 证 明 这 个 命 题 的 错 误, 因 此 这 个 命 题 没 有 问 题 相 反, 如 果 非 要 证 实 才 接 受 这 个 论 断 的 话, 那 可 就 困 难 了, 而 且 实 际 上 是 不 可 能 的! 除 非 你 把 所 有 的 乌 鸦 都 抓 来 看 过, 但 你 又 怎 么 能 知 道 你 已 经 抓 尽 了 天 下 所 有 的 乌 鸦 呢? 对 于 科 学 理 论 来 说, 证 实 几 乎 也 是 不 可 能 的 比 如 我 们 说 宇 宙 的 规 律 是 F=ma, 这 里 说 的 是 一 种 普 遍 性, 而 你 如 何 去 证 实 它 呢? 除 非 你 观 察 遍 了 自 古 至 今, 宇 宙 每 一 个 角 落 的 现 象, 发 现 无 一 例 外, 你 才 可 以 证 实 这 一 点 即 使 这 样, 你 也 无 法 保 证 在 将 来, 这 条 规 律 仍 然 起 着 作 用 事 实 上, 几 乎 没 有 什 么 科 学 理 论 是 可 以 被 证 实 的, 只 要 它 能 够 被 证 明 为 错 但 还 未 被 证 明 错 ( 按 照 波 普 尔, 以 一 种 积 极 面 对 证 伪 的 态 度 ), 我 们 就 暂 时 接 受 它 为 可 靠 的 理 论 自 休 谟 以 来 人 们 已 经 承 认, 单 靠 有 限 的 个 例 ( 哪 怕 再 多 ) 也 不 能 构 成 证 实 的 基 础 不 过, 按 照 洛 克 之 类 经 验 主 义 者 的 说 法, 我 们 全 部 知 识 的 基 础 都 来 自 于 我 们 的 经 验, 而 科 学 的 建 立, 也 就 是 在 经 验 上 的 一 种 归 纳 主 义 好 比 说, 我 们 每 天 都 看 到 太 阳 从 东 边 升 起, 几 千 年 来 日 日 如 此, 那 么 我 们 应 该 可 以 合 理 地 从 中 归 纳 出 一 条 规 律 : 太 阳 每 天 都 从 东 方 升 起 并 用 它 来 预 测 明 天 太 阳 依 旧 要 从 东 方 升 起 假 如 堕 入 休 谟 的 不 可 知 论, 那 么 我 们 就 根 本 谈 不 上 任 何 知 识 了, 因 为 反 正 明 天 的 一 切 都 是 不 确 定 的 按 照 归 纳 主 义, 我 们 从 过 去 的 现 象 中 归 纳 出 一 种 规 律, 而 当 这 个 现 象 一 再 重 复, 则 它 每 次 都 又 成 为 对 这 个 规 律 的 再 一 次 证 实 比 如 每 次 太 阳 又 升 起 来 的 时 候, 太 阳 每 天 从 东 方 升 起 这 个 命 题 的 确 定 性 就 被 再 次 稍 稍 证 实 我 们 每 看 到 一 只 黑 乌 鸦, 则 乌 鸦 都 是 黑 的 这 个 命 题 的 正 确 性 就 再 次 稍 稍 上 升, 直 到 我 们 遇 到 一 只 不 黑 的 乌 鸦 为 止 我 们 大 多 数 人 也 许 都 是 这 样 以 为 的, 但 这 种 经 验 主 义 又 会 导 出 非 常 有 趣 的 结 果 我 们 来 做 这 样 一 个 推 理, 大 家 都 知 道, 一 个 命 题 的 逆 否 命 题 和 它 本 身 是 等 价 的 比 如 乌 鸦 都 是 黑 的, 可 以 改 为 等 价 的 命 题 凡 不 黑 的 都 不 是 乌 鸦 现 在 假 如 我 们 遇 见 一 只 白 猫, 这 个 现 象 无 疑 证 实 了 凡 不 黑 的 都 不 是 乌 鸦 ( 白 猫 不 黑, 白 猫 也 不 是 乌 鸦 ) 的 说 法, 所 以 同 样, 它 也 再 次 稍 稍 证 实 了 乌 鸦 都 是 黑 的 这 个 原 命 题 总 而 言 之, 遇 见 一 只 白 猫 略 微 增 加 了 乌 鸦 都 是 黑 的 的 可 能 性 有 趣 吧?

149 这 个 悖 论 由 著 名 的 德 国 逻 辑 实 证 论 者 亨 普 尔 (Carl G Hempel) 提 出, 他 年 轻 时 也 曾 跟 着 希 尔 伯 特 学 过 数 学 如 果 你 接 受 这 个 论 断, 那 么 下 次 导 师 叫 你 去 野 外 考 察 证 明 例 如 昆 虫 都 是 六 只 脚 之 类 的 命 题, 你 大 可 不 必 出 外 风 吹 雨 淋 只 要 坐 在 家 里 观 察 大 量 没 有 六 只 脚 的 都 不 是 昆 虫 的 事 例 ( 比 如 桌 子 椅 子 台 灯 你 自 己 ), 你 可 以 和 在 野 外 实 际 观 察 昆 虫 对 这 个 命 题 做 出 同 样 多 的 贡 献! 我 们 对 于 认 识 理 论 的 了 解 实 在 还 是 非 常 肤 浅 的 第 十 章 不 等 式 二 castor_v_pollux 令 人 毛 骨 悚 然 和 啼 笑 皆 非 的 量 子 自 杀 实 验 在 80 年 代 末 由 Hans Moravec,Bruno Marchal 等 人 提 出, 而 又 在 1998 年 为 宇 宙 学 家 Max Tegmark 在 那 篇 广 为 人 知 的 宣 传 MWI 的 论 文 中 所 发 展 和 重 提 这 实 际 上 也 是 薛 定 谔 猫 的 一 个 真 人 版 大 家 知 道 在 猫 实 验 里, 如 果 原 子 衰 变, 猫 就 被 毒 死, 反 之 则 存 活 对 此, 哥 本 哈 根 派 的 解 释 是 : 在 我 们 没 有 观 测 它 之 前, 猫 是 又 死 又 活 的, 而 观 测 后 猫 的 波 函 数 发 生 坍 缩, 猫 要 么 死 要 么 活 MWI 则 声 称 : 每 次 实 验 必 定 同 时 产 生 一 只 活 猫 和 一 只 死 猫, 只 不 过 它 们 存 在 于 两 个 平 行 的 世 界 中 两 者 有 何 实 质 不 同 呢? 其 关 键 就 在 于, 哥 本 哈 根 派 认 为 猫 始 终 只 有 一 只, 它 开 始 处 在 叠 加 态, 坍 缩 后 有 50% 的 可 能 死,50% 的 可 能 活 而 多 宇 宙 认 为 猫 并 未 叠 加, 而 是 分 裂 成 了 两 只, 一 死 一 活, 必 定 有 一 只 活 猫! 现 在 假 如 有 一 位 勇 于 为 科 学 献 身 的 仁 人 义 士, 他 自 告 奋 勇 地 去 代 替 那 只 倒 霉 的 猫 出 于 人 道 主 义, 为 了 让 他 少 受 痛 苦, 我 们 把 毒 气 瓶 改 为 一 把 枪 如 果 原 子 衰 变 ( 或 者 利 用 别 的 量 子 机 制, 比 如 光 子 通 过 了 半 镀 银 ), 则 枪 就 砰 地 一 响 送 我 们 这 位 朋 友 上 路 反 之, 枪 就 只 发 出 咔 地 一 声 空 响 现 在 关 键 问 题 来 了, 当 一 个 光 子 到 达 半 镀 镜 的 时 候, 根 据 哥 本 哈 根 派, 你 有 一 半 可 能 听 到 咔 一 声 然 后 安 然 无 恙, 另 一 半 就 不 太 美 妙, 你 听 到 砰 一 声 然 后 什 么 都 不 知 道 了 而 根 据 多 宇 宙, 必 定 有 一 个 你 听 到 咔, 另 一 个 你 在 另 一 个 世 界 里 听 到 砰 但 问 题 是, 听 到 砰 的 那 位 随 即 就 死 掉 了, 什 么 感 觉 都 没 有 了, 这 个 世 界 对 你 来 说 就 已 经 没 有 意 义 了 对 你 来 说, 唯 一 有 意 义 的 世 界 就 是 你 活 着 的 那 个 世 界 所 以, 从 人 择 原 理 ( 我 们 在 前 面 已 经 讨 论 过 人 择 原 理 ) 的 角 度 上 来 讲, 对 你 唯 一 有 意 义 的 存 在 就 是 那 些 你 活 着 的 世 界 你 永 远 只 会 听 到 咔 而 继 续 活 着! 因 为 多 宇 宙 和 哥 本 哈 根 不 同, 永 远 都 会 有 一 个 你 活 在 某 个 世 界! 让 我 们 每 隔 一 秒 钟 发 射 一 个 光 子 到 半 镀 镜 来 触 动 机 关 此 时 哥 本 哈 根 预 言, 就 算 你 运 气 非 常 之 好, 你 也 最 多 听 到 好 几 声 咔 然 后 最 终 死 掉 但 多 宇 宙 的 预 言 是 : 永 远 都 会 有 一 个 你 活 着, 而 他 的 那 个 世 界 对 你 来 说 是 唯 一 有 意 义 的 存 在 只 要 你 坐 在 枪 口 面 前, 那 么 从 你 本 人 的 角 度 来 看, 你 永 远 只 会 听 到 每 隔 一 秒 响 一 次 的 咔 声, 你 永 远 不 死 ( 虽 然 在 别 的 数 目 惊 人 的 世 界 中, 你 已 经 尸 横 遍 野, 但 那 些 世 界 对 你 没 有 意 义 )! 但 只 要 你 从 枪 口 移 开, 你 就 又 会 听 到 砰 声 了, 因 为 这 些 世 界 重 新 对 你 恢 复 了 意 义, 你 能

150 够 活 着 见 证 它 们 总 而 言 之, 多 宇 宙 的 预 言 是 : 只 要 你 在 枪 口 前,( 对 你 来 说 ) 它 就 绝 对 不 会 发 射, 一 旦 你 移 开, 它 就 又 开 始 随 机 地 砰 所 以, 对 这 位 测 试 者 他 自 己 来 说, 假 如 他 一 直 听 到 咔 而 好 端 端 地 活 着, 他 就 可 以 在 很 大 程 度 上 确 信, 多 宇 宙 解 释 是 正 确 的 假 如 他 死 掉 了, 那 么 哥 本 哈 根 解 释 就 是 正 确 的 不 过 这 对 他 来 说 也 已 经 没 有 意 义 了, 人 都 死 掉 了 各 位 也 许 对 这 里 的 人 择 原 理 大 感 困 惑 无 论 如 何, 枪 一 直 咔 是 一 个 极 小 极 小 的 概 率 不 是 吗 ( 如 果 n 次, 则 概 率 就 是 1/2^n)? 怎 么 能 说 对 你 而 言 枪 必 定 会 这 样 行 动 呢? 但 问 题 在 于, 对 你 而 言 的 前 提 是, 你 必 须 存 在! 让 我 们 这 样 来 举 例 : 假 如 你 是 男 性, 你 必 定 会 发 现 这 样 一 个 有 趣 的 事 实 : 你 爸 爸 有 儿 子 你 爷 爷 有 儿 子 你 曾 祖 父 有 儿 子 一 直 上 溯 到 任 意 n 代 祖 先, 不 管 历 史 上 冰 川 严 寒 洪 水 猛 兽 兵 荒 马 乱 饥 饿 贫 瘠, 他 们 不 但 都 能 存 活, 而 且 子 嗣 不 断, 始 终 有 儿 子, 这 可 是 一 个 非 常 小 的 概 率 ( 如 果 你 是 女 性, 可 以 往 娘 家 那 条 路 上 推 ) 但 假 如 你 因 此 感 慨 说, 你 的 存 在 是 一 个 百 年 不 遇 的 奇 迹, 就 非 常 可 笑 了 很 明 显, 你 能 够 感 慨 的 前 提 条 件 是 你 的 存 在 本 身! 事 实 上, 如 果 客 观 地 讲, 一 个 家 族 n 代 都 有 儿 子 的 概 率 极 小, 但 对 你 我 来 说, 却 是 必 须 的, 概 率 为 100% 的! 同 理, 有 人 感 慨 宇 宙 的 精 巧, 其 产 生 的 概 率 是 如 此 低, 但 按 照 人 择 原 理, 宇 宙 必 须 如 此! 在 量 子 自 杀 中, 只 要 你 始 终 存 在, 那 么 对 你 来 说 枪 就 必 须 100% 地 不 发 射! 但 很 可 惜 的 是 : 就 算 你 发 现 了 多 宇 宙 解 释 是 正 确 的, 这 也 只 是 对 你 自 己 一 个 人 而 言 的 知 识 就 我 们 这 些 旁 观 者 而 言 事 实 永 远 都 是 一 样 的 : 你 在 若 干 次 咔 后 被 一 枪 打 死 我 们 能 够 做 的, 也 就 是 围 绕 在 你 的 尸 体 旁 边 争 论, 到 底 是 按 照 哥 本 哈 根, 你 已 经 永 远 地 从 宇 宙 中 消 失 了, 还 是 按 照 MWI, 你 仍 然 在 某 个 世 界 中 活 得 逍 遥 自 在 我 们 这 些 外 人 被 投 影 到 你 活 着 的 那 个 世 界, 这 个 概 率 极 低, 几 乎 可 以 不 被 考 虑, 但 对 你 本 人 来 说, 你 存 在 于 那 个 世 界 却 是 100% 必 须 的! 而 且, 因 为 各 个 世 界 之 间 无 法 互 相 干 涉, 所 以 你 永 远 也 不 能 从 那 个 世 界 来 到 我 们 这 里, 告 诉 我 们 多 宇 宙 论 是 正 确 的! 其 实,Tegmark 等 人 根 本 不 必 去 费 心 设 计 什 么 量 子 自 杀 实 验, 按 照 他 们 的 思 路, 要 是 多 宇 宙 解 释 是 正 确 的, 那 么 对 于 某 人 来 说, 他 无 论 如 何 试 图 去 自 杀 都 不 会 死! 要 是 他 拿 刀 抹 脖 子, 那 么 因 为 组 成 刀 的 是 一 群 符 合 薛 定 谔 波 动 方 程 的 粒 子, 所 以 总 有 一 个 非 常 非 常 小, 但 确 实 不 为 0 的 可 能 性, 这 些 粒 子 在 那 一 刹 那 都 发 生 了 量 子 隧 道 效 应, 以 某 种 方 式 丝 毫 无 损 地 穿 透 了 该 人 的 脖 子, 从 而 保 持 该 人 不 死! 当 然 这 个 概 率 极 小 极 小, 但 按 照 MWI, 一 切 可 能 发 生 的 都 实 际 发 生 了, 所 以 这 个 现 象 总 会 发 生 在 某 个 世 界! 在 客 观 上 讲, 此 人 在 % 的 世 界 中 都 命 丧 黄 泉, 但 从 他 的 主 观 视 角 来 说, 他 却 一 直 活 着! 不 管 换 什 么 方 式 都 一 样, 跳 楼 也 好, 卧 轨 也 好, 上 吊 也 好, 总 存 在 那 么 一 些 世 界, 让 他 还 活 着 从 该 人 自 身 的 视 角 来 看, 他 怎 么 死 都 死 不 掉! 这 就 是 从 量 子 自 杀 思 想 实 验 推 出 的 怪 论, 美 其 名 曰 量 子 永 生 (quantum immortality) 只 要 从 主 观 视 角 来 看, 不 但 一 个 人 永 远 无 法 完 成 自 杀, 事 实 上 他 一 旦 开 始 存 在, 就 永 远 不 会 消 失! 总 存 在 着 一 些 量 子 效 应, 使 得 一 个 人 不 会 衰 老, 而 按 照 MWI, 这 些 非 常 低 的 概 率 总 是 对 应 于 某 个 实 际 的 世 界! 如 果 多 宇 宙 理 论 是 正 确 的, 那 么 我 们 得 到 的 推 论 是 : 一 旦 一 个 意 识 开 始 存 在, 从 它 自 身 的 角 度 来 看, 它 就 必 定 永 生!( 天 哪, 我 们 怎 么 又 扯 到 了 意 识!)

151 这 是 最 强 版 本 的 人 择 原 理, 也 称 为 最 终 人 择 原 理 可 以 想 象,Tegmark 等 多 宇 宙 论 的 支 持 者 见 到 自 己 的 提 议 被 演 绎 成 了 这 么 一 个 奇 谈 怪 论 后, 是 怎 样 的 一 种 哭 笑 不 得 的 心 态 这 位 宾 夕 法 尼 亚 大 学 的 宇 宙 学 家 不 得 不 出 来 声 明, 说 永 生 并 非 MWI 的 正 统 推 论 他 说 一 个 人 在 死 前, 还 经 历 了 某 种 非 量 子 化 的 过 程, 使 得 所 谓 的 意 识 并 不 能 连 续 过 渡 保 持 永 存 可 惜 也 不 太 有 人 相 信 他 的 辩 护 关 于 这 个 问 题, 科 学 家 们 和 哲 学 家 们 无 疑 都 会 感 到 兴 趣 支 持 MWI 的 人 也 会 批 评 说, 大 量 宇 宙 样 本 中 的 人 的 死 去 不 能 被 简 单 地 忽 略, 因 为 对 于 意 识 我 们 还 是 几 乎 一 无 所 知 的, 它 是 如 何 连 续 存 在 的, 根 本 就 没 有 经 过 考 察 一 些 偏 颇 的 意 见 会 认 为, 假 如 说 意 识 必 定 会 在 某 些 宇 宙 分 支 中 连 续 地 存 在, 那 么 我 们 应 该 断 定 它 不 但 始 终 存 在, 而 且 永 远 连 续, 也 就 是 说, 我 们 不 该 有 失 去 意 识 的 时 候 ( 例 如 睡 觉 或 者 昏 迷 ) 不 过, 也 许 的 确 存 在 一 些 世 界, 在 那 里 我 们 永 不 睡 觉, 谁 又 知 道 呢? 再 说, 暂 时 沉 睡 然 后 又 苏 醒, 这 对 于 意 识 来 说 好 像 不 能 算 作 无 意 义 的 而 更 为 重 要 的, 也 许 还 是 如 何 定 义 在 多 世 界 中 的 你 究 竟 是 个 什 么 东 西 的 问 题 总 之, 这 里 面 逻 辑 怪 圈 层 出 不 穷, 而 且 几 乎 没 有 什 么 可 以 为 实 践 所 检 验 的 东 西, 都 是 空 对 空 我 想, 波 普 尔 对 此 不 会 感 到 满 意 的! 关 于 自 杀 实 验 本 身, 我 想 也 不 太 有 人 会 仅 仅 为 了 检 验 哥 本 哈 根 和 MWI 而 实 际 上 真 的 去 尝 试! 因 为 不 管 怎 么 样, 实 验 的 结 果 也 只 有 你 自 己 一 个 人 知 道 而 已, 你 无 法 把 它 告 诉 广 大 人 民 群 众 而 且 要 是 哥 本 哈 根 解 释 不 幸 地 是 正 确 的, 那 你 也 就 呜 乎 哀 哉 了 虽 说 朝 闻 道, 夕 死 可 矣, 但 一 般 来 说, 闻 了 道, 最 好 还 是 利 用 它 做 些 什 么 来 得 更 有 意 义 而 且, 就 算 你 在 枪 口 前 真 的 不 死, 你 也 无 法 确 实 地 判 定, 这 是 因 为 多 世 界 预 言 的 结 果, 还 是 只 不 过 仅 仅 因 为 你 的 运 气 非 常 非 常 非 常 好 你 最 多 能 说 : 我 有 % 的 把 握 宣 称, 多 世 界 是 正 确 的 如 此 而 已 根 据 Shikhovtsev 最 新 的 传 记, 埃 弗 莱 特 本 人 也 在 某 种 程 度 上 相 信 他 的 意 识 会 沿 着 某 些 不 通 向 死 亡 的 宇 宙 分 支 而 一 直 延 续 下 去 ( 当 然 他 不 知 道 自 杀 实 验 ) 但 具 有 悲 剧 和 讽 刺 意 味 的 是, 他 一 家 子 都 那 么 相 信 平 行 宇 宙, 以 致 他 的 女 儿 丽 兹 (Liz) 在 自 杀 前 留 下 的 遗 书 中 说, 她 去 往 另 一 个 平 行 世 界 和 他 相 会 了 ( 当 然, 她 并 非 为 了 检 验 这 个 理 论 而 自 杀 ) 或 许 埃 弗 莱 特 一 家 真 的 在 某 个 世 界 里 相 会 也 未 可 知, 但 至 少 在 我 们 现 在 所 在 的 这 个 世 界 ( 以 及 绝 大 多 数 其 他 世 界 ) 里, 我 们 看 到 人 死 不 能 复 生 了 所 以, 至 少 考 虑 在 绝 大 多 数 世 界 中 家 人 和 朋 友 们 的 感 情, 我 强 烈 建 议 各 位 读 者 不 要 在 科 学 热 情 的 驱 使 下 做 此 尝 试 我 们 在 多 世 界 理 论 这 条 路 上 走 得 也 够 久 了, 和 前 面 在 哥 本 哈 根 派 那 里 一 样, 我 们 的 探 索 越 到 后 来 就 越 显 得 古 怪 离 奇, 道 路 崎 岖 不 平, 杂 草 丛 生, 让 我 们 筋 疲 力 尽, 而 且 最 后 居 然 还 会 又 碰 到 意 识, 永 生 之 类 形 而 上 的 东 西 ( 真 是 见 鬼 )! 我 们 还 是 知 难 而 退, 回 到 原 来 的 分 岔 路 口, 再 看 看 还 有 没 有 别 的 不 同 选 择 不 过 我 们 在 离 开 这 条 道 路 前, 还 有 一 样 东 西 值 得 一 提, 那 就 是 所 谓 的 量 子 计 算 机 1977 年, 埃 弗 莱 特 接 受 惠 勒 和 德 威 特 等 人 的 邀 请 去 德 克 萨 斯 大 学 演 讲, 午 饭 的 时 候, 德 威 特 特 意 安 排 惠 勒 的 一 位 学 生 坐 在 埃 弗 莱 特 身 边, 后 者 向 他 请 教 了 关 于 希 尔 伯 特 空 间 的 问 题 这 个 学 生 就 是 大 卫 德 义 奇 (David Deutsch) yutian 回 复 于 : :08:44

152 第 十 章 不 等 式 三 castor_v_pollux 计 算 机 的 发 明 是 20 世 纪 最 为 重 要 的 事 件 之 一, 这 个 新 生 事 物 的 出 现 从 根 本 上 改 变 了 人 类 的 社 会, 使 得 我 们 的 能 力 突 破 极 限, 达 到 了 一 个 难 以 想 象 的 地 步 今 天, 计 算 机 已 经 渗 入 了 我 们 生 活 的 每 一 个 角 落, 离 开 它 我 们 简 直 寸 步 难 行 别 的 不 说, 各 位 正 在 阅 读 的 本 史 话, 便 是 用 本 人 的 膝 上 型 计 算 机 输 入 与 编 辑 的, 虽 然 拿 一 台 现 代 的 PC 仅 仅 做 文 字 处 理 简 直 是 杀 鸡 用 牛 刀, 或 者 拿 伊 恩 斯 图 尔 特 的 话 说, 就 像 开 着 罗 尔 斯 罗 伊 斯 送 牛 奶, 但 感 谢 时 代 的 进 步, 这 种 奢 侈 品 毕 竟 已 经 进 入 了 千 家 万 户 而 且 在 如 今 这 个 信 息 商 业 社 会, 它 的 更 新 换 代 是 如 此 之 快, 以 致 人 们 每 隔 两 三 年 就 要 不 断 地 开 始 为 自 己 老 旧 电 脑 的 升 级 而 操 心, 不 无 心 痛 地 向 资 本 家 们 掏 出 那 些 好 不 容 易 积 攒 下 来 的 银 子 回 头 看 计 算 机 的 发 展 历 史, 人 们 往 往 会 慨 叹 科 技 的 发 展 一 日 千 里, 沧 海 桑 田 通 常 我 们 把 宾 夕 法 尼 亚 大 学 1946 年 的 那 台 ENIAC 看 成 世 界 上 的 第 一 台 电 子 计 算 机, 不 过 当 然, 随 着 各 人 对 计 算 机 这 个 概 念 的 定 义 不 同, 人 们 也 经 常 提 到 德 国 人 Konrad Zuse 在 1941 年 建 造 的 Z3, 伊 阿 华 州 立 大 学 在 二 战 时 建 造 的 ABC(Atanasoff-Berry Computer), 或 者 图 灵 小 组 为 了 破 解 德 国 密 码 而 建 造 的 Collosus 不 管 怎 么 样, 这 些 都 是 笨 重 的 大 家 伙, 体 积 可 以 装 满 整 个 房 间, 有 的 塞 满 了 难 看 的 电 子 管, 有 的 拖 着 长 长 的 电 线, 输 入 输 出 都 靠 打 孔 的 纸 或 者 磁 带, 和 现 代 轻 便 精 致 的 家 庭 电 脑 比 起 来, 就 好 像 美 女 与 野 兽 的 区 别 但 是, 如 果 我 们 把 看 起 来 极 为 不 同 的 这 两 位 从 数 学 上 理 想 化, 美 女 和 野 兽 在 本 质 上 却 是 一 样 的! 不 管 是 庞 大 的 早 期 计 算 机, 还 是 我 们 现 在 使 用 的 PC, 它 们 其 实 都 可 以 简 化 成 这 样 一 种 机 器 : 它 每 次 读 入 一 个 输 入, 并 且 视 自 己 当 时 内 态 的 不 同, 按 照 事 先 编 好 的 一 个 规 则 表 做 出 相 应 的 操 作 : 这 操 作 可 以 是 写 入 输 出, 或 者 是 改 变 内 态, 或 者 干 脆 什 么 都 不 做 乃 至 停 机 这 里 的 关 键 是, 我 们 机 器 的 输 入 和 输 出 可 以 是 无 限 多 的, 但 它 的 内 态 和 规 则 表 却 必 须 是 有 限 的 这 个 模 型 其 实 也 就 是 一 切 计 算 机 的 原 型, 由 现 代 计 算 机 的 奠 基 人 之 一 阿 兰 图 灵 (Alan Turing) 提 出, 也 称 作 图 灵 机 (The Turing Machine) 在 图 灵 的 原 始 论 文 中, 它 被 描 述 成 某 种 匣 子 样 的 东 西, 有 一 根 无 限 长 的 纸 带 贯 穿 其 中, 一 端 是 作 为 输 入, 另 一 端 则 是 输 出 磁 带 上 记 录 了 信 息, 一 般 来 说 是 0 和 1 的 序 列 这 台 机 器 按 照 需 要 移 动 磁 带, 从 一 端 读 入 数 据, 并 且 按 照 编 好 的 规 则 表 进 行 操 作, 最 后 在 另 一 端 输 出 运 算 结 果 我 们 如 今 所 使 用 的 电 脑, 不 管 看 上 去 有 多 精 巧 复 杂, 本 质 上 也 就 是 一 种 图 灵 机 它 读 入 数 据 流, 按 照 特 定 的 算 法 来 处 理 它, 并 在 另 一 头 输 出 结 果 从 这 个 意 义 上 来 讲, 奔 腾 4 和 286 的 区 别 只 不 过 是 前 者 更 快 更 有 效 率 而 已, 但 它 们 同 样 做 为 图 灵 机 来 说, 所 能 做 到 的 事 情 其 实 是 一 样 多 的! 我 的 意 思 是, 假 如 给 予 286 以 足 够 的 时 间 和 输 出 空 间 ( 可 以 记 录 暂 时 的 储 存 数 据 ), 奔 腾 机 所 能 做 到 的 它 同 样 可 以 做 到 286 已 经 太 高 级 了, 即 使 退 化 成 图 灵 机 最 原 始 的 形 式, 也 就 是 只 能 向 左 或 向 右 移 动 磁 带 并 做 出 相 应 行 动 的 那 台 机 器, 它 们 所 能 解 决 的 事 情 也 是 同 样 多 的, 只 不 过 是 快 慢 和 效 率 的 问 题 罢 了 计 算 机 所 处 理 的 信 息 在 最 基 本 的 层 面 上 是 2 进 制 码, 换 句 话 说, 是 0 和 1 的 序 列 流 对 计 算 机 稍 稍 熟 悉 的 朋 友 们 都 知 道, 我 们 把 每 一 位 信 息 称 作 一 个 比 特 (bit, 其 实 是 binary digit 的 缩 写 ), 例 如 信 息 1010, 就 包 含 了 4 个 bits 8 个 bits 就 等 于 1 个 byte,1024 个 bytes 就 是 1K,1024K=1M,1024M=1G, 各 位 想 必 都 十 分 清 楚 了 对 于 传 统 的 计 算 机 来 说,1 个 bit 是 信 息 的 最 小 单 位 它 要 么 是 0, 要 么 是 1, 对 应 于 电 路 的

153 开 或 关 假 如 一 台 计 算 机 读 入 了 10 个 bits 的 信 息, 那 相 当 于 说 它 读 入 了 一 个 10 位 的 2 进 制 数 ( 比 方 说 ), 这 个 数 的 每 一 位 都 是 一 个 确 定 的 0 或 者 1 这 在 人 们 看 来, 似 乎 是 理 所 当 然 的 但 是, 接 下 来 就 让 我 们 进 入 神 奇 的 量 子 世 界 一 个 bit 是 信 息 流 中 的 最 小 单 位, 这 看 起 来 正 如 一 个 量 子! 我 们 回 忆 一 下 走 过 的 路 上 所 见 到 的 那 些 奇 怪 景 象, 量 子 论 最 叫 人 困 惑 的 是 什 么 呢? 是 不 确 定 性 我 们 无 法 肯 定 地 指 出 一 个 电 子 究 竟 在 哪 里, 我 们 不 知 道 它 是 通 过 了 左 缝 还 是 右 缝, 我 们 不 知 道 薛 定 谔 的 猫 是 死 了 还 是 活 着 根 据 量 子 论 的 基 本 方 程, 所 有 的 可 能 性 都 是 线 性 叠 加 在 一 起 的! 电 子 同 时 通 过 了 左 和 右 两 条 缝, 薛 定 谔 的 猫 同 时 活 着 和 死 了 只 有 当 实 际 观 测 它 的 时 候, 上 帝 才 随 机 地 掷 一 下 骰 子, 告 诉 我 们 一 个 确 定 的 结 果, 或 者 他 老 人 家 不 掷 骰 子, 而 是 把 我 们 投 影 到 两 个 不 同 的 宇 宙 中 去 大 家 不 要 忘 记, 我 们 的 电 脑 也 是 由 微 观 的 原 子 组 成 的, 它 当 然 也 服 从 量 子 定 律 ( 事 实 上 所 有 的 机 器 肯 定 都 是 服 从 量 子 论 的, 只 不 过 对 于 传 统 的 机 器 来 说, 它 们 的 工 作 原 理 并 不 主 要 建 立 在 量 子 效 应 上 ) 假 如 我 们 的 信 息 由 一 个 个 电 子 来 传 输, 我 们 规 定, 当 一 个 电 子 是 左 旋 的 时 候, 它 代 表 了 0, 当 它 是 右 旋 的 时 候, 则 代 表 1( 通 常 我 们 会 以 上 和 下 来 表 示 自 旋 方 向, 不 过 可 能 有 读 者 会 对 上 旋 感 到 困 惑, 我 们 换 个 称 呼, 这 无 所 谓 ) 现 在 问 题 来 了, 当 我 们 的 电 子 到 达 时, 它 是 处 于 量 子 叠 加 态 的 这 岂 不 是 说, 它 同 时 代 表 了 0 和 1? 这 就 对 了, 在 我 们 的 量 子 计 算 机 里, 一 个 bit 不 仅 只 有 0 或 者 1 的 可 能 性, 它 更 可 以 表 示 一 个 0 和 1 的 叠 加! 一 个 比 特 可 以 同 时 记 录 0 和 1, 我 们 把 它 称 作 一 个 量 子 比 特 (qubit) 假 如 我 们 的 量 子 计 算 机 读 入 了 一 个 10bits 的 信 息, 所 得 到 的 就 不 仅 仅 是 一 个 10 位 的 二 进 制 数 了, 事 实 上, 因 为 每 个 bit 都 处 在 0 和 1 的 叠 加 态, 我 们 的 计 算 机 所 处 理 的 是 2^10 个 10 位 数 的 叠 加! 换 句 话 说, 同 样 是 读 入 10bits 的 信 息, 传 统 的 计 算 机 只 能 处 理 1 个 10 位 的 二 进 制 数, 而 如 果 是 量 子 计 算 机, 则 可 以 同 时 处 理 2^10 个 这 样 的 数! 利 用 量 子 演 化 来 进 行 某 种 图 灵 机 式 的 计 算 早 在 70 年 代 和 80 年 代 初 便 由 Bennett,Benioff 等 人 进 行 了 初 步 的 讨 论 到 了 1982 年, 那 位 极 富 传 奇 色 彩 的 美 国 物 理 学 家 理 查 德 费 因 曼 (Richard Feynman) 注 意 到, 当 我 们 试 图 使 用 计 算 机 来 模 拟 某 些 物 理 过 程, 例 如 量 子 叠 加 的 时 候, 计 算 量 会 随 着 模 拟 对 象 的 增 加 而 指 数 式 地 增 长, 以 致 使 得 传 统 的 模 拟 很 快 变 得 不 可 能 费 因 曼 并 未 因 此 感 到 气 馁, 相 反, 他 敏 锐 地 想 到, 也 许 我 们 的 计 算 机 可 以 使 用 实 际 的 量 子 过 程 来 模 拟 物 理 现 象! 如 果 说 模 拟 一 个 叠 加 需 要 很 大 的 计 算 量 的 话, 为 什 么 不 用 叠 加 本 身 去 模 拟 它 呢? 每 一 个 叠 加 都 是 一 个 不 同 的 计 算, 当 所 有 这 些 计 算 都 最 终 完 成 之 后, 我 们 再 对 它 进 行 某 种 幺 正 运 算, 把 一 个 最 终 我 们 需 要 的 答 案 投 影 到 输 出 中 去 费 因 曼 猜 想, 这 在 理 论 上 是 可 行 的, 而 他 的 确 猜 对 了! 1985 年, 我 们 那 位 在 埃 弗 莱 特 的 谆 谆 教 导 和 多 宇 宙 论 的 熏 陶 下 成 长 起 来 的 大 卫 德 义 奇 闪 亮 登 场 了 他 仿 照 图 灵 当 年 走 的 老 路 子, 成 功 地 证 明 了, 一 台 普 适 的 量 子 计 算 机 是 可 能 的 所 谓 普 适 机 (universal machine) 的 概 念 可 能 对 大 家 有 点 陌 生 以 及 令 人 困 惑, 它 可 以 回 到 图 灵 那 里, 其 基 本 思 想 是, 存 在 某 种 图 灵 机, 把 一 段 指 令 编 成 合 适 的 编 码 对 其 输 入, 可 以 令 这 台 机 器 模 拟 任 何 图 灵 机 的 行 为 我 无 意 在 这 里 过 于 深 入 细 节, 因 为 那 是 相 当 费 脑 筋 的 事 情, 虽 然 其 中 的 数 学 一 点 也 不 复 杂 如 果 各 位 有 兴 趣 深 入 探 索 的 话 可 以 参 阅 一 些 介 绍 图 灵 工 作 的 文

154 章 ( 我 个 人 还 是 比 较 推 荐 彭 罗 斯 的 皇 帝 新 脑 ), 在 这 里 各 位 所 需 要 了 解 的 无 非 是 : 我 们 聪 明 睿 智 的 德 义 奇 先 生 证 明 了 一 件 事, 那 就 是 我 们 理 论 上 可 以 建 造 一 种 机 器, 它 可 以 模 拟 任 何 特 殊 量 子 计 算 机 的 过 程, 从 而 使 得 一 切 形 式 的 量 子 计 算 成 为 可 能 传 统 的 电 脑 处 理 信 息 流 的 时 候 用 到 的 是 所 谓 的 布 尔 逻 辑 门 (Boolean Logic Gate), 比 如 AND,OR,NOT,XOR 等 等 在 量 子 计 算 机 中 只 需 把 它 们 换 成 相 应 的 量 子 逻 辑 门 即 可 说 了 那 么 多, 一 台 量 子 计 算 机 有 什 么 好 处 呢? 德 义 奇 证 明, 量 子 计 算 机 无 法 实 现 超 越 算 法 的 任 务, 也 就 是 说, 它 无 法 比 普 通 的 图 灵 机 做 得 更 多 从 某 种 确 定 的 意 义 上 来 说, 量 子 计 算 机 也 是 一 种 图 灵 机 但 和 传 统 的 机 器 不 同, 它 的 内 态 是 不 确 定 的, 它 同 时 可 以 执 行 多 个 指 向 下 一 阶 段 的 操 作 如 果 把 传 统 的 计 算 机 称 为 决 定 性 的 图 灵 机 (Deterministic Turing Machine, DTM), 量 子 计 算 机 则 是 非 决 定 性 的 图 灵 机 (NDTM) 德 义 奇 同 时 证 明, 它 将 具 有 比 传 统 的 计 算 机 大 得 多 的 效 率 用 术 语 来 讲, 执 行 同 一 任 务 时 它 所 要 求 的 复 杂 性 (complexity) 要 低 得 多 理 由 是 显 而 易 见 的, 量 子 计 算 机 执 行 的 是 一 种 并 行 计 算, 正 如 我 们 前 面 举 的 例 子, 当 一 个 10bits 的 信 息 被 处 理 时, 量 子 计 算 机 实 际 上 操 作 了 2^10 个 态! 在 如 今 这 个 信 息 时 代, 网 上 交 易 和 电 子 商 务 的 浪 潮 正 席 卷 全 球, 从 政 府 至 平 民 百 姓, 都 越 来 越 依 赖 于 电 脑 和 网 络 系 统 与 此 同 时, 电 子 安 全 的 问 题 也 显 得 越 来 越 严 峻, 谁 都 不 想 黑 客 们 大 摇 大 摆 地 破 解 你 的 密 码, 侵 入 你 的 系 统 篡 改 你 的 资 料, 然 后 把 你 银 行 里 的 存 款 提 得 精 光, 这 就 需 要 我 们 对 私 隐 资 料 执 行 严 格 的 加 密 保 护 目 前 流 行 的 加 密 算 法 不 少, 很 多 都 是 依 赖 于 这 样 一 个 靠 山, 也 即 所 谓 的 大 数 不 可 分 解 性 大 家 中 学 里 都 苦 练 过 因 式 分 解, 也 做 过 质 因 数 分 解 的 练 习, 比 如 把 15 这 个 数 字 分 解 成 它 的 质 因 数 的 乘 积, 我 们 就 会 得 到 15=5 3 这 样 一 个 唯 一 的 答 案 问 题 是, 分 解 15 看 起 来 很 简 单, 但 如 果 要 分 解 一 个 很 大 很 大 的 数, 我 们 所 遭 遇 到 的 困 难 就 变 得 几 乎 不 可 克 服 了 比 如, 把 分 解 成 它 的 质 因 数 的 乘 积, 我 们 该 怎 么 做 呢? 糟 糕 的 是, 在 解 决 这 种 问 题 上, 我 们 还 没 有 发 现 一 种 有 效 的 算 法 一 种 笨 办 法 就 是 用 所 有 已 知 的 质 数 去 一 个 一 个 地 试, 最 后 我 们 会 发 现 = ( 数 字 取 自 德 义 奇 的 著 作 The Fabric of Reality), 但 这 是 异 常 低 效 的 更 遗 憾 的 是, 随 着 数 字 的 加 大, 这 种 方 法 所 费 的 时 间 呈 现 出 几 何 式 的 增 长! 每 当 它 增 加 一 位 数, 我 们 就 要 多 费 3 倍 多 的 时 间 来 分 解 它, 很 快 我 们 就 会 发 现, 就 算 计 算 时 间 超 过 宇 宙 的 年 龄, 我 们 也 无 法 完 成 这 个 任 务 当 然 我 们 可 以 改 进 我 们 的 算 法, 但 目 前 所 知 最 好 的 算 法 ( 我 想 应 该 是 GNFS) 所 需 的 复 杂 性 也 只 不 过 比 指 数 性 的 增 长 稍 好, 仍 未 达 到 多 项 式 的 要 求 ( 所 谓 多 项 式, 指 的 是 当 处 理 数 字 的 位 数 n 增 大 时, 算 法 所 费 时 间 按 照 多 项 式 的 形 式, 也 就 是 n^k 的 速 度 增 长 ) 所 以, 如 果 我 们 用 一 个 大 数 来 保 护 我 们 的 秘 密, 只 有 当 这 个 大 数 被 成 功 分 解 时 才 会 泄 密, 我 们 应 当 是 可 以 感 觉 非 常 安 全 的 因 为 从 上 面 的 分 析 可 以 看 出, 想 使 用 暴 力 方 法, 也 就 是 穷 举 法 来 破 解 这 样 的 密 码 几 乎 是 不 可 能 的 虽 然 我 们 的 处 理 器 速 度 每 隔 18 个 月 就 翻 倍, 但 也 远 远 追 不 上 安 全 性 的 增 长 : 只 要 给 我 们 的 大 数 增 加 一 两 位 数, 就 可 以 保 好 几 十 年 的 平 安 目 前 最 流 行 的 一 些 加 密 术, 比 如 公 钥 的 RSA 算 法 正 是 建 筑 在 这 个 基 础 之 上 但 量 子 计 算 机 实 现 的 可 能 使 得 所 有 的 这 些 算 法 在 瞬 间 人 人 自 危 量 子 计 算 机 的 并 行 机 制 使 得 它 可 以 同 时 处 理 多 个 计 算, 这 使 得 大 数 不 再 成 为 障 碍!1994 年, 贝 尔 实 验 室 的 彼 得 肖 (Peter

155 Shor) 创 造 了 一 种 利 用 量 子 计 算 机 的 算 法, 可 以 有 效 地 分 解 大 数 ( 复 杂 性 符 合 多 项 式!) 比 如 我 们 要 分 解 一 个 250 位 的 数 字, 如 果 用 传 统 计 算 机 的 话, 就 算 我 们 利 用 最 有 效 的 算 法, 把 全 世 界 所 有 的 计 算 机 都 联 网 到 一 起 联 合 工 作, 也 要 花 上 几 百 万 年 的 漫 长 时 间 但 如 果 用 量 子 计 算 机 的 话, 只 需 几 分 钟! 一 台 量 子 计 算 机 在 分 解 250 位 数 的 时 候, 同 时 处 理 了 10^500 个 不 同 的 计 算! 更 糟 的 事 情 接 踵 而 来 在 肖 发 明 了 他 的 算 法 之 后,1996 年 贝 尔 实 验 室 的 另 一 位 科 学 家 洛 弗 格 鲁 弗 (Lov Grover) 很 快 发 现 了 另 一 种 算 法, 可 以 有 效 地 搜 索 未 排 序 的 数 据 库 如 果 我 们 想 从 一 个 有 n 个 记 录 但 未 排 序 的 数 据 库 中 找 出 一 个 特 定 的 记 录 的 话, 大 概 只 好 靠 随 机 地 碰 运 气, 平 均 试 n/2 次 才 会 得 到 结 果, 但 如 果 用 格 鲁 弗 的 算 法, 复 杂 性 则 下 降 到 根 号 n 次 这 使 得 另 一 种 著 名 的 非 公 钥 系 统 加 密 算 法,DES 面 临 崩 溃 现 在 几 乎 所 有 的 人 都 开 始 关 注 量 子 计 算, 更 多 的 量 子 算 法 肯 定 会 接 连 不 断 地 被 创 造 出 来, 如 果 真 的 能 够 造 出 量 子 计 算 机, 那 么 对 于 现 在 所 有 的 加 密 算 法, 不 管 是 RSA,DES, 或 者 别 的 什 么 椭 圆 曲 线, 都 可 以 看 成 是 末 日 的 来 临 最 可 怕 的 是, 因 为 量 子 并 行 运 算 内 在 的 机 制, 即 使 我 们 不 断 增 加 密 码 的 位 数, 也 只 不 过 给 破 解 者 增 加 很 小 的 代 价 罢 了, 这 些 加 密 术 实 际 上 都 破 产 了! 2001 年,IBM 的 一 个 小 组 演 示 了 肖 的 算 法, 他 们 利 用 7 个 量 子 比 特 把 15 分 解 成 了 3 和 5 的 乘 积 当 然, 这 只 是 非 常 初 步 的 进 展, 我 们 还 不 知 道, 是 否 真 的 可 以 造 出 有 实 际 价 值 的 量 子 计 算 机, 量 子 态 的 纠 缠 非 常 容 易 退 相 干, 这 使 得 我 们 面 临 着 技 术 上 的 严 重 困 难 虽 然 2002 年, 斯 坦 弗 和 日 本 的 科 学 家 声 称, 一 台 硅 量 子 计 算 机 是 可 以 利 用 现 在 的 技 术 实 现 的,2003 年, 马 里 兰 大 学 的 科 学 家 们 成 功 地 实 现 了 相 距 0.7 毫 米 的 两 个 量 子 比 特 的 互 相 纠 缠, 一 切 都 在 向 好 的 方 向 发 展, 但 也 许 量 子 计 算 机 真 正 的 运 用 还 要 过 好 几 十 年 才 会 实 现 这 个 项 目 是 目 前 最 为 热 门 的 话 题 之 一, 让 我 们 且 拭 目 以 待 就 算 强 大 的 量 子 计 算 机 真 的 问 世 了, 电 子 安 全 的 前 景 也 并 非 一 片 黯 淡, 俗 话 说 得 好, 上 帝 在 这 里 关 上 了 门, 但 又 在 别 处 开 了 一 扇 窗 量 子 论 不 但 给 我 们 提 供 了 威 力 无 比 的 计 算 破 解 能 力, 也 让 我 们 看 到 了 另 一 种 可 能 性 : 一 种 永 无 可 能 破 解 的 加 密 方 法 这 是 另 一 个 炙 手 可 热 的 话 题 : 量 子 加 密 术 (quantum cryptography) 如 果 篇 幅 允 许, 我 们 在 史 话 的 最 后 会 简 单 描 述 一 下 这 方 面 的 情 况 这 种 加 密 术 之 所 以 能 够 实 现, 是 因 为 神 奇 的 量 子 可 以 突 破 爱 因 斯 坦 的 上 帝 所 安 排 下 的 束 缚 那 个 宿 命 般 神 秘 的 不 等 式 而 这, 也 就 是 我 们 马 上 要 去 讨 论 的 内 容 但 是, 在 本 节 的 最 后, 我 们 还 是 回 到 多 宇 宙 解 释 上 来 我 们 如 何 去 解 释 量 子 计 算 机 那 神 奇 的 计 算 能 力 呢? 德 义 奇 声 称, 唯 一 的 可 能 是 它 利 用 了 多 个 宇 宙, 把 计 算 放 在 多 个 平 行 宇 宙 中 同 时 进 行, 最 后 汇 总 那 个 结 果 拿 肖 的 算 法 来 说, 我 们 已 经 提 到, 当 它 分 解 一 个 250 位 数 的 时 候, 同 时 进 行 着 10^500 个 计 算 德 义 奇 愤 愤 不 平 地 请 求 那 些 不 相 信 MWI 的 人 解 释 这 个 事 实 : 如 果 不 是 把 计 算 同 时 放 到 10^500 个 宇 宙 中 进 行 的 话, 它 哪 来 的 资 源 可 以 进 行 如 此 惊 人 的 运 算? 他 特 别 指 出, 整 个 宇 宙 也 只 不 过 包 含 大 约 10^80 个 粒 子 而 已 但 是, 虽 然 把 计 算 放 在 多 个 平 行 宇 宙 中 进 行 是 一 种 可 能 的 说 法 ( 虽 然 听 上 去 仍 然 古 怪 ), 其 实 MWI 并 不 是 唯 一 的 解 释 基 本 上, 量 子 计 算 机 所 依 赖 的 只 是 量 子 论 的 基 本 方 程, 而 不 是 某 个 解 释 它 的 模 型 是 从 数 学 上 建 筑 起 来 的, 和 你 如 何 去 解 释 它 无 干 你 可 以 把 它 想 象 成 10^500 个 宇 宙 中 的 每 一 台 计 算 机 在 进 行 着 计 算, 但 也 完 全 可 以 按 照 哥 本 哈 根 解 释, 想 象 成 未 观 测 ( 输 出 结 果 ) 前, 在 这 个 宇 宙 中 存 在 着 10^500 台 叠 加 的 计 算 机 在 同 时 干 活! 至 于 这 是 如 何 实 现 的, 我 们 是 没 有 权 利 去 讨 论 的, 正 如 我 们 不 知 道 电 子 如 何 同 时 穿 过 了 双 缝, 猫 如 何 同 时 又 死 又 活 一 样 这 听 起 来 不 可 思 议, 但 在 许 多 人 看 来, 比 起 瞬 间 突 然 分 裂 出 了 10^500 个 宇 宙, 其 古 怪 程 度 也 半

156 斤 八 两 正 如 柯 文 尼 在 时 间 之 箭 中 说 的 那 样, 即 使 这 样 一 种 计 算 机 造 出 来, 也 未 必 能 证 明 多 世 界 一 定 就 比 其 它 解 释 优 越 关 键 是, 我 们 还 没 有 得 到 实 实 在 在 可 以 去 判 断 的 证 据, 也 许 我 们 还 是 应 该 去 看 看 还 有 没 有 别 的 道 路, 它 们 都 通 向 哪 些 更 为 奇 特 的 方 向 yutian 回 复 于 : :09:45 第 十 章 不 等 式 四 castor_v_pollux 我 们 终 于 可 以 从 多 世 界 这 条 道 路 上 抽 身 而 退, 再 好 好 反 思 一 下 量 子 论 的 意 义 前 面 我 们 留 下 的 那 块 意 识 怪 兽 的 牌 子 还 历 历 在 目, 而 在 多 宇 宙 这 里 我 们 的 境 遇 也 不 见 得 好 多 少, 也 许 可 以 用 德 威 特 的 原 话, 立 一 块 精 神 分 裂 的 牌 子 来 警 醒 世 人 注 意 在 哥 本 哈 根 那 里, 我 们 时 刻 担 心 的 是 如 何 才 能 使 波 函 数 坍 缩, 而 在 多 宇 宙 那 里, 问 题 变 成 了 我 在 宇 宙 中 究 竟 算 是 个 什 么 东 西 假 如 我 们 每 时 每 刻 都 不 停 地 被 投 影 到 无 数 的 世 界, 那 么 究 竟 哪 一 个 才 算 是 真 正 的 我 呢? 或 者, 我 这 个 概 念 干 脆 就 应 该 定 义 成 由 此 刻 开 始, 同 时 包 含 了 将 来 那 n 条 宇 宙 岔 路 里 的 所 有 我 的 一 个 集 合? 如 果 是 这 样 的 话, 那 么 量 子 永 生 听 起 来 就 不 那 么 荒 诞 了 : 在 这 个 集 合 中 我 总 在 某 条 分 支 上 活 着 嘛 假 如 你 不 认 同, 认 为 我 只 不 过 是 某 时 某 刻 的 一 个 存 在, 随 着 每 一 次 量 子 测 量 而 分 裂 成 无 数 个 新 的 不 同 的 我, 那 么 难 道 我 们 的 精 神 只 不 过 是 一 种 瞬 时 的 概 念, 它 完 全 不 具 有 连 续 性? 生 活 在 一 个 无 时 无 刻 不 在 分 裂 的 宇 宙 中, 无 时 无 刻 都 有 无 穷 个 新 的 我 的 分 身 被 制 造 出 来, 天 知 道 我 们 为 什 么 还 会 觉 得 时 间 是 平 滑 而 且 连 续 的, 天 知 道 为 什 么 我 们 的 自 我 意 识 的 连 续 性 没 有 遭 到 割 裂 不 管 是 哥 本 哈 根 还 是 多 宇 宙, 其 实 都 是 在 努 力 地 试 图 解 释 量 子 世 界 中 的 这 样 一 个 奇 妙 性 质 : 叠 加 性 正 如 我 们 已 经 在 史 话 中 反 复 为 大 家 所 揭 示 的 那 样, 当 没 有 观 测 前, 古 怪 的 量 子 精 灵 始 终 处 在 不 确 定 的 状 态, 必 须 描 述 为 所 有 的 可 能 性 的 叠 加 电 子 既 在 这 里 又 在 那 里, 在 实 际 观 测 之 前 并 不 像 以 前 经 典 世 界 中 我 们 不 言 而 喻 地 假 定 的 那 样, 有 一 个 唯 一 确 定 的 位 置 当 一 个 光 子 从 A 点 运 动 到 B 点, 它 并 不 具 有 经 典 力 学 所 默 认 的 一 条 确 定 的 轨 迹 相 反, 它 的 轨 迹 是 一 团 模 糊, 是 所 有 可 能 的 轨 迹 的 总 和! 而 且 不 单 单 是 所 有 可 能 的 空 间 轨 迹, 事 实 上, 它 是 全 部 空 间 以 及 全 部 时 间 的 路 径 的 总 和! 换 句 话 说, 光 子 从 A 到 B, 是 一 个 过 去 现 在 未 来 所 有 可 能 的 路 线 的 叠 加 在 此 基 础 之 上 费 因 曼 建 立 了 他 的 路 径 积 分 (path integral) 方 法, 用 以 计 算 量 子 体 系 在 四 维 空 间 中 的 几 率 振 幅 我 们 在 史 话 的 前 面 已 经 看 到 了 海 森 堡 的 矩 阵 和 薛 定 谔 的 波, 费 因 曼 的 路 径 积 分 是 第 三 种 描 述 量 子 体 系 的 手 段 但 同 样 可 以 证 明, 它 和 前 两 者 是 完 全 等 价 的, 只 不 过 是 又 一 种 不 同 的 数 学 表 达 形 式 罢 了 配 合 费 因 曼 图, 这 种 方 法 简 单 实 用, 而 且 非 常 巧 妙 把 它 运 用 到 原 子 体 系 中, 我 们 会 惊 奇 地 发 现 在 绝 大 部 分 路 径 上, 作 用 量 都 互 相 抵 消, 只 留 下 少 数 可 能 的 轨 道, 而 这 正 和 观 测 相 符! 我 们 必 须 承 认, 量 子 论 在 现 实 中 是 成 功 的, 它 能 够 完 美 地 解 释 和 说 明 观 测 到 的 现 象 可 是 要 承 认 叠 加, 不 管 是 哥 本 哈 根 式 的 叠 加 还 是 多 宇 宙 式 的 叠 加, 这 和 我 们 对 于 现 实 世 界 的 常 识 始 终 有 着 巨 大 的 冲 突 我 们 还 是 不 由 地 怀 念 那 流 金 的 古 典 时 代, 那 时 候 现 实 世 界 仍 然 保 留 着 高 贵 的 客 观 性 血 统, 它 简 单 明 确, 符 合 常 识, 一 个 电 子 始 终 有 着 确 定 的 位 置 和 动 量, 不 以 我 们 的 意 志 或 者 观 测 行 为 而 转 移, 也 不 会 莫 名 其 妙 地 分 裂, 而 只 是 一 丝 不 苟 地 在 一 个 优 美 的 宇 宙 规 则 的 统 治 下 按 照 严 格 的 因 果 律 而 运 行 哦, 这 样 的 场 景 温 馨 而 暖 人 心 扉, 简 直 就 是 物 理 学 家 们 梦 中 的 桃 花 源, 难 道 我 们 真 的 无 法 再 现 这 样 的 理 想, 回 到 那 个 令 人 怀 念 的 时 代 了 吗?

157 且 慢, 这 里 就 有 一 条 道 路, 打 着 一 个 大 广 告 牌 : 回 到 经 典 它 甚 至 把 爱 因 斯 坦 拉 出 来 作 为 它 的 代 言 人 : 这 条 道 路 通 向 爱 因 斯 坦 的 梦 想 天 哪, 爱 因 斯 坦 的 梦 想, 不 就 是 那 个 古 典 客 观, 简 洁 明 确, 一 切 都 由 严 格 的 因 果 性 来 主 宰 的 世 界 吗? 那 里 面 既 没 有 掷 骰 子 的 上 帝, 也 没 有 多 如 牛 毛 的 宇 宙 拷 贝, 这 是 多 么 教 人 心 动 的 情 景 我 们 还 犹 豫 什 么 呢, 赶 快 去 看 看 吧! 时 空 倒 转, 我 们 先 要 回 到 1927 年, 回 到 布 鲁 塞 尔 的 第 五 届 索 尔 维 会 议, 再 回 味 一 下 那 场 决 定 了 量 子 论 兴 起 的 大 辩 论 我 们 在 史 话 的 第 八 章 已 经 描 写 了 这 次 名 留 青 史 的 会 议 的 一 些 情 景, 我 们 还 记 得 法 国 的 那 位 贵 族 德 布 罗 意 在 会 上 讲 述 了 他 的 导 波 理 论, 但 遭 到 了 泡 利 的 质 疑 在 第 五 届 索 尔 维 会 议 上, 玻 尔 的 互 补 原 理 还 刚 刚 出 台, 粒 子 和 波 动 还 正 打 得 不 亦 乐 乎, 德 布 罗 意 的 导 波 正 是 试 图 解 决 这 一 矛 盾 的 一 个 尝 试 我 们 都 还 记 得, 德 布 罗 意 发 现, 每 当 一 个 粒 子 前 进 时, 都 伴 随 着 一 个 波, 这 深 刻 地 揭 示 了 波 粒 二 象 性 的 难 题 但 德 布 罗 意 并 不 相 信 玻 尔 的 互 补 原 理, 亦 即 电 子 同 时 又 是 粒 子 又 是 波 的 解 释 德 布 罗 意 想 象, 电 子 始 终 是 一 个 实 实 在 在 的 粒 子, 但 它 的 确 受 到 时 时 伴 随 着 它 的 那 个 波 的 影 响, 这 个 波 就 像 盲 人 的 导 航 犬, 为 它 探 测 周 围 的 道 路 的 情 况, 指 引 它 如 何 运 动, 也 就 是 我 们 为 什 么 把 它 称 作 导 波 的 原 因 德 布 罗 意 的 理 论 里 没 有 波 恩 统 计 解 释 的 地 位, 它 完 全 是 确 定 和 实 在 论 的 量 子 效 应 表 面 上 的 随 机 性 完 全 是 由 一 些 我 们 不 可 知 的 变 量 所 造 成 的, 换 句 话 说, 量 子 论 是 一 个 不 完 全 的 理 论, 它 没 有 考 虑 到 一 些 不 可 见 的 变 量, 所 以 才 显 得 不 可 预 测 假 如 把 那 些 额 外 的 变 量 考 虑 进 去, 整 个 系 统 是 确 定 和 可 预 测 的, 符 合 严 格 因 果 关 系 的 这 样 的 理 论 称 为 隐 变 量 理 论 (Hidden Variable Theory) 德 布 罗 意 理 论 生 不 逢 时, 正 遇 上 伟 大 的 互 补 原 理 出 台 的 那 一 刻, 加 上 它 本 身 的 不 成 熟, 于 是 遭 到 了 众 多 的 批 评, 而 最 终 判 处 它 死 刑 的 是 1932 年 的 冯 诺 伊 曼 我 们 也 许 还 记 得, 冯 诺 伊 曼 在 那 一 年 为 量 子 论 打 下 了 严 密 的 数 学 基 础, 他 证 明 了 量 子 体 系 的 一 些 奇 特 性 质 比 如 无 限 后 退 然 而 在 这 些 之 外, 他 还 顺 便 证 明 了 一 件 事, 那 就 是 : 任 何 隐 变 量 理 论 都 不 可 能 对 测 量 行 为 给 出 确 定 的 预 测 换 句 话 说, 隐 变 量 理 论 试 图 把 随 机 性 从 量 子 论 中 赶 走 的 努 力 是 不 可 能 实 现 的, 任 何 隐 变 量 理 论 不 管 它 是 什 么 样 的 注 定 都 要 失 败 冯 诺 伊 曼 那 华 丽 的 天 才 倾 倒 每 一 个 人, 没 有 人 对 这 位 20 世 纪 最 伟 大 的 数 学 家 之 一 产 生 怀 疑 隐 变 量 理 论 那 无 助 的 努 力 似 乎 已 经 逃 脱 不 了 悲 惨 的 下 场, 而 爱 因 斯 坦 对 于 严 格 的 因 果 性 的 信 念 似 乎 也 注 定 要 化 为 泡 影 德 布 罗 意 接 受 这 一 现 实, 他 在 内 心 深 处 不 像 玻 尔 那 样 顽 强 而 充 满 斗 志, 而 是 以 一 种 贵 族 式 的 风 度 放 弃 了 他 的 观 点 整 个 3 40 年 代, 哥 本 哈 根 解 释 一 统 天 下, 量 子 的 不 确 定 性 精 神 深 植 在 物 理 学 的 血 液 之 中, 众 多 的 电 子 和 光 子 化 身 为 波 函 数 神 秘 地 在 宇 宙 中 弥 漫, 众 星 拱 月 般 地 烘 托 出 那 位 伟 大 的 智 者 尼 尔 斯 玻 尔 的 魔 力 来 1969 年 诺 贝 尔 物 理 奖 得 主 盖 尔 曼 后 来 调 侃 地 说 : 玻 尔 给 整 整 一 代 的 物 理 学 家 洗 了 脑, 使 他 们 相 信, 事 情 已 经 最 终 解 决 了 约 翰 贝 尔 则 气 忿 忿 地 说 : 德 布 罗 意 在 1927 年 就 提 出 了 他 的 理 论 当 时, 以 我 现 在 看 来 是 丢 脸 的 一 种 方 式, 被 物 理 学 界 一 笑 置 之, 因 为 他 的 论 据 没 有 被 驳 倒, 只 是 被 简 单 地 践 踏 了 谁 能 想 到, 就 连 像 冯 诺 伊 曼 这 样 的 天 才, 也 有 阴 沟 里 翻 船 的 时 候 他 的 证 明 不 成 立! 冯 诺 伊 曼 关 于 隐 函 数 理 论 无 法 对 观 测 给 出 唯 一 确 定 的 解 的 证 明 建 立 在 5 个 前 提 假 设 上, 在 这 5 个 假 设 中, 前 4 个 都 是 没 有 什 么 问 题 的, 关 键 就 在 第 5 个 那 里 我 们 都 知 道, 在 量 子 力 学 里, 对

158 一 个 确 定 的 系 统 进 行 观 测, 我 们 是 无 法 得 到 一 个 确 定 的 结 果 的, 它 按 照 随 机 性 输 出, 每 次 的 结 果 可 能 都 不 一 样 但 是 我 们 可 以 按 照 公 式 计 算 出 它 的 期 望 ( 平 均 ) 值 假 如 对 于 一 个 确 定 的 态 矢 量 Φ 我 们 进 行 观 测 X, 那 么 我 们 可 以 把 它 坍 缩 后 的 期 望 值 写 成 正 如 我 们 一 再 强 调 的 那 样, 量 子 论 是 线 性 的, 它 可 以 叠 加 如 果 我 们 进 行 了 两 次 观 测 X,Y, 它 们 的 期 望 值 也 是 线 性 的, 即 应 该 有 关 系 : =+ 但 是 在 隐 函 数 理 论 中, 我 们 认 为 系 统 光 由 态 矢 量 Φ 来 描 述 是 不 完 全 的, 它 还 具 有 不 可 见 的 隐 藏 函 数, 或 者 隐 藏 的 态 矢 量 H 把 H 考 虑 进 去 后, 每 次 观 测 的 结 果 就 不 再 随 机, 而 是 唯 一 确 定 的 现 在, 冯 诺 伊 曼 假 设 : 对 于 确 定 的 系 统 来 说, 即 使 包 含 了 隐 函 数 H 之 后, 它 们 也 是 可 以 叠 加 的 即 有 : =+ 这 里 的 问 题 大 大 地 有 对 于 前 一 个 式 子 来 说, 我 们 讨 论 的 是 平 均 情 况 也 就 是 说, 假 如 真 的 有 隐 函 数 H 的 话, 那 么 我 们 单 单 考 虑 Φ 时, 它 其 实 包 含 了 所 有 的 H 的 可 能 分 布, 得 到 的 是 关 于 H 的 平 均 值 但 把 具 体 的 H 考 虑 进 去 后, 我 们 所 说 的 就 不 是 平 均 情 况 了! 相 反, 考 虑 了 H 后, 按 照 隐 函 数 理 论 的 精 神, 就 无 所 谓 期 望 值, 而 是 每 次 都 得 到 唯 一 的 确 定 的 结 果 关 键 是, 平 均 值 可 以 相 加, 并 不 代 表 一 个 个 单 独 的 情 况 都 能 够 相 加! 我 们 这 样 打 比 方 : 假 设 我 们 扔 骰 子, 骰 子 可 以 掷 出 1-6 点, 那 么 我 们 每 扔 一 个 骰 子, 平 均 得 到 的 点 数 是 3.5 这 是 一 个 平 均 数, 能 够 按 线 性 叠 加, 也 就 是 说, 假 如 我 们 同 时 扔 两 粒 骰 子, 得 到 的 平 均 点 数 可 以 看 成 是 两 次 扔 一 粒 骰 子 所 得 到 的 平 均 数 的 和, 也 就 是 =7 点 再 通 俗 一 点, 假 设 ABC 三 个 人 同 时 扔 骰 子,A 一 次 扔 两 粒,B 和 C 都 一 次 扔 一 粒, 那 么 从 长 远 的 平 均 情 况 来 看,A 得 到 的 平 均 点 数 等 于 B 和 C 之 和 但 冯 诺 伊 曼 的 假 设 就 变 味 了 他 其 实 是 假 定, 任 何 一 次 我 们 同 时 扔 两 粒 骰 子, 它 必 定 等 于 两 个 人 各 扔 一 粒 骰 子 的 点 数 之 和! 也 就 是 说 只 要 三 个 人 同 时 扔 骰 子, 不 管 是 哪 一 次,A 得 到 的 点 数 必 定 等 于 B 加 C 这 可 大 大 未 必, 当 A 掷 出 12 点 的 时 候,B 和 C 很 可 能 各 只 掷 出 1 点 虽 然 从 平 均 情 况 来 看 A 的 确 等 于 B 加 C, 但 这 并 非 意 味 着 每 回 合 都 必 须 如 此! 冯 诺 伊 曼 的 证 明 建 立 在 这 样 一 个 不 牢 靠 的 基 础 上, 自 然 最 终 轰 然 崩 溃 终 结 他 的 人 是 大 卫 玻 姆 (David Bohm), 当 代 最 著 名 的 量 子 力 学 专 家 之 一 玻 姆 出 生 于 宾 夕 法 尼 亚, 他 曾 在 爱 因 斯 坦 和 奥 本 海 默 的 手 下 学 习 ( 事 实 上, 他 是 奥 本 海 默 在 伯 克 利 所 收 的 最 后 一 个 研 究 生 ), 爱 因 斯 坦 的 理 想 也 深 深 打 动 着 玻 姆, 使 他 决 意 去 追 寻 一 个 回 到 严 格 的 因 果 律, 恢 复 宇 宙 原 有 秩 序 的 理 论 1952 年, 玻 姆 复 活 了 德 布 罗 意 的 导 波, 成 功 地 创 立 了 一 个 完 整 的 隐 函 数 体 系 全 世 界 的 物 理 学 家 都 吃 惊 得 说 不 出 话 来 : 冯 诺 伊 曼 不 是 已 经 把 这 种 可 能 性 彻 底 排 除 掉 了 吗? 现 在 居 然 有 人 举 出 了 一 个 反 例! 奇 怪 的 是, 发 现 冯 诺 伊 曼 的 错 误 并 不 需 要 太 高 的 数 学 技 巧 和 洞 察 能 力, 但 它 硬 是 在 20 年 的 时 间 里 没 有 引 起 值 得 一 提 的 注 意 David Mermin 挪 揄 道, 真 不 知 道 它 自 发 表 以 来 是 否 有 过 任 何 专 家 或 者 学 生 真 正 研 究 过 它 贝 尔 在 访 谈 里 毫 不 客 气 地 说 : 你 可 以 这 样 引 用 我 的 话 : 冯 诺 伊 曼 的 证 明 不 仅 是 错 误 的, 更 是 愚 蠢 的!

159 看 来 我 们 在 前 进 的 路 上 仍 然 需 要 保 持 十 二 分 的 小 心 ********* 饭 后 闲 话 : 第 五 公 设 冯 诺 伊 曼 栽 在 了 他 的 第 五 个 假 设 上, 这 似 乎 是 冥 冥 中 的 天 道 循 环,2000 年 前, 伟 大 的 欧 几 里 德 也 曾 经 在 他 的 第 五 个 公 设 上 小 小 地 绊 过 一 下 无 论 怎 样 形 容 几 何 原 本 的 伟 大 也 不 会 显 得 过 分 夸 张, 它 所 奠 定 的 公 理 化 思 想 和 演 绎 体 系, 直 接 孕 育 了 现 代 科 学, 给 它 提 供 了 最 强 大 的 力 量 几 何 原 本 把 几 何 学 的 所 有 命 题 推 理 都 建 筑 在 一 开 头 给 出 的 5 个 公 理 和 5 个 公 设 上, 用 这 些 最 基 本 的 砖 石 建 筑 起 了 一 幢 高 不 可 攀 的 大 厦 对 于 欧 氏 所 给 出 的 那 5 个 公 理 和 前 4 个 公 设 ( 适 用 于 几 何 学 的 他 称 为 公 设 ), 人 们 都 可 以 接 受 但 对 于 第 五 个 公 设, 人 们 觉 得 有 一 些 不 太 满 意 这 个 假 设 原 来 的 形 式 比 较 冗 长, 人 们 常 把 它 改 成 一 个 等 价 的 表 述 方 式 : 过 已 知 直 线 外 的 一 个 特 定 的 点, 能 够 且 只 能 够 作 一 条 直 线 与 已 知 直 线 平 行 长 期 以 来, 人 们 对 这 个 公 设 的 正 确 性 是 不 怀 疑 的, 但 觉 得 它 似 乎 太 复 杂 了, 也 许 不 应 该 把 它 当 作 一 个 公 理, 而 能 够 从 别 的 公 理 中 把 它 推 导 出 来 但 2000 年 过 去 了, 竟 然 没 有 一 个 数 学 家 做 到 这 一 点 ( 许 多 时 候 有 人 声 称 他 证 明 了, 但 他 们 的 证 明 都 是 错 的 )! 欧 几 里 德 本 人 显 然 也 对 这 个 公 设 感 到 不 安, 相 比 其 他 4 个 公 设, 第 五 公 设 简 直 复 杂 到 家 了 ( 其 他 4 个 公 设 是 :1, 可 以 在 任 意 两 点 间 划 一 直 线 2, 可 以 延 长 一 线 段 做 一 直 线 3, 圆 心 和 半 径 决 定 一 个 圆 4, 所 有 的 直 角 都 相 等 ) 在 几 何 原 本 中, 他 小 心 翼 翼 地 尽 量 避 免 使 用 这 一 公 设, 直 到 没 有 办 法 的 时 候 才 不 得 不 用 它, 比 如 在 要 证 明 任 意 三 角 形 的 内 角 和 为 180 度 的 时 候 长 期 的 失 败 使 得 人 们 不 由 地 想, 难 道 第 五 公 设 是 不 可 证 明 的? 如 果 我 们 用 反 证 法, 假 设 它 不 成 立, 那 么 假 如 我 们 导 出 矛 盾, 自 然 就 可 以 反 过 来 证 明 第 五 公 设 本 身 的 正 确 性 但 如 果 假 设 第 五 公 设 不 成 立, 结 果 却 导 致 不 出 矛 盾 呢? 俄 国 数 学 家 罗 巴 切 夫 斯 基 (N. Lobatchevsky) 正 是 这 样 做 的 他 假 设 第 五 公 设 不 成 立, 也 就 是 说, 过 直 线 外 一 点, 可 以 作 一 条 以 上 的 直 线 与 已 知 直 线 平 行, 并 以 此 为 基 础 进 行 推 演 结 果 他 得 到 了 一 系 列 稀 奇 古 怪 的 结 果, 可 是 它 们 却 是 一 个 自 成 体 系 的 系 统, 它 们 没 有 矛 盾, 在 逻 辑 上 是 自 洽 的! 一 种 不 同 于 欧 几 里 得 的 几 何 非 欧 几 何 诞 生 了! 从 不 同 于 第 五 公 设 的 其 他 假 设 出 发, 我 们 可 以 得 到 和 欧 几 里 得 原 来 的 版 本 稍 有 不 同 的 一 些 定 理 比 如 三 角 形 内 角 和 等 于 180 度 是 从 第 五 公 设 推 出 来 的, 假 如 过 一 点 可 以 作 一 条 以 上 的 平 行 线, 那 么 三 角 形 的 内 角 和 便 小 于 180 度 了 反 之, 要 是 过 一 点 无 法 作 已 知 直 线 的 平 行 线, 结 果 就 是 三 角 形 的 内 角 和 大 于 180 度 对 于 后 者 来 说 容 易 想 象 的 就 是 球 面, 任 何 看 上 去 平 行 的 直 线 最 终 必 定 交 汇 比 方 说 在 地 球 的 赤 道 上 所 有 的 经 线 似 乎 都 互 相 平 行, 但 它 们 最 终 都 在 两 极 点 相 交 如 果 你 在 地 球 表 面 画 一 个 三 角 形, 它 的 内 角 和 会 超 出 180 度, 当 然, 你 得 画 得 足 够 大 才 测 量 得 到 传 说 高 斯 曾 经 把 三 座 山 峰 当 作 三 角 形 的 三 个 顶 点 来 测 量 它 们 的 内 角

160 和, 但 似 乎 没 有 发 现 什 么, 不 过 他 要 是 在 星 系 间 做 这 样 的 测 量, 其 结 果 就 会 很 明 显 了 : 星 系 的 质 量 造 成 了 空 间 的 明 显 弯 曲 罗 巴 切 夫 斯 基 假 设 过 一 点 可 以 做 一 条 以 上 的 直 线 与 已 知 直 线 平 行, 另 一 位 数 学 家 黎 曼 则 假 设 无 法 作 这 样 的 平 行 线, 创 立 了 黎 曼 非 欧 几 何 他 把 情 况 推 广 到 n 维 中 去, 彻 底 奠 定 了 非 欧 几 何 的 基 础 更 重 要 的 是, 他 的 体 系 被 运 用 到 物 理 中 去, 并 最 终 孕 育 了 20 世 纪 最 杰 出 的 科 学 巨 构 广 义 相 对 论 yutian 回 复 于 : :11:04 第 十 章 不 等 式 五 castor_v_pollux 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 其 实 就 是 一 种 类 似 波 动 的 东 西, 它 按 照 薛 定 谔 方 程 发 展, 在 电 子 的 周 围 扩 散 开 去 但 是, 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 玻 姆 用 的 数 学 手 法 十 分 高 超, 他 的 体 系 的 确 基 本 做 到 了 传 统 的 量 子 力 学 所 能 做 到 的 一 切! 但 是, 让 我 们 感 到 不 舒 服 的 是, 这 样 一 个 隐 变 量 理 论 始 终 似 乎 显 得 有 些 多 余 量 子 力 学 从 世 纪 初 一 路 走 来, 诸 位 物 理 大 师 为 它 打 造 了 金 光 闪 闪 的 基 本 数 学 形 式 它 是 如 此 漂 亮 而 简 洁, 在 实 际 中 又 是 如 此 管 用, 以 致 于 我 们 觉 得 除 非 绝 对 必 要, 似 乎 没 有 理 由 给 它 强 迫 加 上 笨 重 而 丑 陋 的 附 加 假 设 玻 姆 的 隐 函 数 理 论 复 杂 繁 琐 又 难 以 服 众, 他 假 设 一 个 电 子 具 有 确 定 的 轨 迹, 却 又 规 定 因 为 隐 变 量 的 扰 动 关 系, 我 们 绝 对 观 察 不 到 这 样 的 轨 迹! 这 无 疑 违 反 了 奥 卡 姆 剃 刀 原 则 : 存 在 却 绝 对 观 测 不 到, 这 和 不 存 在 又 有 何 分 别 呢? 难 道, 我 们 为 了 这 个 世 界 的 实 在 性, 就 非 要 放 弃 物 理 原 理 的 优 美 明 晰 和 简 洁 吗? 这 连 爱 因 斯 坦 本 人 都 会 反 对, 他 对 科 学 美 有 着 比 任 何 人 都 要 深 的 向 往 和 眷 恋 事 实 上, 爱 因 斯 坦, 甚 至 德 布 罗 意 生 前 都 没 有 对 玻 姆 的 理 论 表 示 过 积 极 的 认 同 更 不 可 原 谅 的 是, 玻 姆 在 不 惜 一 切 代 价 地 地 恢 复 了 世 界 的 实 在 性 和 决 定 性 之 后, 却 放 弃 了 另 一 样 同 等 重 要 的 东 西 : 定 域 性 (Locality) 定 域 性 指 的 是, 在 某 段 时 间 里, 所 有 的 因 果 关 系 都 必 须 维 持 在 一 个 特 定 的 区 域 内, 而 不 能 超 越 时 空 来 瞬 间 地 作 用 和 传 播 简 单 来 说, 就 是 指 不 能 有 超 距 作 用 的 因 果 关 系, 任 何 信 息 都 必 须 以 光 速 这 个 上 限 而 发 送, 这 也 就 是 相 对 论 的 精 神! 但 是 在 玻 姆 那 里, 他 的 量 子 势 可 以 瞬 间 把 它 的 触 角 伸 到 宇 宙 的 尽 头, 一 旦 在 某 地 发 生 什 么,

161 其 信 息 立 刻 便 传 达 到 每 一 个 电 子 耳 边 如 果 玻 姆 的 理 论 成 立 的 话, 超 光 速 的 通 讯 在 宇 宙 中 简 直 就 是 无 处 不 在, 爱 因 斯 坦 不 会 容 忍 这 一 切 的! 但 是, 玻 姆 他 的 确 打 破 了 因 为 冯 诺 伊 曼 的 错 误 而 造 成 的 坚 冰, 至 少 给 隐 变 量 从 荆 棘 中 艰 难 地 开 辟 出 了 一 条 道 路 不 管 怎 么 样, 隐 变 量 理 论 在 原 则 上 毕 竟 是 可 能 的, 那 么, 我 们 是 不 是 至 少 还 保 有 一 线 希 望, 可 以 发 展 出 一 个 完 美 的 隐 变 量 理 论, 使 得 我 们 在 将 来 的 某 一 天 得 以 同 时 拥 有 一 个 确 定 实 在, 而 又 拥 有 定 域 性 的 温 暖 世 界 呢? 这 样 一 个 世 界, 不 就 是 爱 因 斯 坦 的 终 极 梦 想 吗? 1928 年 7 月 28 日, 距 离 量 子 论 最 精 彩 的 华 章 不 确 定 性 原 理 的 谱 写 已 经 过 去 一 年 有 余 在 这 一 天, 约 翰 斯 图 尔 特 贝 尔 (John Stewart Bell) 出 生 在 北 爱 尔 兰 的 首 府 贝 尔 法 斯 特 小 贝 尔 在 孩 提 时 代 就 表 现 出 了 过 人 的 聪 明 才 智, 他 在 11 岁 上 向 母 亲 立 志, 要 成 为 一 名 科 学 家 16 岁 时 贝 尔 因 为 尚 不 够 年 龄 入 读 大 学, 先 到 贝 尔 法 斯 特 女 王 大 学 的 实 验 室 当 了 一 年 的 实 习 工, 然 而 他 的 才 华 已 经 深 深 感 染 了 那 里 的 教 授 和 员 工 一 年 后 他 顺 理 成 章 地 进 入 女 王 大 学 攻 读 物 理, 虽 然 主 修 的 是 实 验 物 理, 但 他 同 时 也 对 理 论 物 理 表 现 出 非 凡 的 兴 趣 特 别 是 方 兴 未 艾 的 量 子 论, 它 展 现 出 的 深 刻 的 哲 学 内 涵 令 贝 尔 相 当 沉 迷 贝 尔 在 大 学 的 时 候, 量 子 论 大 厦 主 体 部 分 的 建 设 已 经 尘 埃 落 定, 基 本 的 理 论 框 架 已 经 由 海 森 堡 和 薛 定 谔 所 打 造 完 毕, 而 玻 尔 已 经 为 它 作 出 了 哲 学 上 最 意 味 深 长 的 诠 释 20 世 纪 物 理 史 上 最 激 动 人 心 的 那 些 年 代 已 经 逝 去, 没 能 参 予 其 间 当 然 是 一 件 遗 憾 的 事, 但 也 许 正 是 因 为 这 样, 人 们 得 以 稍 稍 冷 静 下 来, 不 致 于 为 了 那 伟 大 的 事 业 而 过 于 热 血 沸 腾, 身 不 由 己 地 便 拜 倒 在 尼 尔 斯 玻 尔 那 几 乎 不 可 抗 拒 的 个 人 魔 力 之 下 贝 尔 不 无 吃 惊 地 发 现, 自 己 并 不 同 意 老 师 和 教 科 书 上 对 于 量 子 论 的 正 统 解 释 海 森 堡 的 不 确 定 性 原 理 它 听 上 去 是 如 此 具 有 主 观 的 味 道, 实 在 不 讨 人 喜 欢 贝 尔 想 要 的 是 一 个 确 定 的, 客 观 的 物 理 理 论, 他 把 自 己 描 述 为 一 个 爱 因 斯 坦 的 忠 实 追 随 者 毕 业 以 后, 贝 尔 先 是 进 入 英 国 原 子 能 研 究 所 (AERE) 工 作, 后 来 转 去 了 欧 洲 粒 子 中 心 (CERN) 他 的 主 要 工 作 集 中 在 加 速 器 和 粒 子 物 理 领 域 方 面, 但 他 仍 然 保 持 着 对 量 子 物 理 的 浓 厚 兴 趣, 在 业 余 时 间 里 密 切 关 注 着 它 的 发 展 1952 年 玻 姆 理 论 问 世, 这 使 贝 尔 感 到 相 当 兴 奋 他 为 隐 变 量 理 论 的 想 法 所 着 迷, 认 为 它 恢 复 了 实 在 论 和 决 定 论, 无 疑 迈 出 了 通 向 那 个 终 极 梦 想 的 第 一 步 这 个 终 极 梦 想, 也 就 是 我 们 一 直 提 到 的, 使 世 界 重 新 回 到 客 观 独 立, 优 雅 确 定, 严 格 遵 守 因 果 关 系 的 轨 道 上 来 贝 尔 觉 得, 隐 变 量 理 论 正 是 爱 因 斯 坦 所 要 求 的 东 西, 可 以 完 成 对 量 子 力 学 的 完 备 化 然 而 这 或 许 是 贝 尔 的 一 厢 情 愿, 因 为 极 为 讽 刺 的 是, 甚 至 爱 因 斯 坦 本 人 都 不 认 同 玻 姆! 不 管 怎 么 样, 贝 尔 准 备 仔 细 地 考 察 一 下, 对 于 德 布 罗 意 和 玻 姆 的 想 法 是 否 能 够 有 实 际 的 反 驳, 也 就 是 说, 是 否 真 如 他 们 所 宣 称 的 那 样, 对 于 所 有 的 量 子 现 象 我 们 都 可 以 抛 弃 不 确 定 性, 而 改 用 某 种 实 在 论 来 描 述 1963 年, 贝 尔 在 日 内 瓦 遇 到 了 约 克 教 授, 两 人 对 此 进 行 了 深 入 的 讨 论, 贝 尔 逐 渐 形 成 了 他 的 想 法 假 如 我 们 的 宇 宙 真 的 是 如 爱 因 斯 坦 所 梦 想 的 那 样, 它 应 当 具 有 怎 样 的 性 质 呢? 要 探 讨 这 一 点, 我 们 必 须 重 拾 起 爱 因 斯 坦 昔 日 与 玻 尔 论 战 时 所 提 到 的 一 个 思 想 实 验 EPR 佯 谬 要 是 你 已 经 忘 记 了 EPR 是 个 什 么 东 西, 可 以 先 复 习 一 下 我 们 史 话 的 8-4 我 们 所 描 述 的 实 际 上 是 经 过 玻 姆 简 化 过 的 EPR 版 本, 不 过 它 们 在 本 质 上 是 一 样 的 现 在 让 我 们 重 做 EPR 实 验 :

162 一 个 母 粒 子 分 裂 成 向 相 反 方 向 飞 开 去 的 两 个 小 粒 子 A 和 B, 它 们 理 论 上 具 有 相 反 的 自 旋 方 向, 但 在 没 有 观 察 之 前, 照 量 子 派 的 讲 法, 它 们 的 自 旋 是 处 在 不 确 定 的 叠 加 态 中 的, 而 爱 因 斯 坦 则 坚 持, 从 分 离 的 那 一 刻 起,A 和 B 的 状 态 就 都 是 确 定 了 的 我 们 用 一 个 矢 量 来 表 示 自 旋 方 向, 现 在 甲 乙 两 人 站 在 遥 远 的 天 际 两 端 等 候 着 A 和 B 的 分 别 到 来 ( 比 方 说, 甲 在 人 马 座 的 方 向, 乙 在 双 子 座 的 方 向 ) 在 某 个 按 照 宇 宙 标 准 时 间 所 约 好 了 的 关 键 时 刻 ( 比 方 说, 宇 宙 历 767 年 8 月 12 日 9 点 整, 听 起 来 怎 么 像 银 英 传, 呵 呵 ), 两 人 同 时 对 A 和 B 的 自 旋 在 同 一 个 方 向 上 作 出 测 量 那 么, 正 如 我 们 已 经 讨 论 过 的, 因 为 要 保 持 总 体 上 的 守 恒, 这 两 个 自 旋 必 定 相 反, 不 论 在 哪 个 方 向 上 都 是 如 此 假 如 甲 在 某 方 向 上 测 量 到 A 的 自 旋 为 正 (+), 那 么 同 时 乙 在 这 个 方 向 上 得 到 的 B 自 旋 的 测 量 结 果 必 定 为 负 (-)! 换 句 话 说,A 和 B 不 论 它 们 相 隔 多 么 遥 远 看 起 来 似 乎 总 是 如 同 约 好 了 那 样, 当 A 是 + 的 时 候 B 必 定 是 -, 它 们 的 合 作 率 是 100%! 在 统 计 学 上, 拿 稍 微 正 式 一 点 的 术 语 来 说, (A+,B-) 的 相 关 性 (correlation) 是 100%, 也 就 是 1 我 们 需 要 熟 悉 一 下 相 关 性 这 个 概 念, 它 是 表 示 合 作 程 度 的 一 个 变 量, 假 如 A 和 B 每 次 都 合 作, 比 如 A 是 + 时 B 总 是 -, 那 么 相 关 性 就 达 到 最 大 值 1, 反 过 来, 假 如 B 每 次 都 不 和 A 合 作, 每 当 A 是 + 是 B 偏 偏 也 非 要 是 +, 那 么 (A+,B-) 的 相 关 率 就 达 到 最 小 值 -1 当 然 这 时 候 从 另 一 个 角 度 看,(A+,B+) 的 相 关 就 是 1 了 要 是 B 不 和 A 合 作 也 不 有 意 对 抗, 它 的 取 值 和 A 毫 无 关 系, 显 得 完 全 随 机, 那 么 B 就 和 A 并 不 相 关, 相 关 性 是 0 在 EPR 里, 不 管 两 个 粒 子 的 状 态 在 观 测 前 究 竟 确 不 确 定, 最 后 的 结 果 是 肯 定 的 : 在 同 一 个 方 向 上 要 么 是 (A+,B-), 要 么 是 (A-,B+), 相 关 性 是 1 但 是, 这 是 在 同 一 方 向 上, 假 设 在 不 同 方 向 上 呢? 假 设 甲 沿 着 x 轴 方 向 测 量 A 的 自 旋, 乙 沿 着 y 轴 方 向 测 量 B, 其 结 果 的 相 关 率 会 是 如 何 呢? 冥 冥 中 一 丝 第 六 感 告 诉 我 们, 决 定 命 运 的 时 刻 就 要 到 来 了 实 际 上 我 们 生 活 在 一 个 3 维 空 间, 可 以 在 3 个 方 向 上 进 行 观 测, 我 们 把 这 3 个 方 向 假 设 为 x, y,z 它 们 并 不 一 定 需 要 互 相 垂 直, 任 意 地 取 便 是 每 个 粒 子 的 自 旋 在 一 个 特 定 的 方 向 无 非 是 正 负 两 种 可 能, 那 么 在 3 个 方 向 上 无 非 总 共 是 8 种 可 能 ( 把 每 个 方 向 想 像 成 一 根 爻, 那 么 组 合 结 果 无 非 是 8 个 卦 ) x y z

163 对 于 A 来 说 有 8 种 可 能, 那 么 对 于 A 和 B 总 体 来 说 呢? 显 然 也 是 8 种 可 能, 因 为 我 们 一 旦 观 测 了 A,B 也 就 确 定 了 如 果 A 是 (+,+,-), 那 么 因 为 要 守 恒,B 一 定 是 (-,-,+) 现 在 让 我 们 假 设 量 子 论 是 错 误 的,A 和 B 的 观 测 结 果 在 分 离 时 便 一 早 注 定, 我 们 无 法 预 测, 只 不 过 是 不 清 楚 其 中 的 隐 变 量 究 竟 是 多 少 的 缘 故 不 过 没 关 系, 我 们 假 设 这 个 隐 变 量 是 H, 它 可 以 取 值 1-8, 分 别 对 应 于 一 种 观 测 的 可 能 性 再 让 我 们 假 设, 对 应 于 每 一 种 可 能 性, 其 出 现 的 概 率 分 别 是 N1,N2 一 直 到 N8 现 在 我 们 就 有 了 一 个 可 能 的 观 测 结 果 的 总 表 : Ax Ay Az Bx By Bz 出 现 概 率 N N N N N N N N8 上 面 的 每 一 行 都 表 示 一 种 可 能 出 现 的 结 果, 比 如 第 一 行 就 表 示 甲 观 察 到 A 在 x,y,z 三 个 方 向 上 的 自 旋 都 为 +, 而 乙 观 察 到 B 在 3 个 方 向 上 的 自 旋 相 应 地 均 为 -, 这 种 结 果 出 现 的 可 能 性 是 N1 因 为 观 测 结 果 8 者 必 居 其 一, 所 以 N1+N2+ +N8=1, 这 个 各 位 都 可 以 理 解 吧? 现 在 让 我 们 运 用 一 点 小 学 数 学 的 水 平, 来 做 一 做 相 关 性 的 练 习 我 们 暂 时 只 察 看 x 方 向, 在 这 个 方 向 上,(Ax+,Bx-) 的 相 关 性 是 多 少 呢? 我 们 需 要 这 样 做 : 当 一 个 记 录 符 合 两 种 情 况 之 一 : 当 在 x 方 向 上 A 为 + 而 B 同 时 为 -, 或 者 A 不 为 + 而 B 也 同 时 不 为 -, 如 果 这 样, 它 便 符 合 我 们 的 要 求, 标 志 着 对 (Ax+,Bx-) 的 合 作 态 度, 于 是 我 们 就 加 上 相 应 的 概 率 相 反, 如 果 在 x 上 A 为 + 而 B 也 同 时 为 +, 或 者 A 为 - 而 B 也 为 -, 这 是 对 (Ax+,Bx-) 组 合 的 一 种 破 坏 和 抵 触, 我 们 必 须 减 去 相 应 的 概 率 从 上 表 可 以 看 出, 前 4 种 可 能 都 是 Ax 为 + 而 Bx 同 时 为 -, 后 4 种 可 能 都 是 Ax 不 为 + 而 Bx 也 不 为 -, 所 以 8 行 都 符 合 我 们 的 条 件, 全 是 正 号 我 们 的 结 果 是 N1+N2+ +N8=1! 所 以 (Ax+,Bx-) 的 相 关 是 1, 这 毫 不 奇 怪, 我 们 的 表 本 来 就 是 以 此 为 前 提 编 出 来 的 如 果 我

164 们 要 计 算 (Ax+,Bx+) 的 相 关, 那 么 8 行 就 全 不 符 合 条 件, 全 是 负 号, 我 们 的 结 果 是 -N1-N2- -N8=-1 接 下 来 我 们 要 走 得 远 一 点,A 在 x 方 向 上 为 +, 而 B 在 y 方 向 上 为 +, 这 两 个 观 测 结 果 的 相 关 性 是 多 少 呢? 现 在 是 两 个 不 同 的 方 向, 不 过 计 算 原 则 是 一 样 的 : 要 是 一 个 记 录 符 合 Ax 为 + 以 及 By 为 +, 或 者 Ax 不 为 + 以 及 By 也 不 为 + 时, 我 们 就 加 上 相 应 的 概 率, 反 之 就 减 去 让 我 们 仔 细 地 考 察 上 表, 最 后 得 到 的 结 果 应 该 是 这 样 的, 用 Pxy 来 表 示 : Pxy=-N1-N2+N3+N4+N5+N6-N7-N8 嗯, 蛮 容 易 的 嘛, 我 们 再 来 算 算 Pxz, 也 就 是 Ax 为 + 同 时 Bz 为 + 的 相 关 : Pxz=-N1+N2-N3+N4+N5-N6+N7-N8 再 来, 这 次 是 Pzy, 也 就 是 Az 为 + 且 By 为 +: Pzy=-N1+N2+N3-N4-N5+N6+N7-N8 好 了, 差 不 多 了, 现 在 我 们 把 玩 一 下 我 们 的 计 算 结 果, 把 Pxz 减 去 Pzy 再 取 绝 对 值 : Pxz-Pzy = -2N3+2N4+2N5-2N6 =2 N3+N4-N5-N6 这 里 需 要 各 位 努 力 一 下, 超 越 小 学 数 学 的 水 平, 回 忆 一 下 初 中 的 知 识 关 于 绝 对 值, 我 们 有 关 系 式 x-y x + y, 所 以 套 用 到 上 面 的 式 子 里, 我 们 有 : Pxz-Pzy =2 N3+N4-N5-N6 2( N3+N4 + N5+N6 ) 因 为 所 有 的 概 率 都 不 为 负 数, 所 以 2( N3+N4 + N5+N6 )=2(N3+N4+N5+N6) 最 后, 我 们 还 记 得 N1+N2+...+N8=1, 所 以 我 们 可 以 从 上 式 中 凑 一 个 1 出 来 : 2(N3+N4+N5+N6)=1+(-N1-N2+N3+N4+N5+N6-N7-N8) 看 看 我 们 前 面 的 计 算, 后 面 括 号 里 的 一 大 串 不 正 是 Pxy 吗? 所 以 我 们 得 到 最 终 的 结 果 : Pxz-Pzy 1+Pxy 恭 喜 你, 你 已 经 证 明 了 这 个 宇 宙 中 最 为 神 秘 和 深 刻 的 定 理 之 一 现 在 放 在 你 眼 前 的, 就 是 名 垂 千 古 的 贝 尔 不 等 式 它 被 人 称 为 科 学 中 最 深 刻 的 发 现, 它 即 将 对 我 们 这 个 宇 宙 的 终 极 命 运 作 出 最 后 的 判 决 ( 我 们 的 证 明 当 然 是 简 化 了 的, 隐 变 量 不 一 定 是 离 散 的, 而 可 以 定 义 为 区 间 λ 上 的 一 个 连 续 函 数 即 使 如 此, 只 要 稍 懂 一 点 积 分 知 识 也 不 难 推 出 贝 尔 不 等 式 来, 各 位 有 兴 趣 的 可 以 动 手 一 试 )

165 yutian 回 复 于 : :12:14 第 十 一 章 上 帝 的 判 决 一 castor_v_pollux 一 Pxz-Pzy 1+Pxy 嗯, 这 个 不 等 式 看 上 去 普 普 通 通, 似 乎 不 见 得 有 什 么 神 奇 的 魔 力, 更 不 用 说 对 于 我 们 宇 宙 的 本 质 作 出 终 极 的 裁 决 它 真 的 有 这 样 的 威 力 吗? 我 们 还 是 先 来 看 看, 贝 尔 不 等 式 究 竟 意 味 着 什 么 我 们 在 上 一 章 已 经 描 述 过 了,Pxy 代 表 了 A 粒 子 在 x 方 向 上 为 +, 而 同 时 B 粒 子 在 y 方 向 上 亦 为 + 这 两 个 事 件 的 相 关 性 相 关 性 是 一 种 合 作 程 度 的 体 现 ( 不 管 是 双 方 出 奇 地 一 致 还 是 出 奇 地 不 一 致 都 意 味 着 合 作 程 度 很 高 ), 而 合 作 则 需 要 双 方 都 了 解 对 方 的 情 况, 这 样 才 能 够 有 效 地 协 调 在 隐 变 量 理 论 中, 我 们 对 于 两 个 粒 子 的 描 述 是 符 合 常 识 的 : 无 论 观 察 与 否, 两 个 粒 子 始 终 存 在 于 客 观 现 实 之 内, 它 们 的 状 态 从 分 裂 的 一 霎 那 起 就 都 是 确 定 无 疑 的 假 如 我 们 禁 止 宇 宙 中 有 超 越 光 速 的 信 号 传 播, 那 么 理 论 上 当 我 们 同 时 观 察 两 个 粒 子 的 时 候, 它 们 之 间 无 法 交 换 任 何 信 息, 它 们 所 能 达 到 的 最 大 协 作 程 度 仅 仅 限 于 经 典 世 界 所 给 出 的 极 限 这 个 极 限, 也 就 是 我 们 用 经 典 方 法 推 导 出 来 的 贝 尔 不 等 式 如 果 世 界 的 本 质 是 经 典 的, 具 体 地 说, 如 果 我 们 的 世 界 同 时 满 足 :1. 定 域 的, 也 就 是 没 有 超 光 速 信 号 的 传 播 2. 实 在 的, 也 就 是 说, 存 在 着 一 个 独 立 于 我 们 观 察 的 外 部 世 界 那 么 我 们 任 意 取 3 个 方 向 观 测 A 和 B 的 自 旋, 它 们 所 表 现 出 来 的 协 作 程 度 必 定 要 受 限 贝 尔 不 等 式 之 内 也 就 是 说, 假 如 上 帝 是 爱 因 斯 坦 所 想 象 的 那 个 不 掷 骰 子 的 慈 祥 的 老 头 子, 那 么 贝 尔 不 等 式 就 是 他 给 这 个 宇 宙 所 定 下 的 神 圣 的 束 缚 不 管 我 们 的 观 测 方 向 是 怎 么 取 的, 在 EPR 实 验 中 的 两 个 粒 子 决 不 可 能 冒 犯 他 老 人 家 的 尊 严, 而 胆 敢 突 破 这 一 禁 区 事 实 上, 这 不 是 敢 不 敢 的 问 题, 而 是 两 个 经 典 粒 子 在 逻 辑 上 根 本 不 具 有 这 样 的 能 力 : 它 们 之 间 既 然 无 法 交 换 信 号, 就 决 不 能 表 现 得 亲 密 无 间 但 是, 量 子 论 的 预 言 就 不 同 了! 贝 尔 证 明, 在 量 子 论 中, 只 要 我 们 把 a 和 b 之 间 的 夹 角 θ 取 得 足 够 小, 则 贝 尔 不 等 式 是 可 以 被 突 破 的! 具 体 的 证 明 需 要 用 到 略 微 复 杂 一 点 的 物 理 和 数 学 知 识, 我 在 这 里 略 过 不 谈 了, 但 请 诸 位 相 信 我, 在 一 个 量 子 主 宰 的 世 界 里,A 和 B 两 粒 子 在 相 隔 非 常 遥 远 的 情 况 下, 在 不 同 方 向 上 仍 然 可 以 表 现 出 很 高 的 协 作 程 度, 以 致 于 贝 尔 不 等 式 不 成 立 这 在 经 典 图 景 中 是 决 不 可 能 发 生 的 我 们 这 样 来 想 象 EPR 实 验 : 有 两 个 罪 犯 抢 劫 了 银 行 之 后 从 犯 罪 现 场 飞 也 似 地 逃 命, 但 他 们 慌 不 择 路, 两 个 人 沿 着 相 反 的 两 个 方 向 逃 跑, 结 果 于 同 一 时 刻 在 马 路 的 两 头 被 守 候 的 警 察 分 别 抓 获 现 在 我 们 来 录 取 他 们 的 口 供, 假 设 警 察 甲 问 罪 犯 A: 你 是 带 头 的 那 个 吗? A 的 回 答 无 非 是 是, 或 者 不 是 在 马 路 另 一 头, 如 果 警 察 乙 问 罪 犯 B 同 一 个 问 题 : 你 是 带 头 的 那 个 吗? 那 么 B 的 回 答 必 定 与 A 相 反, 因 为 大 哥 只 能 有 1 个, 不 是 A 带 着 B 就 是 B 带 着 A 两 个 警 察 问 的 问 题 在 同 一 方 向 上, 知 道 了 A 的 答 案, 就 等 于 知 道 了 B 的 答 案, 他 们 的 答 案,100% 地 不 同, 协 作 率 100% 在 这 点 上, 无 论 是 经 典 世 界 还 是 量 子 世 界 都

166 是 一 样 的 但 是, 回 到 经 典 世 界 里, 假 如 两 个 警 察 问 的 是 不 同 角 度 的 问 题, 比 如 说 问 A: 你 需 要 自 己 聘 请 律 师 吗? 问 B: 你 现 在 要 喝 水 吗? 这 是 两 个 彼 此 无 关 的 问 题 ( 在 不 同 的 方 向 上 ),A 可 能 回 答 要 或 者 不 要, 但 这 应 该 对 B 怎 样 回 答 问 题 毫 无 关 系, 因 为 B 和 A 理 论 上 已 经 失 去 了 联 系,B 不 可 能 按 照 A 的 行 动 来 斟 酌 自 己 的 答 案 不 过, 这 只 是 经 典 世 界 里 的 罪 犯, 要 是 我 们 有 两 个 量 子 罪 犯, 那 可 就 不 同 了 当 A 决 定 聘 请 律 师 的 时 候,B 就 会 有 更 大 的 可 能 性 想 要 喝 水, 反 之 亦 然! 看 起 来, 似 乎 是 A 和 B 之 间 有 一 种 神 奇 的 心 灵 感 应, 使 得 他 们 即 使 面 临 不 同 的 质 询 时, 仍 然 回 答 得 出 奇 地 一 致! 量 子 世 界 的 Bonnie&Clyde, 即 使 他 们 相 隔 万 里, 仍 然 合 作 无 间, 按 照 哥 本 哈 根 解 释, 这 是 因 为 在 具 体 地 回 答 问 题 前, 两 个 人 根 本 不 存 在 于 实 在 之 中, 而 是 合 为 一 体, 按 照 波 函 数 弥 漫 用 薛 定 谔 发 明 的 术 语 来 说, 在 观 测 之 前, 两 个 人 ( 粒 子 ) 处 在 一 种 纠 缠 (entanglement) 的 状 态, 他 们 是 一 个 整 体, 具 有 一 种 不 可 分 离 性 (inseparability)! 这 样 说 当 然 是 简 单 化 的, 具 体 的 条 件 还 是 我 们 的 贝 尔 不 等 式 总 而 言 之, 如 果 世 界 是 经 典 的, 那 么 在 EPR 中 贝 尔 不 等 式 就 必 须 得 到 满 足, 反 之 则 可 以 突 破 我 们 手 中 的 这 个 神 秘 的 不 等 式 成 了 判 定 宇 宙 最 基 本 性 质 的 试 金 石, 它 仿 佛 就 是 那 把 开 启 奥 秘 之 门 的 钥 匙, 可 以 带 领 我 们 领 悟 到 自 然 的 终 极 奥 义 而 最 叫 人 激 动 的 是, 和 胡 思 乱 想 的 一 些 实 验 ( 比 如 说 疯 狂 的 量 子 自 杀 ) 不 同,EPR 不 管 是 在 技 术 或 是 伦 理 上 都 不 是 不 可 实 现 的! 我 们 可 以 确 实 地 去 做 一 些 实 验, 来 看 看 我 们 生 活 其 中 的 世 界 究 竟 是 如 爱 因 斯 坦 所 祈 祷 的 那 样, 是 定 域 实 在 的, 还 是 它 的 神 奇 终 究 超 越 我 们 的 想 象, 让 我 们 这 些 凡 人 不 得 不 怀 着 更 为 敬 畏 的 心 情 去 继 续 探 索 它 那 深 深 隐 藏 的 秘 密 1964 年, 贝 尔 把 他 的 不 等 式 发 表 在 一 份 名 为 物 理 (Physics) 的 杂 志 的 创 刊 号 上, 题 为 论 EPR 佯 谬 (On the Einstein-Podolsky-Rosen Paradox) 这 篇 论 文 是 20 世 纪 物 理 史 上 的 名 篇, 它 的 论 证 和 推 导 如 此 简 单 明 晰 却 又 深 得 精 髓, 教 人 拍 案 叫 绝 1973 年 诺 贝 尔 物 理 奖 得 主 约 瑟 夫 森 (Brian D. Josephson) 把 贝 尔 不 等 式 称 为 物 理 学 中 最 重 要 的 新 进 展, 斯 塔 普 (Henry Stapp, 就 是 我 们 前 面 提 到 的, 鼓 吹 精 神 使 波 函 数 坍 缩 的 那 个 ) 则 把 它 称 作 科 学 中 最 深 刻 的 发 现 (the most profound discovery in science) 不 过, 物 理 杂 志 却 没 有 因 为 发 表 了 这 篇 光 辉 灿 烂 的 论 文 而 得 到 什 么 好 运 气, 这 份 期 刊 只 发 行 了 一 年 就 倒 闭 了 如 今 想 要 寻 找 贝 尔 的 原 始 论 文, 最 好 还 是 翻 阅 他 的 著 作 量 子 力 学 中 的 可 道 与 不 可 道 (Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics, Cambridge 1987) 在 这 之 前, 贝 尔 发 现 了 冯 诺 伊 曼 的 错 误, 并 给 现 代 物 理 评 论 (Reviews of Modern Physics) 杂 志 写 了 文 章 虽 然 因 为 种 种 原 因, 此 文 直 到 1966 年 才 被 发 表 出 来, 但 无 论 如 何 已 经 改 变 了 这 样 一 个 尴 尬 的 局 面, 即 一 边 有 冯 诺 伊 曼 关 于 隐 函 数 理 论 不 可 能 的 证 明, 另 一 边 却 的 确 存 在 着 玻 姆 的 量 子 势! 冯 诺 伊 曼 的 封 咒 如 今 被 摧 毁 了 现 在, 贝 尔 显 得 踌 躇 满 志 : 通 往 爱 因 斯 坦 梦 想 的 一 切 障 碍 都 已 经 给 他 扫 清 了, 冯 诺 伊 曼 已 经 不 再 挡 道, 玻 姆 已 经 迈 出 了 第 一 步 而 他, 已 经 打 造 出 了 足 够 致 量 子 论 以 死 命 的 武 器, 也 就 是 那 个 威 力 无 边 的 不 等 式 贝 尔 对 世 界 的 实 在 性 深 信 不 已, 大 自 然 不 可 能 是 依 赖 于 我 们 的 观

167 察 而 存 在 的, 这 还 用 说 吗? 现 在, 似 乎 只 要 安 排 一 个 EPR 式 的 实 验, 用 无 可 辩 驳 的 证 据 告 诉 世 人 : 无 论 在 任 何 情 况 下, 贝 尔 不 等 式 也 是 成 立 的 粒 子 之 间 心 灵 感 应 式 的 合 作 是 纯 粹 的 胡 说 八 道, 可 笑 的 妄 想, 量 子 论 已 经 把 我 们 的 思 维 搞 得 混 乱 不 堪, 是 时 候 回 到 正 常 状 况 来 了 量 子 不 确 定 性 嗯, 是 一 个 漂 亮 的 作 品, 一 种 不 错 的 尝 试, 值 得 在 物 理 史 上 获 得 它 应 有 的 地 位, 毕 竟 它 管 用 但 是, 它 不 可 能 是 真 实, 而 只 是 一 种 近 似! 更 为 可 靠, 更 为 接 近 真 理 的 一 定 是 一 种 传 统 的 隐 变 量 理 论, 它 就 像 相 对 论 那 样 让 人 觉 得 安 全, 没 有 骰 子 乱 飞, 没 有 奇 妙 的 多 宇 宙, 没 有 超 光 速 的 信 号 是 的, 只 有 这 样 才 能 恢 复 物 理 学 的 光 荣, 那 个 值 得 我 们 骄 傲 和 炫 耀 的 物 理 学, 那 个 真 正 的, 庄 严 的 宇 宙 的 立 法 者, 而 不 是 靠 运 气 和 随 机 性 来 主 宰 一 切 的 投 机 贩 子 真 的, 也 许 只 差 那 么 小 小 的 一 步, 我 们 就 可 以 回 到 旧 日 的 光 辉 中 去 了 那 个 从 海 森 堡 以 来 失 落 已 久 的 极 乐 世 界, 那 个 宇 宙 万 物 都 严 格 而 丝 丝 入 扣 地 有 序 运 转 的 伟 大 图 景, 叫 怀 旧 的 人 们 痴 痴 想 念 的 古 典 时 代 真 的, 大 概 就 差 一 步 了, 也 许, 很 快 我 们 就 可 以 在 管 风 琴 的 伴 奏 中 吟 唱 弥 尔 顿 那 神 圣 而 不 朽 的 句 子 : 昔 有 乐 土, 岁 月 其 徂 有 子 不 忠, 天 赫 斯 怒 彷 徨 放 逐, 维 罪 之 故 一 人 皈 依, 众 人 得 赎 今 我 来 思, 咏 彼 之 复 此 心 坚 忍, 无 入 邪 途 孽 愆 尽 洗, 重 归 正 路 瞻 彼 伊 甸, 崛 起 荒 芜 ( 复 乐 园 卷 一,1-7) 只 是 贝 尔 似 乎 忘 了 一 件 事 : 威 力 强 大 的 武 器 往 往 都 是 双 刃 剑 饭 后 闲 话 : 玻 姆 和 麦 卡 锡 时 代 玻 姆 是 美 国 科 学 家, 但 他 的 最 大 贡 献 却 是 在 英 国 作 出 的, 这 还 要 归 功 于 40 年 代 末 50 年 代 初 在 美 国 兴 起 的 麦 卡 锡 主 义 (McCarthyism) 麦 卡 锡 主 义 是 冷 战 的 产 物, 其 实 质 就 是 疯 狂 地 反 共 与 排 外 在 参 议 员 麦 卡 锡 (Joseph McCarthy) 的 煽 风 点 火 下, 这 股 红 色 恐 惧 之 风 到 达 了 最 高 潮 几 乎 每 个 人 都 被 怀 疑 是 苏 联 间 谍, 或 者 是 阴 谋 推 翻 政 府 的 敌 对 分 子 玻 姆 在 二 战 期 间 曾 一 度 参 予 曼 哈 顿 计 划, 但 他 没 干 什 么 实 质 的 工 作, 很 快 就 退 出 了 战 后 他 到 普 林 斯 顿 教 书, 和 爱 因 斯 坦 一 起 工 作, 这 时 他 遭 到 臭

168 名 昭 著 的 非 美 活 动 调 查 委 员 会 (Un-American Activities Committee) 的 传 唤, 要 求 他 对 一 些 当 年 同 在 伯 克 利 的 同 事 的 政 治 立 场 进 行 作 证, 玻 姆 愤 然 拒 绝, 并 引 用 宪 法 第 五 修 正 案 为 自 己 辩 护 本 来 这 件 事 也 就 过 去 了, 但 麦 卡 锡 时 代 刚 刚 开 始, 恐 慌 迅 即 蔓 延 整 个 美 国 两 年 后, 玻 姆 因 为 拒 绝 回 答 委 员 会 的 提 问 而 遭 到 审 判, 虽 然 他 被 宣 判 无 罪, 但 是 普 林 斯 顿 却 不 肯 为 他 续 签 合 同, 哪 怕 爱 因 斯 坦 请 求 他 作 为 助 手 留 下 也 无 济 于 事 玻 姆 终 于 离 开 美 国, 他 先 后 去 了 巴 西 和 以 色 列, 最 后 在 伦 敦 大 学 的 Birkbeck 学 院 安 顿 下 来 在 那 里 他 发 展 出 了 他 的 隐 函 数 理 论 麦 卡 锡 时 代 是 一 个 疯 狂 和 耻 辱 的 时 代,2000 多 万 人 接 受 了 所 谓 的 忠 诚 审 查 上 至 乔 治 马 歇 尔 将 军, 中 至 查 理 卓 别 林, 下 至 无 数 平 民 百 姓 都 受 到 巨 大 的 冲 击 人 们 神 经 质 地 寻 找 所 谓 共 产 主 义 者, 就 像 中 世 纪 的 欧 洲 疯 狂 地 抓 女 巫 一 样 在 学 界, 近 百 名 教 授 因 为 观 点 问 题 离 开 了 岗 位, 有 华 裔 背 景 的 如 钱 学 森 等 遭 到 审 查, 著 名 的 量 子 化 学 大 师 鲍 林 被 怀 疑 是 美 共 特 务 越 来 越 多 的 人 被 传 唤 去 为 同 事 的 政 治 立 场 作 证, 这 里 面 芸 芸 众 生 象, 有 如 同 玻 姆 一 般 断 然 拒 绝 的, 也 有 些 人 的 举 动 出 乎 意 料 最 著 名 的 可 能 就 算 是 奥 本 海 默 一 案 了, 奥 本 海 默 是 曼 哈 顿 计 划 的 领 导 人, 连 他 都 被 怀 疑 对 国 家 不 忠 诚 似 乎 匪 夷 所 思 所 有 的 物 理 学 家 都 站 在 他 这 一 边, 然 而 爱 德 华 泰 勒 (Edward Teller) 让 整 个 物 理 界 几 乎 不 敢 相 信 自 己 的 耳 朵 这 位 匈 牙 利 出 生 的 物 理 学 家 ( 他 还 是 杨 振 宁 的 导 师 ) 说, 虽 然 他 不 怎 么 觉 得 奥 本 海 默 会 做 出 不 利 于 国 家 的 事 情 来, 但 是 如 果 让 公 共 事 务 掌 握 在 别 人 的 手 上, 我 个 人 会 感 觉 更 安 全 些 的 奥 本 海 默 的 忠 诚 虽 然 最 后 没 有 被 责 难, 但 他 的 安 全 许 可 证 被 没 收 了, 绝 密 材 料 不 再 送 到 他 手 上 虽 然 有 人 ( 如 惠 勒 ) 对 泰 勒 表 示 同 情, 但 整 个 科 学 界 几 乎 不 曾 原 谅 过 他 泰 勒 还 是 氢 弹 的 大 力 鼓 吹 者 和 实 际 设 计 者 之 一 ( 他 被 称 为 氢 弹 之 父 ), 他 试 图 阻 止 禁 止 地 上 核 试 验 条 约 的 签 署, 他 还 向 里 根 兜 售 了 星 球 大 战 计 划 (SDI Defence) 他 去 年 (2003 年 )9 月 去 世 了, 享 年 95 岁 卡 尔 萨 根 在 魔 鬼 出 没 的 世 界 一 书 里, 曾 把 他 拉 出 来 作 为 科 学 家 应 当 为 自 己 的 观 点 负 责 的 典 型 例 子 泰 勒 自 己 当 然 有 自 己 的 理 由, 他 认 为 氢 弹 的 制 造 实 际 上 使 得 人 类 社 会 更 安 全 作 为 我 们 来 说, 也 许 只 能 衷 心 地 希 望 科 学 本 身 不 要 受 到 政 治 的 过 多 干 涉, 虽 然 这 也 许 只 是 一 个 乌 托 邦 式 的 梦 想, 但 我 们 仍 然 如 此 祝 愿 第 十 一 章 上 帝 的 判 决 二 玻 尔 还 是 爱 因 斯 坦? 那 就 是 个 问 题 物 理 学 家 们 终 于 行 动 起 来, 准 备 以 实 践 为 检 验 真 理 的 唯 一 标 准, 确 确 实 实 地 探 求 一 下, 究 竟 世 界 符 合 两 位 科 学 巨 人 中 哪 一 位 的 描 述 玻 尔 和 爱 因 斯 坦 的 争 论 本 来 也 只 像 是 哲 学 上 的 一 种 空 谈, 泡 利 有 一 次 对 波 恩 说, 和 爱 因 斯 坦 争 论 量 子 论 的 本 质 就 像 以 前 人 们 争 论 一 个 针 尖 上 能 坐 多 少 个 天 使 一 般 虚 无 飘 渺, 但 现 在 已 经 不 同, 我 们 的 手 里 现 在 有 了 贝 尔 不 等 式 两 个 粒 子 究 竟 是 乖 乖 地 臣 服 于 经 典 上 帝 的 这 条 神 圣 禁 令, 还 是 它 们 将 以 一 种 量 子 革 命 式 的 躁 动 蔑 视 任 何 桎 梏, 突 破 这 条 看 起 来 庄 严 而 不 可 侵 犯 的 规 则? 如 今 我 们 终 于 可 以 把 它 付 诸 实 践, 一 切 都 等 待 着 命 运 之 神 最 终 的 判 决

169 1969 年,Clauser 等 人 改 进 了 玻 姆 的 EPR 模 型, 使 其 更 容 易 实 施 随 即 人 们 在 伯 克 利, 哈 佛 和 德 州 进 行 了 一 系 列 初 步 的 实 验, 也 许 出 乎 贝 尔 的 意 料 之 外, 除 了 一 个 实 验 外, 所 有 的 实 验 都 模 糊 地 指 向 量 子 论 的 预 言 结 果 但 是, 最 初 的 实 验 都 是 不 严 密 的, 和 EPR 的 原 型 相 去 甚 远, 人 们 使 原 子 辐 射 出 的 光 子 对 通 过 偏 振 器, 但 技 术 的 限 制 使 得 在 所 有 的 情 况 下, 我 们 只 能 获 得 单 一 的 + 的 结 果, 而 不 是 + 和 -, 所 以 要 获 得 EPR 的 原 始 推 论 仍 然 要 靠 间 接 推 理 而 且 当 时 使 用 的 光 源 往 往 只 能 产 生 弱 信 号 随 着 技 术 的 进 步, 特 别 是 激 光 技 术 的 进 步, 更 为 精 确 严 密 的 实 验 有 了 可 能 进 入 80 年 代, 法 国 奥 赛 理 论 与 应 用 光 学 研 究 所 (Institut d Optique Théorique et Appliquée, Orsay Cédex) 里 的 一 群 科 学 家 准 备 第 一 次 在 精 确 的 意 义 上 对 EPR 作 出 检 验, 领 导 这 个 小 组 的 是 阿 莱 恩 阿 斯 派 克 特 (Alain Aspect) 法 国 人 用 钙 原 子 作 为 光 子 对 的 来 源, 他 们 把 钙 原 子 激 发 到 一 个 很 高 的 量 子 态, 当 它 落 回 到 未 激 发 态 时, 就 释 放 出 能 量, 也 就 是 一 对 对 光 子 实 际 使 用 的 是 一 束 钙 原 子, 但 是 可 以 用 激 光 来 聚 焦, 使 它 们 精 确 地 激 发, 这 样 就 产 生 了 一 个 强 信 号 源 阿 斯 派 克 特 等 人 使 两 个 光 子 飞 出 相 隔 约 12 米 远, 这 样 即 使 信 号 以 光 速 在 它 们 之 间 传 播, 也 要 花 上 40 纳 秒 (ns) 的 时 间 光 子 经 过 一 道 闸 门 进 入 一 对 偏 振 器, 但 这 个 闸 门 也 可 以 改 变 方 向, 引 导 它 们 去 向 两 个 不 同 偏 振 方 向 的 偏 振 器 如 果 两 个 偏 振 器 的 方 向 是 相 同 的, 那 么 要 么 两 个 光 子 都 通 过, 要 么 都 不 通 过, 如 果 方 向 不 同, 那 么 理 论 上 说 ( 按 照 爱 因 斯 坦 的 世 界 观 ), 其 相 关 性 必 须 符 合 贝 尔 不 等 式 为 了 确 保 两 个 光 子 之 间 完 全 没 有 信 息 的 交 流, 科 学 家 们 急 速 地 转 换 闸 门 的 位 置, 平 均 10ns 就 改 变 一 次 方 向, 这 比 双 方 之 间 光 速 来 往 的 时 间 都 要 短 许 多, 光 子 不 可 能 知 道 对 方 是 否 通 过 了 那 里 的 偏 振 器 作 为 对 比, 我 们 也 考 察 两 边 都 不 放 偏 振 器, 以 及 只 有 一 边 放 置 偏 振 器 的 情 况, 以 消 除 实 验 中 的 系 统 误 差 那 么, 现 在 要 做 的 事 情, 就 是 记 录 两 个 光 子 实 际 的 协 作 程 度 如 果 它 符 合 贝 尔 不 等 式, 则 爱 因 斯 坦 的 信 念 就 得 到 了 救 赎, 世 界 回 复 到 独 立 可 靠, 客 观 实 在 的 地 位 上 来 反 之, 则 我 们 仍 然 必 须 认 真 地 对 待 玻 尔 那 看 上 去 似 乎 神 秘 莫 测 的 量 子 观 念 时 间 是 1982 年, 暮 夏 和 初 秋 之 交 七 月 流 火, 九 月 授 衣, 在 时 尚 之 都 巴 黎, 人 们 似 乎 已 经 在 忙 着 揣 摩 今 年 的 秋 冬 季 将 会 流 行 什 么 样 式 的 时 装 在 酒 吧 里, 体 育 迷 们 还 在 为 国 家 队 魂 断 西 班 牙 世 界 杯 而 扼 腕 不 已 那 一 年, 在 普 拉 蒂 尼 率 领 下 的, 被 认 为 是 历 史 上 最 强 的 那 届 国 家 队 在 一 场 经 典 赛 事 中 惊 心 动 魄 地 击 败 了 巴 西, 却 终 于 在 点 球 上 败 给 了 西 德 人 高 贵 的 绅 士 们 在 沙 龙 里 畅 谈 天 下 大 势, 议 论 着 老 冤 家 英 国 人 是 如 何 在 马 岛 把 阿 根 廷 摆 布 得 服 服 帖 帖 在 卢 浮 宫 和 奥 赛 博 物 馆, 一 如 既 往 地 挤 满 了 来 自 世 界 各 地 的 艺 术 爱 好 者, 塞 纳 河 缓 缓 流 过 市 中 心, 倒 映 着 艾 菲 尔 铁 塔 和 巴 黎 圣 母 院 的 影 子, 也 倒 映 出 路 边 风 琴 手 们 的 清 澈 眼 神 只 是, 有 多 少 人 知 道, 在 不 远 处 的 奥 赛 光 学 研 究 所, 一 对 对 奇 妙 的 光 子 正 从 钙 原 子 中 被 激 发 出 来, 冲 向 那 些 命 运 交 关 的 偏 振 器 ; 我 们 的 世 界, 正 在 接 受 一 场 终 极 的 考 验, 向 我 们 揭 开 她 那 隐 藏 在 神 秘 面 纱 后 面 的 真 实 面 目 呢? 如 果 爱 因 斯 坦 和 玻 尔 神 灵 不 昧, 或 许 他 们 也 在 天 国 中 注 视 着 这 次 实 验 的 结 果 吧? 要 是 真 的 有 上 帝 的 话, 他 老 人 家 又 在 干 什 么 呢? 也 许, 连 他 也 不 得 不 把 这 一 切 交 给 命 运 来 安 排, 用 一 个 黄 金 的 天 平 和 两 个 代 表 命 运 的 砝 码 来 决 定 这 个 世 界 本 性 的 归 属, 就 如 同 当 年 阿 喀 琉 斯 和 赫 克 托 耳 在 特 洛 伊 城 下 那 场 传 奇 的 决 斗

170 一 对, 两 对, 三 对 数 据 逐 渐 积 累 起 来 了 1 万 2 千 秒, 也 就 是 3 个 多 小 时 后, 结 果 出 来 了 科 学 家 们 都 长 出 了 一 口 气 爱 因 斯 坦 输 了! 实 验 结 果 和 量 子 论 的 预 言 完 全 符 合, 而 相 对 爱 因 斯 坦 的 预 测 却 偏 离 了 5 个 标 准 方 差 这 已 经 足 够 决 定 一 切 贝 尔 不 等 式 这 把 双 刃 剑 的 确 威 力 强 大, 但 它 斩 断 的 却 不 是 量 子 论 的 辉 光, 而 是 反 过 来 击 碎 了 爱 因 斯 坦 所 执 着 信 守 的 那 个 梦 想! 阿 斯 派 克 特 等 人 的 报 告 于 当 年 12 月 发 表 在 物 理 评 论 快 报 (Physics Review Letters) 上, 科 学 界 最 初 的 反 应 出 奇 地 沉 默 大 家 都 知 道 这 个 结 果 的 重 要 意 义, 然 而 似 乎 都 不 知 道 该 说 什 么 才 好 爱 因 斯 坦 输 了? 这 意 味 着 什 么? 难 道 这 个 世 界 真 的 比 我 们 所 能 想 象 的 更 为 神 秘 和 奇 妙, 以 致 于 我 们 那 可 怜 的 常 识 终 于 要 在 它 的 面 前 破 碎 得 七 零 八 落? 这 个 世 界 不 依 赖 于 你 也 不 依 赖 于 我, 它 就 是 在 那 里 存 在 着, 这 不 是 明 摆 着 的 事 情 吗? 为 什 么 站 在 这 样 一 个 基 本 假 设 上 所 推 导 出 来 的 结 论 和 实 验 结 果 之 间 有 着 无 法 弥 补 的 鸿 沟? 是 上 帝 疯 了, 还 是 你 我 疯 了? 全 世 界 的 人 们 都 试 图 重 复 阿 斯 派 克 特 的 实 验, 而 且 新 的 手 段 也 开 始 不 断 地 被 引 入, 实 验 模 型 越 来 越 靠 近 爱 因 斯 坦 当 年 那 个 最 原 始 的 EPR 设 想 马 里 兰 和 罗 切 斯 特 的 科 学 家 们 使 用 了 紫 外 光, 以 研 究 观 测 所 得 到 的 连 续 的, 而 非 离 散 的 输 出 相 关 性 在 英 国 的 Malvern, 人 们 用 光 纤 引 导 两 个 纠 缠 的 光 子, 使 它 们 分 离 4 公 里 以 上, 而 在 日 内 瓦, 这 一 距 离 达 到 了 数 十 公 里 即 使 在 这 样 的 距 离 上, 贝 尔 不 等 式 仍 然 遭 到 无 情 的 突 破 另 外, 按 照 贝 尔 原 来 的 设 想, 我 们 应 该 不 让 光 子 对 事 先 知 道 观 测 方 向 是 哪 些, 也 就 是 说, 为 了 确 保 它 们 能 够 对 对 它 们 而 言 不 可 预 测 的 事 件 进 行 某 种 似 乎 不 可 思 议 的 超 距 的 合 作 ( 按 照 量 子 力 学 的 预 测 ), 我 们 应 该 在 它 们 飞 行 的 路 上 才 作 出 随 机 的 观 测 方 向 的 安 排 在 阿 斯 派 克 特 实 验 里, 我 们 看 到 他 们 以 10ns 的 速 度 来 转 换 闸 门, 然 而 他 们 所 能 够 使 两 光 子 分 离 的 距 离 12 米 还 是 显 得 太 短, 不 太 保 险 1998 年, 奥 地 利 因 斯 布 鲁 克 (Innsbruck) 大 学 的 科 学 家 们 让 光 子 飞 出 相 距 400 米, 这 样 他 们 就 有 了 1.3 微 秒 的 时 间 来 完 成 偏 振 器 的 随 机 安 排 这 次 时 间 上 绰 绰 有 余, 其 结 果 是 如 此 地 不 容 置 疑 : 爱 因 斯 坦 这 次 输 得 更 惨 30 个 标 准 方 差! 1990 年,Greenberger,Horne 和 Zeilinger 等 人 向 人 们 展 示 了, 就 算 不 用 到 贝 尔 不 等 式, 我 们 也 有 更 好 的 方 法 来 昭 显 量 子 力 学 和 一 个 经 典 理 论 ( 定 域 的 隐 变 量 理 论 ) 之 间 的 尖 锐 冲 突, 这 就 是 著 名 的 GHZ 测 试 ( 以 三 人 名 字 的 首 字 母 命 名 ), 它 牵 涉 到 三 个 或 更 多 光 子 的 纠 缠 2000 年, 潘 建 伟 Bouwmeester Daniell 等 人 在 Nature 杂 志 上 报 道, 他 们 的 实 验 结 果 再 次 否 决 了 定 域 实 在, 也 就 是 爱 因 斯 坦 信 念 的 可 能 性 8 个 标 准 方 差! 2001 年,Rowe 等 人 描 述 了 更 加 精 密 的 Be+ 离 子 捕 获 实 验 2003 年,Pittman 和 Franson 报 道 了 产 生 于 两 个 独 立 源 的 光 子 对 于 贝 尔 不 等 式 的 违 反 ; 而 Hasegawa 等 人 更 是 在 单 中 子 的 干 涉 测 量 中 发 现 了 突 破 类 贝 尔 关 系 的 结 果 在 世 界 各 地 的 实 验 室 里, 粒 子 们 都 顽 强 地 保 持 着 一 种 微 妙 而 神 奇 的 联 系 仿 佛 存 心 要 炫 耀 它 们 的 能 力 般 地, 它 们 一 再 地 嘲 笑 经 典 世 界 给 它 们 定 下 的 所 谓 不 可 突 破 的 束 缚, 一 次 又 一 次 把 那 个 被 宣 称 是 不 可 侵 犯 的 教 条 踩 在 脚 下 这 一 现 象 变 得 如 此 地 不 容 置 疑, 在 量 子 信 息 领 域 已

171 经 变 成 了 测 试 两 个 量 子 比 特 是 否 仍 然 处 在 纠 缠 状 态 的 一 种 常 规 方 法 ( 有 一 个 好 处 是 可 以 知 道 你 的 信 息 有 否 被 人 中 途 窃 听!) 尽 管 我 们 也 许 会 在 将 来 做 出 更 多 更 精 密 的 实 验, 但 总 体 来 看, 在 EPR 中 贝 尔 不 等 式 的 突 破 是 一 个 无 可 辩 驳 的 事 实 或 许 在 未 来, 新 的 实 验 会 把 我 们 目 前 的 结 论 全 部 推 翻, 让 世 界 恢 复 到 经 典 的 面 目 中 去, 但 从 目 前 来 看, 这 种 可 能 性 是 微 乎 其 微 的 不 知 道 爱 因 斯 坦 如 果 活 到 今 天, 他 会 对 此 发 表 什 么 样 的 看 法? 也 许 他 会 说 一 些 灵 活 的 话 我 们 似 乎 听 到 在 遥 远 的 天 国, 他 和 玻 尔 仍 在 重 复 那 段 经 典 的 对 白 : 爱 因 斯 坦 : 玻 尔, 亲 爱 的 上 帝 不 掷 骰 子! 玻 尔 : 爱 因 斯 坦, 别 去 指 挥 上 帝 应 该 怎 么 做! 现 在, 就 让 我 们 狂 妄 一 回, 以 一 种 尼 采 式 的 姿 态 来 宣 布 : 爱 因 斯 坦 的 上 帝 已 经 死 了 第 十 一 章 上 帝 的 判 决 三 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 1927 年 创 立 以 来, 到 那 时 为 止 已 经 经 历 了 50 多 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! 量 子 论 是 从 风 雨 飘 摇 的 乱 世 成 长 起 来 的, 久 经 革 命 考 验 的 战 士, 它 的 气 质 在 风 刀 霜 剑 的 严 相 逼 拷 之 下 被 磨 砺 得 更 加 坚 韧 而 不 可 战 胜 的 确, 没 有 多 少 人 会 想 象, 这 样 一 个 理 论 会 被 一 个 不 起 眼 的 实 验 轻 易 地 打 倒 在 地, 从 此 翻 不 了 身 阿 斯 派 克 特 实 验 的 成 功, 只 不 过 是 量 子 论 所 经 受 的 又 一 个 考 验 ( 虽 然 是 最 严 格 的 考 验 ), 给 它 那 身 已 经 品 尝 过 无 数 胜 利 的 戎 装 上 又 添 上 一 枚 荣 耀 的 勋 章 罢 了 现 在 我 们 知 道, 它 即 使 在 如 此 苛 刻 的 条 件 下, 也 仍 然 是 成 功 的 是 的, 不 出 所 料! 这 一 消 息 并 没 有 给 人 们 的 情 感 上 带 来 巨 大 的 冲 击, 引 起 一 种 轰 动 效 应 但 是, 它 的 确 把 物 理 学 家 们 逼 到 了 一 种 尴 尬 的 地 步 本 来, 人 们 在 世 界 究 竟 是 否 实 实 在 在 这 种 问 题 上 通 常 乐 于 奉 行 一 种 鸵 鸟 政 策, 能 闭 口 不 谈 的 就 尽 量 不 去 讨 论 量 子 论 只 要 管 用 就 可 以 了 嘛, 干 吗 非 要 刨 根 问 底 地 去 追 究 它 背 后 的 哲 学 意 义 到 底 是 什 么 样 的 呢? 虽 然 有 爱 因 斯 坦 之 类 的 人 在 为 它 担 忧, 但 大 部 分 科 学 家 还 是 觉 得 无 所 谓 的 不 过 现 在, 阿 斯 派 克 特 终 于 逼 着 人 们 要 摊 牌 了 : 一 味 地 缩 头 缩 脑 是 没 用 的, 人 们 必 须 面 对 这 样 一 个 事 实 : 实 验 否 决 了 经 典 图 景 的 可 能 性! 爱 因 斯 坦 的 梦 想 如 同 泡 沫 般 破 碎 在 无 情 的 数 据 面 前, 我 们 再 也 回 不 去 那 个 温 暖 舒 适 的 安 乐 窝

172 中, 而 必 须 面 对 风 雨 交 加 的 严 酷 现 实 我 们 必 须 再 一 次 审 视 我 们 的 常 识, 追 问 一 下 它 到 底 有 多 可 靠, 在 多 大 程 度 上 会 给 我 们 带 来 误 导 对 于 贝 尔 来 说, 他 所 发 现 的 不 等 式 却 最 终 背 叛 了 他 的 理 想, 不 仅 没 有 把 世 界 拉 回 经 典 图 像 中 来, 更 反 过 来 把 它 推 向 了 绝 路 阿 斯 派 克 特 实 验 之 后, 我 们 必 须 说 服 自 己 相 信 这 样 一 件 事 情 : 定 域 的 隐 变 量 理 论 是 不 存 在 的! 换 句 话 说, 我 们 的 世 界 不 可 能 如 同 爱 因 斯 坦 所 梦 想 的 那 样, 既 是 定 域 的 ( 没 有 超 光 速 信 号 的 传 播 ), 又 是 实 在 的 ( 存 在 一 个 客 观 独 立 的 世 界, 可 以 为 隐 变 量 所 确 定 地 描 述 ) 定 域 实 在 性 (local realism) 从 我 们 的 宇 宙 中 被 实 验 排 除 了 出 去, 现 在 我 们 必 须 作 出 艰 难 的 选 择 : 要 么 放 弃 定 域 性, 要 么 放 弃 实 在 性 如 果 我 们 放 弃 实 在 性, 那 就 回 到 量 子 论 的 老 路 上 来, 承 认 在 我 们 观 测 之 前, 两 个 粒 子 不 存 在 于 客 观 实 在 之 内 它 们 不 具 有 通 常 意 义 上 的 物 理 属 性 ( 如 自 旋 ), 只 有 当 观 测 了 以 后, 这 种 属 性 才 变 得 有 意 义 在 EPR 实 验 中, 不 到 最 后 关 头, 我 们 的 两 个 处 于 纠 缠 态 粒 子 都 必 须 被 看 成 一 个 不 可 分 割 的 整 体, 那 时 在 现 实 中 只 有 一 个 粒 子 ( 当 然 是 叠 加 着 的 ), 而 没 有 两 个 粒 子 所 谓 两 个 粒 子, 只 有 当 观 测 后 才 成 为 实 实 在 在 的 东 西 ( 波 函 数 坍 缩 了 ) 当 然, 在 做 出 了 这 样 一 个 令 人 痛 心 的 让 步 后, 我 们 还 是 可 以 按 照 自 己 的 口 味 不 同 来 选 择 : 究 竟 是 更 进 一 步, 彻 底 打 垮 决 定 论, 也 就 是 保 留 哥 本 哈 根 解 释 ; 还 是 在 一 个 高 层 次 的 角 度 上, 保 留 决 定 论, 也 即 采 纳 多 宇 宙 解 释! 需 要 说 明 的 是,MWI 究 竟 算 不 算 一 个 定 域 的 (local) 理 论, 各 人 之 间 的 说 法 还 是 不 尽 相 同 的 除 去 Stapp 这 样 的 反 对 者 不 谈, 甚 至 在 它 的 支 持 者 ( 比 如 Deutsch, Tegmark 或 者 Zeh) 中, 其 口 径 也 不 是 统 一 的 不 过 这 也 许 只 是 一 个 定 义 和 用 词 的 问 题, 因 为 量 子 纠 缠 本 身 或 许 就 可 以 定 义 为 某 种 非 定 域 的 物 理 过 程 (Zeh,Found. of Physics Letters 13, 2000,p22), 但 大 家 都 同 意,MWI 肯 定 不 是 一 个 定 域 实 在 的 理 论, 而 且 超 光 速 的 信 号 传 递 在 其 内 部 也 是 不 存 在 的 关 键 在 于, 根 据 MWI, 每 次 我 们 进 行 观 测 都 在 现 实 中 产 生 了 不 止 一 个 结 果 ( 事 实 上, 是 所 有 可 能 的 结 果 )! 这 和 爱 因 斯 坦 所 默 认 的 那 个 传 统 的 现 实 是 很 不 一 样 的 这 样 一 来, 那 个 在 心 理 上 让 人 觉 得 牢 固 可 靠 的 世 界 就 崩 塌 了 ( 或 者, 坍 缩 了?) 不 管 上 帝 掷 不 掷 骰 子, 他 给 我 们 建 造 的 都 不 是 一 幢 在 一 个 绝 对 的 外 部 世 界 严 格 独 立 的 大 厦 它 的 每 一 面 墙 壁, 每 一 块 地 板, 每 一 道 楼 梯 都 和 在 其 内 部 进 行 的 种 种 活 动 密 切 相 关, 不 管 这 种 活 动 是 不 是 包 含 了 有 智 能 ( 意 识 ) 的 观 测 者 这 幢 大 楼 非 但 不 是 铁 板 一 块, 相 反, 它 的 每 一 层 楼 都 以 某 种 特 定 的 奇 妙 方 式 纠 缠 在 一 起, 以 致 于 分 居 在 顶 楼 和 底 楼 的 住 客 仍 然 保 持 着 一 种 心 有 灵 犀 的 感 应 但 是, 如 果 你 忍 受 不 了 这 一 切, 我 们 也 可 以 走 另 一 条 路, 那 就 是 说, 不 惜 任 何 代 价, 先 保 住 世 界 的 实 在 性 再 说 当 然, 这 样 一 来 就 必 须 放 弃 定 域 性 我 们 仍 然 有 可 能 建 立 一 个 隐 变 量 理 论, 如 果 容 忍 某 种 超 光 速 的 信 号 在 其 体 系 中 来 回, 则 它 还 是 可 以 很 好 地 说 明 我 们 观 测 到 的 一 切 比 如 在 EPR 中, 天 际 两 头 的 两 个 电 子 仍 然 可 以 通 过 一 种 超 光 速 的 瞬 时 通 信 来 确 保 它 们 之 间 进 行 成 功 的 合 作 事 实 上, 玻 姆 的 体 系 就 很 好 地 在 阿 斯 派 克 特 实 验 之 后 仍 然 存 活 着, 因 为 他 的 量 子 势 的 确 暗 含 着 这 样 的 超 距 作 用 可 是 要 是 这 样 的 话, 我 们 也 许 并 不 会 觉 得 日 子 好 过 多 少! 超 光 速 的 信 号? 老 大, 那 意 味 着 什 么? 想 一 想 爱 因 斯 坦 对 此 会 怎 么 说 吧, 超 光 速 意 味 着 获 得 了 回 到 过 去 的 能 力! 这 样 一 来, 我

173 们 将 陷 入 甚 至 比 不 确 定 更 加 棘 手 和 叫 人 迷 惑 的 困 境, 比 如, 想 象 那 些 科 幻 小 说 中 著 名 的 场 景 : 你 回 到 过 去 杀 死 了 尚 处 在 襁 褓 中 的 你, 那 会 产 生 什 么 样 的 逻 辑 后 果 呢? 虽 然 玻 姆 也 许 可 以 用 高 超 的 数 学 手 段 向 我 们 展 示, 尽 管 存 在 着 这 种 所 谓 超 光 速 的 非 定 域 关 联, 他 的 隐 函 数 理 论 仍 然 可 以 禁 止 我 们 在 实 际 中 做 到 这 样 的 信 号 传 递 : 因 为 大 致 上 来 说, 我 们 无 法 做 到 精 确 地 控 制 量 子 现 象, 所 以 在 现 实 的 实 验 中, 我 们 将 在 统 计 的 意 义 上 得 到 和 相 对 论 的 预 言 相 一 致 的 观 测 极 限 也 就 是 说, 虽 然 在 一 个 深 层 次 的 意 义 上 存 在 着 超 光 速 的 信 号, 但 我 们 却 无 法 刻 意 与 有 效 地 去 利 用 它 们 来 制 造 逻 辑 怪 圈 不 过 无 论 如 何, 对 于 这 种 敏 感 问 题, 我 们 应 当 非 常 小 心 才 是 放 弃 定 域 性, 并 不 比 放 弃 实 在 性 来 得 让 我 们 舒 服! 阿 斯 派 克 特 实 验 结 果 出 来 之 后,BBC 的 广 播 制 作 人 朱 里 安 布 朗 (Julian Brown) 和 纽 卡 斯 尔 大 学 的 物 理 学 教 授 保 罗 戴 维 斯 (Paul Davies, 他 如 今 在 澳 大 利 亚 的 Macquarie 大 学, 他 同 时 也 是 当 代 最 负 盛 名 的 科 普 作 家 之 一 ) 决 定 调 查 一 下 科 学 界 对 这 个 重 要 的 实 验 究 竟 会 做 出 什 么 样 的 反 应 他 们 邀 请 8 位 在 量 子 论 领 域 最 有 名 望 的 专 家 作 了 访 谈, 征 求 对 方 对 于 量 子 力 学 和 阿 斯 派 克 特 实 验 的 看 法 这 些 访 谈 记 录 最 后 被 汇 集 起 来, 编 成 一 本 书, 于 1986 年 由 剑 桥 出 版 社 出 版, 书 名 叫 做 原 子 中 的 幽 灵 (The Ghost in the Atom) 阅 读 这 些 访 谈 记 录 真 是 给 人 一 种 异 常 奇 妙 的 体 验 和 感 受 你 会 看 到 最 杰 出 的 专 家 们 是 如 何 各 持 己 见, 在 同 一 个 问 题 上 抱 有 极 为 不 同, 甚 至 截 然 对 立 的 看 法 阿 斯 派 克 特 本 人 肯 定 地 说, 他 的 实 验 从 根 本 上 排 除 了 定 域 实 在 的 可 能, 他 不 太 欣 赏 超 光 速 的 说 法, 而 是 对 现 有 的 量 子 力 学 表 示 了 同 情 贝 尔 虽 然 承 认 实 验 结 果 并 没 有 出 乎 意 料, 但 他 仍 然 决 不 接 受 掷 骰 子 的 上 帝 他 依 然 坚 定 地 相 信, 量 子 论 是 一 种 权 益 之 计, 他 想 象 量 子 论 终 究 会 在 有 一 天 被 更 为 复 杂 的 实 验 证 明 是 错 误 的 贝 尔 愿 意 以 抛 弃 定 域 性 为 代 价 来 换 取 客 观 实 在, 他 甚 至 设 想 复 活 以 太 的 概 念 来 达 到 这 一 点 惠 勒 的 观 点 有 点 暧 昧, 他 承 认 一 度 支 持 埃 弗 莱 特 的 多 宇 宙 解 释, 但 接 着 又 说 因 为 它 所 带 来 的 形 而 上 学 的 累 赘, 他 已 经 改 变 了 观 点 惠 勒 讨 论 了 玻 尔 的 图 像, 意 识 参 予 的 可 能 性 以 及 他 自 己 的 延 迟 实 验 和 参 予 性 宇 宙, 他 仍 然 对 于 精 神 在 其 中 的 作 用 表 现 得 饶 有 兴 趣 鲁 道 夫 佩 尔 斯 (Rudolf Peierls) 的 态 度 简 明 爽 快 : 我 首 先 反 对 使 用 哥 本 哈 根 解 释 这 个 词 他 说, 因 为, 这 听 上 去 像 是 说 量 子 力 学 有 好 几 种 可 能 的 解 释 一 样 其 实 只 存 在 一 种 解 释 : 只 有 一 种 你 能 够 理 解 量 子 力 学 的 方 法 ( 也 就 是 哥 本 哈 根 的 观 点!) 这 位 曾 经 在 海 森 堡 和 泡 利 手 下 学 习 过 的 物 理 学 家 仍 然 流 连 于 革 命 时 代 那 波 澜 壮 阔 的 观 念, 把 波 函 数 的 坍 缩 认 为 是 一 种 唯 一 合 理 的 物 理 解 释 大 卫 德 义 奇 也 毫 不 含 糊 地 向 人 们 推 销 多 宇 宙 的 观 点, 他 针 对 奥 卡 姆 剃 刀 对 于 无 法 沟 通 的 宇 宙 的 存 在 提 出 的 诘 问 时 说,MWI 是 最 为 简 单 的 解 释 相 对 于 种 种 比 如 意 识 这 样 稀 奇 古 怪 的 概 念 来 说, 多 宇 宙 的 假 设 实 际 上 是 最 廉 价 的! 他 甚 至 描 述 了 一 种 超 脑 实 验, 认 为 可 以 让 一 个 人 实 际 地 感 受 到 多 宇 宙 的 存 在! 接 下 来 是 玻 姆, 他 坦 然 地 准 备 接 受 放 弃 物 理 中 的 定 域 性, 而 继 续 维 持 实 在 性 对 于 爱 因 斯 坦 来 说, 确 实 有 许 多 事 情 按 照 他 所 预 料 的 方 式 发 生 玻 姆 说, 但 是, 他 不 可 能 在 每 一 件 事 情 上 都 是 正 确 的! 在 玻 姆 看 来, 狭 义 相 对 论 也 许 可 以 看 成 是 一 种 普 遍 情 况 的 一 种 近 似, 正 如 牛 顿 力 学 是 相 对 论 在 低 速 情 况 下 的 一 种 近 似 那 样 作 为 玻 姆 的 合 作 者 之 一, 巴 西 尔 海 利 (Basil Hiley) 也 强 调 了 隐 函 数 理 论 的 作 用 而 约 翰 惠 勒 (John Taylor) 则 描 述 了 另 一 种 完 全 不 同 的 解 释, 也 就 是 所 谓 的 系 综 解 释 (the ensemble interpretation) 系 综 解 释 持 有 的 是 一 种 非 常 特 别 的 统 计 式 的 观 点, 也 就 是 说, 物 理 量 只 对 于 平 均 状 况 才 有 意 义, 对 于 单 个 电 子 来 说, 是 没 有 意 义 的, 它 无 法 定 义! 我 们 无 法 回 答 单 个 系 统, 比 如 一 个 电 子 通 过 了 哪 条 缝 这 样 的 问 题, 而 只 能 给 出 一 个 平 均 统 计! 我 们 在 史 话 的 后 面 再 来 详 细 地 介 绍 系 综 解 释

174 在 这 样 一 种 大 杂 烩 式 的 争 论 中, 阿 斯 派 克 特 实 验 似 乎 给 我 们 的 未 来 蒙 上 了 一 层 更 加 扑 朔 迷 离 的 影 子 爱 因 斯 坦 有 一 次 说 : 虽 然 上 帝 神 秘 莫 测, 但 他 却 没 有 恶 意 但 这 样 一 位 慈 祥 的 上 帝 似 乎 已 经 离 我 们 远 去 了, 留 给 我 们 一 个 难 以 理 解 的 奇 怪 世 界, 以 及 无 穷 无 尽 的 争 吵 我 们 在 隐 函 数 这 条 道 路 上 的 探 索 也 快 接 近 尽 头 了, 关 于 玻 姆 的 理 论, 也 许 仍 然 有 许 多 人 对 它 表 示 足 够 的 同 情, 比 如 John Gribbin 在 他 的 名 作 寻 找 薛 定 谔 的 猫 (In Search of Schrodinger s Cat) 中 还 把 自 己 描 述 成 一 个 多 宇 宙 的 支 持 者, 而 在 10 年 后 的 薛 定 谔 的 猫 以 及 对 现 实 的 寻 求 (Schrodinger s Kittens and the Search for Reality) 一 书 中, 他 对 MWI 的 热 情 已 经 减 退, 而 对 玻 姆 理 论 表 示 出 了 谨 慎 的 乐 观 我 们 不 清 楚, 也 许 玻 姆 理 论 是 对 的, 但 我 们 并 没 有 足 够 可 靠 的 证 据 来 说 服 我 们 自 己 相 信 这 一 点 除 了 玻 姆 的 隐 函 数 理 论 之 外, 还 有 另 一 种 隐 函 数 理 论, 它 由 Edward Nelson 所 发 明, 大 致 来 说, 它 认 为 粒 子 按 照 某 种 特 定 的 规 则 在 空 间 中 实 际 地 弥 漫 开 去 ( 有 点 像 薛 定 谔 的 观 点 ), 类 似 波 一 般 地 确 定 地 发 展 我 们 不 打 算 过 多 地 深 入 探 讨 这 些 观 点, 我 们 所 不 满 的 是, 这 些 和 爱 因 斯 坦 的 理 想 相 去 甚 远! 为 了 保 有 实 在 性 而 放 弃 掉 定 域 性, 也 许 是 一 件 饮 鸩 止 渴 的 事 情 我 们 不 敢 说 光 速 绝 对 地 不 可 超 越, 只 是 要 推 翻 相 对 论, 现 在 似 乎 还 不 大 是 时 候, 毕 竟 相 对 论 也 是 一 个 经 得 起 考 验 的 伟 大 理 论 我 们 沿 着 这 条 路 走 来, 但 是 它 当 初 许 诺 给 我 们 的 那 个 美 好 蓝 图, 那 个 爱 因 斯 坦 式 的 理 想 却 在 实 验 的 打 击 下 终 于 破 产 也 许 我 们 至 少 还 保 有 实 在 性, 但 这 不 足 以 吸 引 我 们 中 的 许 多 人, 让 他 们 付 出 更 多 的 努 力 和 代 价 而 继 续 前 进 阿 斯 派 克 特 实 验 严 酷 地 将 我 们 的 憧 憬 粉 碎, 它 并 没 有 证 明 量 子 论 是 对 的 ( 它 只 是 支 持 了 量 子 论 的 预 言, 正 如 我 们 讨 论 过 的 那 样, 没 什 么 理 论 可 以 被 证 明 是 对 的 ), 但 它 无 疑 证 明 了 爱 因 斯 坦 的 世 界 观 是 错 的! 事 实 上, 无 论 量 子 论 是 错 是 对, 我 们 都 已 经 不 可 能 追 回 传 说 中 的 那 个 定 域 实 在 的 理 想 国, 而 这, 也 使 我 们 丧 失 了 沿 着 该 方 向 继 续 前 进 的 很 大 一 部 分 动 力 就 让 那 些 孜 孜 不 倦 的 探 索 者 继 续 前 进, 而 我 们 还 是 退 回 到 原 来 的 地 方, 再 继 续 苦 苦 追 寻, 看 看 有 没 有 柳 暗 花 明 的 一 天 饭 后 闲 话 : 超 光 速 EPR 背 后 是 不 是 真 的 隐 藏 着 超 光 速 我 们 仍 然 不 能 确 定, 至 少 它 表 面 上 看 起 来 似 乎 是 一 种 类 似 的 效 应 不 过, 我 们 并 不 能 利 用 它 实 际 地 传 送 信 息, 这 和 爱 因 斯 坦 的 狭 义 相 对 论 并 非 矛 盾 假 如 有 人 想 利 用 这 种 量 子 纠 缠 效 应, 试 图 以 超 光 速 从 地 球 传 送 某 个 消 息 去 到 半 人 马 座 α 星 ( 南 门 二, 它 的 一 颗 伴 星 是 离 我 们 地 球 最 近 的 恒 星, 也 即 比 邻 星 ), 他 是 注 定 要 失 败 的 假 设 某 个 未 来 时 代, 某 个 野 心 家 驾 驶 一 艘 宇 宙 飞 船 来 到 两 地 连 线 的 中 点 上, 然 后 使 一 个 粒 子 分 裂, 两 个 子 粒 子 分 别 飞 向 两 个 目 标 他 事 先 约 定, 假 如 半 人 马 星 上 观 测 到 粒 子 是 左 旋, 则 表 示 地 球 上 政 变 成 功, 反 之, 如 是 右 旋 则 表 示 失 败 这 样 的 通 讯 建 立 在 量 子 论 的 这 个 预 测 上 : 也 就 是 地 球 上 观 测 到 的 粒 子 的 状 态 会 瞬 间 影 响 到 遥 远 的 半 人 马 星 上 另 一 个 粒 子 的 状 态 但 事 到 临 头 他 却 犯 难 了 : 假 设 他 成 功 了, 他 如 何 确 保 他 在 地 球 上 一 定 观 测 到 一 个 右 旋 粒 子, 以 保 证 半 人 马 那 边 收 到 左 旋 的 信 息 呢? 他 没 法 做 到 这 点, 因 为 观 测 结 果 是 不 确 定 的, 他 没 法 控 制! 他 最 多 说, 当 他 做 出 一 个 随 机 的 观 测, 发 现 地 球 上 的 粒 子 是 右 旋 的 时 候, 那 时 他 可 以 有 把 握 地,100% 地 预 言 遥 远 的 半 人 马 那 里 一 定 收 到 左 的 信 号, 虽 然 理 论 上 说 两 地 相 隔 非 常 遥 远, 讯 息 还 来 不 及 传 递 过 来 如 果 他 想 利 用 贝 尔 不 等 式, 他 也 必 须 知 道, 在 那 一 边 采 用 了 什 么 观 测 手 段, 而 这 必 须 通 过 通 常 的 方 法 来 获 取 这 一 切 都 并 不 违 反 相 对 论, 你 无 法 利 用 这 种 超 光 速 制 造 出 信 息 在 逻 辑 上 的 自 我 矛 盾 来 ( 例 如 回 到 过 去 杀 死 你 自 己 之 类 的 )

175 在 这 种 原 理 上 的 量 子 传 输 (teleportation) 事 实 上 已 经 实 现 我 国 的 潘 建 伟 教 授 在 此 领 域 多 有 建 树 2000 年, 王 力 军,Kuzmich 等 人 在 Nature 上 报 道 了 另 一 种 超 光 速 (Nature V406), 它 牵 涉 到 在 特 定 介 质 中 使 得 光 脉 冲 的 群 速 度 超 过 真 空 中 的 光 速, 这 本 身 也 并 不 违 反 相 对 论, 也 就 是 说, 它 并 不 违 反 严 格 的 因 果 律, 结 果 无 法 回 到 过 去 去 影 响 原 因 同 样, 它 也 无 法 携 带 实 际 的 信 息 其 实 我 们 的 史 话 一 早 已 经 讨 论 过, 德 布 罗 意 那 相 波 的 速 度 c^2/v 就 比 光 速 要 快, 但 只 要 不 携 带 能 量 和 信 息, 它 就 不 违 背 相 对 论 相 对 论 并 非 有 些 人 所 想 象 的 那 样 已 被 推 翻, 相 反, 它 仍 然 是 我 们 所 能 依 赖 的 最 可 靠 的 基 石 之 一 第 十 一 章 上 帝 的 判 决 四 四 这 已 经 是 我 们 第 三 次 在 精 疲 力 竭 之 下 无 功 而 返 了 隐 变 量 所 给 出 的 承 诺 固 然 美 好, 可 是 最 终 的 兑 现 却 是 大 打 折 扣 的, 这 未 免 教 人 丧 气 虽 然 还 有 玻 姆 在 那 里 热 切 地 召 唤, 但 为 了 得 到 一 个 决 定 性 的 理 论, 我 们 付 出 的 代 价 是 不 是 太 大 了 点? 这 仍 然 是 很 值 得 琢 磨 的 事 情, 同 时 也 使 得 我 们 不 敢 轻 易 地 投 下 赌 注, 义 无 反 顾 地 沿 着 这 样 的 方 向 走 下 去 如 果 量 子 论 注 定 了 不 能 是 决 定 论 的, 那 么 我 们 除 了 推 导 出 类 似 坍 缩 之 类 的 概 念 以 外, 还 可 以 做 些 什 么 假 设 呢? 有 一 种 功 利 而 实 用 主 义 的 看 法, 是 把 量 子 论 看 作 一 种 纯 统 计 的 理 论, 它 无 法 对 单 个 系 统 作 出 任 何 预 测, 它 所 推 导 出 的 一 切 结 果, 都 是 一 个 统 计 上 的 概 念! 也 就 是 说, 在 量 子 论 看 来, 我 们 的 世 界 中 不 存 在 什 么 单 个 (individual) 的 事 件, 每 一 个 预 测, 都 只 能 是 平 均 式 的, 针 对 整 个 集 合 (ensemble) 的, 这 也 就 是 系 综 解 释 (the ensemble interpretation) 一 词 的 来 源 大 多 数 系 综 论 者 都 喜 欢 把 这 个 概 念 的 源 头 上 推 到 爱 因 斯 坦, 比 如 John Taylor, 或 者 加 拿 大 McGill 大 学 的 B. C. Sanctuary 爱 因 斯 坦 曾 经 说 过 : 任 何 试 图 把 量 子 论 的 描 述 看 作 是 对 于 单 个 系 统 的 完 备 描 述 的 做 法 都 会 使 它 成 为 极 不 自 然 的 理 论 解 释 但 只 要 接 受 这 样 的 理 解 方 式, 也 即 ( 量 子 论 的 ) 描 述 只 能 针 对 系 统 的 全 集, 而 非 单 个 个 体, 上 述 的 困 难 就 马 上 不 存 在 了 这 个 论 述 成 为 了 系 综 解 释 的 思 想 源 泉 ( 见 于 Max Jammer 量 子 力 学 的 哲 学 一 书 ) 嗯, 怎 么 又 是 爱 因 斯 坦? 我 们 还 记 忆 犹 新 的 是, 隐 变 量 不 是 也 把 他 拉 出 来 作 为 感 召 和 口 号 吗? 或 许 爱 因 斯 坦 的 声 望 太 隆, 任 何 解 释 都 希 望 从 他 那 里 取 得 权 威 性, 不 过 无 论 如 何, 从 这 一 点 来 说, 系 综 和 隐 变 量 实 际 上 是 有 着 相 同 的 文 化 背 景 的 但 是 它 们 之 间 不 同 的 是, 隐 变 量 在 作 出 量 子 论 只 不 过 是 统 计 解 释 这 样 的 论 断 后, 仍 然 怀 着 满 腔 热 情 去 寻 找 隐 藏 在 它 背 后 那 个 更 为 终 极 的 理 论, 试 图 把 我 们 所 看 不 见 的 隐 变 量 找 出 来 以 最 终 实 现 物 理 世 界 所 梦 想 的 最 高 目 标 : 理 解 和 预 测 自 然 它 那 锐 意 进 取 的 精 神 固 然 是 可 敬 的, 但 正 如 我 们 已 经 看 到 的 那 样, 在 现 实 中 遭 到 了 严 重 的 困 难 和 阻 挠, 不 得 不 为 此 放 弃 许 多 东 西

176 相 比 隐 变 量 那 勇 敢 的 冲 锋, 系 综 解 释 选 择 固 本 培 元, 以 退 为 进 的 战 略 在 它 看 来, 量 子 论 是 一 个 足 够 伟 大 的 理 论, 它 已 经 界 定 了 这 个 世 界 可 理 解 的 范 畴 的 确, 量 子 论 给 我 们 留 下 了 一 些 盲 点, 一 些 我 们 所 不 能 把 握 的 东 西, 比 如 我 们 没 法 准 确 地 同 时 得 到 一 个 电 子 的 位 置 和 动 量, 这 叫 一 些 持 完 美 主 义 的 人 们 觉 得 坐 立 不 宁, 寝 食 难 安 但 系 综 主 义 者 说 : 不 要 徒 劳 地 去 探 索 那 未 知 的 领 域 了, 因 为 实 际 上 不 存 在 这 样 的 领 域! 我 们 的 世 界 本 质 上 就 是 统 计 性 质 的, 没 有 一 个 物 理 理 论 可 以 描 述 单 个 的 事 件, 事 实 上, 在 我 们 的 宇 宙 中, 只 有 系 综, 或 者 说 事 件 的 全 集 才 是 有 物 理 意 义 的 这 是 什 么 意 思 呢? 我 们 还 是 用 大 家 都 熟 悉 的 老 例 子, 双 缝 前 的 电 子 来 说 明 问 题 当 电 子 通 过 双 缝 后, 假 设 我 们 没 有 刻 意 地 去 观 察 它, 那 么 按 照 量 子 论, 它 应 该 有 一 个 确 定 而 唯 一 的, 按 照 时 间 和 薛 定 谔 方 程 发 展 的 态 矢 量 : 电 子 >= 穿 过 左 缝 >+ 穿 过 右 缝 > 按 照 标 准 哥 本 哈 根 解 释, 这 意 味 着 单 个 电 子 必 须 同 时 处 在 左 > 和 右 > 两 个 态 的 叠 加 之 中, 电 子 没 有 一 个 确 定 的 位 置, 它 同 时 又 在 这 里 又 在 那 里! 按 照 MWI, 这 是 一 种 两 个 世 界 的 叠 加 按 照 隐 变 量, 所 谓 的 叠 加 都 是 胡 扯, 量 子 论 的 这 种 数 学 形 式 是 靠 不 住 的, 假 如 我 们 考 虑 了 不 可 见 的 隐 变 量, 我 们 就 能 确 实 地 知 道, 电 子 究 竟 通 过 了 左 边 还 是 右 边 那 么, 系 综 解 释 对 此 又 有 何 高 见 呢? 它 所 持 的 是 一 种 外 交 式 的 圆 滑 态 度 : 量 子 论 的 数 学 形 式 经 得 起 时 间 考 验, 是 一 定 要 保 留 的 但 叠 加 什 么 的 明 显 违 背 常 识, 是 不 对 的 反 过 来, 一 味 地 急 功 冒 进, 甚 至 搞 出 什 么 不 可 观 察 的 隐 变 量, 这 也 太 过 火 了, 更 不 能 当 真 再 怎 么 说, 实 验 揭 示 给 我 们 的 结 果 是 纯 随 机 性 质 的, 没 人 可 以 否 认 那 么, 我 们 应 该 怎 么 办 呢? 系 综 解 释 说 : 我 们 应 当 知 足, 相 信 理 论 告 诉 我 们 的 已 经 是 这 个 世 界 的 本 质 : 它 本 就 是 统 计 性 的! 所 以, 徒 劳 地 去 设 计 隐 变 量 是 没 有 用 的, 因 为 实 验 已 经 告 诉 我 们 定 域 的 隐 变 量 理 论 是 没 有 的, 而 且 实 验 也 告 诉 我 们 对 同 样 的 系 统 的 观 测 不 会 每 次 都 给 出 确 定 的 结 果 但 是, 我 们 也 不 能 相 信 所 谓 的 叠 加 是 一 种 实 际 上 的 存 在, 电 子 不 可 能 又 通 过 左 边 又 通 过 右 边! 我 们 的 结 论 应 该 是 : 对 于 电 子 的 态 矢 量, 它 永 远 都 只 代 表 系 统 全 集 的 统 计 值, 也 就 是 一 种 平 均 情 况! 什 么 叫 只 代 表 全 集 呢? 换 句 话 说, 当 我 们 写 下 : 电 子 >=1/SQRT(2) [ 穿 过 左 缝 >+ 穿 过 右 缝 > ] 这 样 的 式 子 时 (1/SQRT(2) 代 表 根 号 2 分 之 1, 我 们 假 设 两 种 可 能 相 等, 所 以 系 数 的 平 方, 也 就 是 概 率 之 和 等 于 1), 我 们 所 指 的 并 不 是 一 个 电 子 的 运 动 情 况, 而 永 远 是 无 限 个 电 子 在 相 同 情 况 下 的 一 个 统 计 平 均! 这 个 式 子 只 描 述 了 当 无 穷 多 个 电 子 在 相 同 的 初 状 态 下 通 过 双 缝 ( 或 者, 一 个 电 子 无 穷 次 地 在 同 样 的 情 况 下 通 过 双 缝 ) 时 会 出 现 的 结 果 根 据 量 子 论, 世 界 并 非 决 定 论 的, 也 就 是 说, 哪 怕 我 们 让 两 个 电 子 在 完 全 相 同 的 状 态 下 通 过 双 缝, 观 测 到 的 结 果 也 不 一 定 每 次 都 一 样, 而 是 有 多 种 可 能 而 量 子 论 的 数 学 所 能 告 诉 我 们 的, 正 是 所 有 这 些

177 可 能 的 系 综, 也 就 是 统 计 预 期! 如 此 一 来, 当 我 们 说 电 子 = 左 + 右 的 时 候, 意 思 就 并 非 指 一 个 单 独 的 电 子 同 时 处 于 左 和 右 两 个 态, 而 只 是 在 经 典 概 率 的 概 念 上 指 出 它 有 50% 的 可 能 通 过 左, 而 50% 的 可 能 通 过 右 罢 了 当 我 们 准 备 这 样 一 个 实 验 的 时 候, 量 子 论 便 能 够 给 出 它 的 系 综, 在 一 个 统 计 的 意 义 上 告 诉 我 们 实 验 的 结 果 态 矢 量 只 代 表 系 统 的 系 综! 嗯, 听 上 去 蛮 容 易 理 解 的, 似 乎 皆 大 欢 喜 可 是 这 样 一 来, 量 子 论 也 就 变 成 一 个 统 计 学 的 理 论 了, 好 吧, 当 许 多 电 子 穿 过 双 缝 时, 我 们 知 道 有 50% 通 过 了 左 边,50% 通 过 了 右 边, 可 现 在 我 们 关 心 的 是 单 个 电 子! 单 个 电 子 是 如 何 通 过 双 缝 并 与 自 己 发 生 干 涉, 最 后 在 荧 屏 上 打 出 一 个 组 成 干 涉 图 纹 的 一 点 的 呢? 我 们 想 听 听 系 综 解 释 对 此 有 何 高 见 但 要 命 的 是, 它 对 此 什 么 都 没 说! 在 它 看 来, 所 谓 单 个 电 子 通 过 了 哪 里 之 类 的 问 题, 是 没 有 物 理 意 义 的! 当 John Taylor 被 问 道, 他 是 否 根 本 没 有 想 去 描 述 单 个 系 统 中 究 竟 发 生 了 什 么 的 时 候, 他 甚 至 说, 这 是 不 被 允 许 的 量 子 物 理 所 给 出 的 只 是 统 计 性,that s all, 没 有 别 的 了 如 果 这 个 世 界 能 够 被 我 们 用 数 学 方 法 去 理 解 的 话, 那 就 是 在 一 种 统 计 的 意 义 上 说 的, 我 们 不 自 量 力 地 想 去 追 寻 更 多, 那 只 不 过 是 自 讨 苦 吃 单 个 电 子 的 轨 迹, 那 是 一 个 没 有 物 理 定 义 的 概 念, 正 如 时 间 被 创 造 前 1 秒, 比 光 速 更 快 1 倍, 或 者 绝 对 零 度 低 1 度 这 样 的 名 词, 虽 然 没 有 语 法 上 的 障 碍 阻 止 我 们 提 出 这 样 的 问 题, 但 它 们 在 物 理 上 却 是 没 什 么 意 思 的 和 哥 本 哈 根 派 不 同 的 是, 玻 尔 等 人 假 设 每 个 电 子 都 实 际 地 按 照 波 函 数 发 散 开 来, 而 系 综 解 释 则 是 简 单 地 把 这 个 问 题 踢 出 了 理 论 框 架 中 去, 来 个 眼 不 见 为 净 : 现 在 我 们 不 必 为 坍 缩 操 心 了, 谈 论 单 个 电 子 是 没 有 意 义 的 事 情! 不 过, 这 实 在 是 太 掩 耳 盗 铃 了 好 吧, 量 子 论 只 给 出 系 综, 可 是 我 们 对 于 物 理 理 论 的 要 求 毕 竟 要 比 这 样 的 统 计 报 告 要 高 那 么 一 点 啊 假 如 我 去 找 占 卜 师 算 命, 想 知 道 我 的 寿 限 是 多 少, 她 却 只 告 诉 我 : 这 个 城 市 平 均 寿 命 是 70 岁, 那 对 我 来 说 似 乎 没 有 很 大 的 用 处 啊, 我 还 不 如 去 找 保 险 公 司! 更 可 恨 的 是, 她 居 然 对 我 说, 你 一 个 人 的 寿 命 是 没 什 么 意 义 的, 有 意 义 的 只 是 千 千 万 万 个 你 的 寿 命 的 系 综! 系 综 解 释 是 一 种 非 常 保 守 和 现 实 主 义 的 解 释, 它 保 留 了 现 有 量 子 论 的 全 部 数 学 形 式, 因 为 它 们 已 经 被 实 践 所 充 分 证 明 但 在 令 人 目 眩 的 哲 学 领 域, 它 却 试 图 靠 耍 小 聪 明 而 逃 避 那 些 形 而 上 的 探 讨, 用 划 定 理 论 适 用 界 限 这 样 的 方 法 来 把 自 己 封 闭 在 一 个 刀 枪 不 入 的 外 壳 中 是 的, 如 果 我 们 采 纳 系 综 主 义, 那 么 的 确 在 纯 理 论 方 面 说, 我 们 的 一 切 问 题 都 解 决 了 : 没 有 什 么 坍 缩, 电 子 永 远 只 是 粒 子 ( 波 性 只 能 用 来 描 述 粒 子 的 全 集 ), 不 确 定 原 理 也 只 是 被 看 成 一 个 统 计 极 限, 而 不 理 会 单 个 电 子 到 底 能 不 能 同 时 拥 有 动 量 和 位 置 ( 这 个 问 题 没 有 意 义 ) 但 是, 这 样 似 乎 有 点 自 欺 欺 人 的 味 道, 把 搞 不 清 楚 的 问 题 划 为 没 有 意 义 也 许 是 方 便 的, 但 的 确 是 这 样 的 问 题 使 得 科 学 变 得 迷 人! 每 个 人 都 知 道, 当 许 多 电 子 通 过 双 缝 时 产 生 了 干 涉 图 纹, 可 我 们 更 感 兴 趣 的 还 是 当 单 个 电 子 通 过 时 究 竟 发 生 了 什 么, 而 不 是 简 单 地 转 过 头 不 去 面 对! Taylor 在 访 谈 中 的 确 被 问 道, 这 样 的 做 法 不 是 一 个 当 逃 兵 的 遁 词 吗? 他 非 常 精 明 地 回 答 说 : 我 认 为 你 应 当 问 一 问, 如 果 陷 进 去 是 否 比 逃 之 夭 夭 确 实 会 惹 出 更 多 的 麻 烦 系 综 主 义 者 持 有 的 是 极 致 的 实 用 主 义, 他 们 炮 轰 隐 变 量 和 多 宇 宙 解 释, 因 为 后 两 者 都 带 来 了 许 多 形 而

178 上 学 的 麻 烦 只 要 我 们 充 分 利 用 现 有 的 体 系, 搞 出 一 个 又 不 违 反 实 验 结 果, 又 能 在 逻 辑 上 自 洽 的 体 系, 那 不 就 足 够 了 吗? 系 综 解 释 的 精 神, 就 是 尽 可 能 少 地 避 免 麻 烦, 绝 不 引 入 让 人 头 痛 的 假 设, 比 如 多 宇 宙 或 者 坍 缩 之 类 的 但 是, 我 们 还 是 不 能 满 足 于 这 样 的 关 起 门 来 然 后 自 称 所 有 的 问 题 都 已 经 解 决 的 做 法 或 许, 是 因 为 我 们 血 液 中 的 热 情 还 没 有 冷 却, 或 许, 是 因 为 我 们 仍 然 年 少 轻 狂, 对 于 这 个 宇 宙 还 怀 有 深 深 的 激 动 和 无 尽 的 好 奇 我 们 并 不 畏 惧 进 入 更 为 幽 深 和 神 秘 的 峡 谷 和 森 林, 去 探 究 那 事 实 的 真 相 哪 怕 注 定 要 被 一 些 更 加 恼 人 和 挥 之 不 去 的 古 怪 精 灵 所 缠 绕, 我 们 还 是 不 可 以 放 弃 了 前 进 的 希 望 和 动 力, 因 为 那 是 我 们 最 宝 贵 的 财 富 接 下 来 我 们 还 要 去 看 看 两 条 新 的 道 路, 虽 然 它 们 都 新 辟 不 久, 坎 坷 颠 簸, 行 进 艰 难, 但 沿 途 那 奇 峰 连 天, 枯 松 倒 挂, 瀑 布 飞 湍, 冰 崖 怪 石 的 绝 景 一 定 不 会 令 你 失 望 第 十 一 章 上 帝 的 判 决 五 我 们 已 经 厌 倦 了 光 子 究 竟 通 过 了 哪 条 狭 缝 这 样 的 问 题, 管 它 通 过 了 哪 条, 这 和 我 们 又 有 什 么 关 系 呢? 一 个 小 小 的 光 子 是 如 此 不 起 眼, 它 的 世 界 和 我 们 的 世 界 相 去 霄 壤, 根 本 无 法 联 系 在 一 起 在 大 多 数 情 况 下, 我 们 甚 至 根 本 没 法 看 见 单 个 的 光 子 ( 有 人 做 过 实 验, 肉 眼 看 见 单 个 光 子 是 有 可 能 的, 但 机 率 极 低, 而 且 它 的 波 长 必 须 严 格 地 落 在 视 网 膜 杆 状 细 胞 最 敏 感 的 那 个 波 段 ), 在 这 样 的 情 况 下, 大 众 对 于 探 究 单 个 光 子 究 竟 是 幽 灵 还 是 实 在 无 疑 持 有 无 所 谓 的 态 度, 甚 至 觉 得 这 是 一 种 杞 人 忧 天 的 探 索 真 正 引 起 人 们 担 忧 的, 还 是 那 个 当 初 因 为 薛 定 谔 而 落 下 的 后 遗 症 : 从 微 观 到 宏 观 的 转 换 如 果 光 子 又 是 粒 子 又 是 波, 那 么 猫 为 什 么 不 是 又 死 而 又 活 着? 如 果 电 子 同 时 又 在 这 里 又 在 那 里, 那 么 为 什 么 桌 子 安 稳 地 呆 在 它 原 来 的 地 方, 没 有 扩 散 到 整 间 屋 子 中 去? 如 果 量 子 效 应 的 基 本 属 性 是 叠 加, 为 什 么 日 常 世 界 中 不 存 在 这 样 的 叠 加, 或 者, 我 们 为 什 么 从 未 见 过 这 种 情 况? 我 们 已 经 听 取 了 足 够 多 耐 心 而 不 厌 其 烦 的 解 释 : 猫 的 确 又 死 又 活, 只 不 过 在 我 们 观 测 的 时 候 坍 缩 了 ; 有 两 只 猫, 它 们 在 一 个 宇 宙 中 活 着, 在 另 一 个 宇 宙 中 死 去 ; 猫 从 未 又 死 又 活, 它 的 死 活 由 看 不 见 的 隐 变 量 决 定 ; 单 个 猫 的 死 活 是 无 意 义 的 事 件, 我 们 只 能 描 述 无 穷 只 猫 组 成 的 全 集 诸 如 此 类 的 答 案 也 许 你 已 经 对 其 中 的 某 一 种 感 到 满 意, 但 仍 有 许 多 人 并 不 知 足 : 一 定 还 有 更 好, 更 可 靠 的 答 案 为 了 得 到 它, 我 们 仍 然 需 要 不 断 地 去 追 寻, 去 开 拓 新 的 道 路, 哪 怕 那 里 本 来 是 荒 芜 一 片, 荆 棘 丛 生 毕 竟 世 上 本 没 有 路, 走 的 人 多 了 才 成 为 路 现 在 让 我 们 跟 着 一 些 开 拓 者 小 心 翼 翼 地 去 考 察 一 条 新 辟 的 道 路, 和 当 年 扬 帆 远 航 的 哥 伦 布 一 样, 他 们 也 是 意 大 利 人 这 些 开 拓 者 的 名 字 刻 在 路 口 的 纪 念 碑 上 :Ghirardi,Rimini 和 Weber, 下 面 是 落 成 日 期 :1986 年 7 月 为 了 纪 念 这 些 先 行 者, 我 们 顺 理 成 章 地 把 这 条 道 路 以 他 们 的 首 字 母 命 名, 称 为 GRW 大 道 这 个 思 路 的 最 初 设 想 可 以 回 溯 到 70 年 代 的 Philip Pearle: 哥 本 哈 根 派 的 人 物 无 疑 是 伟 大 和 有 洞 见 的, 但 他 们 始 终 没 能 给 出 坍 缩 这 一 物 理 过 程 的 机 制, 而 且 对 于 观 测 者 的 主 观 依 赖 也 太 重 了 些, 最 后 搞 出 一 个 无 法 收 拾 的 意 识 不 说, 还 有 堕 落 为 唯 心 论 的 嫌 疑 是 否 能 够 略 微 修 改 薛 定 谔 方 程, 使 它 可 以 对 坍 缩 有 一 个 让 人 满 意 的 解 释 呢?

179 1986 年 7 月 15 日, 我 们 提 到 的 那 3 位 科 学 家 在 物 理 评 论 杂 志 上 发 表 了 一 篇 论 文, 题 为 微 观 和 宏 观 系 统 的 统 一 动 力 学 (Unified dynamics for microscopic and macroscopic systems), 从 而 开 创 了 GRW 理 论 GRW 的 主 要 假 定 是, 任 何 系 统, 不 管 是 微 观 还 是 宏 观 的, 都 不 可 能 在 严 格 的 意 义 上 孤 立, 也 就 是 和 外 界 毫 不 相 干 它 们 总 是 和 环 境 发 生 着 种 种 交 流, 为 一 些 随 机 (stochastic) 的 过 程 所 影 响, 这 些 随 机 的 物 理 过 程 不 管 它 们 实 质 上 到 底 是 什 么 会 随 机 地 造 成 某 些 微 观 系 统, 比 如 一 个 电 子 的 位 置, 从 一 个 弥 漫 的 叠 加 状 态 变 为 在 空 间 中 比 较 精 确 的 定 域 ( 实 际 上 就 是 哥 本 哈 根 口 中 的 坍 缩 ), 尽 管 对 于 单 个 粒 子 来 说, 这 种 过 程 发 生 的 可 能 性 是 如 此 之 低 按 照 他 们 原 本 的 估 计, 平 均 要 等 上 10^16 秒, 也 就 是 近 10 亿 年 才 会 发 生 一 次 所 以 从 整 体 上 看, 微 观 系 统 基 本 上 处 于 叠 加 状 态 是 不 假 的, 但 这 种 定 域 过 程 的 确 偶 尔 发 生, 我 们 把 这 称 为 一 个 自 发 的 定 域 过 程 (spontaneous localization) GRW 有 时 候 也 称 为 自 发 定 域 理 论 关 键 是, 虽 然 对 于 单 个 粒 子 来 说 要 等 上 如 此 漫 长 的 时 间 才 能 迎 来 一 次 自 发 过 程, 可 是 对 于 一 个 宏 观 系 统 来 说 可 就 未 必 了 拿 薛 定 谔 那 只 可 怜 的 猫 来 说, 一 只 猫 由 大 约 10^27 个 粒 子 组 成, 虽 然 每 个 粒 子 平 均 要 等 上 几 亿 年 才 有 一 次 自 发 定 域, 但 对 像 猫 这 样 大 的 系 统, 每 秒 必 定 有 成 千 上 万 的 粒 子 经 历 了 这 种 过 程 Ghirardi 等 人 把 薛 定 谔 方 程 换 成 了 所 谓 的 密 度 矩 阵 方 程, 然 后 做 了 复 杂 的 计 算, 看 看 这 样 的 自 发 定 域 过 程 会 对 整 个 系 统 造 成 什 么 样 的 影 响 他 们 发 现, 因 为 整 个 系 统 中 的 粒 子 实 际 上 都 是 互 相 纠 缠 在 一 起 的, 少 数 几 个 粒 子 的 自 发 定 域 会 非 常 迅 速 地 影 响 到 整 个 体 系, 就 像 推 倒 了 一 块 骨 牌 然 后 造 成 了 大 规 模 的 多 米 诺 效 应 最 后 的 结 果 是, 整 个 宏 观 系 统 会 在 极 短 的 时 间 里 完 成 一 次 整 体 上 的 自 发 定 域 如 果 一 个 粒 子 平 均 要 花 上 10 亿 年 时 间, 那 么 对 于 一 个 含 有 1 摩 尔 粒 子 的 系 统 来 说 ( 数 量 级 在 10^23 个 ), 它 只 要 0.1 微 秒 就 会 发 生 定 域, 使 得 自 己 的 位 置 从 弥 漫 开 来 变 成 精 确 地 出 现 在 某 个 地 点 这 里 面 既 不 要 观 测 者, 也 不 牵 涉 到 意 识, 它 只 是 基 于 随 机 过 程! 如 果 真 的 是 这 样, 那 么 当 决 定 薛 定 谔 猫 的 生 死 的 那 一 刻 来 临 时, 它 的 确 经 历 了 死 / 活 的 叠 加! 只 不 过 这 种 叠 加 只 维 持 了 非 常 短, 非 常 短 的 时 间, 然 后 马 上 自 发 地 精 确 化, 变 成 了 日 常 意 义 上 的, 单 纯 的 非 死 即 活 因 为 时 间 很 短, 我 们 没 法 感 觉 到 这 一 叠 加 过 程! 这 听 上 去 的 确 不 错, 我 们 有 了 一 个 统 一 的 理 论, 可 以 一 视 同 仁 地 解 释 微 观 上 的 量 子 叠 加 和 宏 观 上 物 体 的 不 可 叠 加 性 但 是,GRW 自 身 也 仍 然 面 临 着 严 重 的 困 难, 这 条 大 道 并 不 是 那 样 顺 畅 的 他 们 的 论 文 发 表 当 年, 海 德 堡 大 学 的 E.Joos 就 向 物 理 评 论 递 交 了 关 于 这 个 理 论 的 评 论, 而 这 个 评 论 也 在 次 年 发 表, 对 GRW 提 出 了 置 疑 自 那 时 起, 对 GRW 的 疑 问 声 一 直 很 大, 虽 然 有 的 人 非 常 喜 欢 它, 但 是 从 未 在 物 理 学 家 中 变 成 主 流 怀 疑 的 理 由 有 许 多 是 相 当 技 术 化 的, 对 于 我 们 史 话 的 读 者, 我 只 想 在 最 肤 浅 的 层 次 上 稍 微 提 一 些 GRW 的 计 算 是 完 全 基 于 随 机 过 程 的, 而 并 不 引 入 类 如 观 测 使 得 波 函 数 坍 缩 之 类 的 假 设 他 们 在 这 里 所 假 设 的 自 发 过 程, 虽 然 其 概 念 和 坍 缩 类 似, 实 际 上 是 指 一 个 粒 子 的 位 置 从 一 个 非 常 不 精 确 的 分 布 变 成 一 个 比 较 精 确 的 分 布, 而 不 是 完 全 确 定 的 位 置! 换 句 话 说, 不 管 坍 缩 前 还 是 坍 缩 后, 粒 子 的 位 置 始 终 是 一 种 不 确 定 的 分 布, 必 须 为 统 计 曲 线 ( 高 斯 钟 形 曲 线 ) 所 描 述 所 谓 坍 缩, 只 不 过 是 它 从 一 个 非 常 矮 平 的 曲 线 变 成 一 个 非 常 尖 锐 的 曲 线 罢 了

180 在 哥 本 哈 根 解 释 中, 只 要 一 观 测, 系 统 的 位 置 就 从 不 确 定 变 成 完 全 确 定 了, 而 GRW 虽 然 不 需 要 观 测 者, 但 在 它 的 框 架 里 面 没 有 什 么 东 西 是 实 际 上 确 定 的, 只 有 非 常 精 确, 比 较 精 确, 非 常 不 精 确 之 类 的 区 别 比 如 说 当 我 盯 着 你 看 的 时 候, 你 并 没 有 一 个 完 全 确 定 的 位 置, 虽 然 组 成 你 的 大 部 分 物 质 ( 粒 子 ) 都 聚 集 在 你 所 站 的 那 个 地 方, 但 真 正 描 述 你 的 还 是 一 个 钟 形 线 ( 虽 然 是 非 常 尖 锐 的 钟 形 线 )! 我 只 能 说, 绝 大 部 分 的 你 在 你 所 站 的 那 个 地 方, 而 组 成 你 的 另 外 的 那 一 小 撮 ( 虽 然 是 极 少 极 少 的 一 小 撮 ) 却 仍 然 弥 漫 在 空 间 中, 充 斥 着 整 个 屋 子, 甚 至 一 直 延 伸 到 宇 宙 的 尽 头! 也 就 是 说, 在 任 何 时 候, 你 都 填 满 了 整 个 宇 宙, 只 不 过 大 部 分 的 你 聚 集 在 某 个 地 方 而 已 作 为 一 个 宏 观 物 体 的 好 处 是, 明 显 的 量 子 叠 加 可 以 在 很 短 的 时 间 内 完 成 自 发 定 域, 但 这 只 是 意 味 着 大 多 数 粒 子 聚 集 到 了 某 个 地 方, 总 有 一 小 部 分 的 粒 子 仍 然 留 在 无 穷 的 空 间 中 单 纯 地 从 逻 辑 上 讲, 这 也 没 什 么 不 妥, 谁 知 道 你 是 不 是 真 有 小 到 无 可 觉 察 的 一 部 分 弥 漫 在 空 间 中 呢? 但 这 毕 竟 违 反 了 常 识! 如 果 必 定 要 违 反 常 识, 那 我 们 干 脆 承 认 猫 又 死 又 活, 似 乎 也 不 见 得 糟 糕 多 少 GRW 还 抛 弃 了 能 量 守 恒 ( 当 然, 按 照 相 对 论, 其 实 是 质 能 守 恒 ) 自 发 的 坍 缩 使 得 这 样 的 守 恒 实 际 上 不 成 立, 但 破 坏 是 那 样 微 小, 所 需 等 待 的 时 间 是 那 样 漫 长, 使 得 人 们 根 本 不 注 意 到 它 抛 弃 能 量 守 恒 在 许 多 人 看 来 是 无 法 容 忍 的 行 为 我 们 还 记 得, 当 年 玻 尔 的 BKS 理 论 遭 到 了 爱 因 斯 坦 和 泡 利 多 么 严 厉 的 抨 击 还 有, 如 果 自 发 坍 缩 的 时 间 是 和 组 成 系 统 的 粒 子 数 量 成 反 比 的, 也 就 是 说 组 成 一 个 系 统 的 粒 子 越 少, 其 位 置 精 确 化 所 要 求 的 平 均 时 间 越 长, 那 么 当 我 们 描 述 一 些 非 常 小 的 探 测 装 置 时, 这 个 理 论 的 预 测 似 乎 就 不 太 妙 了 比 如 要 探 测 一 个 光 子 的 位 置, 我 们 不 必 动 用 庞 大 而 复 杂 的 仪 器, 而 可 以 用 非 常 简 单 的 感 光 剂 来 做 到 如 果 好 好 安 排, 我 们 完 全 可 以 只 用 到 数 十 亿 个 粒 子 ( 主 要 是 银 离 子 ) 来 完 成 这 个 任 务 按 照 哥 本 哈 根, 这 无 疑 也 是 一 次 观 测, 可 以 立 刻 使 光 子 的 波 函 数 坍 缩 而 得 到 一 个 确 定 的 位 置, 但 如 果 用 GRW 的 方 法 来 计 算, 这 样 小 的 一 个 系 统 必 须 等 上 平 均 差 不 多 一 年 才 会 产 生 一 次 自 发 的 定 域 Roland Omnes 后 来 提 到,Ghirardi 在 私 人 的 谈 话 中 承 认 了 这 一 困 难 但 他 争 辩 说, 就 算 在 光 子 使 银 离 子 感 光 这 一 过 程 中 牵 涉 到 的 粒 子 数 目 不 足 以 使 系 统 足 够 快 地 完 成 自 发 定 域, 我 们 谁 都 无 法 意 识 到 这 一 点! 如 果 作 为 观 测 者 的 我 们 不 去 观 测 这 个 实 验 的 结 果, 谁 知 道 呢, 说 不 定 光 子 真 的 需 要 等 上 一 年 来 得 到 精 确 的 位 置 可 是 一 旦 我 们 去 观 察 实 验 结 果, 这 就 把 我 们 自 己 的 大 脑 也 牵 涉 进 整 个 系 统 中 来 了 关 键 是, 我 们 的 大 脑 足 够 大 ( 有 没 有 意 识 倒 不 重 要 ), 足 够 大 的 物 体 便 使 得 光 子 迅 速 地 得 到 了 一 个 相 对 精 确 的 定 位! 推 而 广 之, 因 为 我 们 长 着 一 个 大 脑 袋, 所 以 不 管 我 们 看 什 么, 都 不 会 出 现 位 置 模 糊 的 量 子 现 象 要 是 我 们 拿 复 杂 的 仪 器 去 测 量, 那 么 当 然, 测 量 的 时 候 对 象 就 马 上 变 得 精 确 了 即 使 仪 器 非 常 简 单 细 小, 测 量 以 后 对 象 仍 有 可 能 保 持 在 模 糊 状 态, 它 也 会 在 我 们 观 测 结 果 时 因 为 拥 有 众 多 粒 子 的 大 脑 的 介 入 而 迅 速 定 域 我 们 是 注 定 无 法 直 接 感 觉 到 任 何 量 子 效 应 了, 不 知 道 一 个 足 够 小 的 病 毒 能 否 争 取 到 足 够 长 的 时 间 来 感 觉 到 光 子 又 在 这 里 又 在 那 里 的 奇 妙 景 象 ( 如 果 它 能 够 感 觉 的 话!)? 最 后, 薛 定 谔 方 程 是 线 性 的, 而 GRW 用 密 度 矩 阵 方 程 将 它 取 而 代 之 以 后, 实 际 上 把 整 个 理 论 体 系 变 成 了 非 线 性 的! 这 实 际 上 会 使 它 作 出 一 些 和 标 准 量 子 论 不 同 的 预 言, 而 它 们 可 以 用

181 实 验 来 检 验 ( 只 要 我 们 的 技 术 手 段 更 加 精 确 一 些 )! 可 是, 标 准 量 子 论 在 实 践 中 是 如 此 成 功, 它 的 辉 煌 是 如 此 灿 烂, 以 致 任 何 想 和 它 在 实 践 上 比 高 低 的 企 图 都 显 得 前 途 不 太 美 妙 我 们 已 经 目 睹 了 定 域 隐 变 量 理 论 的 惨 死, 不 知 GRW 能 否 有 更 好 的 运 气? 另 一 位 量 子 论 专 家, 因 斯 布 鲁 克 大 学 的 Zeilinger( 提 出 GHZ 检 验 的 那 个 ) 在 2000 年 为 Nature 杂 志 撰 写 的 庆 祝 量 子 论 诞 生 100 周 年 的 文 章 中 大 胆 地 预 测, 将 来 的 实 验 会 进 一 步 证 实 标 准 量 子 论 的 预 言, 把 非 线 性 的 理 论 排 除 出 去, 就 像 当 年 排 除 掉 定 域 隐 变 量 理 论 一 样 OK, 我 们 将 来 再 来 为 GRW 的 终 极 命 运 而 担 心, 我 们 现 在 只 是 关 心 它 的 生 存 现 状 GRW 保 留 了 类 似 坍 缩 的 概 念, 试 图 在 此 基 础 上 解 释 微 观 到 宏 观 的 转 换 从 技 术 上 讲 它 是 成 功 的, 避 免 了 观 测 者 的 出 现, 但 它 没 有 解 决 坍 缩 理 论 的 基 本 难 题, 也 就 是 坍 缩 本 身 是 什 么 样 的 机 制? 再 加 上 我 们 已 经 提 到 的 种 种 困 难, 使 得 它 并 没 有 吸 引 到 大 部 分 的 物 理 学 家 来 支 持 它 不 过,GRW 不 太 流 行 的 另 一 个 重 要 原 因, 恐 怕 是 很 快 就 出 现 了 另 一 种 解 释, 可 以 做 到 GRW 所 能 做 到 的 一 切 虽 然 同 样 稀 奇 古 怪, 但 它 却 不 具 备 GRW 的 基 本 缺 点 这 就 是 我 们 马 上 就 要 去 观 光 的 另 一 条 道 路 : 退 相 干 历 史 (Decoherent Histories) 这 也 是 我 们 的 漫 长 旅 途 中 所 重 点 考 察 的 最 后 一 条 道 路 了 第 十 二 章 新 探 险 一 1953 年, 年 轻, 但 是 多 才 多 艺 的 物 理 学 家 穆 雷 盖 尔 曼 (Murray Gell-Mann) 离 开 普 林 斯 顿, 到 芝 加 哥 大 学 担 任 讲 师 那 时 的 芝 加 哥, 仍 然 笼 罩 在 恩 里 科 费 米 的 光 辉 之 下, 自 从 这 位 科 学 巨 匠 在 1938 年 因 为 对 于 核 物 理 理 论 的 杰 出 贡 献 而 拿 到 诺 贝 尔 奖 之 后, 已 经 过 去 了 近 16 年 盖 尔 曼 也 许 不 会 想 到, 再 过 16 年, 相 同 的 荣 誉 就 会 落 在 自 己 身 上 虽 然 已 是 功 成 名 就, 但 费 米 仍 然 抱 着 宽 厚 随 和 的 态 度, 愿 意 和 所 有 的 人 讨 论 科 学 问 题 在 核 物 理 迅 猛 发 展 的 那 个 年 代, 量 子 论 作 为 它 的 基 础, 已 经 被 奉 为 神 圣 而 不 可 侵 犯 的 经 典, 但 费 米 却 总 是 有 着 一 肚 子 的 怀 疑, 他 不 止 一 次 地 问 盖 尔 曼 : 既 然 量 子 论 是 正 确 的, 那 么 叠 加 性 必 然 是 一 种 普 遍 现 象 可 是, 为 什 么 火 星 有 着 一 条 确 定 的 轨 道, 而 不 是 从 轨 道 上 向 外 散 开 去 呢? 自 然, 答 案 在 哥 本 哈 根 派 的 锦 囊 中 是 唾 手 可 得 : 火 星 之 所 以 不 散 开 去, 是 因 为 有 人 在 观 察 它, 或 者 说 有 人 在 看 着 它 每 看 一 次, 它 的 波 函 数 就 坍 缩 了 但 无 论 费 米 还 是 盖 尔 曼, 都 觉 得 这 个 答 案 太 无 聊 和 愚 蠢, 必 定 有 一 种 更 好 的 解 释 可 惜 在 费 米 的 有 生 之 年, 他 都 没 能 得 到 更 好 的 答 案 他 很 快 于 1954 年 去 世, 而 盖 尔 曼 则 于 次 年 又 转 投 加 州 理 工, 在 那 里 开 创 属 于 他 的 伟 大 事 业 加 州 理 工 的 好 学 生 源 源 不 断, 哈 特 尔 (James B Hartle) 就 是 其 中 一 个 60 年 代, 他 在 盖 尔 曼 的 手 下 攻 读 博 士 学 位, 对 量 子 宇 宙 学 进 行 了 充 分 的 研 究 和 思 考, 有 一 个 思 想 逐 渐 在 他 的 脑 海 中 成 型 那 个 时 候, 费 因 曼 的 路 径 积 分 方 法 已 经 被 创 立 了 20 多 年, 而 到 了 70 年 代, 正 如 我 们 在 史 话 的 前 面 所 提 起 过 的 那 样, 一 种 新 的 理 论 退 相 干 理 论 在 Zurek 和 Zeh 等 人 的 努 力 下 也 被 建 立 起 来 了 进 入 80 年 代, 埃 弗 莱 特 的 多 宇 宙 解 释 在 物 理 学 界 死 灰 复 燃, 并 迅 速 引 起 了 众 人 的 兴 趣 一 切 外 部 条 件 都 逐 渐 成 熟, 等 1984 年, 格 里 菲 斯 (Robert Griffiths) 发 表 了 他 的 论 文 之 后, 退 相 干 历 史 ( 简 称 DH) 解 释 便 正 式 瓜 熟 蒂 落 了

182 我 们 还 记 得 埃 弗 莱 特 的 MWI: 宇 宙 在 薛 定 谔 方 程 的 演 化 中 被 投 影 到 多 个 世 界 中 去, 在 每 个 世 界 中 产 生 不 同 的 结 果 这 样 一 来, 在 宇 宙 的 发 展 史 上, 就 逐 渐 产 生 越 来 越 多 的 世 界 历 史 只 有 一 个, 但 世 界 有 很 多 个! 当 哈 特 尔 和 盖 尔 曼 读 到 格 里 菲 斯 关 于 历 史 的 论 文 之 后, 他 们 突 然 之 间 恍 然 大 悟 他 们 开 始 叫 嚷 : 不 对! 事 实 和 埃 弗 莱 特 的 假 定 正 好 相 反 : 世 界 只 有 一 个, 但 历 史 有 很 多 个! 提 起 历 史 (History) 这 个 词, 我 们 脑 海 中 首 先 联 想 到 的 恐 怕 就 是 诸 如 古 埃 及 巴 比 伦 希 腊 罗 马 唐 宋 元 明 清 之 类 的 概 念 历 史 学 是 研 究 过 去 的 学 问 但 在 物 理 上, 过 去 现 在 未 来 并 不 是 分 得 很 清 楚 的, 至 少 理 论 中 没 有 什 么 特 征 可 以 让 我 们 明 确 地 区 分 这 些 状 态 站 在 物 理 的 角 度 谈 历 史, 我 们 只 把 它 定 义 成 一 个 系 统 所 经 历 的 一 段 时 间, 以 及 它 在 这 段 时 间 内 所 经 历 的 状 态 变 化 比 如 我 们 讨 论 封 闭 在 一 个 盒 子 里 的 一 堆 粒 子 的 历 史, 则 我 们 可 以 预 计 它 们 将 按 照 热 力 学 第 二 定 律 逐 渐 地 扩 散 开 来, 并 最 终 达 到 最 大 的 热 辐 射 平 衡 状 态 为 止 当 然, 也 有 可 能 在 其 中 会 形 成 一 个 黑 洞 并 与 剩 下 的 热 辐 射 相 平 衡, 由 于 量 子 涨 落 和 霍 金 蒸 发, 系 统 很 有 可 能 将 在 这 两 个 平 衡 态 之 间 不 停 地 摇 摆, 但 不 管 怎 么 样, 对 应 于 某 一 个 特 定 的 时 刻, 我 们 的 系 统 将 有 一 个 特 定 的 态, 把 它 们 连 起 来, 就 是 我 们 所 说 的 这 个 系 统 的 历 史 我 们 要 时 刻 记 住, 在 量 子 力 学 中 一 切 都 是 离 散 而 非 连 续 的, 所 以 当 我 们 讨 论 一 段 时 间 的 时 候, 我 们 所 说 的 实 际 上 是 一 个 包 含 了 所 有 时 刻 的 集 合, 从 t0,t1,t2, 一 直 到 tn 所 以 我 们 说 的 历 史, 实 际 上 就 是 指, 对 应 于 时 刻 tk 来 说, 系 统 有 相 应 的 态 Ak 我 们 还 是 以 广 大 人 民 群 众 喜 闻 乐 见 的 比 喻 形 式 来 说 明 问 题 想 象 一 支 足 球 队 参 加 某 联 赛, 联 赛 一 共 要 进 行 n 轮 那 么, 这 支 球 队 的 历 史 无 非 就 是 : 对 应 于 第 k 轮 联 赛 ( 时 刻 k), 如 果 我 们 进 行 观 测, 则 得 到 这 场 比 赛 的 结 果 Ak(Ak 可 以 是 1:0,2:1,3:3 等 等 ) 如 果 完 整 地 把 这 个 球 队 的 历 史 写 出 来, 则 大 概 是 这 个 样 子 : 1:2, 2:3, 1:1, 4:1, 2:0, 0:0, 1:3 为 了 简 便 起 见, 我 们 现 在 仅 仅 考 察 一 场 比 赛 的 情 况 一 场 比 赛 所 有 可 能 的 历 史 的 总 数, 理 论 上 说 是 无 穷 多 的, 当 然 在 现 实 里, 比 分 一 般 不 会 太 高 如 果 比 赛 尚 未 进 行, 或 者 至 少, 我 们 尚 不 知 道 其 结 果, 那 么 对 于 每 一 种 历 史 我 们 就 只 能 估 计 它 发 生 的 可 能 性 在 实 际 中, 即 使 是 概 率 也 经 常 很 难 算 准 ( 尽 管 参 考 博 彩 公 司 的 赔 率 或 者 浏 览 一 些 赌 波 网 站 或 许 能 提 供 某 些 帮 助, 但 它 们 有 时 候 是 相 当 误 导 的 ), 但 我 们 在 此 讨 论 的 是 理 论 问 题, 因 此 我 们 就 假 定 通 过 计 算, 关 于 任 何 一 种 历 史 我 们 都 能 够 得 到 一 个 准 确 的 概 率 比 方 说,1:0 获 胜 这 样 一 种 历 史 发 生 的 可 能 性 是 10%,1:2 落 败 则 有 20% 等 等 说 了 这 么 多, 这 些 有 什 么 用 呢? 切 莫 心 急, 很 快 就 见 分 晓 到 现 在 为 止, 因 为 我 们 处 理 的 都 还 是 经 典 概 率, 所 以 它 们 是 可 加 的! 也 就 是 说, 如 果 我 们 有 两 种 历 史 a 和 b, 它 们 发 生 的 概 率 分 别 是 Pa 和 Pb, 则 a 或 者 b 发 生 的 概 率 就 是 Pa +Pb 拿 我 们 的 例 子 来 说, 如 果 我 们 想 问 : 净 胜 2 球 的 可 能 性 是 多 少?, 那 么 它 必 然 等 于 所 有 净 胜 两 球 的 历 史 概 率 的 总 和, 也 就 是 P(2:0)+P(3:1)+P(4:2)+ 这 看 起 来 似 乎 是 天 经 地 义

183 但 让 我 们 回 到 量 子 论 中 来 稀 奇 的 是, 在 量 子 论 里, 这 样 的 加 法 并 不 总 是 能 够 实 现! 拿 我 们 已 经 讨 论 得 口 干 舌 燥 的 那 个 实 验 来 说, 如 果 电 子 通 过 左 缝 是 一 种 历 史, 电 子 通 过 右 缝 是 另 一 种 历 史, 那 么 电 子 通 过 左 缝 或 者 通 过 右 缝 的 可 能 性 是 多 少 呢? 我 们 必 须 把 它 放 到 所 谓 的 密 度 矩 阵 D 中 去 计 算, 把 它 们 排 列 成 表 格! 在 这 个 表 格 中, 呆 在 坐 标 ( 左, 左 ) 上 的 那 个 值 就 是 通 过 左 缝 这 个 历 史 的 概 率 呆 在 ( 右, 右 ) 上 的, 则 无 疑 是 通 过 右 缝 的 概 率 但 等 等, 我 们 还 有 两 个 多 余 的 东 西,D( 左, 右 ) 和 D( 右, 左 )! 这 两 个 是 什 么 东 西? 它 们 不 是 任 何 概 率, 而 表 明 了 左 和 右 两 种 历 史 之 间 的 交 叉 干 涉! 要 命 的 是, 计 算 结 果 往 往 显 示 这 些 干 涉 项 不 为 0 换 句 话 说, 通 过 左 缝 和 通 过 右 缝 这 两 种 历 史 不 是 独 立 自 主 的, 而 是 互 相 纠 缠 在 一 起, 它 们 之 间 有 干 涉 项 当 我 们 计 算 电 子 通 过 左 缝 或 者 通 过 右 缝 这 样 一 种 情 况 的 时 候, 我 们 得 到 的 并 非 一 个 传 统 的 概 率, 干 脆 地 说, 这 样 一 个 联 合 历 史 是 没 有 概 率 的! 这 也 就 是 为 什 么 在 双 缝 实 验 中, 我 们 不 能 说 电 子 要 么 通 过 左 缝, 要 么 通 过 右 缝 的 原 因, 它 必 定 同 时 通 过 了 双 缝, 因 为 这 两 种 历 史 是 相 干 的! 回 到 我 们 的 足 球 比 喻, 在 一 场 量 子 联 赛 中, 所 有 可 能 的 历 史 都 是 相 干 的,1:0 这 种 历 史 和 2:0 这 种 历 史 互 相 干 涉, 所 以 它 们 的 概 率 没 有 可 加 性! 也 就 是 说, 如 果 1:0 的 可 能 性 是 10%, 2:0 的 可 能 性 是 15%, 那 么 1:0 或 者 2:0 的 可 能 性 却 不 是 25%, 而 是 某 种 模 糊 的 东 西, 它 无 法 被 赋 予 一 个 概 率! 这 听 上 去 可 真 不 美 妙, 如 果 这 些 概 率 不 能 相 加, 那 么 赌 球 的 人 或 者 买 足 球 彩 票 的 人 一 定 都 不 知 所 措, 没 法 合 理 地 投 入 资 金 了 如 果 不 能 计 算 概 率, 那 我 们 还 能 做 什 么 呢? 但 是 且 莫 着 急, 因 为 奇 妙 的 事 情 马 上 就 要 发 生 了 : 虽 然 我 们 无 法 预 测 1:0 或 者 2:0 的 概 率 是 多 少, 然 而 我 们 却 的 确 可 以 预 言 胜 或 者 平 的 概 率 是 多 少! 这 都 是 因 为 退 相 干 机 制 的 存 在! 魔 术 的 秘 密 在 这 里 : 当 我 们 不 关 心 一 场 比 赛 的 具 体 比 分, 而 只 关 心 其 胜 负 关 系 的 时 候, 我 们 实 际 上 忽 略 了 许 多 信 息 比 如 说, 当 我 们 讨 论 一 种 历 史 是 胜, 胜, 平, 负, 胜, 负, 而 不 是 具 体 的 比 分 的 时 候, 我 们 实 际 上 构 建 了 一 种 粗 略 的 历 史 在 每 一 轮 联 赛 中, 我 们 观 察 到 的 态 Ak 都 包 含 了 无 数 种 更 加 精 细 的 态 例 如 当 我 们 说 第 二 轮 球 队 胜 的 时 候, 其 中 包 括 了 1:0,2:1,2:0,3:1 所 有 可 以 归 纳 为 胜 的 具 体 赛 果 在 术 语 中, 我 们 把 每 一 种 具 体 的 可 能 比 分 称 为 精 粒 历 史 (fine-grained history), 而 把 类 似 胜, 负 这 样 的 历 史 称 为 粗 粒 历 史 (coarse-grained history) 再 一 次 为 了 简 便 起 见, 我 们 仅 仅 考 察 一 场 比 赛 的 情 况 对 于 单 单 一 场 比 赛 来 说, 它 的 粗 粒 历 史 无 非 有 3 种 : 胜, 平, 负 如 果 胜 的 可 能 性 是 30%, 平 的 可 能 性 是 40%, 那 么 非 胜 即 平, 也 就 是 不 败 的 可 能 性 是 多 少 呢? 大 家 对 我 们 上 面 的 讨 论 还 记 忆 犹 新, 可 能 会 开 始 担 忧, 因 为 量 子 论 或 许 不 能 给 出 一 个 经 典 的 概 率 来, 但 这 次 不 同 了! 这 一 次, 量 子 论 给 出 了 一 个 类 似 经 典 概 率 的 答 案 : 不 败 的 概 率 =30+40=70%! 这 是 为 什 么 呢? 原 来, 当 我 们 计 算 胜 和 平 之 间 的 关 系 时, 我 们 实 际 上 计 算 了 所 有 包 含 在 它 们 之 中 的 精 粒 历 史 之 间 的 关 系! 如 果 我 们 把 胜 和 平 放 到 矩 阵 中 去 计 算, 我 们 的 确 也 会 得 到 干 涉 项 如 ( 胜, 平 ), 但 这 个 干 涉 项 是 什 么 呢? 它 是 所 有 组 成 两 种 粗 粒 历 史 的 精 粒 历 史 的 干 涉 之 和! 也 就 是 说, 它 包 括 了 1:0 和 0:0 之 间 的 干 涉, 1:0 和 1:1 之 间 的

184 干 涉, 2:0 和 1:1 之 间 的 干 涉 等 等 总 之, 每 一 对 可 能 的 干 涉 都 被 计 算 在 内 了, 我 们 惊 奇 地 发 现, 所 有 这 些 干 涉 加 在 一 起, 正 好 抵 消 了 个 干 净 当 最 后 的 结 果 出 来 时, 胜 和 平 之 间 的 干 涉 项 即 使 没 有 完 全 消 失, 也 已 经 变 得 小 到 足 以 忽 略 不 计 胜 和 平 两 种 粗 粒 历 史 不 再 相 干, 它 们 退 相 干 了! 在 量 子 力 学 中, 我 们 具 体 可 以 采 用 所 谓 的 路 径 积 分 (path integral) 的 办 法, 构 造 出 一 个 退 相 干 函 数 来 计 算 所 有 的 这 些 历 史 我 们 史 话 的 前 面 已 经 略 微 提 起 过 路 径 积 分, 它 是 鼎 鼎 有 名 的 美 国 物 理 学 家 费 因 曼 在 1942 年 发 表 的 一 种 量 子 计 算 方 法, 费 因 曼 本 人 后 来 也 为 此 与 人 共 同 分 享 了 1965 年 的 诺 贝 尔 物 理 奖 路 径 积 分 是 一 种 对 于 整 个 时 间 和 空 间 求 和 的 办 法, 当 粒 子 从 A 地 运 动 到 B 地, 我 们 把 它 的 轨 迹 表 达 为 所 有 可 能 的 空 间 和 所 有 可 能 的 时 间 的 叠 加! 我 们 只 关 心 它 的 初 始 状 态 和 最 终 状 态, 而 忽 略 它 的 中 间 状 态, 对 于 这 些 我 们 不 关 心 的 状 态, 我 们 就 把 它 在 每 一 种 可 能 的 路 径 上 遍 历 求 和, 精 妙 的 是, 最 后 这 些 路 径 往 往 会 自 相 抵 消 掉 在 量 子 足 球 场 上 发 生 的 是 同 样 的 事 情 : 我 们 只 关 心 比 赛 的 胜 负 结 果, 而 不 关 心 更 加 细 微 的 事 情 例 如 具 体 的 比 分 当 我 们 忽 略 具 体 比 分 的 时 候, 事 实 上 就 对 于 每 一 种 可 能 的 比 分 ( 历 史 ) 进 行 了 遍 历 求 和 当 所 有 的 精 粒 历 史 被 加 遍 了 以 后, 它 们 之 间 的 干 涉 往 往 会 完 全 抵 消, 或 者 至 少, 几 乎 完 全 抵 消 这 个 时 候, 经 典 概 率 就 又 回 到 桌 面 上 来, 两 个 粗 粒 历 史 的 概 率 又 变 得 可 加 了, 量 子 论 终 于 又 可 以 管 用 了! 我 们 也 许 分 不 清 一 场 比 赛 究 竟 是 1:0 还 是 2:0, 但 我 们 无 疑 可 以 分 清 一 场 比 赛 究 竟 是 赢 了 还 是 平 了! 因 为 这 两 种 历 史 之 间 不 再 相 干! 关 键 在 于, 我 们 必 须 构 建 起 足 够 粗 粒 的 历 史 这 就 像 我 传 给 你 两 张 数 字 照 片, 分 别 是 珍 妮 弗 洛 佩 兹 和 珍 妮 弗 安 妮 斯 顿 的 特 写, 然 后 问 你, 你 觉 得 两 人 谁 更 漂 亮 假 如 你 把 这 些 照 片 放 到 最 大 最 大, 你 看 见 的 很 可 能 只 是 一 些 颜 色 各 异 的 色 块, 两 张 照 片 对 你 来 说 似 乎 也 没 什 么 大 的 分 别 只 有 把 分 辨 率 调 得 足 够 低 或 者 你 退 开 足 够 远 的 距 离, 把 这 些 色 块 都 模 糊 化, 你 才 能 看 见 整 个 构 图, 从 而 有 效 地 区 分 这 两 张 照 片 的 不 同, 进 而 作 出 比 较 总 之, 只 有 当 足 够 粗 粒 的 时 候, 两 张 照 片 才 能 被 区 分 开 来, 而 我 们 的 历 史 也 是 如 此! 如 果 两 个 历 史 的 颗 粒 太 细, 以 至 于 它 们 之 间 互 相 干 涉, 我 们 就 无 法 把 它 们 区 分 开 来, 比 如 我 们 无 法 区 分 电 子 通 过 了 左 缝 和 电 子 通 过 了 右 缝 两 种 历 史, 它 们 同 时 发 生 着! 但 如 果 历 史 的 粒 子 够 粗, 则 我 们 便 能 够 有 效 地 分 开 两 种 历 史, 它 们 之 间 退 相 干 了! 当 我 们 观 测 了 电 子 的 行 为, 并 得 到 最 终 结 果 后, 我 们 实 际 上 就 构 建 了 一 种 粗 粒 历 史 我 们 可 以 把 它 归 结 成 两 种 : 我 们 观 测 到 粒 子 在 左 以 及 我 们 观 测 到 粒 子 在 右 为 什 么 说 它 们 是 粗 粒 历 史 呢? 因 为 我 们 忽 略 的 东 西 实 在 太 多 了 我 们 现 在 只 关 心 我 们 观 测 到 电 子 在 哪 个 位 置, 而 不 关 心 我 们 站 在 实 验 室 的 哪 个 角 落, 今 天 吃 了 拉 面 还 是 汉 堡 还 是 寿 司, 更 不 关 心 当 我 们 进 行 观 测 的 时 候, 空 气 中 有 多 少 灰 尘 沾 在 我 们 身 上, 窗 户 里 射 进 了 多 少 光 子 与 我 们 发 生 了 相 互 作 用 从 理 论 上 讲, 每 一 种 不 同 的 情 况 都 应 该 对 应 于 一 种 特 定 的 历 史, 比 如 吃 了 拉 面 的 我 们 观 察 到 电 子 在 左 和 吃 了 汉 堡 的 我 们 观 察 到 电 子 在 左 其 实 是 两 种 不 同 的 历 史 观 察 到 电 子 在 左 并 同 时 被 1 亿 个 光 子 打 中 与 观 察 到 电 子 在 左 并 同 时 被 1 亿 零 1 个 光 子 打 中 也 是 两 种 不 同 的 历 史, 但 我 们 并 不 关 心 这 些, 而 只 是 把 它 们 简 并 到 我 们 观 察 到 电 子 在 左 这 个 类 别 里 去, 因 此 我 们 实 际 上 构 建 了 一 个 非 常 粗 粒 的 历 史 现 在, 当 我 们 计 算 我 们 观 测 到 电 子 在 左 和 我 们 观 测 到 电 子 在 右 两 个 历 史 之 间 的 干 涉 时, 实 际 上 就 对 太 多 的 事 情 做 了 遍 历 求 和 我 们 遍 历 了 吃 了 汉 堡 的 你, 吃 了 寿 司 的 你, 吃 了 拉 面 的 你 的 不 同 命 运 我 们 遍 历 了 在 这 期 间 打 到 你 身 上 的 每 一 个 光 子, 我 们 遍

185 历 了 你 和 宇 宙 尽 头 的 每 一 个 电 子 所 发 生 的 相 互 作 用 如 果 说 我 们 观 测 电 子 的 位 置 是 一 个 系 统, 组 成 这 个 系 统 的 有 n 个 粒 子, 在 这 其 中, 有 m 个 粒 子 的 状 态 实 际 上 决 定 了 我 们 到 底 观 测 到 电 子 在 左 还 是 在 右 那 么, 除 去 这 m 个 粒 子 之 外, 每 一 个 粒 子 的 命 运 都 在 计 算 中 被 加 遍 了 在 时 间 上 来 说, 除 了 实 际 观 测 的 那 一 刻, 每 一 个 时 刻 不 管 过 去 还 是 未 来 所 有 粒 子 的 状 态 也 都 被 加 遍 了 在 所 有 这 些 计 算 都 完 成 了 之 后, 在 每 一 个 方 向 上 的 干 涉 也 就 几 乎 相 等 了, 它 们 将 从 结 果 中 被 抵 消 掉 最 后, 我 们 观 测 到 电 子 在 左 和 我 们 观 测 到 电 子 在 右 两 个 粗 粒 历 史 退 相 干 了, 它 们 之 间 不 再 互 相 联 系, 而 我 们 只 能 感 觉 到 其 中 的 某 一 种! 各 位 可 能 会 觉 得 这 听 起 来 像 一 个 魔 幻 故 事, 但 这 的 确 是 最 近 非 常 流 行 的 一 种 关 于 量 子 论 的 解 释!1984 年 格 里 菲 斯 为 它 开 拓 了 道 路, 而 很 快 到 了 1991 年, 哈 特 尔 就 开 始 对 它 进 行 扩 充 和 完 善 不 久 盖 尔 曼 和 欧 姆 内 斯 (Roland Omnés) 也 加 入 到 这 一 行 列 中 来, 这 些 杰 出 的 物 理 学 家 很 快 把 它 变 成 了 一 个 洋 洋 洒 洒 的 体 系 我 们 还 是 有 必 要 进 一 步 地 考 察 这 个 思 想, 从 而 对 量 子 论 的 内 涵 获 取 更 深 的 领 悟 按 照 退 相 干 历 史 (DH) 的 解 释, 假 如 我 们 把 宇 宙 的 历 史 分 得 足 够 精 细, 那 么 实 际 上 每 时 每 刻 都 有 许 许 多 多 的 精 粒 历 史 在 同 时 发 生 ( 相 干 ) 比 如 没 有 观 测 时, 电 子 显 然 就 同 时 经 历 着 通 过 左 缝 和 通 过 右 缝 两 种 历 史 但 一 般 来 说, 我 们 对 于 过 分 精 细 的 历 史 没 有 兴 趣, 我 们 只 关 心 我 们 所 能 观 测 到 的 粗 粒 历 史 的 情 况 因 为 互 相 脱 散 ( 退 相 干 ) 的 缘 故, 这 些 历 史 之 间 失 去 了 联 系, 只 有 一 种 能 够 被 我 们 感 觉 到 历 史 颗 粒 的 粗 细, 我 们 可 以 创 建 一 棵 历 史 树 还 是 拿 我 们 的 量 子 联 赛 来 说, 一 个 球 队 在 联 赛 中 的 历 史, 最 粗 可 以 分 到 什 么 程 度 呢? 也 许 我 们 可 以 把 它 仅 仅 分 成 两 种 : 得 到 联 赛 冠 军 和 没 有 得 到 联 赛 冠 军 在 这 个 极 粗 的 层 面 上, 我 们 只 具 体 关 心 有 否 获 得 冠 军, 别 的 一 概 不 理, 它 们 都 将 在 计 算 中 被 加 遍 但 是 我 们 也 可 以 继 续 精 确 下 去, 比 如 在 得 到 冠 军 这 个 分 支 上, 还 可 以 继 续 按 照 胜 率 再 区 分 成 夺 冠 并 且 胜 率 超 过 50% 和 夺 冠 但 胜 率 不 超 过 50% 两 个 分 支 类 似 地 我 们 可 以 一 直 分 下 去, 具 体 到 总 共 获 胜 了 几 场, 具 体 到 每 场 的 胜 负 一 直 具 体 到 每 场 的 详 细 比 分 为 止 当 然 在 现 实 中 我 们 仍 可 以 继 续 精 粒 化, 具 体 到 谁 进 了 球, 球 场 来 了 多 少 观 众, 其 中 多 少 人 穿 了 红 衣 服, 球 场 一 共 长 了 几 根 草 之 类 但 在 这 里 我 们 假 设, 一 场 球 最 详 细 的 信 息 就 是 具 体 的 比 分, 没 有 更 加 详 细 的 了 这 样 一 来, 我 们 的 历 史 树 分 到 具 体 的 比 分 就 无 法 再 继 续 分 下 去, 这 最 底 下 的 一 层 就 是 树 叶, 也 称 为 最 精 粒 历 史 (maximally fine-grained histories) 对 于 两 片 树 叶 来 讲, 它 们 通 常 是 互 相 相 干 的 我 们 无 法 明 确 地 区 分 1:0 获 胜 和 2:0 获 胜 这 两 种 历 史, 因 此 也 无 法 用 传 统 的 概 率 去 计 算 它 们 但 我 们 可 以 通 过 适 当 的 粗 粒 化 来 构 建 符 合 常 识 的 那 些 历 史, 比 如 我 们 可 以 区 分 胜, 平 和 负 这 三 大 类 历 史, 因 为 它 们 之 间 已 经 失 去 了 干 涉, 退 相 干 了 如 此 一 来, 我 们 就 可 以 用 传 统 的 经 典 概 率 来 计 算 这 些 历 史, 这 就 形 成 了 一 族 退 相 干 历 史 (a decoherent family of histories), 只 有 在 同 一 族 里, 我 们 才 能 运 用 通 常 的 理 性 逻 辑 来 处 理 它 们 之 间 的 概 率 关 系 有 的 时 候, 我 们 也 不 说 退 相 干, 而 把 它 叫 做 一 致 历 史 (consistent histories),dh 的 创 建 人 之 一 格 里 菲 斯 就 爱 用 这 个 词, 因 此 退 相 干 历 史 也 常 常 被 称 为 一 致 历 史 解 释, 更 加 通 俗 一 点, 也 可 以 称 为 多 历 史 (many histories) 理 论 一 般 来 说, 在 历 史 树 上 越 接 近 根 部 ( 往 上 ), 粗 粒 化 就 越 厉 害, 其 干 涉 也 就 越 小 当 然, 并 非 所 有 的 粗 粒 历 史 之 间 都 没 有 干 涉, 可 以 被 赋 予 传 统 概 率, 具 体 地 要 符 合 某 种 一 致 条 件 (consistency condition), 而 这 些 条 件 可 以 由 数 学 严 格 地 推 导 出 来

186 现 在 让 我 们 考 虑 薛 定 谔 猫 的 情 况 : 当 那 个 决 定 命 运 的 原 子 衰 变 时, 就 这 个 原 子 本 身 来 说, 它 的 确 经 历 着 衰 变 / 不 衰 变 两 种 可 能 的 精 粒 历 史 原 子 本 身 只 是 单 个 粒 子, 我 们 忽 略 的 东 西 并 不 多 但 一 旦 猫 被 拖 入 这 个 剧 情 之 中, 我 们 的 历 史 剧 本 换 成 了 猫 死 / 猫 活 两 种, 情 况 就 不 同 了! 无 论 是 猫 死 还 是 猫 活 都 是 非 常 模 糊 的 陈 述, 描 述 一 只 猫 具 体 要 用 到 10^27 个 粒 子, 当 我 们 说 猫 活 的 时 候, 我 们 忽 略 了 这 只 猫 与 外 界 的 一 切 作 用, 比 如 它 如 何 呼 吸, 如 何 与 外 界 进 行 物 质 和 能 量 交 换 等 等 就 算 是 猫 死, 它 身 上 的 n 个 粒 子 也 仍 然 要 和 外 界 发 生 相 互 作 用 换 句 话 说, 猫 活 和 猫 死 其 实 是 两 大 类 历 史 的 总 和, 就 像 胜 是 1:0, 2:0, 2:1 等 历 史 的 总 和 一 样 当 我 们 计 算 猫 死 和 猫 活 之 间 的 干 涉 时, 我 们 其 实 穷 尽 了 这 两 大 类 历 史 下 的 每 一 对 精 粒 历 史 之 间 的 干 涉, 而 它 们 绝 大 多 数 都 最 终 抵 消 掉 了 猫 死 和 猫 活 之 间 那 千 丝 万 缕 的 联 系 于 是 被 切 断, 它 们 退 相 干, 最 终 只 有 其 中 的 一 个 真 正 发 生! 如 果 从 密 度 矩 阵 的 角 度 来 看 问 题, 则 其 表 现 为 除 了 矩 阵 对 角 线 上 的 那 些 经 典 概 率 之 外, 别 的 干 涉 项 都 迅 速 消 减 为 0: 矩 阵 对 角 化 了! 而 这 里 面 既 没 有 自 发 的 随 机 定 域, 也 没 有 外 部 的 观 测 者, 更 没 有 看 不 见 的 隐 变 量! 如 果 DH 解 释 是 正 确 的, 那 么 我 们 每 时 每 刻 其 实 都 经 历 着 多 重 的 历 史, 世 界 上 的 每 一 个 粒 子, 事 实 上 都 处 在 所 有 可 能 历 史 的 叠 加 中! 但 一 旦 涉 及 到 宏 观 物 体, 我 们 所 能 够 观 察 和 描 述 的 则 无 非 是 一 些 粗 粒 化 的 历 史, 当 细 节 被 抹 去 时, 这 些 历 史 便 互 相 退 相 干, 永 久 地 失 去 了 联 系 比 方 说 如 果 最 终 猫 还 活 着, 那 么 猫 死 这 个 分 支 就 从 历 史 树 上 被 排 除 了, 按 照 奥 卡 姆 剃 刀, 我 们 不 妨 说 这 些 历 史 已 经 不 存 在 于 宇 宙 之 中 嗯, 虽 然 听 起 来 古 怪, 但 它 至 少 可 以 自 圆 其 说, 不 是 吗? 粗 粒 化 的 方 法 看 起 来 可 能 让 人 困 惑, 但 其 实 却 并 没 有 那 么 大 惊 小 怪, 我 们 事 实 上 经 常 有 意 无 意 地 用 到 这 些 办 法 比 如 在 中 学 里 我 们 计 算 地 球 和 太 阳 之 间 的 引 力, 我 们 把 两 个 星 球 粗 粒 化 为 两 个 质 点 实 际 上 地 球 和 太 阳 是 两 个 庞 大 的 球 体, 但 以 质 心 代 替 所 有 的 点, 而 忽 略 它 们 的 具 体 位 置 之 后, 我 们 实 际 上 已 经 不 知 不 觉 地 加 遍 了 两 个 球 体 内 部 每 一 对 质 点 之 间 的 吸 引 力 在 DH 解 释 中, 我 们 所 做 的 只 不 过 更 加 复 杂 一 点 罢 了 从 数 学 上 说,DH 是 定 义 得 很 好 的 一 个 理 论, 而 从 哲 学 的 雅 致 观 点 来 看, 其 支 持 者 也 颇 为 得 意 地 宣 称 它 是 一 种 假 设 最 少, 而 最 能 体 现 物 理 真 实 的 理 论 但 是,DH 的 日 子 也 并 不 像 宣 扬 的 那 样 好 过, 对 其 最 猛 烈 的 攻 击 来 自 我 们 在 上 一 章 提 到 过 的,GRW 理 论 的 创 立 者 之 一 GianCarlo Ghirardi 自 从 DH 理 论 创 立 以 来, 这 位 意 大 利 人 和 其 同 事 至 少 在 各 类 物 理 期 刊 上 发 表 了 5 篇 攻 击 退 相 干 历 史 解 释 的 论 文 Ghirardi 敏 锐 地 指 出,DH 解 释 并 不 比 传 统 的 哥 本 哈 根 解 释 好 到 哪 里 去! 正 如 我 们 已 经 为 大 家 所 描 述 过 的 那 样, 在 DH 解 释 的 框 架 内 我 们 定 义 了 一 系 列 的 粗 粒 的 历 史, 当 这 些 历 史 符 合 所 谓 的 一 致 条 件 时, 它 们 就 形 成 了 一 个 互 相 之 间 退 相 干 的 历 史 族 (family) 比 如 在 我 们 的 联 赛 中, 针 对 某 一 场 具 体 的 比 赛, 胜, 平, 负 就 是 一 个 合 法 的 历 史 族, 在 它 们 之 间 只 有 一 个 能 够 发 生, 因 为 它 们 互 相 之 间 都 已 经 几 乎 没 有 联 系 但 是, 在 数 学 上 利 用 同 样 的 手 法, 我 们 也 可 以 定 义 一 些 另 外 的 历 史 族, 它 们 同 样 合 法! 比 如 我 们 并 不 一 定 关 注 胜 负 关 系, 而 可 以 考 虑 另 外 的 方 面 比 如 进 球 数 现 在 我 们 进 行 另 一 种 粗 粒 化, 把 比 赛 结 果 区 分 为 没 有 进 球, 进 了 一 个 球, 进 了 两 个 球 以 及 进 了 两 个 以 上 的 球 从 数 学 上 看, 这 4 种 历 史 同 样 符 合 一 致 条 件, 它 们 构 成 了 另 一 个 完 好 的 退 相 干 历 史 族!

187 现 在, 当 我 们 观 测 了 一 场 比 赛, 所 得 到 的 结 果 就 取 决 于 所 选 择 的 历 史 族 对 于 同 一 场 比 赛, 我 们 可 能 观 测 到 胜, 但 换 一 个 角 度, 也 可 能 观 测 到 进 了 两 个 球 当 然, 它 们 之 间 并 不 矛 盾, 但 如 果 我 们 仔 细 地 考 虑 一 下, 在 现 实 中 真 正 发 生 了 什 么, 这 仍 然 叫 我 们 困 惑 当 我 们 观 测 到 胜 的 时 候, 我 们 假 设 在 其 属 下 所 有 的 精 粒 历 史 都 在 发 生, 比 如 1:0,2:1, 2:0,3:0 所 有 的 历 史 都 发 生 了, 只 不 过 我 们 观 测 不 到 具 体 的 精 细 结 果, 也 对 它 们 并 不 感 兴 趣 可 对 于 同 样 一 场 比 赛, 我 们 也 可 能 观 测 到 进 了 两 个 球, 这 时 候 我 们 的 假 设 其 实 是, 所 有 进 了 两 个 球 的 历 史 都 发 生 了 比 如 2:0,2:1,2:2,2:3 现 在 我 们 考 虑 某 种 特 定 的 精 粒 历 史, 比 如 说 1:0 这 样 一 个 历 史 虽 然 我 们 从 来 不 会 实 际 观 测 到 这 样 一 个 历 史, 但 这 并 不 妨 碍 我 们 去 问 :1:0 的 历 史 究 竟 发 生 了 没 有? 当 观 测 结 果 是 胜 的 时 候, 它 显 然 发 生 了 ; 而 当 观 测 结 果 是 进 了 两 个 球 的 时 候, 它 却 显 然 没 有 发 生! 可 是, 我 们 描 述 的 却 是 同 一 场 比 赛! DH 的 本 意 是 推 翻 教 科 书 上 的 哥 本 哈 根 解 释, 把 观 测 者 从 理 论 中 赶 出 去, 还 物 理 世 界 以 一 个 客 观 实 在 的 解 释 也 就 是 说, 所 有 的 物 理 属 性 都 是 超 越 于 你 我 的 观 察 之 外 独 立 存 在 的, 它 不 因 为 任 何 主 观 事 物 而 改 变 但 现 在 DH 似 乎 是 哑 巴 吃 黄 连 有 苦 说 不 出 1:0 的 历 史 究 竟 是 否 为 真 这 样 一 个 物 理 描 述, 看 来 的 确 要 取 决 于 历 史 族 的 选 择, 而 不 是 客 观 存 在 的! 这 似 乎 和 玻 尔 他 们 是 殊 途 同 归 : 宇 宙 中 没 有 纯 粹 的 客 观 的 物 理 属 性, 所 有 的 属 性 都 只 能 和 具 体 的 观 察 手 段 连 起 来 讲! 但 DH 的 支 持 者 辩 护 说, 任 何 理 性 的 逻 辑 推 理 (reasoning), 都 只 能 用 在 同 一 个 退 相 干 家 族 中, 而 不 能 跨 家 族 使 用 比 如 当 我 们 在 胜, 平, 负 这 样 一 族 历 史 中 得 到 了 1:0 的 精 粒 历 史 发 生 了 这 样 一 个 结 论 后, 我 们 绝 不 能 把 它 带 到 另 一 族 历 史 ( 比 如 没 进 球, 进 1 球, 进 2 球, 进 2 球 以 上 ) 中 去, 并 与 其 相 互 比 较 他 们 把 这 总 结 成 所 谓 的 同 族 原 则 (single family rule), 并 宣 称 这 是 量 子 论 中 最 重 要 的 原 则 这 一 点 先 放 在 一 边 不 论,DH 的 另 一 个 难 题 是, 在 理 论 中 实 际 上 存 在 着 种 类 繁 多 的 退 相 干 族, 而 我 们 在 现 实 中 观 察 到 的 却 只 有 一 个! 还 是 拿 我 们 的 量 子 联 赛 来 说, 就 单 单 一 场 比 赛 而 言, 我 们 在 前 面 定 义 了 一 个 退 相 干 族, 也 就 是 胜, 平, 负 这 一 族 中 包 含 了 3 大 种 粗 粒 历 史, 它 们 之 间 都 互 相 退 相 干 这 看 上 去 一 点 都 不 错, 但 问 题 是, 并 不 只 有 胜, 平, 负 这 样 的 分 法 是 可 能 的, 还 有 无 穷 种 其 他 的 分 法, 其 中 的 大 部 分 甚 至 是 千 奇 百 怪, 不 符 合 常 识 的, 但 理 论 并 没 有 解 释 我 们 为 何 观 测 到 的 不 是 这 些 另 外 的 分 类! 比 方 说, 我 们 从 理 论 上 定 义 3 种 历 史 : 又 胜 又 平, 又 胜 又 负, 又 平 又 负, 这 3 种 历 史 在 数 学 上 同 样 构 成 一 个 合 法 并 且 完 好 的 退 相 干 族 : 它 们 的 概 率 可 以 经 典 相 加, 你 无 论 观 测 到 其 中 的 哪 一 种, 就 无 法 再 观 测 到 另 外 的 两 种 但 显 然 在 实 际 中, 一 场 比 赛 不 可 能 又 胜 又 负, 那 么 DH 就 欠 我 们 一 个 解 释, 它 必 须 说 明 为 什 么 在 现 实 中 的 比 赛 是 分 成 胜, 平, 负 的, 而 不 是 又 胜 又 平 之 类, 虽 然 它 们 在 数 学 上 并 没 有 太 大 的 不 同! 在 这 个 问 题 上,DH 的 辩 护 者 也 许 会 说, 理 论 只 有 义 务 解 释 现 实 的 运 作, 而 没 有 义 务 解 释 现 实 的 存 在! 我 们 是 从 现 实 出 发 去 建 立 理 论, 而 不 是 从 理 论 出 发 去 建 立 现 实! 好 比 说 1 头 牛 加 1 头 牛 等 于 2 头 牛 和 1 头 斯 芬 克 斯 加 1 头 斯 芬 克 斯 等 于 2 头 斯 芬 克 斯 在 数 学 上 都 是 成 立 的, 但 数 学 没 有 义 务 解 释 为 什 么 在 现 实 世 界 中, 实 际 可 供 我 们 相 加 的 只 有 牛, 而 没 有 斯

188 芬 克 斯 这 样 的 怪 兽 在 这 一 点 上 实 证 主 义 者 和 柏 拉 图 主 义 者 往 往 会 产 生 尖 锐 的 冲 突, 一 个 突 出 的 例 子 是 我 们 在 后 面 将 会 略 微 讨 论 到 的 超 弦 理 论 弦 论 用 10 个 维 度 来 解 释 我 们 的 世 界, 其 中 6 个 维 度 是 蜷 缩 的, 但 它 没 有 说 明 为 什 么 是 6 个 维 度 蜷 缩, 而 不 是 5 个 或 者 8 个 维 度, 这 使 它 受 到 了 一 些 尖 锐 的 诘 问 但 实 证 主 义 者 常 常 会 对 这 样 的 穷 追 猛 打 感 到 奇 怪 : 因 为 只 有 假 设 6 个 维 度 蜷 缩 才 能 解 释 我 们 观 测 到 的 现 实 世 界 ( 现 实 世 界 是 4 维 的 ), 这 就 够 了 嘛, 这 不 就 是 所 有 的 理 由 吗? 哪 还 来 的 那 么 多 刨 根 问 底 呢? 不 过 DH 的 支 持 者 如 果 护 定 这 样 一 种 实 证 主 义 立 场 的 话, 他 们 也 许 暂 时 忽 略 了 建 立 这 个 理 论 的 初 衷, 也 就 是 摆 脱 玻 尔 和 海 森 堡 的 哥 本 哈 根 解 释 那 可 是 最 彻 底 的 实 证 主 义! 不 管 怎 么 说, 在 这 上 面 DH 的 态 度 是 有 些 尴 尬 的, 而 有 关 量 子 力 学 的 大 辩 论 也 仍 在 进 行 之 中, 我 们 仍 然 无 法 确 定 究 竟 谁 的 看 法 是 真 正 正 确 的 量 子 魔 术 在 困 扰 了 我 们 超 过 100 年 之 后, 仍 然 拒 绝 把 它 最 深 刻 的 秘 密 展 示 在 世 人 面 前 也 许, 这 一 秘 密, 将 终 究 成 为 永 久 的 谜 题 饭 后 闲 话 : 时 间 之 矢 我 们 生 活 在 一 个 4 维 的 世 界 中, 其 中 3 维 是 空 间,1 维 是 时 间 时 间 是 一 个 很 奇 妙 的 东 西, 它 似 乎 和 另 3 维 空 间 有 着 非 常 大 的 不 同, 最 关 键 的 一 点 是, 它 似 乎 是 有 方 向 性 的! 拿 空 间 来 说, 各 个 方 向 没 有 什 么 区 别, 你 可 以 朝 左 走, 也 可 以 向 右 走, 但 在 时 间 上, 你 只 能 从 过 去 向 未 来 移 动, 而 无 法 反 过 来! 虽 然 有 太 多 的 科 幻 故 事 讲 述 人 们 如 何 回 到 过 去, 但 在 现 实 中, 这 从 来 也 没 有 发 生 过, 而 且 很 可 能 永 远 不 会 发 生! 这 样 猜 测 的 理 由 还 是 基 于 某 种 类 似 人 择 原 理 的 东 西 : 假 如 理 论 上 可 以 回 到 过 去, 那 么 虽 然 我 们 不 行, 未 来 的 人 却 可 以, 但 从 未 见 到 他 们 回 来 我 们 这 个 时 代 所 以 很 有 可 能 的 是, 未 来 任 何 时 代 的 人 们 都 无 法 做 到 让 时 钟 反 方 向 转 动, 它 是 理 论 上 无 法 做 到 的! 这 看 起 来 很 正 常, 无 法 逆 着 时 间 箭 头 运 动, 这 似 乎 天 经 地 义 但 在 物 理 上, 这 却 是 令 人 困 惑 的, 因 为 在 理 论 中, 似 乎 没 有 什 么 特 征 可 以 显 示 出 时 间 有 一 个 特 别 的 方 向 不 论 是 牛 顿 还 是 爱 因 斯 坦 的 理 论, 它 们 都 是 时 间 对 称 的! 中 学 老 师 告 诉 你 t0 时 刻 的 状 态, 你 就 可 以 向 未 来 前 进, 推 出 tn 时 刻, 但 也 可 以 反 过 来 向 过 去 前 进, 推 出 -tn 时 刻 理 论 没 有 告 诉 我 们 为 什 么 时 间 只 能 向 tn 移 动, 而 不 可 以 反 过 来 向 -tn 移 动! 事 实 上, 在 基 本 层 面 上, 不 管 时 间 是 正 着 走 还 是 倒 着 走, 它 都 是 符 合 物 理 定 律 的! 但 是, 一 旦 脱 离 基 本 层 面, 上 升 到 一 个 比 较 高 的 层 次, 时 间 之 矢 却 神 秘 地 出 现 了 : 假 如 我 们 不 考 虑 单 个 粒 子, 而 考 虑 许 多 粒 子 的 组 合, 我 们 就 发 现 一 个 强 烈 的 方 向 比 如 我 们 本 身 只 能 逐 渐 变 老, 而 无 法 越 来 越 年 轻, 杯 子 会 打 碎, 但 绝 不 会 自 动 粘 贴 在 一 起 这 些 可 以 概 括 为 一 个 非 常 强 大 的 定 律, 即 著 名 的 热 力 学 第 二 定 律, 它 说, 一 个 孤 立 体 系 的 混 乱 程 度 总 是 不 断 增 加 的, 它 的 量 度 称 为 熵 换 句 话 说, 熵 总 是 在 变 大, 时 间 的 箭 头 指 向 熵 变 大 的 那 个 方 向! 现 在 我 们 考 察 量 子 论 在 本 节 我 们 讨 论 了 DH 解 释, 所 有 的 历 史 都 是 定 义 得 很 好 的, 不 管 你 什 么 时 候 去 测 量, 这 些 历 史 从 过 去 到 未 来 都 已 经 在 那 里 存 在 我 们 可 以 问, 当 观 测 了 t0 时 刻 后, 历 史 们 将 会 如 何 退 相 干, 但 同 样 合 法 的 是, 我 们 也 可 以 观 测 tn 时 刻, 看 之 前 的 那 些 时 刻 如 何 退 相 干 实 际 上, 当 我 们 用 路 径 积 分 把 时 间 加 遍 的 时 候, 我 们 仍 然 没 有 考 虑 过 时 间 的 方 向 问 题, 它 在 两 个 方 向 上 都 是 没 有 区 别 的! 再 说, 如 果 考 察 量 子 论 的 基 本 数 学 形 式, 那 么 薛 定 谔 方 程 本 身 也 仍 然 是 时 间 对 称 的, 唯 一 引 起 不 对 称 的 是 哥 本 哈 根 所 谓 的 坍 缩, 难 道 时 间 的 流 逝, 其 实 等 价 于 波 函 数 不 停 的 坍 缩? 然 而 DH 是 不 承 认 这 种 坍 缩 的, 或 许, 我 们 应 当 考 虑 的 是 历 史 树 的 裁 剪? 盖 尔 曼 和 哈 特 等 人 也 试 图 从 DH 中 建 立

189 起 一 个 自 发 的 时 间 箭 头 来, 并 将 它 运 用 到 量 子 宇 宙 学 中 去 我 们 先 不 去 管 DH, 如 果 仔 细 考 虑 坍 缩, 还 会 出 现 一 个 奇 怪 现 象 : 假 如 我 们 一 直 观 察 系 统, 那 么 它 的 波 函 数 必 然 总 是 在 坍 缩, 薛 定 谔 波 函 数 从 来 就 没 有 机 会 去 发 展 和 演 化 这 样, 它 必 定 一 直 停 留 在 初 始 状 态, 看 上 去 的 效 果 相 当 于 时 间 停 滞 了 也 就 是 说, 只 要 我 们 不 停 地 观 察, 波 函 数 就 不 演 化, 时 间 就 会 不 动! 这 个 佯 谬 叫 做 量 子 芝 诺 效 应 (quantum Zeno effect), 我 们 在 前 面 已 经 讨 论 过 了 芝 诺 的 一 个 悖 论, 也 就 是 阿 喀 琉 斯 追 乌 龟, 他 另 有 一 个 悖 论 是 说, 一 支 在 空 中 飞 行 的 箭, 其 实 是 不 动 的 为 什 么 呢? 因 为 在 每 一 个 瞬 间, 我 们 拍 一 张 snapshot, 那 么 这 支 箭 在 那 一 刻 必 定 是 不 动 的, 所 以 一 支 飞 行 的 箭, 它 等 于 千 千 万 万 个 不 动 的 组 合 问 题 是, 每 一 个 瞬 间 它 都 不 动, 连 起 来 怎 么 可 能 变 成 动 呢? 所 以 飞 行 的 箭 必 定 是 不 动 的! 在 我 们 的 实 验 里 也 是 一 样, 每 一 刻 波 函 数 ( 因 为 观 察 ) 都 不 发 展, 那 么 连 在 一 起 它 怎 么 可 能 发 展 呢? 所 以 它 必 定 永 不 发 展! 从 哲 学 角 度 来 说 我 们 可 以 对 芝 诺 进 行 精 彩 的 分 析, 比 如 恩 格 斯 漂 亮 地 反 驳 说, 每 一 刻 的 箭 都 处 在 不 动 与 动 的 矛 盾 中, 而 真 实 的 运 动 恰 好 是 这 种 矛 盾 本 身! 不 过 我 们 不 在 意 哲 学 探 讨, 只 在 乎 实 验 证 据 已 经 有 相 当 多 的 实 验 证 实, 当 观 测 频 繁 到 一 定 程 度 时, 量 子 体 系 的 确 表 现 出 芝 诺 效 应 这 是 不 是 说, 如 果 我 们 一 直 盯 着 薛 定 谔 的 猫 看, 则 它 永 远 也 不 会 死 去 呢? 时 间 的 方 向 是 一 个 饶 有 趣 味 的 话 题, 它 很 可 能 牵 涉 到 深 刻 的 物 理 定 律, 比 如 对 称 性 破 缺 的 问 题 在 极 早 期 宇 宙 的 研 究 中, 为 了 彻 底 弄 明 白 时 间 之 矢 如 何 产 生, 我 们 也 迫 切 需 要 一 个 好 的 量 子 引 力 理 论, 在 后 面 我 们 会 更 详 细 地 讲 到 这 一 点 我 们 只 能 向 着 未 来, 而 不 是 过 去 前 进, 这 的 确 是 我 们 神 奇 的 宇 宙 最 不 可 思 议 的 方 面 之 一 第 十 二 章 新 探 险 三 好 了 各 位, 到 此 为 止, 我 们 在 量 子 世 界 的 旅 途 已 经 接 近 尾 声 我 们 已 经 浏 览 了 绝 大 多 数 重 要 的 风 景 点, 探 索 了 大 部 分 先 人 走 过 的 道 路 但 是, 正 如 我 们 已 经 强 烈 地 感 受 到 的 那 样, 对 于 每 一 条 道 路 来 说, 虽 然 一 路 上 都 是 峰 回 路 转, 奇 境 叠 出, 但 越 到 后 来 却 都 变 得 那 样 地 崎 岖 不 平, 难 以 前 进 虽 说 入 之 愈 深, 其 进 愈 难, 而 其 见 愈 奇, 但 精 神 和 体 力 上 的 巨 大 疲 惫 到 底 打 击 了 我 们 的 信 心, 阻 止 了 我 们 在 任 何 一 条 道 上 顽 强 地 冲 向 终 点 当 一 次 又 一 次 地 从 不 同 的 道 路 上 徒 劳 而 返 之 后, 我 们 突 然 发 现, 自 己 已 经 处 在 一 个 巨 大 的 迷 宫 中 央 在 我 们 的 身 边, 曲 折 的 道 路 如 同 蛛 网 一 般 地 辐 射 开 来, 每 一 条 都 通 向 一 个 幽 深 的 不 可 捉 摸 的 未 来 我 已 经 带 领 大 家 去 探 讨 了 哥 本 哈 根 多 宇 宙 隐 变 量 系 综 GRW 退 相 干 历 史 等 6 条 道 路, 但 要 告 诉 各 位 的 是, 仍 然 还 有 非 常 多 的 偏 僻 的 小 道, 我 们 并 没 有 提 及 比 如 有 人 认 为 当 进 行 了 一 次 观 测 之 后, 宇 宙 没 有 分 裂, 只 有 我 们 大 脑 的 状 态 ( 或 者 说 精 神 ) 分 裂 了! 这 称 为 多 精 神 解 释 (many-minds intepretation), 它 名 副 其 实 地 算 得 上 一 种 精 神 分 裂 症! 还 有 人 认 为, 在 量 子 层 面 上 我 们 必 须 放 弃 通 常 的 逻 辑 ( 布 尔 逻 辑 ), 而 改 用 一 种 量 子 逻 辑 来 陈 述! 另 一 些 人 不 那 么 激 烈, 他 们 觉 得 不 必 放 弃 通 常 的 逻 辑, 但 是 通 常 的 概 率 概 念 则 必 须 修 改, 我 们 必 须 引 入 复 的 概 率, 也 就 是 说 概 率 并 不 是 通 常 的 0 到 1, 而 是 必 须 描 述 为 复 数! 华 盛 顿 大 学 的 物 理 学 家 克 拉 默 (John G Cramer) 建 立 了 一 种 非 定 域 的 交 易 模 型 (The transactional model), 而 他 在 牛 津 的 同 行 彭 罗 斯 则 认 为 波 函 数 的 缩 减 和 引 力 有 关 彭 罗 斯 宣 称 只 要 空 间 的 曲 率 大 于 一 个 引 力 子 的 尺 度, 量 子 线 性 叠 加 规 则 就 将 失 效, 这 里 面 还 牵 涉 到 量 子 引 力 的 复 杂 情 况 诸 如 物 质 在 跌 入 黑 洞 时 如 何 损 失 了 信 息 等 等, 诸 如 此

190 类 即 便 是 我 们 已 经 描 述 过 的 那 些 解 释, 我 们 的 史 话 所 做 的 也 只 是 挂 一 漏 万, 只 能 给 各 位 提 供 一 点 最 基 本 的 概 念 事 实 上, 每 一 种 解 释 都 已 经 衍 生 出 无 数 个 变 种, 它 们 打 着 各 自 的 旗 号, 都 在 不 遗 余 力 地 向 世 人 推 销 自 己, 这 已 经 把 我 们 搞 得 头 晕 脑 胀, 不 知 所 措 了 现 在, 我 们 就 像 是 被 困 在 克 里 特 岛 迷 宫 中 的 那 位 忒 修 斯 (Theseus), 还 在 茫 然 而 不 停 地 摸 索, 苦 苦 等 待 着 阿 里 阿 德 涅 (Ariadne) 我 们 那 位 可 爱 的 女 郎 把 那 个 指 引 方 向, 命 运 攸 关 的 线 团 扔 到 我 们 手 中 1997 年, 在 马 里 兰 大 学 巴 尔 的 摩 郡 分 校 (UMBC) 召 开 了 一 次 关 于 量 子 力 学 的 研 讨 会 有 人 在 与 会 者 中 间 做 了 一 次 问 卷 调 查, 统 计 究 竟 他 们 相 信 哪 一 种 关 于 量 子 论 的 解 释 结 果 是 这 样 的 : 哥 本 哈 根 解 释 13 票, 多 宇 宙 8 票, 玻 姆 的 隐 变 量 4 票, 退 相 干 历 史 4 票, 自 发 定 域 理 论 ( 如 GRW)1 票, 还 有 18 票 都 是 说 还 没 有 想 好, 或 者 是 相 信 上 述 之 外 的 某 种 解 释 到 了 1999 年, 在 剑 桥 牛 顿 研 究 所 举 行 的 一 次 量 子 计 算 会 议 上, 又 作 了 一 次 类 似 的 调 查, 这 次 哥 本 哈 根 4 票, 修 订 过 的 运 动 学 理 论 ( 它 们 对 薛 定 谔 方 程 进 行 修 正, 比 如 GRW)4 票, 玻 姆 2 票, 而 多 世 界 (MWI) 和 多 历 史 (DH) 加 起 来 ( 它 们 都 属 于 那 种 认 为 没 有 坍 缩 存 在 的 理 论 ) 得 到 了 令 人 惊 奇 的 30 票 但 更 加 令 人 惊 奇 的 是, 竟 然 有 50 票 之 多 承 认 自 己 尚 无 法 作 出 抉 择 在 宇 宙 学 家 和 量 子 引 力 专 家 中,MWI 受 欢 迎 的 程 度 要 高 一 些, 据 统 计 有 58% 的 人 认 为 多 世 界 是 正 确 的 理 论, 而 只 有 18% 明 确 地 认 为 它 不 正 确 但 其 实 许 多 人 对 于 各 种 解 释 究 竟 说 了 什 么 是 搞 不 太 清 楚 的, 比 如 人 们 往 往 弄 不 明 白 多 世 界 和 多 历 史 到 底 差 别 在 哪 里, 或 许, 它 们 本 来 就 没 有 明 确 的 分 界 线 就 算 是 相 信 哥 本 哈 根 的 人, 他 们 互 相 之 间 也 会 发 生 严 重 的 分 歧, 甚 至 关 于 它 到 底 是 不 是 一 个 决 定 论 的 解 释 也 会 造 成 争 吵 量 子 论 仍 然 处 在 一 个 战 国 纷 争 的 时 代, 玻 尔, 海 森 堡, 爱 因 斯 坦, 薛 定 谔 他 们 的 背 影 虽 然 已 经 离 我 们 远 去, 但 他 们 当 年 曾 战 斗 过 的 这 片 战 场 上 仍 然 硝 烟 弥 漫, 他 们 不 同 的 信 念 仍 然 支 撑 着 新 一 代 的 物 理 学 家, 激 励 着 人 们 为 了 那 个 神 圣 的 目 标 而 继 续 奋 战 想 想 也 真 是 讽 刺, 量 子 力 学 作 为 20 世 纪 物 理 史 上 最 重 要 的 成 就 之 一, 到 今 天 为 止 它 的 基 本 数 学 形 式 已 经 被 创 立 了 将 近 整 整 80 年 它 在 每 一 个 领 域 内 都 取 得 了 巨 大 的 成 功, 以 致 和 相 对 论 一 起 成 为 了 支 撑 物 理 学 的 两 大 支 柱 80 年! 任 何 一 种 事 物 如 果 经 历 了 这 样 一 段 漫 长 时 间 的 考 验 后 仍 然 屹 立 不 倒, 这 已 经 足 够 把 它 变 成 不 朽 的 经 典 岁 月 将 把 它 磨 砺 成 一 个 完 美 的 成 熟 的 体 系, 留 给 人 们 的 只 剩 下 深 深 的 崇 敬 和 无 限 的 唏 嘘, 慨 叹 自 己 为 何 不 能 生 于 乱 世, 提 三 尺 剑 立 不 世 功 名, 参 予 到 这 个 伟 大 工 作 中 去 但 量 子 论 是 如 此 地 与 众 不 同, 即 使 在 它 被 创 立 了 80 年 之 后, 它 仍 然 没 有 被 最 后 完 成! 人 们 仍 在 为 了 它 而 争 吵 不 休, 为 如 何 解 释 它 而 闹 得 焦 头 烂 额, 这 在 物 理 史 上 可 是 前 所 未 有 的 事 情! 想 想 牛 顿 力 学, 想 想 相 对 论, 从 来 没 有 人 为 了 如 何 解 释 它 们 而 操 心 过, 对 比 之 下, 这 更 加 凸 现 出 量 子 论 那 独 一 无 二 的 神 秘 气 质 人 们 的 确 有 理 由 感 到 奇 怪, 为 什 么 在 如 此 漫 长 的 岁 月 过 去 之 后, 我 们 不 但 没 有 对 量 子 论 了 解 得 更 清 楚, 反 而 越 来 越 感 觉 到 它 的 奇 特 和 不 可 思 议 最 杰 出 的 量 子 论 专 家 们 各 执 一 词, 人 人 都 声 称 只 有 他 的 理 解 才 是 正 确 的, 而 别 人 都 错 了 量 子 谜 题 已 经 成 为 物 理 学 中 一 个 最 神 秘 和 不 可 捉 摸 的 部 位,Zeilinger 有 一 次 说 : 我 做 实 验 的 唯 一 目 的, 就 是 给 别 的 物 理 学 家 看 看, 量 子 论 究 竟 有 多 奇 怪 到 目 前 为 止, 我 们 手 里 已 经 攥 下 了 超 过 一 打 的 所 谓 解 释, 而 且 它 的 数 目 仍 然 有 望 不 断 地 增 加 很 明 显, 在 这 些 花 样 繁 多 的 提 议 中 间, 除 了 一 种 以 外, 绝 大 多 数 都 是 错 误 的 甚 至 很 可 能, 到 目 前 为 止 所 有 的 解 释 都 是 错 误 的, 但 这 却 并 没 有 妨 碍 物 理 学 家 们 把 它 们 创 造 出 来! 我 们 只 能 说, 物 理 学 家 的 想 象 力 和 创 造 力 是 非 凡 的, 但 这 也 引 起 了 我 们 深 深 的 忧 虑 : 到 底 在 多 大 程 度 上, 物 理 理 论 如 同 人 们 所 骄 傲 地 宣 称 的 那 样, 是 对 于 大 自 然

191 的 深 刻 发 现, 而 不 属 于 物 理 学 家 们 杰 出 的 智 力 发 明? 但 从 另 外 一 方 面 看, 我 们 对 于 量 子 论 本 身 的 确 是 没 有 什 么 好 挑 剔 的 它 的 成 功 是 如 此 巨 大, 以 致 于 我 们 除 了 咋 舌 之 外, 根 本 就 来 不 及 对 它 的 奇 特 之 处 有 过 多 的 评 头 论 足 从 它 被 创 立 之 初, 它 就 挟 着 雷 霆 万 钧 的 力 量 横 扫 整 个 物 理 学, 把 每 个 角 落 都 塑 造 得 焕 然 一 新 或 许 就 像 狄 更 斯 说 的 那 样, 这 是 最 坏 的 时 代, 但 也 是 最 好 的 时 代 量 子 论 的 基 本 形 式 只 是 一 个 大 的 框 架, 它 描 述 了 单 个 粒 子 如 何 运 动 但 要 描 述 在 高 能 情 况 下, 多 粒 子 之 间 的 相 互 作 用 时, 我 们 就 必 定 要 涉 及 到 场 的 作 用, 这 就 需 要 如 同 当 年 普 朗 克 把 能 量 成 功 地 量 子 化 一 样, 把 麦 克 斯 韦 的 电 磁 场 也 进 行 大 刀 阔 斧 的 量 子 化 建 立 量 子 场 论 (quantum field theory) 这 个 过 程 是 一 个 同 样 令 人 激 动 的 宏 伟 故 事, 如 果 铺 展 开 来 叙 述, 势 必 又 是 一 篇 规 模 庞 大 的 史 话, 因 此 我 们 只 是 在 这 里 极 简 单 地 作 一 些 描 述 这 一 工 作 由 狄 拉 克 开 始, 经 由 约 尔 当 海 森 堡 泡 利 和 维 格 纳 的 发 展, 很 快 人 们 就 认 识 到 : 原 来 所 有 粒 子 都 是 弥 漫 在 空 间 中 的 某 种 场, 这 些 场 有 着 不 同 的 能 量 形 态, 而 当 能 量 最 低 时, 这 就 是 我 们 通 常 说 的 真 空 因 此 真 空 其 实 只 不 过 是 粒 子 的 一 种 不 同 形 态 ( 基 态 ) 而 已, 任 何 粒 子 都 可 以 从 中 被 创 造 出 来, 也 可 以 互 相 湮 灭 狄 拉 克 的 方 程 预 言 了 所 谓 的 反 物 质 的 存 在, 任 何 受 过 足 够 科 普 熏 陶 的 读 者 对 此 都 应 该 耳 熟 能 详 : 比 如 一 个 正 常 的 氢 原 子 由 带 正 电 的 质 子 和 带 负 电 的 电 子 组 成, 但 在 一 个 反 氢 原 子 中, 质 子 却 带 着 负 电, 而 电 子 带 着 正 电! 当 一 个 原 子 和 一 个 反 原 子 相 遇, 它 们 就 轰 隆 一 声 放 出 大 量 的 能 量 辐 射, 然 后 双 方 同 时 消 失 得 无 影 无 踪, 其 关 系 就 符 合 20 世 纪 最 有 名 的 那 个 物 理 方 程 :E=mc^2! 最 早 的 反 电 子 由 加 州 理 工 的 安 德 森 (Carl Anderson) 于 1932 年 在 研 究 宇 宙 射 线 的 时 候 发 现 它 的 意 义 是 如 此 重 要, 以 致 于 仅 仅 过 了 4 年, 诺 贝 尔 奖 评 委 会 就 罕 见 地 授 予 他 这 一 科 学 界 的 最 高 荣 誉 但 是, 虽 然 关 于 辐 射 场 的 量 子 化 理 论 在 某 些 问 题 上 是 成 功 的, 但 麻 烦 很 快 就 到 来 了 1947 年, 在 物 理 评 论 上 刊 登 了 有 关 兰 姆 移 位 和 电 子 磁 矩 的 实 验 结 果, 这 和 现 有 的 理 论 发 生 了 微 小 的 偏 差, 于 是 人 们 决 定 利 用 微 扰 办 法 来 重 新 计 算 准 确 的 值 但 是, 算 来 算 去, 人 们 惊 奇 地 发 现, 当 他 们 想 尽 可 能 地 追 求 准 确, 而 加 入 所 有 的 微 扰 项 之 后, 最 后 的 结 果 却 适 得 其 反, 它 总 是 发 散 为 无 穷 大! 这 可 真 是 让 人 沮 丧 的 结 果, 理 论 算 出 了 无 穷 大, 总 归 是 一 件 荒 谬 的 事 情 为 了 消 除 这 个 无 穷 大, 无 数 的 物 理 学 家 们 进 行 了 艰 苦 卓 绝, 不 屈 不 挠 的 斗 争 这 个 阴 影 是 如 此 难 以 驱 散, 如 附 骨 之 蛆 一 般 地 叫 人 头 痛, 以 至 于 在 一 段 时 间 里 把 物 理 学 变 成 了 一 个 让 人 无 比 厌 憎 的 学 科 最 后 的 解 决 方 案 是 日 本 物 理 学 家 朝 永 振 一 郎 美 国 人 施 温 格 (Julian S Schwiger) 和 戴 森 (Freeman Dyson), 还 有 那 位 传 奇 的 费 因 曼 所 分 别 独 立 完 成 的, 被 称 为 重 正 化 (renormalization) 方 法, 具 体 的 技 术 细 节 我 们 就 不 用 理 会 了 虽 然 认 为 重 正 化 牵 强 而 不 令 人 信 服 的 科 学 家 大 有 人 在, 但 是 采 用 这 种 手 段 把 无 穷 大 从 理 论 中 赶 走 之 后, 剩 下 的 结 果 其 准 确 程 度 令 人 吃 惊 得 瞠 目 结 舌 : 处 理 电 子 的 量 子 电 动 力 学 (QED) 在 经 过 重 正 化 的 修 正 之 后, 在 电 子 磁 距 的 计 算 中 竟 然 一 直 与 实 验 值 符 合 到 小 数 点 之 后 第 11 位! 亘 古 以 来 都 没 有 哪 个 理 论 能 够 做 到 这 样 教 人 咋 舌 的 事 情 实 际 上, 量 子 电 动 力 学 常 常 被 称 作 人 类 有 史 以 来 最 为 精 确 的 物 理 理 论, 如 果 不 是 实 验 值 经 过 反 复 测 算, 这 样 高 精 度 的 数 据 实 在 是 让 人 怀 疑 是 不 是 存 心 伪 造 的 但 巨 大 的 胜 利 使 得 一

192 切 怀 疑 都 最 终 迎 刃 而 解,QED 也 最 终 作 为 量 子 场 论 一 个 最 为 悠 久 和 成 功 的 分 支 而 为 人 们 熟 知 虽 然 最 近 彭 罗 斯 声 称 说, 由 于 对 赫 尔 斯 - 泰 勒 脉 冲 星 系 统 的 观 测 已 经 积 累 起 了 如 此 确 凿 的 关 于 引 力 波 存 在 的 证 明, 这 实 际 上 使 得 广 义 相 对 论 的 精 确 度 已 经 和 实 验 吻 合 到 10 的 负 14 次 方, 因 此 超 越 了 QED( 赫 尔 斯 和 泰 勒 获 得 了 1993 年 诺 贝 尔 物 理 奖 ) 但 无 论 如 何, 量 子 场 论 的 成 功 是 无 人 可 以 否 认 的 朝 永 振 一 郎, 施 温 格 和 费 因 曼 也 分 享 了 1965 年 的 诺 贝 尔 物 理 奖 抛 开 量 子 场 论 的 胜 利 不 谈, 量 子 论 在 物 理 界 的 几 乎 每 一 个 角 落 都 激 起 激 动 人 心 的 浪 花, 引 发 一 连 串 美 丽 的 涟 漪 它 深 入 固 体 物 理 之 中, 使 我 们 对 于 固 体 机 械 和 热 性 质 的 认 识 产 生 了 翻 天 覆 地 的 变 化, 更 打 开 了 通 向 凝 聚 态 物 理 这 一 崭 新 世 界 的 大 门 在 它 的 指 引 下, 我 们 才 真 正 认 识 了 电 流 的 传 导, 使 得 对 于 半 导 体 的 研 究 成 为 可 能, 而 最 终 带 领 我 们 走 向 微 电 子 学 的 建 立 它 驾 临 分 子 物 理 领 域, 成 功 地 解 释 了 化 学 键 和 轨 道 杂 化, 从 而 开 创 了 量 子 化 学 学 科 如 今 我 们 关 于 化 学 的 几 乎 一 切 知 识, 都 建 立 在 这 个 基 础 之 上 而 材 料 科 学 在 插 上 了 量 子 论 的 双 翼 之 后, 才 真 正 展 翅 飞 翔 起 来, 开 始 深 刻 地 影 响 社 会 的 方 方 面 面 在 量 子 论 的 指 引 之 下, 我 们 认 识 了 超 导 和 超 流, 我 们 掌 握 了 激 光 技 术, 我 们 造 出 了 晶 体 管 和 集 成 电 路, 为 一 整 个 新 时 代 的 来 临 真 正 做 好 了 准 备 量 子 论 让 我 们 得 以 一 探 原 子 内 部 那 最 为 精 细 的 奥 秘, 我 们 不 但 更 加 深 刻 地 理 解 了 电 子 和 原 子 核 之 间 的 作 用 和 关 系, 还 进 一 步 拆 开 原 子 核, 领 略 到 了 大 自 然 那 更 为 令 人 惊 叹 的 神 奇 在 浩 瀚 的 星 空 之 中, 我 们 必 须 借 助 量 子 论 才 能 把 握 恒 星 的 命 运 会 何 去 何 从 : 当 它 们 的 燃 料 耗 尽 之 后, 它 们 会 不 可 避 免 地 向 内 坍 缩, 这 时 支 撑 起 它 们 最 后 骨 架 的 就 是 源 自 泡 利 不 相 容 原 理 的 一 种 简 并 压 力 当 电 子 简 并 压 力 足 够 抵 挡 坍 缩 时, 恒 星 就 演 化 为 白 矮 星 要 是 电 子 被 征 服, 而 要 靠 中 子 出 来 抵 抗 时, 恒 星 就 变 为 中 子 星 最 后, 如 果 一 切 防 线 都 被 突 破, 那 么 它 就 不 可 避 免 地 坍 缩 成 一 个 黑 洞 但 即 使 黑 洞 也 不 是 完 全 黑 的, 如 果 充 分 考 虑 量 子 不 确 定 因 素 的 影 响, 黑 洞 其 实 也 会 产 生 辐 射 而 逐 渐 消 失, 这 就 是 以 其 鼎 鼎 大 名 的 发 现 者 史 蒂 芬 霍 金 而 命 名 的 霍 金 蒸 发 过 程 当 物 质 落 入 黑 洞 的 时 候, 它 所 包 含 的 信 息 被 完 全 吞 噬 了 因 为 按 照 定 义, 没 什 么 能 再 从 黑 洞 中 逃 出 来, 所 以 这 些 信 息 其 实 是 永 久 地 丧 失 了 这 样 一 来, 我 们 的 决 定 论 再 一 次 遭 到 毁 灭 性 的 打 击 : 现 在, 即 使 是 预 测 概 率 的 薛 定 谔 波 函 数 本 身, 我 们 都 无 法 确 定 地 预 测! 因 为 宇 宙 波 函 数 需 要 掌 握 所 有 物 质 的 信 息, 而 这 些 信 息 却 不 断 地 被 黑 洞 所 吞 没 霍 金 对 此 说 了 一 句 同 样 有 名 的 话 : 上 帝 不 但 掷 骰 子, 他 还 把 骰 子 掷 到 我 们 看 不 见 的 地 方 去! 这 个 看 不 见 的 地 方 就 是 黑 洞 奇 点 不 过 由 于 蒸 发 过 程 的 发 现, 黑 洞 是 否 在 蒸 发 后 又 把 这 些 信 息 重 新 吐 出 来 呢? 在 这 点 上 人 们 依 旧 争 论 不 休, 它 关 系 到 我 们 的 宇 宙 和 骰 子 之 间 那 深 刻 的 内 在 关 系 最 后, 很 有 可 能, 我 们 对 于 宇 宙 终 极 命 运 的 理 解 也 离 不 开 量 子 论 大 爆 炸 的 最 初 发 生 了 什 么? 是 否 存 在 奇 点? 在 奇 点 处 物 理 定 律 是 否 失 效? 因 为 在 宇 宙 极 早 期, 引 力 场 是 如 此 之 强, 以 致 量 子 效 应 不 能 忽 略, 我 们 必 须 采 取 有 效 的 量 子 引 力 方 法 来 处 理 在 采 用 了 费 因 曼 的 路 径 积 分 手 段 之 后, 哈 特 尔 ( 就 是 提 出 DH 的 那 个 ) 和 霍 金 提 出 了 著 名 的 无 边 界 假 设 : 宇 宙 的 起 点 并 没 有 一 个 明 确 的 边 界, 时 间 并 不 是 一 条 从 一 点 开 始 的 射 线, 相 反, 它 是 复 数 的! 时 间 就 像 我 们 地 球 的 表 面, 并 没 有 一 个 地 方 可 以 称 之 为 起 点 为 了 更 好 地 理 解 这 些 问 题, 我 们 迫 切 地 需 要 全 新 的 量 子 宇 宙 学, 需 要 量 子 论 和 相 对 论 进 一 步 强 强 联 手, 在 史 话 的 后 面 我 们 还 会 讲 到 这 个 事 情 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

193 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 www 服 务, 更 没 有 划 时 代 的 网 络 革 命, 各 位 也 就 很 可 能 看 不 到 我 们 的 史 话, 呵 呵 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 等 等 它 应 该 被 授 予 量 子 力 学 及 其 相 关 理 论 的 创 立 和 发 展 量 子 论 深 入 我 们 生 活 的 每 一 个 角 落, 它 的 影 响 无 处 不 在, 触 手 可 得 许 多 人 喜 欢 比 较 20 世 纪 齐 名 的 两 大 物 理 发 现 相 对 论 和 量 子 论 究 竟 谁 更 伟 大, 从 一 个 普 遍 的 意 义 上 来 说 这 样 的 比 较 是 毫 无 意 义 的, 所 谓 伟 大 往 往 不 具 有 可 比 性, 正 如 人 们 无 聊 地 争 论 李 白 还 是 杜 甫, 莫 扎 特 还 是 贝 多 芬, 汉 朝 还 是 罗 马, 贝 利 还 是 马 拉 多 纳,Beatles 还 是 滚 石, 阿 甘 还 是 肖 申 克 但 仅 仅 从 实 用 性 的 角 度 而 言, 我 们 可 以 毫 不 犹 豫 地 下 结 论 说 : 是 的, 量 子 论 比 相 对 论 更 加 有 用 也 许 我 们 仍 然 不 能 从 哲 学 意 义 上 去 真 正 理 解 量 子 论, 但 它 的 进 步 意 义 依 旧 无 可 限 量 虽 然 我 们 有 时 候 还 会 偶 尔 怀 念 经 典 时 代, 怀 念 那 些 因 果 关 系 一 丝 不 苟, 宇 宙 的 本 质 简 单 易 懂 的 日 子, 但 这 也 已 经 更 多 地 是 一 种 怀 旧 情 绪 而 已 正 如 电 影 乱 世 佳 人 的 开 头 不 无 深 情 地 说 : 曾 经 有 一 片 属 于 骑 士 和 棉 花 园 的 土 地 叫 做 老 南 方 在 这 个 美 丽 的 世 界 里, 绅 士 们 最 后 一 次 风 度 翩 翩 地 行 礼, 骑 士 们 最 后 一 次 和 漂 亮 的 女 伴 们 同 行, 人 们 最 后 一 次 见 到 主 人 和 他 们 的 奴 隶 而 如 今 这 已 经 是 一 个 只 能 从 书 本 中 去 寻 找 的 旧 梦, 一 个 随 风 飘 逝 的 文 明 虽 然 有 这 样 的 伤 感, 但 人 们 依 然 还 是 会 歌 颂 北 方 扬 基 们 最 后 的 胜 利, 因 为 我 们 从 他 们 那 里 得 到 更 大 的 力 量, 更 多 的 热 情, 还 有 对 于 未 来 更 执 着 的 信 心 但 量 子 论 的 道 路 仍 未 走 到 尽 头, 虽 然 它 已 经 负 担 了 太 多 的 光 荣 和 疑 惑, 但 命 运 仍 然 注 定 了 它 要 继 续 影 响 物 理 学 的 将 来 在 经 历 了 无 数 的 风 雨 之 后, 这 一 次, 它 面 对 的 是 一 个 前 所 未 有 强 大 的 对 手, 也 是 最 后 的 终 极 挑 战 广 义 相 对 论 标 准 的 薛 定 谔 方 程 是 非 相 对 论 化 的, 在 它 之 中 并 没 有 考 虑 到 光 速 的 上 限 而 这 一 工 作 最 终 由 狄 拉 克 完 成, 最 后 完 成 的 量 子 场 论 实 际 上 是 量 子 力 学 和 狭 义 相 对 论 的 联 合 产 物 当 我 们 仅 仅 考 虑 电 磁 场 的 时 候, 我 们 得 到 的 是 量 子 电 动 力 学, 它 可 以 处 理 电 磁 力 的 作 用 大 家 在 中 学 里 都 知 道 电 磁 力 : 同 性 相 斥, 异 性 相 吸, 量 子 电 动 力 学 认 为, 这 个 力 的 本 质 是 两 个 粒 子 之 间 不 停 地 交 换 光 子 的 结 果 两 个 电 子 互 相 靠 近 并 最 终 因 为 电 磁 力 而 弹 开, 这 其 中 发 生 了 什 么 呢? 原 来 两 个 电 子 不 停 地 在 交 换 光 子 想 象 两 个 溜 冰 场 上 的 人, 他 们 不 停 地 把 一 只 皮 球 抛 来 抛 去, 从 一 个 人 的 手 中 扔 到 另 一 个 人 那 里, 这 样 一 来 他 们 必 定 离 得 越 来 越 远, 似 乎 他 们 之 间 有 一 种 斥 力 一 样 在 电 磁 作 用 力 中, 这 个 皮 球 就 是 光 子! 那 么 同 性 相 吸 是 怎 么 回 事 呢? 你 可 以 想 象 成 两 个 人 背 靠 背 站 立, 并 不 停 地 把 球 扔 到 对 方 面 对 的 墙 壁 上 再 反 弹 到 对 方 手 里 这 样 就 似 乎 有 一 种 吸 力 使 两 人 紧 紧 靠 在 一 起 但 是, 当 处 理 到 原 子 核 内 部 的 事 务 时, 我 们 面 对 的 就 不 再 是 电 磁 作 用 力 了! 比 如 说 一 个 氦 原 子 核, 它 由 两 个 质 子 和 两 个 中 子 组 成 中 子 不 带 电, 倒 也 没 有 什 么, 可 两 个 质 子 却 都 带 着 正 电! 如 果 说 同 性 相 斥, 那 么 它 们 应 该 互 相 弹 开, 而 怎 么 可 能 保 持 在 一 起 呢? 这 显 然 不 是 万 有 引 力 互 相 吸 引 的 结 果, 在 如 此 小 的 质 子 之 间, 引 力 微 弱 得 基 本 可 以 忽 略 不 计, 必 定 有 一 种 更 为 强 大 的 核 力, 比 电 磁 力 更 强 大, 才 可 以 把 它 们 拉 在 一 起 不 致 分 开 这 种 力 叫 做 强 相 互 作 用

194 力 聪 明 的 各 位 也 许 已 经 猜 到 了, 既 然 有 强 相 互 作 用 力, 必 定 相 对 地 还 有 一 种 弱 相 互 作 用 力, 事 实 正 是 如 此 弱 作 用 力 就 是 造 成 许 多 不 稳 定 的 粒 子 衰 变 的 原 因 这 样 一 来, 我 们 的 宇 宙 中 就 总 共 有 着 4 种 相 互 作 用 力 : 引 力 电 磁 力 强 相 互 作 用 力 和 弱 相 互 作 用 力 它 们 各 自 为 政, 互 不 管 辖, 遵 守 着 不 同 的 理 论 规 则 但 所 有 这 些 力 的 本 质 是 什 么 呢? 是 不 是 也 如 同 电 磁 力 那 样, 是 因 为 交 换 粒 子 而 形 成 的? 日 本 物 理 学 家 汤 川 秀 树 他 或 许 是 日 本 最 著 名 的 科 学 家 预 言 如 此 在 强 相 互 作 用 力 中, 汤 川 认 为 这 是 因 为 核 子 交 换 一 种 新 粒 子 介 子 (meson) 而 形 成 的 他 所 预 言 的 介 子 不 久 就 为 安 德 森 等 人 所 发 现, 不 过 那 却 是 一 种 不 同 的 介 子, 现 在 称 为 μ 子, 它 和 汤 川 理 论 无 关 汤 川 所 预 言 的 那 种 介 子 现 在 称 为 π 子, 它 最 终 在 1947 年 为 英 国 人 鲍 威 尔 (Cecil Frank Powell) 在 研 究 宇 宙 射 线 时 所 发 现 汤 川 获 得 了 1949 年 的 诺 贝 尔 物 理 奖, 而 鲍 威 尔 获 得 了 1950 年 的 对 于 强 相 互 作 用 力 的 研 究 仍 在 继 续, 人 们 把 那 些 感 受 强 相 互 作 用 力 的 核 子 称 为 强 子, 比 如 质 子 中 子 等 1964 年, 我 们 的 盖 尔 曼 提 出, 所 有 的 强 子 都 可 以 进 一 步 分 割, 这 就 是 如 今 家 喻 户 晓 的 夸 克 模 型 每 个 质 子 或 中 子 都 由 3 个 夸 克 组 成, 每 种 夸 克 既 有 不 同 的 味 道, 更 有 不 同 的 颜 色, 在 此 基 础 上 人 们 发 明 了 所 谓 的 量 子 色 动 力 学 (QCD), 来 描 述 夸 克 之 间 同 样 通 过 交 换 粒 子 来 维 持 作 用 力, 这 种 被 交 换 的 粒 子 称 为 胶 子 (gluon) 各 位 也 许 已 经 有 些 头 晕 脑 胀, 我 们 就 不 进 一 步 描 述 了 再 说 详 细 描 述 基 本 粒 子 的 模 型 需 要 太 多 的 笔 墨, 引 进 太 多 的 概 念, 但 我 们 的 史 话 所 留 下 的 篇 幅 已 经 不 多, 所 以 只 能 这 样 简 单 地 一 笔 带 过 如 果 想 更 好 地 了 解 有 关 知 识, 盖 尔 曼 曾 写 过 一 本 通 俗 的 读 物 夸 克 与 美 洲 豹, 而 伟 大 的 阿 西 莫 夫 (Isaac Asimov) 则 有 更 多 精 彩 的 论 述, 虽 然 时 代 已 经 不 同, 但 许 多 作 品 却 仍 然 并 不 过 时! 强 相 互 作 用 是 交 换 介 子, 那 么 弱 相 互 作 用 呢? 汤 川 秀 树 同 样 预 言 它 必 定 也 交 换 某 种 粒 子, 这 种 粒 子 被 称 为 中 间 玻 色 子 与 强 作 用 力 所 不 同 的 是, 弱 相 互 作 用 力 的 理 论 形 式 看 上 去 同 电 磁 作 用 力 非 常 相 似, 这 使 得 人 们 开 始 怀 疑, 这 两 种 力 实 际 上 是 不 是 就 是 同 一 种 东 西, 只 不 过 在 不 同 的 环 境 中 表 现 得 不 尽 相 同 而 已? 特 别 是 当 李 政 道 与 杨 振 宁 提 出 了 弱 作 用 下 宇 称 不 守 恒 之 后, 这 一 怀 疑 愈 加 强 烈 终 于 到 了 60 年 代, 统 一 弱 相 互 作 用 力 和 电 磁 力 的 工 作 由 美 国 人 格 拉 肖 (Sheldon Glashow) 温 伯 格 (Steven Weinberg) 和 巴 基 斯 坦 人 萨 拉 姆 (Aldus Salam) 所 完 成, 他 们 的 成 果 被 称 为 弱 电 统 一 理 论,3 人 最 终 为 此 得 到 了 1979 年 的 诺 贝 尔 奖 该 理 论 所 预 言 的 3 种 中 间 玻 色 子 (W+,W- 和 Z0) 到 了 80 年 代 被 实 验 所 全 部 发 现, 更 加 证 实 了 它 的 正 确 性 物 理 学 家 们 现 在 开 始 大 大 地 兴 奋 起 来 了 : 既 然 电 磁 力 和 弱 作 用 力 已 经 被 证 明 是 同 一 种 东 西, 可 以 被 一 个 相 同 的 理 论 所 描 述, 那 么 我 们 又 有 什 么 理 由 不 去 相 信, 所 有 的 4 种 力 其 实 都 是 同 一 种 东 西 呢? 所 有 的 物 理 学 家 都 相 信, 上 帝 大 自 然 的 创 造 者 他 老 人 家 是 爱 好 简 单 的, 他 不 会 把 我 们 的 世 界 搞 得 复 杂 不 堪, 让 人 摇 头 叹 气, 他 必 定 按 照 某 一 种 标 准 的 模 式 创 造 了 这 个 宇 宙! 而 我 们 要 做 的 工 作, 就 是 把 上 帝 所 依 据 的 这 个 蓝 图 找 出 来 这 蓝 图 必 定 只 有 一 份, 而 所 有 的 物 理 现 象, 物 理 力 都 被 涵 盖 在 这 个 设 计 之 中! 如 果 模 仿 独 立 宣 言 中 那 著 名 的 句 子, 物 理 学 家 完 全 愿 意 宣 称 : 我 们 认 为 这 是 不 言 而 喻 的 事 实 : 每 一 种 力 都 是 被 相 同 地 创 造 的 We hold the truth to be self-evident, that all forces are created equal.

195 是 啊, 要 是 真 有 那 么 一 个 理 论, 它 可 以 描 述 所 有 的 4 种 力, 进 而 可 以 描 述 所 有 的 物 理 现 象, 那 该 是 怎 样 一 幅 壮 观 的 场 面 啊! 那 样 一 来, 整 个 自 然, 整 个 物 理 就 又 重 新 归 于 统 一 之 中, 就 像 史 诗 中 所 描 写 的 那 个 传 奇 的 黄 金 时 代 与 伟 大 的 经 典 帝 国, 任 何 人 都 无 法 抗 拒 这 样 一 种 诱 人 的 景 象, 仿 佛 一 个 新 的 伟 大 时 代 就 在 眼 前 戎 马 已 备, 戈 矛 已 修, 浩 浩 荡 荡 的 大 军 终 于 就 要 出 发, 去 追 寻 那 个 失 落 已 久 的 统 一 之 梦 现 在, 弱 作 用 力 和 电 磁 力 已 经 被 合 并 了, 下 一 个 目 标 是 强 相 互 作 用 力, 正 如 我 们 已 经 介 绍 的 那 样, 这 块 地 域 目 前 为 止 被 量 子 色 动 力 学 所 统 治 着 但 幸 运 地 是, 虽 然 兵 锋 指 处, 形 势 紧 张 严 峻, 大 战 一 触 即 发, 但 两 国 的 君 主 却 多 少 有 点 血 缘 关 系, 这 给 和 平 统 一 留 下 了 余 地 : 它 们 都 是 在 量 子 场 论 的 统 一 框 架 下 完 成 的 1954 年, 杨 振 宁 和 米 尔 斯 建 立 了 规 范 场 论, 而 吸 取 了 对 称 性 破 缺 的 思 想 之 后, 这 使 得 理 论 中 的 某 些 没 有 质 量 的 粒 子 可 以 自 发 地 获 得 质 量 正 因 为 如 此, 中 间 玻 色 子 和 光 子 才 得 以 被 格 拉 肖 等 人 包 含 在 同 一 个 框 架 内 而 反 观 量 子 色 动 力 学, 它 本 身 就 是 模 仿 量 子 电 动 力 学 所 建 立 的, 连 名 字 都 模 仿 自 后 者! 所 不 同 的 是 光 子 不 带 电 荷, 但 胶 子 却 带 着 颜 色 荷, 但 如 果 充 分 地 考 虑 自 发 对 称 破 缺 的 规 范 场, 将 理 论 扩 充 为 更 大 的 单 群, 把 胶 子 也 拉 进 统 一 中 来 并 非 不 可 能 这 样 的 理 论 被 骄 傲 地 称 为 大 统 一 理 论 (Grand Unified Theory,GUT), 它 后 来 发 展 出 了 多 个 变 种, 但 不 管 怎 样, 其 目 标 是 一 致 的, 那 就 是 统 一 弱 相 互 作 用 力 强 相 互 作 用 力 和 电 磁 力 3 种 力, 把 它 们 合 并 在 一 起, 包 含 到 同 一 个 理 论 中 去 不 同 的 大 统 一 理 论 预 言 了 一 些 不 同 的 物 理 现 象, 比 如 质 子 可 能 会 衰 变, 比 如 存 在 着 磁 单 极 子, 或 者 奇 异 弦, 但 可 惜 的 是, 到 目 前 为 止 这 些 现 象 都 还 没 有 得 到 确 凿 的 证 实 退 一 步 来 说, 由 于 理 论 中 一 些 关 键 的 部 分 比 如 希 格 斯 玻 色 子 的 假 设 到 目 前 为 止 都 尚 未 在 实 验 中 发 现, 甚 至 我 们 连 粒 子 的 标 准 模 型 也 不 能 100% 地 肯 定 正 确 但 无 论 如 何, 大 统 一 理 论 是 非 常 有 前 途 的 理 论, 人 们 也 有 理 由 相 信 它 终 将 达 到 它 的 目 标 可 是, 虽 然 号 称 大 统 一, 这 样 的 称 号 却 依 旧 是 名 不 副 实 的 就 算 大 统 一 理 论 得 到 了 证 实, 天 下 却 仍 未 统 一, 四 海 仍 未 一 靖 人 们 怎 么 可 以 遗 漏 了 那 块 辽 阔 的 沃 土 引 力 呢?GUT 即 使 登 基, 他 的 权 力 仍 旧 是 不 完 整 的, 对 于 引 力, 他 仍 旧 鞭 长 莫 及 天 无 二 日 民 无 二 君, 雄 心 勃 勃 的 物 理 学 家 们 早 就 把 眼 光 放 到 了 引 力 身 上, 即 使 他 们 事 实 上 连 强 作 用 力 也 仍 未 最 终 征 服 正 可 谓 尚 未 得 陇, 便 已 望 蜀 引 力 在 宇 宙 中 是 一 片 独 一 无 二 的 区 域, 它 和 其 他 3 种 力 似 乎 有 着 本 质 的 不 同 电 磁 力 有 时 候 互 相 吸 引, 有 时 候 互 相 排 斥, 但 引 力 却 总 是 吸 引 的! 这 使 它 可 以 在 大 尺 度 上 累 加 起 来 当 我 们 考 察 原 子 的 时 候, 引 力 可 以 忽 略 不 计, 但 一 旦 我 们 的 眼 光 放 到 恒 星 星 云 星 系 这 样 的 尺 度 上, 引 力 便 取 代 别 的 力 成 了 主 导 因 素 想 要 把 引 力 包 含 进 统 一 的 体 系 中 来 是 格 外 困 难 的, 如 果 说 电 磁 力 强 作 用 力 和 弱 作 用 力 还 勉 强 算 同 文 同 种, 引 力 则 傲 然 不 群, 独 来 独 往 何 况, 我 们 并 没 有 资 格 在 它 面 前 咆 哮 说 天 兵 已 至, 为 何 还 不 服 王 化 云 云, 因 为 它 的 统 治 者 有 着 同 样 高 贵 的 血 统 和 深 厚 的 渊 源 : 这 里 的 国 王 是 爱 因 斯 坦 伟 大 的 广 义 相 对 论, 其 前 身 则 是 煌 煌 的 牛 顿 力 学! 物 理 学 到 了 这 个 地 步, 只 剩 下 了 最 后 一 个 分 歧, 但 也 很 可 能 是 最 难 以 调 和 和 统 一 的 分 歧 量 子 场 论 虽 然 争 取 到 了 狭 义 相 对 论 的 合 作, 但 它 还 是 难 以 征 服 引 力 : 广 义 相 对 论 拒 绝 与 它 联 手 统 治 整 个 世 界, 它 更 乐 于 在 引 力 这 片 保 留 地 上 独 立 地 呼 风 唤 雨 从 深 层 次 的 角 度 上 说, 这 里 凸 现 了 量 子 论 和 相 对 论 的 内 在 矛 盾, 这 两 个 20 世 纪 的 伟 大 物 理 理 论 之 间 必 定 要 经 历 一 场 艰 难 和 痛 苦 的 融 合, 才 能 孕 育 出 最 后 那 个 众 望 所 归 的 王 者, 完 成 普 天 之 下, 莫 非 王 土 的 宏

196 愿 物 理 学 家 有 一 个 梦 想, 一 个 深 深 植 根 于 整 个 自 然 的 梦 想 他 们 梦 想 有 一 天, 深 壑 弥 合, 高 山 夷 平, 荆 棘 变 沃 土, 歧 路 变 通 衢 他 们 梦 想 造 物 主 的 光 辉 最 终 被 揭 示, 而 众 生 得 以 一 起 朝 觐 这 一 终 极 的 奥 秘 而 要 实 现 这 个 梦 想, 就 需 要 把 量 子 论 和 相 对 论 真 正 地 结 合 到 一 起, 从 而 创 造 一 个 量 子 引 力 理 论 它 可 以 解 释 一 切 的 力, 进 而 阐 释 一 切 的 物 理 现 象 这 样 的 理 论 是 上 帝 造 物 的 终 极 蓝 图, 它 讲 述 了 这 个 自 然 最 深 刻 的 秘 密 只 有 这 样 的 理 论, 才 真 正 有 资 格 称 得 上 大 统 一, 不 过 既 然 大 统 一 的 名 字 已 经 被 GUT 所 占 用 了, 人 们 给 这 种 终 极 理 论 取 了 另 外 一 个 名 字 : 万 能 理 论 (Theory of Everything,TOE) 爱 因 斯 坦 在 他 的 晚 年 就 曾 经 试 图 去 实 现 这 个 梦 想, 在 普 林 斯 顿 的 那 些 日 子 里, 他 的 主 要 精 力 都 放 在 如 何 去 完 成 统 一 场 论 上 ( 虽 然 他 还 并 不 清 楚 强 力 和 弱 力 这 两 个 王 国 的 存 在 ) 但 是, 爱 因 斯 坦 的 战 略 思 想 却 是 从 广 义 相 对 论 出 发 去 攻 打 电 磁 力, 这 样 的 进 攻 被 证 明 是 极 为 艰 难 而 伤 亡 惨 重 的 : 不 仅 边 界 上 崇 山 峻 岭, 有 着 无 法 克 服 的 数 学 困 难, 而 且 对 方 居 高 临 下, 地 形 易 守 难 攻, 占 尽 了 便 宜 虽 然 爱 因 斯 坦 执 着 不 懈 地 一 再 努 力, 但 整 整 30 年, 直 到 他 去 世 为 止, 仍 然 没 能 获 得 任 何 进 展 今 天 看 来, 这 个 失 败 是 不 可 避 免 的, 广 义 相 对 论 和 量 子 论 之 间 有 一 条 深 深 的 不 可 逾 越 的 鸿 沟, 而 爱 因 斯 坦 的 旧 式 军 队 是 绝 无 可 能 跨 越 这 个 障 碍 的 但 在 另 一 面, 爱 因 斯 坦 所 不 喜 欢 的 量 子 论 迅 猛 地 发 展 起 来, 正 如 我 们 描 述 的 那 样, 它 的 力 量 很 快 就 超 出 了 人 们 所 能 想 象 的 极 限 这 一 次, 以 量 子 论 为 主 导, 统 一 是 否 能 够 被 真 正 完 成 了 呢? 历 史 上 产 生 了 不 少 量 子 引 力 理 论, 但 我 们 只 想 极 为 简 单 地 描 述 一 个 它 近 来 大 红 大 紫, 声 名 远 扬, 时 髦 无 比, 倘 若 谁 不 知 道 它 简 直 就 不 好 意 思 出 来 混 大 家 一 定 都 明 白 我 说 的 是 超 弦 (Superstring) 理 论, 许 多 读 者 迫 使 我 相 信, 如 果 不 在 最 后 提 一 下 它, 那 么 我 们 的 史 话 简 直 就 是 一 肚 子 不 合 时 宜 饭 后 闲 话 : 霍 金 打 赌 1999 年, 霍 金 在 一 次 演 讲 中 说, 他 愿 意 以 1 赔 1, 赌 一 个 万 能 理 论 会 在 20 年 内 出 现 现 在 是 不 是 真 的 有 人 和 他 打 这 个 赌 我 暂 时 不 得 而 知, 不 过 霍 金 好 打 赌 是 出 了 名 的, 咱 们 今 天 就 来 闲 话 几 句 打 赌 的 话 题 我 们 所 知 的 霍 金 打 的 最 早 的 一 个 赌 或 许 是 他 和 两 个 幼 年 时 的 伙 伴 所 打 的 : 他 们 赌 今 后 他 们 之 间 是 不 是 会 有 人 出 人 头 地 霍 金 出 名 后, 还 常 常 和 当 初 的 伙 伴 开 玩 笑 说, 因 为 他 打 赢 了, 所 以 对 方 欠 他 一 块 糖 霍 金 33 岁 时, 第 一 次 就 科 学 问 题 打 赌, 之 后 便 一 发 不 可 收 拾 今 天 我 们 所 熟 知 的 最 有 名 的 几 个 科 学 赌 局, 几 乎 都 同 他 有 关 或 者 也 是 因 为 霍 金 太 出 名, 太 容 易 被 媒 体 炒 作 渲 染 的 缘 故 吧 1974 年, 黑 洞 的 热 潮 在 物 理 学 界 内 方 兴 未 艾 人 们 已 经 不 太 怀 疑 黑 洞 是 一 个 物 理 真 实, 但 在 天 文 观 测 上 仍 没 有 找 到 一 个 确 实 的 实 体 不 过 已 经 有 几 个 天 体 非 常 可 疑, 其 中 一 个 叫 做 天 鹅 座 X-1, 如 果 你 小 时 候 阅 读 过 80 年 代 的 一 些 科 普 书 籍, 你 会 对 这 个 名 字 耳 熟 能 详 霍 金 对 这 个 天 体 的 身 份 表 示 怀 疑, 他 和 加 州 理 工 的 物 理 学 家 索 恩 (Kip Thorne) 立 下 字 据, 以 1 年 的 阁 楼 (Penthouse) 杂 志 赌 索 恩 4 年 的 私 家 侦 探 (Private Eye) 大 家 也 许 会 对 霍 金 这

197 样 的 大 科 学 家 竟 然 下 这 样 的 赌 注 而 感 到 惊 奇 (Penthouse 大 家 想 必 都 知 道, 是 和 Playboy 齐 名 的 男 性 杂 志, 不 过 最 近 倒 闭 了 ), 呵 呵, 不 过 饮 食 男 女 人 之 大 欲, 反 正 他 就 是 这 样 赌 的 今 天 大 家 都 已 经 知 道, 宇 宙 中 的 黑 洞 多 如 牛 毛, 天 鹅 X-1 的 身 份 更 是 不 用 怀 疑 1990 年 霍 金 到 南 加 州 大 学 演 讲, 当 时 索 恩 人 在 莫 斯 科, 于 是 霍 金 大 张 旗 鼓 地 闯 入 索 恩 的 办 公 室, 把 当 年 的 赌 据 翻 出 来 印 上 拇 指 印 表 示 认 输 霍 金 后 来 真 的 给 索 恩 订 了 一 年 的 阁 楼, 索 恩 家 里 的 女 性 成 员 对 此 是 有 意 见 的 但 那 倒 也 不 是 对 于 阁 楼 有 什 么 反 感, 在 美 国 这 种 开 放 社 会 这 不 算 什 么 反 对 的 原 因 来 自 女 权 主 义 : 她 们 坚 持 索 恩 应 该 赌 一 份 适 合 both 男 女 阅 读 的 杂 志 当 年 索 恩 还 曾 赢 了 钱 德 拉 塞 卡 的 花 花 公 子, 出 于 同 样 的 理 由 换 成 了 听 众 霍 金 输 了 这 个 场 子 很 是 不 甘,1 年 后 便 又 找 上 索 恩, 同 时 还 有 索 恩 的 同 事, 加 州 理 工 的 另 一 位 物 理 学 家 普 雷 斯 基 (John Preskill), 赌 宇 宙 中 不 可 能 存 在 裸 奇 点, 负 者 为 对 方 提 供 能 够 包 裹 裸 体 的 衣 服 这 次 霍 金 不 到 4 个 月 就 发 现 自 己 还 是 要 输 : 黑 洞 在 经 过 霍 金 蒸 发 后 的 确 可 能 保 留 一 个 裸 奇 点! 但 霍 金 在 文 字 上 耍 赖, 声 称 由 于 量 子 过 程 而 产 生 的 裸 奇 点 并 不 是 赌 约 上 描 述 的 那 个 由 于 广 义 相 对 论 而 形 成 的 裸 奇 点, 而 且 那 个 证 明 也 是 不 严 格 的, 所 以 不 算 逃 得 了 初 一 逃 不 过 十 五,1997 年 德 州 大 学 的 科 学 家 用 超 级 计 算 机 证 明 了, 当 黑 洞 坍 缩 时, 在 非 常 特 别 的 条 件 下 裸 奇 点 在 理 论 上 是 可 以 存 在 的! 霍 金 终 于 认 输, 给 他 的 对 手 各 买 了 一 件 T 恤 衫 但 他 还 是 不 服 气 的, 他 另 立 赌 约, 赌 虽 然 在 非 常 特 别 的 条 件 下 存 在 裸 奇 点, 但 在 一 般 情 况 下 它 是 被 禁 止 的! 而 且 霍 金 在 T 恤 上 写 的 字 更 是 不 依 不 饶 : 大 自 然 讨 厌 裸 露! 霍 金 在 索 恩 那 里 吃 了 几 次 亏 了, 这 次 不 知 是 否 能 翻 盘 当 然 索 恩 也 不 是 常 赌 不 败 的, 他 曾 经 和 苏 联 人 泽 尔 多 维 奇 (Zel dovich) 在 黑 洞 辐 射 的 问 题 上 打 赌, 结 果 输 了 一 瓶 上 好 的 名 牌 威 士 忌 有 时 候 霍 金 和 索 恩 还 会 联 手, 比 如 在 黑 洞 蒸 发 后 是 否 吐 出 当 初 吃 掉 的 信 息 这 一 问 题 上 霍 金 和 索 恩 赌 它 不 会, 而 普 雷 斯 基 赌 它 会, 赌 注 是 信 息 本 身 胜 利 者 将 得 到 一 本 百 科 全 书! 这 个 问 题 迄 无 定 论, 不 过 从 最 近 发 展 的 势 头 来 看, 霍 金 又 有 输 的 危 险 今 年 (2004 年 ) 初, 俄 亥 俄 州 立 大 学 的 科 学 家 用 弦 论 更 为 明 确 地 证 明 了, 黑 洞 很 可 能 将 吐 出 信 息! 2000 年, 霍 金 又 和 密 歇 根 大 学 的 凯 恩 (Gordon Kane) 赌 100 美 元, 说 在 芝 加 哥 附 近 的 费 米 实 验 室 里 不 可 能 发 现 所 谓 的 希 格 斯 玻 色 子 ( 这 是 英 国 物 理 学 家 希 格 斯 于 1964 年 预 言 的 一 种 有 重 要 理 论 意 义 的 粒 子, 但 至 今 尚 未 证 实 ) 后 来 他 又 和 欧 洲 的 一 些 粒 子 物 理 学 家 赌, 说 日 内 瓦 的 欧 洲 粒 子 物 理 实 验 室 里 也 不 可 能 发 现 希 格 斯 子 这 次 霍 金 算 是 赢 了, 至 今 仍 然 没 有 找 到 希 格 斯 子 的 踪 迹 不 过 霍 金 对 于 这 个 假 设 的 嘲 笑 态 度 使 得 许 多 粒 子 物 理 学 家 十 分 恼 火, 甚 至 上 升 为 宇 宙 物 理 学 家 和 粒 子 物 理 学 家 之 间 的 一 种 矛 盾 希 格 斯 本 人 于 2002 年 在 报 上 发 表 了 言 词 尖 刻 的 评 论, 说 霍 金 因 为 名 气 大, 所 以 人 们 总 是 不 加 判 断 地 相 信 他 说 的 东 西 这 也 引 起 了 一 场 不 大 不 小 的 风 波 在 科 学 问 题 上 打 赌 的 风 气 由 来 已 久, 而 根 据 2002 年 Nature 杂 志 上 的 一 篇 文 章 (Nature 420, p354), 目 前 在 科 学 的 各 个 领 域 内 各 种 各 样 的 赌 局 也 是 五 花 八 门 这 也 算 是 科 学 另 一 面 的 趣 味 和 魅 力 吧? 不 知 将 来 是 否 会 有 人 以 此 为 题 材, 写 出 又 一 篇 类 似 80 天 环 游 地 球 的 精 彩 小 说 呢? 第 十 二 章 新 探 险 五

198 在 统 一 广 义 相 对 论 和 量 子 论 的 漫 漫 征 途 中, 物 理 学 家 一 开 始 采 用 的 是 较 为 温 和 的 办 法 他 们 试 图 采 用 老 的 战 术, 也 就 是 在 征 讨 强 弱 作 用 力 和 电 磁 力 时 用 过 的 那 些 行 之 有 效 的 手 段, 把 它 同 样 用 在 引 力 的 身 上 在 相 对 论 里, 引 力 被 描 述 为 由 于 时 空 弯 曲 而 造 成 的 几 何 效 应, 而 正 如 我 们 所 看 到 的, 量 子 场 论 把 基 本 的 力 看 成 是 交 换 粒 子 的 作 用, 比 如 电 磁 力 是 交 换 光 子, 强 相 互 作 用 力 是 交 换 胶 子 等 等 那 么, 引 力 莫 非 也 是 交 换 某 种 粒 子 的 结 果? 在 还 没 见 到 这 个 粒 子 之 前, 人 们 已 经 为 它 取 好 了 名 字, 就 叫 引 力 子 (graviton) 根 据 预 测, 它 应 该 是 一 种 自 旋 为 2, 没 有 质 量 的 玻 色 子 可 是, 要 是 把 所 谓 引 力 子 和 光 子 等 一 视 同 仁 地 处 理, 人 们 马 上 就 发 现 他 们 注 定 要 遭 到 失 败 在 量 子 场 论 内 部, 无 论 我 们 如 何 耍 弄 小 聪 明, 也 没 法 叫 引 力 子 乖 乖 地 听 话 : 计 算 结 果 必 定 导 致 无 穷 的 发 散 项, 无 穷 大! 我 们 还 记 得, 在 量 子 场 论 创 建 的 早 期, 物 理 学 家 是 怎 样 地 被 这 个 无 穷 大 的 幽 灵 所 折 磨 的, 而 现 在 情 况 甚 至 更 糟 : 就 算 运 用 重 正 化 方 法, 我 们 也 没 法 把 它 从 理 论 中 赶 跑 在 这 场 战 争 中 我 们 初 战 告 负, 现 在 一 切 温 和 的 统 一 之 路 都 被 切 断, 量 子 论 和 广 义 相 对 论 互 相 怒 目 而 视, 作 了 最 后 的 割 席 决 裂, 我 们 终 于 认 识 到, 它 们 是 互 不 相 容 的, 没 法 叫 它 们 正 常 地 结 合 在 一 起! 物 理 学 的 前 途 顿 时 又 笼 罩 在 一 片 阴 影 之 中, 相 对 论 的 支 持 者 固 然 不 忿 气, 拥 护 量 子 论 的 人 们 也 有 些 踌 躇 不 前 : 要 是 横 下 心 强 攻 的 话, 结 局 说 不 定 比 当 年 的 爱 因 斯 坦 更 惨, 但 要 是 战 略 退 却, 物 理 学 岂 不 是 从 此 陷 入 分 裂 而 不 可 自 拔? 新 希 望 出 现 在 1968 年, 但 却 是 由 一 个 极 为 偶 然 的 线 索 开 始 的 : 它 本 来 根 本 和 引 力 毫 无 关 系 那 一 年,CERN 的 意 大 利 物 理 学 家 维 尼 基 亚 诺 (Gabriel Veneziano) 随 手 翻 阅 一 本 数 学 书, 在 上 面 找 到 了 一 个 叫 做 欧 拉 β 函 数 的 东 西 维 尼 基 亚 诺 顺 手 把 它 运 用 到 所 谓 雷 吉 轨 迹 (Regge trajectory) 的 问 题 上 面, 作 了 一 些 计 算, 结 果 惊 讶 地 发 现, 这 个 欧 拉 早 于 1771 年 就 出 于 纯 数 学 原 因 而 研 究 过 的 函 数, 它 竟 然 能 够 很 好 地 描 述 核 子 中 许 多 强 相 对 作 用 力 的 效 应! 维 尼 基 亚 诺 没 有 预 见 到 后 来 发 生 的 变 故, 他 也 并 不 知 道 他 打 开 的 是 怎 样 一 扇 大 门, 事 实 上, 他 很 有 可 能 无 意 中 做 了 一 件 使 我 们 超 越 了 时 代 的 事 情 威 顿 (Edward Witten) 后 来 常 常 说, 超 弦 本 来 是 属 于 21 世 纪 的 科 学, 我 们 得 以 在 20 世 纪 就 发 明 并 研 究 它, 其 实 是 历 史 上 非 常 幸 运 的 偶 然 维 尼 基 亚 诺 模 型 不 久 后 被 3 个 人 几 乎 同 时 注 意 到, 他 们 是 芝 加 哥 大 学 的 南 部 阳 一 郎, 耶 希 华 大 学 (Yeshiva Univ) 的 萨 斯 金 (Leonard Susskind) 和 玻 尔 研 究 所 的 尼 尔 森 (Holger Nielsen) 三 人 分 别 证 明 了, 这 个 模 型 在 描 述 粒 子 的 时 候, 它 等 效 于 描 述 一 根 一 维 的 弦! 这 可 是 非 常 稀 奇 的 结 果, 在 量 子 场 论 中, 任 何 基 本 粒 子 向 来 被 看 成 一 个 没 有 长 度 也 没 有 宽 度 的 小 点, 怎 么 会 变 成 了 一 根 弦 呢? 虽 然 这 个 结 果 出 人 意 料, 但 加 州 理 工 的 施 瓦 茨 (John Schwarz) 仍 然 与 当 时 正 在 那 里 访 问 的 法 国 物 理 学 家 谢 尔 克 (Joel Scherk) 合 作, 研 究 了 这 个 理 论 的 一 些 性 质 他 们 把 这 种 弦 当 作 束 缚 夸 克 的 纽 带, 也 就 是 说, 夸 克 是 绑 在 弦 的 两 端 的, 这 使 得 它 们 永 远 也 不 能 单 独 从 核 中 被 分 割 出 来 这 听 上 去 不 错, 但 是 他 们 计 算 到 最 后 发 现 了 一 些 古 怪 的 东 西 比 如 说, 理 论 要 求 一 个 自 旋 为 2 的 零 质 量 粒 子, 但 这 个 粒 子 却 在 核 子 家 谱 中 找 不 到 位 置 ( 你 可 以 想 象 一 下, 如 果 某 位 化 学 家 找 到 了 一 种 无 法 安 插 进 周 期 表 里 的 元 素, 他 将 会 如 何 抓 狂?) 还 有, 理 论 还 预 言 了 一 种 比 光 速 还 要 快 的 粒 子, 也 即 所 谓 的 快 子 (tachyon) 大 家 可 能 会 首 先 想 到 这 违 反 相 对 论, 但 严 格 地 说, 在 相 对 论 中 快 子 可 以 存 在, 只 要 它 的 速 度 永 远 不 降 到 光 速 以 下! 真 正 的

199 麻 烦 在 于, 如 果 这 种 快 子 被 引 入 量 子 场 论, 那 么 真 空 就 不 再 是 场 的 最 低 能 量 态 了, 也 就 是 说, 连 真 空 也 会 变 得 不 稳 定, 它 必 将 衰 变 成 别 的 东 西! 这 显 然 是 胡 说 八 道 更 令 人 无 法 理 解 的 是, 如 果 弦 论 想 要 自 圆 其 说, 它 就 必 须 要 求 我 们 的 时 空 是 26 维 的! 平 常 的 时 空 我 们 都 容 易 理 解 : 它 有 3 维 空 间, 外 加 1 维 时 间, 那 多 出 来 的 22 维 又 是 干 什 么 的? 这 种 引 入 多 维 空 间 的 理 论 以 前 也 曾 经 出 现 过, 如 果 大 家 还 记 得 在 我 们 的 史 话 中 曾 经 小 小 地 出 过 一 次 场 的, 玻 尔 在 哥 本 哈 根 的 助 手 克 莱 恩 (Oskar Klein), 也 许 会 想 起 他 曾 经 把 第 五 维 的 思 想 引 入 薛 定 谔 方 程 克 莱 恩 从 量 子 的 角 度 出 发, 而 在 他 之 前, 爱 因 斯 坦 的 忠 实 追 随 者, 德 国 数 学 家 卡 鲁 扎 (Theodor Kaluza) 从 相 对 论 的 角 度 也 作 出 了 同 样 的 尝 试 后 来 人 们 把 这 种 理 论 统 称 为 卡 鲁 扎 - 克 莱 恩 理 论 (Kaluza-Klein Theory, 或 KK 理 论 ) 但 这 些 理 论 最 终 都 胎 死 腹 中 的 确 很 难 想 象, 如 何 才 能 让 大 众 相 信, 我 们 其 实 生 活 在 一 个 超 过 4 维 的 空 间 中 呢? 最 后, 量 子 色 动 力 学 (QCD) 的 兴 起 使 得 弦 论 失 去 了 最 后 一 点 吸 引 力 正 如 我 们 在 前 面 所 述, QCD 成 功 地 攻 占 了 强 相 互 作 用 力, 并 占 山 为 王, 得 到 了 大 多 数 物 理 学 家 的 认 同 在 这 样 的 内 外 交 困 中, 最 初 的 弦 论 很 快 就 众 叛 亲 离, 被 冷 落 到 了 角 落 中 去 在 弦 论 最 惨 淡 的 日 子 里, 只 有 施 瓦 茨 和 谢 尔 克 两 个 人 坚 持 不 懈 地 沿 着 这 条 道 路 前 进 1971 年, 施 瓦 茨 和 雷 蒙 (Pierre Ramond) 等 人 合 作, 把 原 来 需 要 26 维 的 弦 论 简 化 为 只 需 要 10 维 这 里 面 初 步 引 入 了 所 谓 超 对 称 的 思 想, 每 个 玻 色 子 都 对 应 于 一 个 相 应 的 费 米 子 ( 玻 色 子 是 自 旋 为 整 数 的 粒 子, 如 光 子 而 费 米 子 的 自 旋 则 为 半 整 数, 如 电 子 粗 略 地 说, 费 米 子 是 构 成 物 质 的 粒 子, 而 玻 色 子 则 是 承 载 作 用 力 的 粒 子 ) 与 超 对 称 的 联 盟 使 得 弦 论 获 得 了 前 所 未 有 的 力 量, 使 它 可 以 同 时 处 理 费 米 子, 更 重 要 的 是, 这 使 得 理 论 中 的 一 些 难 题 ( 如 快 子 ) 消 失 了, 它 在 引 力 方 面 的 光 明 前 景 也 逐 渐 显 现 出 来 可 惜 的 是, 在 弦 论 刚 看 到 一 线 曙 光 的 时 候, 谢 尔 克 出 师 未 捷 身 先 死, 他 患 有 严 重 的 糖 尿 病, 于 1980 年 不 幸 去 世 施 瓦 茨 不 得 不 转 向 伦 敦 玛 丽 皇 后 学 院 的 迈 克 尔 格 林 (Michael Green), 两 人 最 终 完 成 了 超 对 称 和 弦 论 的 结 合 他 们 惊 讶 地 发 现, 这 个 理 论 一 下 子 犹 如 脱 胎 换 骨, 完 成 了 一 次 强 大 的 升 级 现 在, 老 的 弦 论 已 经 死 去 了, 新 生 的 是 威 力 无 比 的 超 弦 理 论, 这 个 超 的 新 头 衔, 是 超 对 称 册 封 给 它 的 无 上 荣 耀 当 把 他 们 的 模 型 用 于 引 力 的 时 候, 施 瓦 茨 和 格 林 狂 喜 得 能 听 见 自 己 的 心 跳 声 老 的 弦 论 所 预 言 的 那 个 自 旋 2 质 量 0 的 粒 子 虽 然 在 强 子 中 找 不 到 位 置, 但 它 却 符 合 相 对 论! 事 实 上, 它 就 是 传 说 中 的 引 力 子! 在 与 超 对 称 同 盟 后, 新 生 的 超 弦 活 生 生 地 吞 并 了 另 一 支 很 有 前 途 的 军 队, 即 所 谓 的 超 引 力 理 论 现 在, 谢 天 谢 地, 在 计 算 引 力 的 时 候, 无 穷 大 不 再 出 现 了! 计 算 结 果 有 限 而 且 有 意 义! 引 力 的 国 防 军 整 天 警 惕 地 防 卫 粒 子 的 进 攻, 但 当 我 们 不 再 把 粒 子 当 作 一 个 点, 而 是 看 成 一 条 弦 的 时 候, 我 们 就 得 以 瞒 天 过 海, 暗 渡 陈 仓, 绕 过 那 条 苦 心 布 置 的 无 穷 大 防 线, 从 而 第 一 次 深 入 到 引 力 王 国 的 纵 深 地 带 超 弦 的 本 意 是 处 理 强 作 用 力, 但 现 在 它 的 注 意 力 完 全 转 向 了 引 力 : 天 哪, 要 是 能 征 服 引 力, 别 的 还 在 话 下 吗? 关 于 引 力 的 计 算 完 成 于 1982 年 前 后, 到 了 1984 年, 施 瓦 茨 和 格 林 打 了 一 场 关 键 的 胜 仗, 使 得 超 弦 惊 动 整 个 物 理 界 : 他 们 解 决 了 所 谓 的 反 常 问 题 本 来 在 超 弦 中 有 无 穷 多 种 的 对 称 性 可 供 选 择, 但 施 瓦 茨 和 格 林 经 过 仔 细 检 查 后 发 现, 只 有 在 极 其 有 限 的 对 称 形 态 中, 理 论 才 得 以 消 除 这 些 反 常 而 得 以 自 洽 这 样 就 使 得 我 们 能 够 认 真 地 考 察 那 几 种 特 定 的 超 弦 理 论, 而 不 必 同 时 对 付 无 穷 多 的 可 能 性 更 妙 的 是, 筛 选 下 来 的 那 些 群 正 好 可 以 包 容 现 有 的 规 范 场 理 论, 还 有 粒 子 的 标 准 模 型! 伟 大 的 胜 利!

200 第 一 次 超 弦 革 命 由 此 爆 发 了, 前 不 久 还 对 超 弦 不 屑 一 顾, 极 其 冷 落 的 物 理 界 忽 然 像 着 了 魔 似 的, 倾 注 出 罕 见 的 热 情 和 关 注 成 百 上 千 的 人 们 争 先 恐 后, 前 仆 后 继 地 投 身 于 这 一 领 域, 以 致 于 后 来 格 劳 斯 (David Gross) 说 : 在 我 的 经 历 中, 还 从 未 见 过 对 一 个 理 论 有 过 如 此 的 狂 热 短 短 3 年 内, 超 弦 完 成 了 一 次 极 为 漂 亮 的 帝 国 反 击 战, 将 当 年 遭 受 的 压 抑 之 愤 一 吐 为 快 在 这 期 间, 像 爱 德 华 威 顿, 还 有 以 格 劳 斯 为 首 的 普 林 斯 顿 超 弦 四 重 奏 小 组 都 作 出 了 极 其 重 要 的 贡 献, 不 过 我 们 没 法 详 细 描 述 了 网 上 关 于 超 弦 的 资 料 繁 多, 如 果 有 兴 趣 的 读 者 可 以 参 考 这 个 详 细 的 资 料 索 引 : arxiv.org/abs/hep-th/ 第 一 次 革 命 过 后, 我 们 得 到 了 这 样 一 个 图 像 : 任 何 粒 子 其 实 都 不 是 传 统 意 义 上 的 点, 而 是 开 放 或 者 闭 合 ( 头 尾 相 接 而 成 环 ) 的 弦 当 它 们 以 不 同 的 方 式 振 动 时, 就 分 别 对 应 于 自 然 界 中 的 不 同 粒 子 ( 电 子 光 子 包 括 引 力 子!) 我 们 仍 然 生 活 在 一 个 10 维 的 空 间 里, 但 是 有 6 个 维 度 是 紧 紧 蜷 缩 起 来 的, 所 以 我 们 平 时 觉 察 不 到 它 想 象 一 根 水 管, 如 果 你 从 很 远 的 地 方 看 它, 它 细 得 就 像 一 条 线, 只 有 1 维 的 结 构 但 当 真 把 它 放 大 来 看, 你 会 发 现 它 是 有 横 截 面 的! 这 第 2 个 维 度 被 卷 曲 了 起 来, 以 致 于 粗 看 之 下 分 辨 不 出 在 超 弦 的 图 像 里, 我 们 的 世 界 也 是 如 此, 有 6 个 维 度 出 于 某 种 原 因 收 缩 得 非 常 紧, 以 致 粗 看 上 去 宇 宙 仅 仅 是 4 维 的 (3 维 空 间 加 1 维 时 间 ) 但 如 果 把 时 空 放 大 到 所 谓 普 朗 克 空 间 的 尺 度 上 ( 大 约 10^-33 厘 米 ), 这 时 候 我 们 会 发 现, 原 本 当 作 是 时 空 中 一 个 点 的 东 西, 其 实 竟 然 是 一 个 6 维 的 小 球! 这 6 个 卷 曲 的 维 度 不 停 地 扰 动, 从 而 造 成 了 全 部 的 量 子 不 确 定 性! 这 次 革 命 使 得 超 弦 声 名 大 振, 隐 然 成 为 众 望 所 归 的 万 能 理 论 候 选 人 当 然, 也 有 少 数 物 理 学 家 仍 然 对 此 抱 有 怀 疑 态 度, 比 如 格 拉 肖, 费 因 曼 霍 金 对 此 也 不 怎 么 热 情 大 家 或 许 还 记 得 我 们 在 前 面 描 述 过, 在 阿 斯 派 克 特 实 验 后,BBC 的 布 朗 和 纽 卡 斯 尔 大 学 的 戴 维 斯 对 几 位 量 子 论 的 专 家 做 了 专 门 访 谈 现 在, 当 超 弦 热 在 物 理 界 方 兴 未 艾 之 际, 这 两 位 仁 兄 也 没 有 闲 着, 他 们 再 次 出 马, 邀 请 了 9 位 在 弦 论 和 量 子 场 论 方 面 最 杰 出 的 专 家 到 BBC 做 了 访 谈 节 目 这 些 记 录 后 来 同 样 被 集 合 在 一 起, 于 1988 年 以 超 弦 : 万 能 理 论? 为 名, 由 剑 桥 出 版 社 出 版 阅 读 这 些 记 录 可 以 发 现, 专 家 们 虽 然 吵 得 不 像 量 子 论 那 样 厉 害, 但 其 中 的 分 歧 仍 是 明 显 的 费 因 曼 甚 至 以 一 种 饱 经 沧 桑 的 态 度 说, 他 年 轻 时 注 意 到 许 多 老 人 迂 腐 地 抵 制 新 思 想 ( 比 如 爱 因 斯 坦 抵 制 量 子 论 ), 但 当 他 自 己 也 成 为 一 个 老 人 时, 他 竟 然 也 身 不 由 己 地 做 起 同 样 的 事 情, 因 为 一 些 新 思 想 确 实 古 怪 比 如 弦 论 就 是! 人 们 自 然 而 然 地 问, 为 什 么 有 6 个 维 度 是 蜷 缩 起 来 的? 这 6 个 维 度 有 何 不 同 之 处? 为 什 么 不 是 5 个 或 者 8 个 维 度 蜷 缩? 这 种 蜷 缩 的 拓 扑 性 质 是 怎 样 的? 有 没 有 办 法 证 明 它? 因 为 弦 的 尺 度 是 如 此 之 小 ( 普 朗 克 空 间 ), 所 以 人 们 缺 乏 必 要 的 技 术 手 段 用 实 验 去 直 接 认 识 它, 而 且 弦 论 的 计 算 是 如 此 繁 难, 不 用 说 解 方 程, 就 连 方 程 本 身 我 们 都 无 法 确 定, 而 只 有 采 用 近 似 法! 更 糟 糕 的 是, 当 第 一 次 革 命 过 去 后, 人 们 虽 然 大 浪 淘 沙, 筛 除 掉 了 大 量 的 可 能 的 对 称, 却 仍 有 5 种 超 弦 理 论 被 保 留 了 下 来, 每 一 种 理 论 都 采 用 10 维 时 空, 也 都 能 自 圆 其 说 这 5 种 理 论 究 竟 哪 一 种 才 是 正 确 的? 人 们 一 鼓 作 气 冲 到 这 里, 却 发 现 自 己 被 困 住 了 弦 论 的 热 潮 很 快 消 退, 许 多 人 又 回 到 自 己 的 本 职 领 域 中 去, 第 一 次 革 命 尘 埃 落 定 一 直 要 到 90 年 代 中 期, 超 弦 才 再 次 从 沉 睡 中 苏 醒 过 来, 完 成 一 次 绝 地 反 攻 这 次 唤 醒 它 的 是 爱 德 华 威 顿 在 1995 年 南 加 州 大 学 召 开 的 超 弦 年 会 上, 威 顿 让 所 有 的 人 都 吃 惊 不 小, 他

201 证 明 了, 不 同 耦 合 常 数 的 弦 论 在 本 质 上 其 实 是 相 同 的! 我 们 只 能 用 微 扰 法 处 理 弱 耦 合 的 理 论, 也 就 是 说, 耦 合 常 数 很 小, 在 这 样 的 情 况 下 5 种 弦 论 看 起 来 相 当 不 同 但 是, 假 如 我 们 逐 渐 放 大 耦 合 常 数, 它 们 应 当 是 一 个 大 理 论 的 5 个 不 同 的 变 种! 特 别 是, 当 耦 合 常 数 被 放 大 时, 出 现 了 一 个 新 的 维 度 第 11 维! 这 就 像 一 张 纸 只 有 2 维, 但 你 把 许 多 纸 叠 在 一 起, 就 出 现 了 一 个 新 的 维 度 高 度! 换 句 话 说, 存 在 着 一 个 更 为 基 本 的 理 论, 现 有 的 5 种 超 弦 理 论 都 是 它 在 不 同 情 况 的 极 限, 它 们 是 互 相 包 容 的! 这 就 像 那 个 著 名 的 寓 言 盲 人 摸 象 有 人 摸 到 鼻 子, 有 人 摸 到 耳 朵, 有 人 摸 到 尾 巴, 虽 然 这 些 人 的 感 觉 非 常 不 同, 但 他 们 摸 到 的 却 是 同 一 头 象 只 不 过 每 个 人 都 摸 到 了 一 部 分 而 已! 格 林 (Brian Greene) 在 1999 年 的 优 雅 的 宇 宙 中 举 了 一 个 相 当 搞 笑 的 例 子, 我 们 把 它 发 挥 一 下 : 想 象 一 个 热 带 雨 林 中 的 土 著 喜 欢 水, 却 从 未 见 过 冰, 与 此 相 反, 一 个 爱 斯 基 摩 人 喜 欢 冰, 但 因 为 他 生 活 的 地 方 太 寒 冷, 从 未 见 过 液 态 的 水 的 样 子 ( 无 疑 现 实 中 的 爱 斯 基 摩 人 见 过 水, 但 我 们 可 以 进 一 步 想 象 他 生 活 在 土 星 的 光 环 上, 那 就 不 错 了 ), 两 人 某 天 在 沙 漠 中 见 面, 为 各 自 的 爱 好 吵 得 不 可 开 交 但 奇 妙 的 事 情 发 生 了 : 在 沙 漠 炎 热 的 白 天, 爱 斯 基 摩 人 的 冰 融 化 成 了 水! 而 在 寒 冷 的 夜 晚, 水 又 重 新 冻 结 成 了 冰! 两 人 终 于 意 识 到, 原 来 他 们 喜 欢 的 其 实 是 同 一 样 东 西, 只 不 过 在 不 同 的 条 件 下 形 态 不 同 罢 了 这 样 一 来,5 种 超 弦 就 都 被 包 容 在 一 个 统 一 的 图 像 中, 物 理 学 家 们 终 于 可 以 松 一 口 气 这 个 统 一 的 理 论 被 称 为 M 理 论 就 像 没 人 知 道 为 啥 007 电 影 中 的 那 个 博 士 发 明 家 叫 做 Q ( 扮 演 他 的 老 演 员 于 1999 年 车 祸 去 世 了, 在 此 纪 念 一 下 ), 也 没 人 知 道 这 个 M 确 切 代 表 什 么 意 思, 或 许 发 明 者 的 本 意 是 指 母 亲 (Mother), 说 明 它 是 5 种 超 弦 的 母 理 论, 但 也 有 人 认 为 是 神 秘 (Mystery), 或 者 矩 阵 (Matrix), 或 者 膜 (Membrane) 有 些 中 国 人 喜 欢 称 其 为 摸 论, 意 指 盲 人 摸 象! 在 M 理 论 中, 时 空 变 成 了 11 维, 由 此 可 以 衍 生 出 所 有 5 种 10 维 的 超 弦 论 来 事 实 上, 由 于 多 了 一 维, 我 们 另 有 一 个 超 引 力 的 变 种, 因 此 一 共 是 6 个 衍 生 品! 这 时 候 我 们 再 考 察 时 空 的 基 本 结 构, 会 发 现 它 并 非 只 能 是 1 维 的 弦, 而 同 样 可 能 是 0 维 的 点,2 维 的 膜, 或 者 3 维 的 泡 泡, 或 者 4 维 的 我 想 不 出 4 维 的 名 头 实 际 上, 这 个 基 本 结 构 可 能 是 任 意 维 数 的 从 0 维 一 直 到 9 维 都 有 可 能!M 理 论 的 古 怪, 比 起 超 弦 还 要 有 过 之 而 无 不 及 不 管 超 弦 还 是 M 理 论, 它 们 都 刚 刚 起 步, 还 有 更 长 的 路 要 走 虽 然 异 常 复 杂, 但 是 超 弦 /M 理 论 仍 然 取 得 了 一 定 的 成 功, 甚 至 它 得 以 解 释 黑 洞 熵 的 问 题 1996 年, 施 特 罗 明 格 (Strominger) 和 瓦 法 (Vafa) 的 论 文 为 此 开 辟 了 道 路 在 那 之 前 不 久 的 一 次 讲 演 中, 霍 金 还 挖 苦 说 : 弦 理 论 迄 今 为 止 的 表 现 相 当 悲 惨 : 它 甚 至 不 能 描 述 太 阳 结 构, 更 不 用 说 黑 洞 了 不 过 他 最 终 还 是 改 变 了 看 法 而 加 入 弦 论 的 潮 流 中 来 M 理 论 是 第 二 次 超 弦 革 命 的 一 部 分, 如 今 这 次 革 命 的 硝 烟 也 已 经 散 尽, 超 弦 又 进 入 一 个 蛰 伏 期 PBS 后 来 在 格 林 的 书 的 基 础 上 做 了 有 关 超 弦 的 电 视 节 目, 在 公 众 中 引 起 了 相 当 的 热 潮 或 许 不 久 就 会 有 第 三 次 第 四 次 超 弦 革 命, 从 而 最 终 完 成 物 理 学 的 统 一, 我 们 谁 也 无 法 预 见 值 得 注 意 的 是, 自 弦 论 以 来, 我 们 开 始 注 意 到, 似 乎 量 子 论 的 结 构 才 是 更 为 基 本 的 以 往 人 们 喜 欢 先 用 经 典 手 段 确 定 理 论 的 大 框 架, 然 后 在 细 节 上 做 量 子 论 的 修 正, 这 可 以 称 为 自 大 而 小 的 方 法 但 在 弦 论 里, 必 须 首 先 引 进 量 子 论, 然 后 才 导 出 大 尺 度 上 的 时 空 结 构! 人 们 开 始 认 识 到, 也 许 自 小 而 大 才 是 根 本 的 解 释 宇 宙 的 方 法 如 今 大 多 数 弦 论 家 都 认 为, 量 子 论 在 其 中 扮 演 了 关 键 的 角 色, 量 子 结 构 不 用 被 改 正 而 广 义 相 对 论 的 路 子 却 很 可 能 是 错 误

202 的, 虽 然 它 的 几 何 结 构 极 为 美 妙, 但 只 能 委 屈 它 退 到 推 论 的 地 位 而 不 是 基 本 的 基 础 假 设! 许 多 人 相 信, 只 有 更 进 一 步 地 依 赖 量 子 的 力 量, 超 弦 才 会 有 一 个 比 较 光 明 的 未 来 我 们 的 量 子 虽 然 是 那 样 的 古 怪, 但 神 赋 予 它 无 与 伦 比 的 力 量, 将 整 个 宇 宙 都 控 制 在 它 的 光 辉 之 下 这 个 有 关 量 子 论 的 系 列 自 去 年 开 始 动 笔, 其 间 因 为 各 种 原 因 ( 包 括 本 人 不 可 思 议 的 懒 惰 ), 写 写 停 停, 到 最 后 完 成 时 用 了 正 好 差 不 多 一 年 时 间 最 需 要 感 谢 的 是 读 者 们 异 乎 寻 常 的 热 情 和 支 持, 不 然 我 很 可 能 半 途 而 废 我 最 初 构 想 的 规 模 只 是 一 篇 4,5 万 字 的 极 简 介 绍, 不 料 逐 渐 收 不 住 笔, 最 后 完 成 的 时 候 在 我 的 WORD 里 已 经 超 过 200 页,25 万 字, 当 时 真 是 不 敢 想 象 这 不 是 专 业 的 科 普, 事 实 上, 我 更 注 重 的 是 历 史 方 面 而 不 是 科 学 方 面, 不 过 读 者 可 以 在 其 中 获 得 一 个 基 本 的 量 子 论 的 科 学 概 念 我 努 力 使 它 成 为 极 通 俗 的 读 物, 事 实 上, 我 仅 仅 假 定 读 者 具 有 初 中 的 数 学 水 平 和 一 点 点 高 中 物 理 知 识 ( 如 果 你 具 有 以 上 水 平 但 仍 看 不 懂 某 些 内 容, 那 一 定 是 我 写 作 的 问 题 ^_^) 即 使 是 对 数 理 完 全 不 通, 我 也 希 望 你 可 以 从 中 得 到 一 点 启 示 但 不 可 避 免 地, 运 用 日 常 化 的 语 言 会 使 一 些 描 述 显 得 牵 强 附 会, 不 符 合 物 理 上 的 概 念 所 以 再 次 强 调, 这 不 是 专 业 的 科 普, 如 果 想 获 得 对 量 子 论 更 好 更 准 确 的 认 识, 各 位 还 是 参 考 一 些 专 业 书 籍 上 帝 是 数 学 家, 唯 一 能 够 描 述 宇 宙 的 语 言 是 数 学! 我 们 的 史 话 也 非 专 业 的 科 学 史, 它 仅 仅 是 供 各 位 茶 余 饭 后 消 遣 的 读 物 而 已, 如 果 有 人 竟 然 凭 借 这 个 系 列 而 证 明 了 某 些 伟 大 理 论, 那 我 可 受 宠 若 惊, 担 当 不 起 其 实, 我 和 各 位 一 样 是 门 外 汉, 只 要 各 位 能 够 和 我 共 同 分 享 一 些 由 量 子 论 带 来 的 激 动 和 惊 奇, 我 便 已 经 心 满 意 足 这 个 系 列 是 本 人 业 余 时 间 在 网 上 完 成 的, 一 来 水 平 问 题, 二 来 毕 竟 业 余 时 间 有 限, 所 以 无 疑 存 在 为 数 众 多 的 bugs 虽 然 我 努 力 使 描 述 符 合 历 史 与 事 实 ( 一 般 来 说, 除 了 一 些 明 显 的 虚 构 情 节 外, 本 文 中 的 历 史 场 景 都 是 有 依 据 的 ), 但 有 些 地 方 确 实 没 能 查 阅 更 多 的 资 料 以 进 一 步 核 实 ( 比 如 我 曾 经 想 啃 完 那 6 本 大 块 头 的 量 子 力 学 发 展 史, 不 过 最 终 还 是 留 下 一 些 没 看 完 ) 我 已 经 发 现 了 一 些 错 误 之 处, 在 将 来 的 修 订 中 会 改 正 过 来, 也 希 望 各 位 指 出 更 多 的 地 方 另 外, 由 于 写 了 很 长 时 间, 所 以 没 有 很 好 地 规 划, 比 如 第 4 章 只 写 了 4 节, 而 有 些 重 要 的 方 面 却 忘 了 描 写, 或 者 没 法 插 进 现 有 的 叙 事 结 构 中 去 比 如 玻 色 - 爱 因 斯 坦 统 计, 斯 特 恩 - 格 拉 赫 实 验, 量 子 加 密 术, 等 等 现 在 这 个 只 是 初 稿, 其 中 有 些 章 节 很 罗 嗦, 有 些 地 方 枯 燥 无 味, 有 些 比 喻 莫 名 其 妙, 还 有 一 些 名 词 翻 译 的 问 题, 以 及 一 些 东 拼 西 凑 的 痕 迹, 修 订 的 时 候 我 会 试 图 解 决 这 些 问 题, 并 配 上 一 些 插 图 我 有 意 使 文 字 风 格 靠 近 同 龄 人 的 语 境, 也 就 是 7,80 年 代 的 风 格 这 是 一 种 取 巧 的 办 法, 因 为 这 些 是 网 上 的 主 要 人 口, 不 过 我 很 高 兴 它 带 有 一 些 网 络 特 色 为 了 追 求 可 读 性, 在 不 改 变 基 本 事 实 的 前 提 下, 我 有 的 时 候 做 了 一 点 文 字 上 的 夸 张 ( 比 如 历 史 上 的 玻 尔 - 爱 因 斯 坦 之 争 很 可 能 没 有 我 所 描 写 得 那 样 戏 剧 化 ), 我 为 此 表 示 抱 歉, 也 希 望 这 不 会 损 害 读 者 对 我 的 信 心 这 篇 文 字 主 要 还 是 在 网 上 流 行 ( 因 为 有 人 辛 苦 转 贴, 所 以 它 似 乎 流 传 很 广 ), 有 些 读 者 很 希 望 它 可 以 出 版, 也 许 修 订 后 有 人 真 的 愿 意 出 版 它, 不 过 由 于 本 人 的 效 率 低 下, 这 一 天 似 乎 还 遥 遥 无 期, 呵 呵 关 于 本 文 任 何 的 意 见, 比 如 知 识 错 误, 信 息 过 时, 文 字 风 格, 遗 漏 与 补 充, 哲 学 观 与 讨 论, 都 可 以 发 信 到 [email protected], 我 很 乐 意 听 取 各 位 的 意 见, 也 算 是 网 络 文 字 的 一

203 种 互 动 形 式 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 CAPO 主 要 参 考 资 料 : I. 书 ( 中 文 名 的 是 中 译 本, 没 有 出 版 社 的 是 网 上 版 ): The Historical Development of Quantum Theory I-VI, Jagdish Mehra&Helmut Rechenberg, Springer 最 详 尽 和 权 威 的 量 子 力 学 发 展 史, 共 6 大 册, 有 大 量 的 资 料 An Introduction to Quantum Theory, Keith Hannabuss, Oxford 1997 不 错 的 量 子 力 学 教 科 书 Quantum Theory, David Bohm, Constable 1951 玻 姆 经 典 的 量 力 教 科 书 The Strange Story of the Quantum, Banesh Hoffmann, Dover 1959 霍 夫 曼 的 经 典 量 子 科 普, 虽 然 年 代 久 远, 但 对 我 们 的 史 话 借 鉴 颇 多 100 Years of Planck s Quantum, Ian Duck&E.C.G. Sundarshan, World Scientific 2000 量 子 百 年 回 顾, 收 集 了 量 子 发 展 史 上 的 经 典 论 文 Beyond the Quantum, Michael Talbot, Bantam Books 1988 关 于 量 子 思 想 和 发 展 史 的 评 述 The Construction of Modern Science, R.S. Westfall, Cambridge 1977 介 绍 早 期 近 代 科 学 的 发 展, 可 以 找 到 光 学 和 力 学 的 发 展 史 Never at Rest, R.S. Westfall, Cambridge 1980 牛 顿 的 标 准 传 记, 着 重 参 考 他 发 展 光 学 的 历 史

204 The Newton Handbook, Gerek Gjertsen, Routledge&Kegan Paul 1986 关 于 牛 顿 的 细 节 琐 事, 可 以 找 到 有 关 他 的 名 言 的 资 料 The Man Who Knew Too Much, Stephen Inwood, MacMilan 2002 最 新 的 胡 克 传 记, 参 考 了 胡 克 的 有 关 事 迹 Thomas Young, Natural Philosopher, Alexander Wood, Cambridge 1954 杨 的 标 准 传 记 Niels Bohr: Gentle Genius of Denmark, Spangenburg&Moser, Facts on File 1995 最 新 的 玻 尔 传 记 Niels Bohr: The Man, His Science & The World They Changed, Ruth Moore, Knopf 1966 老 的 玻 尔 标 准 传 记, 简 洁 精 悍 Niels Bohr s Times: in Physics, Philosophy and Polity, Abraham Pais, Oxford 1991 派 斯 的 关 于 玻 尔 的 书, 在 一 些 问 题 上 有 补 充 价 值 Uncertainty: The Life and Science of Werner Heisenberg, David Cassidy, Freeman 1992 海 森 堡 的 标 准 传 记, 着 重 参 考 矩 阵 力 学 和 不 确 定 原 理 的 创 立 过 程 Niels Bohr: A Centenary Volume, French & Kennedy, Harvard 1985 关 于 玻 尔 的 有 关 回 忆 和 资 料, 哥 本 哈 根 研 究 所 的 故 事 尼 尔 斯 玻 尔 哲 学 文 选, 戈 革 译 戈 革 先 生 是 公 认 的 玻 尔 专 家, 强 烈 推 荐, 可 领 略 玻 尔 的 博 大 思 想 物 理 学 与 哲 学, Heisenber, 范 岱 年 译 网 上 的 海 森 堡 的 译 作, 可 参 考 关 于 哥 本 哈 根 解 释 Schrodinger: Life and Thought, Walter Moore, Cambridge 1989 薛 定 谔 的 标 准 传 记, 着 重 参 考 波 动 力 学 的 创 立 过 程

205 Dirac: A Scientific Biography, Helge Kragh, Cambridge 1990 狄 拉 克 的 标 准 传 记 爱 因 斯 坦 传, 聂 运 伟 我 手 里 反 而 没 有 爱 因 斯 坦 的 合 适 资 料, 这 个 是 网 上 流 行 的 爱 因 斯 坦 传 In Search of Schrodinger s Cat, John Gribbin, Wildwood House 1984 Gribbin 的 名 著, 一 本 量 子 力 学 极 简 史 Schrodinger s Kittens and the Search for Reality, John Gribbin, Weidenfeld&Nicolson 1995 上 一 本 的 续 作, 介 绍 了 一 些 新 的 发 展 Copenhagen, Michael Frayn, Methuen 1998 哥 本 哈 根 一 剧 的 剧 本 Heisenberg and the Nazi Atomic Bomb Project, Paul Rose, UC Berkeley 1998 Hitler s Uranium Club, Jeremy Bernstein, AIP 1996 以 上 两 本 是 关 于 海 森 堡 和 德 国 原 子 弹 计 划 的 详 尽 历 史 分 析 The Emperor s New Mind, Roger Penrose, Oxford 1989 彭 罗 斯 关 于 计 算 机 人 工 智 能 和 精 神 的 名 著 其 中 也 讨 论 了 量 子 论, 量 子 引 力 等 问 题 Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics, J.S. Bell, Cambridge 1987 贝 尔 的 论 文 集 The Ghost in the Atom, P.Davis&J.Brown, Cambridge 1986 BBC 在 阿 斯 派 克 特 实 验 后 对 于 量 子 专 家 们 的 访 谈 记 录 The Metaphysics of Quantum Theory, Henry Krips, Oxford 1987 量 子 论 的 形 而 上 学 讨 论, 有 包 括 Stapp 在 内 的 主 要 不 同 见 解 者 的 介 绍 The Philosophy of Quantum Mechanics, Richard Healey, Cambridge 1989

206 关 于 量 子 哲 学 的 讨 论 The Intepretation of Quantum Mechanics, Roland Omnès, Princeton 1994 Omnès 的 量 子 教 科 书, 有 各 种 量 子 解 释 的 全 面 介 绍 和 讨 论, 主 要 有 退 相 干 历 史 的 说 明 The Fabric of Reality, David Deutsch, Allen Lane 1997 德 义 奇 的 通 俗 著 作, 可 找 到 量 子 计 算 机 和 多 宇 宙 的 详 尽 介 绍 The Quark and the Jaguar, Murray Gell-Mann, Freeman 1994 盖 尔 曼 的 通 俗 作 品, 可 以 找 到 退 相 干 历 史 的 通 俗 解 释 时 间 简 史 (A Brief History of Time), S.Hawking, 许 明 贤 吴 忠 超 译 大 家 都 熟 悉 的 名 作 可 参 考 关 于 打 赌 的 某 些 片 断, 以 及 一 些 量 子 引 力 问 题 Black Holes and Time Warps, Kip Thorne, W.W.Norton 1994 主 要 讲 黑 洞 问 题, 但 可 找 到 霍 金 打 赌 的 一 些 片 断 时 间 之 箭 (The Arrow of Time), P.Coveney&R. Highfield 这 个 是 的 网 上 中 译 本, 主 要 讲 时 间 之 矢 的 问 题, 有 量 子 论 的 一 般 介 绍 Superstrings, A Theory of Everything? P.Davis&J.Brown, Cambridge 1988 BBC 对 于 超 弦 专 家 们 的 访 谈 记 录 The Elegant Universe, Brian Greene, W.W. Norton 1999 畅 销 的 介 绍 弦 论 的 新 科 普 书 20 世 纪 物 理 学 史, 魏 凤 文 & 申 先 甲, 江 西 教 育 出 版 社 1994 不 错 的 20 世 纪 物 理 史 简 介, 参 考 量 子 场 论 的 发 展 物 理 学 思 想 史, 杨 仲 耆 & 申 先 甲, 湖 南 教 育 出 版 社 1993 一 本 物 理 学 通 史 波 普 尔 文 集

207 网 上 有 相 当 全 的 波 普 尔 文 集, 可 以 参 考 他 对 于 量 子 论 的 看 法 II. 文 章 D. Cassidy, Phys. Today July 2000, p28 有 关 海 森 堡 1941 年 在 哥 本 哈 根 同 玻 尔 的 会 面 Max Tegmark, Fortschr. Phys. 46 p855 Tegmark 宣 传 MWI 的 文 章 Aspect et al, Phys. Rev. Lett. 49 p91 阿 斯 派 克 特 的 实 验 报 告 A. Aspect, Nature 398 p189 阿 斯 派 克 特 亲 自 写 的 关 于 贝 尔 不 等 式 实 验 的 简 史 Anton Zeilinger, Nature 408 p639 Tegmark&Wheeler, Scientific American Feb 2001, p68 以 上 两 篇 是 量 子 论 百 年 的 回 顾 和 展 望 Yurke&Stoler, Phys. Rev. Lett. 68, p1251 Jennewein et al, Phys. Rev. Lett. 88, Aerts et al, Found. Phys. 30, p1387 Rowe et al, Nature 409, p791 Z.Zhao et al, Phys. Rev. Lett Hasegawa et al, oai:arxiv.org:quant-ph/ Pittman&Franson, Physical Review 一 些 关 于 贝 尔 不 等 式 和 量 子 通 讯 实 验 的 报 告 J.W.Pan et al, Nature 403 p515

208 潘 建 伟 等 人 关 于 GHZ 测 试 的 报 告 Ghirardi, Rimini&Weber, Phys. Rev. D34, 470 GRW 模 型 Wojciech H. Zurek, Rev. Mod. Phys. 75 p715 Wojciech H. Zurek, Phys. Today 44 p36 Zurek 关 于 退 相 干 理 论 的 全 面 介 绍 R.B. Griffiths, Phys. Lett. A 265 p12 退 相 干 历 史 的 介 绍 Ghirardi, Phys.Lett. A265 p153 Bassi&Ghirardi, J.Statist.Phys. 98 p457 Bassi&Ghirardi, Phys.Lett. A257 p247 Ghirardi 等 人 对 于 DH 解 释 的 质 疑 Jim Giles, Nature 420, p354 科 学 家 打 赌 的 文 章 III. 网 页 许 多 参 考 过 的 网 页 不 记 得 地 址 了, 不 过 我 一 般 尽 量 引 用 比 较 可 靠 的 资 料 以 下 是 一 些 经 常 光 顾 的 网 页 地 址, 可 能 有 遗 漏 玻 尔 研 究 所 的 官 方 网 站 en.wikipedia.org/wiki/main_page 维 基 百 科 arxiv.org/

209 康 奈 尔 大 学 的 电 子 论 文 数 据 库 各 大 科 学 杂 志 的 主 页, 比 如 等 等 www-gap.dcs.st-and.ac.uk/~history/index.html 圣 安 德 鲁 大 学 的 科 学 家 传 记 网 页 诺 贝 尔 奖 电 子 博 物 馆 量 子 哲 学 与 物 理 实 在 有 关 量 子 纠 缠 和 量 子 哲 学 的 网 站 home.earthlink.net/~johnfblanton/physics/epr.htm EPR 与 物 理 实 在 www-physics.lbl.gov/~stapp/stappfiles.html 斯 塔 普 的 网 页, 有 各 种 关 于 量 子 论 和 量 子 意 识 的 文 章 埃 弗 莱 特 的 网 上 传 记 多 世 界 解 释 FAQ superstringtheory.com/ 号 称 官 方 的 超 弦 网 站 附 录 : 量 子 力 学 发 展 大 事 记 1690 年, 惠 更 斯 出 版 光 论, 波 动 说 被 正 式 提 出

210 1704 年, 牛 顿 出 版 光 学, 微 粒 说 成 为 主 导 1807 年, 杨 整 理 了 光 方 面 的 工 作, 提 出 了 双 缝 干 涉 实 验, 波 动 说 再 一 次 登 上 舞 台 1819 年, 菲 涅 尔 证 明 光 是 一 种 横 波 , 麦 克 斯 韦 建 立 电 磁 力 学, 光 被 解 释 为 电 磁 波 的 一 种 1885 年, 巴 尔 末 提 出 了 氢 原 子 光 谱 的 经 验 公 式 1887 年, 赫 兹 证 实 了 麦 克 斯 韦 电 磁 理 论, 但 他 同 时 也 发 现 了 光 电 效 应 现 象 1893 年, 黑 体 辐 射 的 维 恩 公 式 被 提 出 1896 年, 贝 克 勒 耳 发 现 了 放 射 性 1896 年, 发 现 了 光 谱 的 塞 曼 效 应 1897 年,J.J. 汤 姆 逊 发 现 了 电 子 1900 年, 普 朗 克 提 出 了 量 子 概 念, 以 解 决 黑 体 问 题 1905 年, 爱 因 斯 坦 提 出 了 光 量 子 的 概 念, 解 释 了 光 电 效 应 1910 年,α 粒 子 散 射 实 验 1911 年, 超 导 现 象 被 发 现 1913 年, 玻 尔 原 子 模 型 被 提 出 1915 年, 索 末 菲 修 改 了 玻 尔 模 型, 引 入 相 对 论, 解 释 了 塞 曼 效 应 和 斯 塔 克 效 应 1918 年, 玻 尔 的 对 应 原 理 成 型 1922 年, 斯 特 恩 - 格 拉 赫 实 验 1923 年, 康 普 顿 完 成 了 X 射 线 散 射 实 验, 光 的 粒 子 性 被 证 实 1923 年, 德 布 罗 意 提 出 物 质 波 的 概 念 1924 年, 玻 色 - 爱 因 斯 坦 统 计 被 提 出 1925 年, 泡 利 提 出 不 相 容 原 理

211 1925 年, 戴 维 逊 和 革 末 证 实 了 电 子 的 波 动 性 1925 年, 海 森 堡 创 立 了 矩 阵 力 学, 量 子 力 学 被 建 立 1925 年, 狄 拉 克 提 出 q 数 1925 年, 乌 仑 贝 克 和 古 德 施 密 特 发 现 了 电 子 自 旋 1926 年, 薛 定 谔 创 立 了 波 动 力 学 1926 年, 波 动 力 学 和 矩 阵 力 学 被 证 明 等 价 1926 年, 费 米 - 狄 拉 克 统 计 1927 年,G.P. 汤 姆 逊 证 实 了 电 子 的 波 动 性 1927 年, 海 森 堡 提 出 不 确 定 性 原 理 1927 年, 波 恩 作 出 了 波 函 数 的 概 率 解 释 1927 年, 科 莫 会 议 和 第 五 届 索 尔 维 会 议 召 开, 互 补 原 理 成 型 1928 年, 狄 拉 克 提 出 了 相 对 论 化 的 电 子 波 动 方 程, 量 子 电 动 力 学 走 出 第 一 步 1930 年, 第 6 届 索 尔 维 会 议 召 开, 爱 因 斯 坦 提 出 光 箱 实 验 1932 年, 反 电 子 被 发 现 1932 年, 查 德 威 克 发 现 中 子 1935 年, 爱 因 斯 坦 提 出 EPR 思 维 实 验 1935 年, 薛 定 谔 提 出 猫 佯 谬 1935 年, 汤 川 秀 树 预 言 了 介 子 1938 年, 超 流 现 象 被 发 现 1942 年, 费 米 建 成 第 一 个 可 控 核 反 应 堆 1942 年, 费 因 曼 提 出 路 径 积 分 方 法 1945 年, 第 一 颗 原 子 弹 爆 炸

212 1947 年, 第 一 个 晶 体 管 1948 年, 重 正 化 理 论 成 熟, 量 子 电 动 力 学 被 彻 底 建 立 1952 年, 玻 姆 提 出 导 波 隐 变 量 理 论 1954 年, 杨 - 米 尔 斯 规 范 场, 后 来 发 展 出 量 子 色 动 力 学 1956 年, 李 政 道 和 杨 振 宁 提 出 弱 作 用 下 宇 称 不 守 恒, 不 久 被 吴 健 雄 用 实 验 证 实 1957 年, 埃 弗 莱 特 提 出 多 世 界 解 释 1960 年, 激 光 技 术 被 发 明 1963 年, 盖 尔 曼 等 提 出 夸 克 模 型 1964 年, 贝 尔 提 出 贝 尔 不 等 式 1964 年,CP 对 称 性 破 缺 被 发 现 1968 年, 维 尼 基 亚 诺 模 型 建 立, 导 致 了 弦 论 的 出 现 1970 年, 退 相 干 理 论 被 建 立 1973 年, 弱 电 统 一 理 论 被 建 立 1973 年, 核 磁 共 振 技 术 被 发 明 1974 年, 大 统 一 理 论 被 提 出 1975 年,τ 子 被 发 现 1979 年, 惠 勒 提 出 延 迟 实 验 1982 年, 阿 斯 派 克 特 实 验, 定 域 隐 变 量 理 论 被 排 除 1983 年,Z0 中 间 玻 色 子 被 发 现, 弱 电 统 一 理 论 被 证 实 1984 年, 第 一 次 超 弦 革 命 1984 年, 格 里 芬 斯 提 出 退 相 干 历 史 解 释, 后 被 哈 特 尔 等 人 发 扬 1986 年,GRW 模 型 被 提 出

213 1993 年, 量 子 传 输 理 论 开 始 起 步 1995 年, 顶 夸 克 被 发 现 1995 年, 玻 色 - 爱 因 斯 坦 凝 聚 在 实 验 室 被 做 出 1995 年, 第 二 次 超 弦 革 命 开 始 yutian 回 复 于 : :39:11 [quote:5862f01a60="wingger"] 呜 呜 可 怕 [/quote:5862f01a60] 不 怕 不 怕, 不 是 完 了 吗 走, 哥 哥 请 你 吃 糖 wingger 回 复 于 : :44:30 谁 看 完 了, 我 的 天 哪 yutian 回 复 于 : :50:22 反 正 我 是 没 有 看 完, 有 空 再 说 sqw 回 复 于 : :23:05 Jing Hua loversxyc 回 复 于 : :27:52 是 啊 精 华

214 loversxyc 回 复 于 : :29:07 恩 这 好 像 是 我 的 帖 子 yutian 回 复 于 : :34:07 算 我 一 半 好 不 我 也 出 了 很 大 力 至 少 不 要 消 失, 还 没 有 看 呢 loversxyc 回 复 于 : :37:48 [quote: ="yutian"] 算 我 一 半 好 不 我 也 出 了 很 大 力 至 少 不 要 消 失, 还 没 有 看 呢 [/quote: ] :mrgreen: 当 然 当 然, 多 谢 多 谢 rwho 回 复 于 : :53:28 " 上 帝 掷 骰 子 " 这 个 问 题, 就 是 " 猫 " 的 生 死 问 题, 实 际 上 就 是 爱 因 斯 坦 和 玻 尔 长 达 10 年 论 争 的 发 展 和 继 续 ; 当 然 论 争 的 两 个 人 现 在 是 罗 杰 彭 罗 斯 和 霍 金. 现 在 好 象 霍 金 占 一 点 点 上 风, 但 是 这 个 问 题 并 没 有 解 决. 或 许 这 个 问 题 的 解 决, 可 能 会 揭 开 一 个 巨 大 的 面 纱, 需 要 物 理 学 基 础 的 重 新 建 立, 就 象 量 子 力 学 和 相 对 论 来 超 越 牛 顿 力 学 一 样. 可 能 是 丝 理 论, 也 可 能 是 铉 理 论 或 者 统 一 场 论, 或 者 是 更 加 新 的 理 论 solaris8000 回 复 于 : :07:10 看 了 一 篇 长 文 作 者 辛 苦 了 loversxyc 回 复 于 : :12:45 晕

215 yutian 回 复 于 : :48:37 顶 起 来 胶 皮 糖 回 复 于 : :44:32 倒 翻 页 翻 的 我 手 酸 wingger 回 复 于 : :10:01 不 错 yutian 回 复 于 : :36:47 过 几 天 我 把 费 马 大 定 理 也 搞 出 来, 呵 呵 loversxyc 回 复 于 : :43:02 好 耶 好 耶 我 昨 天 晚 上 终 于 看 完 了 几 贴 看 的 头 晕, 回 家 要 吃 扣 肉 补 一 补 ^_^ wingger 回 复 于 : :47:11 接 着 就 行 了 吧, 不 需 另 开 一 贴 吧 还 不 错 呵 呵, 说 明 传 统 势 力 有 时 是 挺 可 怕 的, 阻 碍 了 科 学 前 时 的 脚 步 yutian 回 复 于 : :11:17 什 么 接 着, 费 马 大 定 理 吗 其 实 各 位 可 以 去 下 载 的, 在 下, 可 以 下 载 到 那 个 东 东, 比 这 个 要 长 多 了, 那 个 是 292 页, 这 个 才 191 页 ( 其 实 也 很 多 的 ) 是 一 个 pdf 文 件, 名 字 叫 费 马 大 定 理 : 一 个 困 惑 世 间 智 者 358 年 的 迷 wingger 回 复 于 : :46:33 晕 yutian 回 复 于 : :02:59 mm 呀, 来, 我 扶 你 走

216 loversxyc 回 复 于 : :26:31 [quote:d77f634b04="yutian"]mm 呀, 来, 我 扶 你 走 [/quote:d77f634b04] 背 啊 扶 什 么, 背 的 接 触 面 积 更 大 :mrgreen: 我 已 经 看 到 第 三 页 了 million 回 复 于 : :26:36 此 等 好 文, 多 多 益 善 调 侃 重 地, 灌 水 止 步 double08 回 复 于 : :38:13 [quote:166bf0aa94="million"] 调 侃 重 地, 灌 水 止 步 [/quote:166bf0aa94] 毛 盾 angel518 回 复 于 : :06:02 简 直 太 好 看 了 不 过 : 科 学 家 无 疑 地 联 想 起 了 欧 几 里 德 的 第 五 公 设 ( 这 个 公 理 说, 过 线 外 一 点 只 能 有 一 条 直 线 与 已 知 直 线 平 行 人 们 后 来 证 明 这 个 公 理 并 不 是 十 分 可 靠 的 ) 这 句 话 怎 么 理 解 啊? 难 道 还 有 两 条 线 wingger 回 复 于 : :09:14 [quote:418b74fe52="angel518"] 简 直 太 好 看 了 不 过 : 科 学 家 无 疑 地 联 想 起 了 欧 几 里 德 的 第 五 公 设 ( 这 个 公 理 说, 过 线 外 一 点 只 能 有 一 条 直 线 与 已 知 直 线 平 行 人 们 后 来 证 明 这 个 公 理 并 不 是 十 分 可 靠 的 ) 这 句 话 怎 么 理 解 啊? 难 道 还 有 两 条 线 [/quote:418b74fe52] PF 我 都 没 看 那 么 详 细, 是 不 是 笔 误 啊 win_hate 回 复 于 : :26:11 所 谓 公 理, 只 要 能 自 圆 其 说 即 可, 没 有 什 么 可 靠 不 可 靠 的 公 理 的 本 质 就 是 一 个 约 定 把 " 过 线 外 一 点 只 能 有 一 条 直 线 与 已 知 直 线 平 行 " 换 成 " 过 一 点 能 作 不 止 一 条 直 线 平 行 于 给

217 定 的 直 线 导 出 的 是 罗 巴 切 夫 斯 基 几 何 把 " 过 线 外 一 点 只 能 有 一 条 直 线 与 已 知 直 线 平 行 " 换 成 " 任 何 两 条 直 线 均 相 交 ( 即 不 存 在 平 行 线 ) 导 出 的 是 黎 曼 几 何 wingger 回 复 于 : :31:30 [quote:24f2e7754f="win_hate"] 所 谓 公 理, 只 要 能 自 圆 其 说 即 可, 没 有 什 么 可 靠 不 可 靠 的 公 理 的 本 质 就 是 一 个 约 定 把 " 过 线 外 一 点 只 能 有 一 条 直 线 与 已 知 直 线 平 行 " 换 成 " 过 一 点 能 作 不 止 一 条 直 线 平 行 于 给 定 的 直 线 导 出 的 是 罗 巴 切 夫 斯 基 几 何 :em06::em06::em06: 能 成 立 吗 rwho 回 复 于 : :53:28 罗 巴 切 夫 斯 基 创 立 非 欧 几 何 的 艰 难 历 程 1893 年, 在 喀 山 大 学 树 立 起 世 界 上 第 一 个 数 学 家 的 塑 像 这 位 数 学 家 就 是 俄 国 的 伟 大 学 者 非 欧 几 何 的 创 始 人 之 一 罗 巴 切 夫 期 基 (H.N.JIoqaheBCKNN, ) 非 欧 几 何 是 人 类 认 识 史 上 一 个 富 有 创 造 性 的 伟 大 成 果, 它 的 创 立, 不 仅 带 来 了 近 百 年 来 数 学 的 巨 大 进 步, 而 且 对 现 代 物 理 学 天 文 学 以 及 人 类 时 空 观 念 的 变 革 都 产 生 了 深 远 的 影 响 可 是, 这 一 重 要 的 数 学 发 现 在 罗 巴 切 夫 斯 基 提 出 后 相 当 长 的 段 时 间 内, 不 但 没 能 赢 得 社 会 的 承 认 和 赞 美, 反 而 遭 到 种 种 歪 曲 非 难 和 攻 击, 使 非 欧 几 何 这 一 新 理 论 迟 迟 得 不 到 学 术 界 的 公 认 失 败 的 启 迪 罗 巴 切 夫 斯 基 是 在 尝 试 解 决 欧 氏 第 五 公 设 问 题 的 过 程 中, 从 失 败 走 上 他 的 发 现 之 路 的 欧 氏 第 五 公 设 问 题 是 数 学 史 上 最 古 老 的 著 名 难 题 之 一 它 是 由 古 希 腊 学 者 最 先 提 出 来 的 公 元 前 3 世 纪, 希 腊 亚 历 山 大 里 亚 学 派 的 创 始 者 欧 几 里 得 (Euclid, 约 公 元 前 330 年 - 前 275) 集 前 人 几 何 研 究 之 大 成, 编 写 了 数 学 发 展 史 上 具 有 极 其 深 远 影 响 的 数 学 巨 著 几 何 原 本 这 部 著 作 的 重 要 意 义 在 于, 它 是 用 公 理 法 建 立 科 学 理 论 体 系 的 最 早 典 范 在 这 部 著 作 中, 欧 几 里 得 为 推 演 出 几 何 学 的 所 有 命 题, 一 开 头 就 给 出 了 五 个 公 理 ( 适 用 于 所 有 科 学 ) 和 五 个 公 设 ( 只 应 用 于 几 何 学 ), 作 为 逻 辑 推 演 的 前 提 几 何 原 本 的 注 释 者 和 评 述 者 们 对 五 个 公 理 和 前 四 个 公 设 都 是 很 满 意, 唯 独 对 第 五 个 公 设 ( 即 平 行 公 理 ) 提 出 了 质 疑 第 五 公 设 是 论 及 平 行 线 的, 它 说 的 是 : 如 果 一 直 线 和 两 直 线 相 交, 所 构 成 的 两 个 同 侧 内 角 之 和 小 于 两 直 角, 那 么, 把 这 两 直 线 延 长, 它 们 一 定 在 那 两 内 角 的 侧 相 交 数 学 家 们 并 不 怀 疑 这 个 命 题 的 真 实 性, 而 是 认 为 它 无 论 在 语 句 还 是 在 内 容 上 都 不 大 像 是 个 公 设, 而 倒 像 是 个 可 证 的 定 理, 只 是 由 于 欧 几 里 得 没 能 找 到 它 的 证 明, 才 不 得 不 把 它 放 在 公 设 之 列 为 给 出 第 五 公 设 的 证 明, 完 成 欧 几 里 得 没 能 完 成 的 工 作, 自 公 元 前 3 世 纪 起 到 19 世 纪 初, 数 学 家 们 投 入 了 无 穷 无 尽 的 精 力, 他 们 几 乎 尝 试 了 各 种 可 能 的 方 法, 但 都 遭 到 了 失 败 罗 巴 切 夫 斯 基 是 从 1815 年 着 手 研 究 平 行 线 理 论 的 开 始, 他 也 是 循 着 前 人 的 思 路, 试 图 给 出 第

218 五 公 设 的 证 明 在 保 存 下 来 的 他 的 学 生 听 课 笔 记 中, 就 记 有 他 在 学 年 度 向 何 教 学 中 给 出 的 几 个 证 明 可 是, 很 快 他 便 意 识 到 自 己 的 证 明 是 错 误 的 前 人 和 自 己 的 失 败 从 反 面 启 迪 了 他, 使 他 大 胆 思 索 问 题 的 相 反 提 法 : 可 能 根 本 就 不 存 在 第 五 公 设 的 证 明 于 是, 他 便 调 转 思 路, 着 手 寻 求 第 五 公 设 不 可 证 的 解 答, 这 是 一 个 全 新 的, 也 是 与 传 统 思 路 完 全 相 反 的 探 索 途 径 罗 巴 切 夫 斯 基 正 是 沿 着 这 个 途 径, 在 试 证 第 五 公 设 不 可 证 的 过 程 上 发 现 一 个 新 的 几 何 世 界 的 那 么, 罗 巴 切 夫 斯 基 是 怎 样 证 得 第 五 公 设 不 可 证 的 呢? 又 是 怎 样 从 中 发 现 新 几 何 世 界 的 呢? 原 来 他 创 造 性 地 运 用 了 处 理 复 杂 数 学 问 题 常 用 的 一 种 逻 辑 方 法 -- 反 证 法 这 种 反 证 法 的 基 本 思 想 是, 为 证 第 五 公 设 不 可 证, 首 先 对 第 五 公 设 加 以 否 定, 然 后 用 这 个 否 定 命 题 和 其 它 公 理 公 设 组 成 新 的 公 理 系 统, 并 由 此 展 开 逻 辑 推 演 假 设 第 五 公 设 是 可 证 的, 即 第 五 公 设 可 由 其 它 公 理 公 设 推 演 出 来, 那 么, 在 新 公 理 系 统 的 推 演 过 程 中 一 定 能 出 现 逻 辑 矛 盾, 至 少 第 五 公 设 和 它 的 否 定 命 题 就 是 一 对 逻 辑 矛 盾 ; 反 之, 如 果 推 演 不 出 矛 盾, 就 反 驳 了 第 五 公 设 可 证 这 一 假 设, 从 而 也 就 间 接 证 得 第 五 公 设 不 可 证 依 照 这 个 逻 辑 思 路, 罗 巴 切 夫 斯 基 对 第 五 公 设 的 等 价 命 题 普 列 菲 尔 公 理 过 平 面 上 直 线 外 一 点, 只 能 引 一 条 直 线 与 已 知 直 线 不 相 交 作 以 否 定, 得 到 否 定 命 题 过 平 面 上 直 线 外 一 点, 至 少 可 引 两 条 直 线 与 已 知 直 线 不 相 交, 并 用 这 个 否 定 命 题 和 其 它 公 理 公 设 组 成 新 的 公 理 系 统 展 开 逻 辑 推 演 在 推 演 过 程 中, 他 得 到 一 连 串 古 怪 的 命 题, 但 是, 经 过 仔 细 审 查, 却 没 有 发 现 它 们 之 间 含 有 任 何 罗 辑 矛 盾 于 是, 远 见 卓 识 的 罗 巴 切 夫 斯 基 大 胆 断 言, 这 个 在 结 果 中 并 不 存 在 任 何 矛 盾 的 新 公 理 系 统 可 构 成 一 种 新 的 几 何, 它 的 罗 辑 完 整 性 和 严 密 性 可 以 和 欧 几 里 得 几 何 相 媲 美 而 这 个 无 矛 盾 的 新 几 何 的 存 在, 就 是 对 第 五 公 设 可 证 性 的 反 驳, 也 就 是 对 第 五 公 设 不 可 证 性 的 逻 辑 证 明 由 于 尚 未 找 到 新 几 何 在 现 实 界 的 原 型 和 类 比 物, 罗 巴 切 夫 斯 基 慎 重 地 把 这 个 新 几 何 称 之 为 想 象 几 何 在 冷 漠 中 宣 告 新 几 何 诞 生 1826 年 2 月 23 日, 罗 巴 切 夫 斯 基 于 喀 山 大 学 物 理 数 学 系 学 术 会 议 上 宣 读 了 他 的 第 一 篇 关 于 非 欧 几 何 的 论 文 几 何 学 原 理 及 平 行 线 定 理 严 格 证 明 的 摘 要 这 篇 首 创 性 论 文 的 问 世, 标 志 着 非 欧 几 何 的 诞 生 然 而, 这 一 重 大 成 果 刚 一 公 诸 于 世, 就 遭 到 正 统 数 学 家 的 冷 漠 和 反 对 参 加 2 月 23 日 学 术 公 议 的 全 是 数 学 造 诣 较 深 的 专 家, 其 中 著 名 的 数 学 家 天 文 学 家 西 蒙 诺 夫 (A.M.CИMOHOB), 有 后 来 成 为 科 学 院 院 士 的 古 普 费 尔 (A.R.KYI-Iφep) 以 及 后 来 在 数 学 界 颇 有 声 望 的 博 拉 斯 曼 (H.Д.Бp-aшMah) 在 这 些 人 的 心 目 中, 罗 巴 切 夫 斯 基 是 一 位 很 有 才 华 的 青 年 数 学 家 可 是, 出 乎 他 们 的 意 料, 这 位 年 轻 的 教 授 在 简 短 的 开 场 白 之 后, 接 着 说 的 全 是 一 些 令 人 莫 明 其 妙 的 话, 诸 如 三 角 形 的 内 角 和 小 于 两 直 角, 而 且 随 着 边 长 增 大 而 无 限 变 小, 直 至 趋 于 零 ; 锐 角 一 边 的 垂 线 可 以 和 另 一 边 不 相 交, 等 等 这 些 命 题 不 仅 离 奇 古 怪, 与 欧 几 里 得 几 何 相 冲 突, 而 且 还 与 人 们 的 日 常 经 验 相 背 离 然 而, 报 告 者 却 认 真 地 充 满 信 心 地 指 出, 它 们 属 于 一 种 逻 辑 严 谨 的 新 几 何, 和 欧 几 里 得 向 何 有 着 同 等 的 存 在 权 利 这 些 古 怪 的 语 言, 竟 然 出 自 一 个 头 脑 清 楚 治 学 严 谨 的 数 家 教 授 之 口, 不 能 不 使 与 会 者 们 感 到 意 外 他 们 先 是 表 现 现 一 种 疑 惑 和 惊 呆, 不 多 一 会 儿, 便 流 露 出 各 种 否 定 的 表 情 宣 讲 论 文 后, 罗 巴 切 夫 斯 基 诚 恳 地 请 与 会 者 讨 论, 提 出 修 改 意 见 可 是, 谁 也 不 肯 作 任 何 公

219 开 评 论, 会 场 上 一 片 冷 漠 一 个 具 有 独 创 性 的 重 大 发 现 作 出 了, 那 些 最 先 聆 听 到 发 现 者 本 人 讲 述 发 现 内 容 的 同 行 专 家, 却 因 思 想 上 的 守 旧, 不 仅 没 能 理 解 这 一 发 现 的 重 要 意 义, 反 而 采 取 了 冷 谈 和 轻 慢 的 态 度, 这 实 在 是 一 件 令 人 遗 憾 的 事 情 会 后, 系 学 术 委 员 会 委 托 西 蒙 诺 夫 古 普 费 尔 和 博 拉 斯 曼 组 成 三 人 鉴 定 小 组, 对 罗 巴 切 夫 斯 基 的 论 文 作 出 书 面 鉴 定 他 们 的 态 度 无 疑 是 否 定 的, 但 又 迟 迟 不 肯 写 出 书 面 意 见, 以 致 最 后 连 文 稿 也 给 弄 丢 了 权 威 的 讥 讽 与 匿 名 者 的 攻 击 罗 巴 切 夫 斯 基 的 首 创 性 论 文 没 能 引 起 学 术 界 的 注 意 和 重 视, 论 文 本 身 也 似 石 沉 大 海, 不 知 被 遗 弃 何 处 但 他 并 没 有 因 此 灰 心 丧 气, 而 是 顽 强 地 继 续 独 自 探 索 新 几 何 的 奥 秘 1829 年, 他 又 撰 写 出 一 篇 题 为 几 何 学 原 理 的 论 文 这 篇 论 文 重 现 了 第 一 篇 论 文 的 基 本 思 想, 并 且 有 所 补 充 和 发 展 此 时, 罗 巴 切 夫 斯 基 已 被 推 选 为 喀 山 大 学 校 长, 可 能 出 自 对 校 长 的 尊 敬, 喀 山 大 学 通 报 全 文 发 表 了 这 篇 论 文 1832 年, 根 据 罗 巴 切 夫 斯 基 的 请 求, 喀 山 大 学 学 术 委 员 会 把 这 篇 论 文 呈 送 彼 得 堡 科 学 院 审 评 科 学 院 委 托 著 名 数 学 家 奥 斯 特 罗 格 拉 茨 基 (M.B.OCTPOГPAДCK ИЙ, ) 院 士 作 评 定 奥 斯 特 罗 格 拉 茨 基 是 新 推 选 的 院 士, 曾 在 数 学 物 理 数 学 分 析 力 学 和 天 体 力 学 等 方 面 有 过 卓 越 的 成 就, 在 当 时 学 术 界 有 很 高 的 声 望 可 惜 的 是, 就 是 这 样 一 位 杰 出 的 数 学 家, 也 没 能 理 解 罗 巴 切 夫 斯 基 的 新 几 何 思 想, 甚 至 比 喀 山 大 学 的 教 授 们 更 加 保 守 如 果 说 喀 山 大 学 的 教 授 们 对 罗 巴 切 夫 斯 基 本 人 还 是 很 宽 容 的 话, 那 么, 奥 斯 特 罗 格 拉 茨 基 则 使 用 极 其 挖 苦 的 语 言, 对 罗 巴 切 夫 斯 基 作 了 公 开 的 指 责 和 攻 击 同 年 11 月 7 日, 他 在 给 科 学 院 的 鉴 定 书 中 一 开 头 就 以 嘲 弄 的 口 吻 写 道 : 看 来, 作 者 旨 在 写 出 一 部 使 人 不 能 理 解 的 著 作 他 达 到 自 己 的 目 的 接 着, 对 罗 巴 切 夫 斯 基 的 新 几 何 思 想 进 行 了 歪 曲 和 贬 低 最 后 粗 暴 地 断 言 : 由 此 我 得 出 结 论, 罗 马 切 夫 斯 基 校 长 的 这 部 著 作 谬 误 连 篇, 因 而 不 值 得 科 学 院 的 注 意 这 篇 论 文 不 仅 引 起 了 学 术 界 权 威 的 恼 怒, 而 且 还 激 起 了 社 会 上 反 动 势 力 的 敌 对 叫 嚣 名 叫 布 拉 切 克 (C.A.БypaЧek) 和 捷 列 内 (C.И.ЗeЛeHbiЙ) 的 两 个 人, 以 匿 名 C.C 在 祖 国 之 子 杂 志 上 撰 文, 公 开 指 名 对 罗 巴 切 夫 斯 基 进 行 人 身 攻 击 匿 名 者 在 题 为 评 罗 巴 切 夫 斯 基 的 著 作 几 何 学 原 理 一 文 中, 开 始 就 不 怀 好 意 地 写 道 : 甚 至 难 以 理 解, 罗 巴 切 夫 斯 基 先 生 是 如 何 用 数 学 中 最 简 明 的 几 何 学, 建 立 起 晦 涩 的 不 可 思 议 和 神 秘 莫 测 的 学 说 的 文 中 嘲 弄 道 : 为 什 么 不 能 把 黑 的 想 象 成 白 的, 把 圆 的 想 象 成 方 的, 把 三 角 形 内 角 和 想 象 成 小 于 两 直 角, 把 同 一 个 定 积 分 值 想 象 成 既 等 于 π/4, 又 等 于? 非 常 非 常 可 能, 尽 管 理 智 是 不 能 理 解 这 些 的 在 文 章 的 结 尾 处, 作 者 更 加 放 肆 地 讥 讽 道 : 为 什 么 不 写 成, 例 如 对 几 何 学 的 讽 刺, 几 何 学 漫 画 等 什 么 的, 来 代 替 标 题 几 何 学 原 理? 针 对 这 篇 污 辱 性 的 匿 名 文 章, 罗 巴 切 夫 斯 基 撰 写 了 一 篇 反 驳 文 章 但 祖 国 之 子 杂 志 却 以 维 护 杂 志 声 誉 为 由, 将 罗 巴 切 夫 斯 基 的 文 章 扣 压 下 来, 一 直 不 予 发 表 对 此, 罗 巴 切 夫 斯 基 极 为 气 愤 祖 国 之 子 杂 志 刊 登 攻 击 科 学 家 的 匿 名 文 章 并 非 偶 然, 而 是 有 一 定 的 政 治 背 景 的 原 来 这 家 杂 志 的 把 持 者 布 尔 加 林 (Ф. В. БyjiГapИH) 和 格 列 奇 (M.И.ГpeЧ) 同 沙 皇 秘 密 政

220 治 组 织 第 三 厅 有 着 联 系, 他 们 靠 第 三 厅 的 资 助 维 持 杂 志, 并 且 充 当 帮 凶, 专 门 监 视 和 打 击 先 进 的 思 想 家 和 具 有 革 命 倾 向 的 科 学 家 明 显 表 现 有 无 神 论 和 唯 物 主 义 倾 向 的 喀 山 大 学 校 长 罗 巴 切 夫 斯 基, 自 然 要 被 他 们 列 为 危 险 对 象 加 以 监 视 借 歪 曲 诋 毁 科 学 新 成 果, 来 压 制 打 击 具 有 进 步 思 想 的 科 学 家, 是 一 切 反 动 势 力 的 惯 用 伎 俩 在 孤 境 中 奋 斗 终 生 罗 巴 切 夫 斯 基 开 创 了 数 学 的 一 个 新 领 域, 但 他 的 创 造 性 工 作 在 生 前 始 终 没 能 得 到 学 术 界 的 重 视 和 承 认 就 在 他 去 世 的 前 两 年, 俄 国 著 名 数 学 家 布 尼 雅 可 夫 斯 基 (В.Я.БyhЯkobckИЙ, ) 还 在 其 所 著 的 平 行 线 一 书 中 对 罗 巴 切 夫 斯 基 发 难, 他 试 图 通 过 论 述 非 欧 几 何 与 经 验 认 识 的 不 一 致 性, 来 否 定 非 欧 几 何 的 真 实 性 英 国 著 名 数 学 家 莫 尔 甘 (Morgan, ) 对 非 欧 几 何 的 抗 拒 心 里 表 现 得 就 更 加 明 显 了, 他 甚 至 在 没 有 亲 自 研 读 非 欧 几 何 著 作 的 情 况 下 就 武 断 地 说 : 我 认 为, 任 何 时 候 也 不 会 存 在 与 欧 几 里 得 几 何 本 质 上 不 同 的 另 外 一 种 几 何 莫 尔 甘 的 话 代 表 了 当 时 学 术 界 对 非 欧 几 何 的 普 遍 态 度 在 创 立 和 发 展 非 欧 几 何 的 艰 难 历 程 上, 罗 巴 切 夫 斯 基 始 终 没 能 遇 到 他 的 公 开 支 持 者, 就 连 非 欧 几 何 的 另 一 位 发 现 者 德 国 的 高 斯 (Gauss, ) 也 不 肯 公 开 支 持 他 的 工 作 高 斯 是 当 时 数 学 界 首 屈 一 指 的 学 学 巨 匠, 负 有 欧 洲 数 学 之 王 的 盛 名, 早 在 1792 年, 也 就 是 罗 巴 切 夫 斯 基 诞 生 的 那 一 年, 他 就 已 经 产 生 了 非 欧 几 何 思 想 萌 芽, 到 了 1817 年 已 达 成 熟 程 度 他 把 这 种 新 几 何 最 初 称 之 为 反 欧 几 何 后 称 星 空 几 何, 最 后 称 非 欧 几 何 但 是, 高 斯 由 于 害 怕 新 几 何 会 激 起 学 术 界 的 不 满 和 社 会 的 反 对, 会 由 此 影 响 他 的 尊 严 和 荣 誉, 生 前 一 直 没 敢 把 自 己 的 这 一 重 大 发 现 公 之 于 世, 只 是 谨 慎 地 把 部 分 成 果 写 在 日 记 和 与 朋 友 的 往 来 书 信 中 当 高 斯 看 到 罗 巴 切 夫 斯 基 的 德 文 非 欧 几 何 著 作 平 行 线 理 论 的 几 何 研 究 (1840 年 ) 后, 内 心 是 矛 盾 的, 他 一 方 面 私 下 在 朋 友 面 前 高 度 称 赞 罗 巴 切 夫 斯 基 是 俄 国 最 卓 越 的 数 学 家 之 一, 并 下 决 心 学 习 俄 语, 以 便 直 接 阅 读 罗 巴 切 夫 斯 基 的 全 部 非 欧 几 何 著 作 ; 另 一 方 面, 却 又 不 准 朋 友 向 外 界 泄 露 他 对 非 欧 几 何 的 有 关 告 白, 也 从 不 以 任 何 形 式 对 罗 巴 切 夫 斯 基 的 非 欧 几 何 研 究 工 作 加 以 公 开 评 论 他 积 极 推 选 罗 巴 切 夫 斯 基 为 哥 延 根 皇 家 科 学 院 通 讯 院 士, 可 是, 在 评 选 会 上 和 他 亲 笔 写 给 罗 巴 切 夫 斯 基 的 推 选 通 知 书 中, 他 对 罗 巴 切 夫 斯 基 在 数 学 上 的 最 卓 越 贡 献 -- 创 立 非 欧 几 何 却 避 而 不 谈 高 斯 凭 任 在 数 学 界 的 声 望 和 影 响, 完 全 有 可 能 减 少 罗 巴 切 夫 斯 基 的 压 力, 促 进 学 术 界 对 非 欧 几 何 的 公 认 然 而, 在 顽 固 的 保 守 势 力 面 前 他 却 丧 失 了 斗 争 的 勇 气 高 斯 的 沉 默 和 软 弱 表 现, 不 便 严 重 限 制 了 他 在 非 欧 几 何 研 究 上 所 能 达 到 的 高 度, 而 且 客 观 上 助 长 了 保 守 势 力 对 罗 巴 切 夫 斯 基 的 攻 击 晚 年 的 罗 巴 切 夫 斯 基 心 情 更 加 沉 重, 他 不 仅 在 学 术 上 受 到 压 制, 而 且 在 工 作 上 还 受 到 限 制 按 照 当 时 俄 国 大 学 委 员 会 的 条 例, 教 授 任 职 的 最 高 斯 限 是 30 年, 依 照 这 个 条 例,1846 年 罗 巴 切 夫 斯 基 向 人 民 教 育 部 提 出 呈 文, 请 求 免 去 他 在 数 学 教 研 室 的 工 作, 并 推 荐 让 位 给 他 的 学 生 A.Φ. 波 波 夫 人 民 教 育 部 早 就 对 不 顺 从 他 们 意 志 办 事 的 罗 巴 切 夫 斯 基 抱 有 成 见, 但 又 找 不 到 合 适 的 机 会 免 去 他 在 喀 山 大 学 的 校 长 职 务 罗 巴 切 夫 斯 基 辞 去 教 授 职 务 的 申 请 正 好 被 他 们 用 以 作 为 借 口, 不 仅 免 去 了 他 主 持 教 研 室 的 工 作, 而 且 还 违 背 他 本 人 的 意 愿, 免 去 了 他 在 喀 山 大 学 的 所 有 职 务 被 迫 离 开 终 生 热 爱 的 大 学 工 作, 使 罗 巴 切 夫 斯 基 在 精 神 上 遭 到 严 重 打 击 他 对 人 民 教 育 部 的 这 项 无 理 决 定, 表 示 了 极 大 的 愤 慨

221 家 庭 的 不 幸 格 外 增 加 了 他 的 苦 恼 他 最 喜 欢 的 很 有 才 华 的 大 儿 子 因 患 肺 结 核 医 治 无 效 死 去, 这 使 他 十 分 伤 感 他 的 身 体 也 变 得 越 来 越 多 病, 眼 睛 逐 渐 失 明, 最 后 终 于 什 么 也 看 不 见 了 1856 年 2 月 12 日, 伟 大 的 学 者 罗 巴 切 夫 斯 基 在 苦 闷 和 抑 郁 中 走 完 了 他 生 命 的 最 后 一 段 路 程 喀 山 大 学 师 生 为 他 举 行 了 隆 重 的 追 悼 会 在 追 悼 会 上, 他 的 许 多 同 事 和 学 生 高 度 赞 扬 他 在 建 设 喀 山 大 学 提 高 民 族 教 育 水 平 和 培 养 数 学 人 材 等 方 面 的 卓 越 功 绩, 可 是 谁 也 不 提 他 的 非 欧 几 何 研 究 工 作, 因 为 此 时, 人 们 还 普 遍 认 为 非 欧 几 何 纯 属 无 稽 之 谈 罗 巴 切 夫 斯 基 为 非 欧 几 何 的 生 存 和 发 展 奋 斗 了 三 十 多 年, 他 从 来 没 有 动 摇 过 对 新 几 何 远 大 前 途 的 坚 定 信 念 为 了 扩 大 非 欧 几 何 的 影 响, 争 取 早 日 取 得 学 术 界 的 承 认, 除 了 用 俄 文 外, 他 还 用 法 文 德 文 发 现 了 自 己 的 著 作, 同 时 还 精 心 设 计 了 检 验 大 尺 度 空 间 几 何 特 性 的 天 文 观 测 方 案 不 仅 如 此, 他 还 发 展 了 非 欧 几 何 的 解 析 和 微 分 部 分, 使 之 成 为 一 个 完 整 的 有 系 统 的 理 论 体 系 在 身 患 重 病, 卧 床 不 起 的 困 境 下, 他 也 没 停 止 对 非 欧 几 何 的 研 究 他 的 最 后 一 部 巨 著 论 几 何 学, 就 是 在 他 双 目 失 明, 临 去 世 的 前 一 年, 口 授 他 的 学 生 完 成 的 历 史 是 最 公 允 的, 因 为 它 终 将 会 对 各 种 思 想 观 点 和 见 解 作 出 正 确 的 评 价 1868 年, 意 大 利 数 学 家 贝 特 拉 米 (Beltrami, ) 发 表 了 一 篇 著 名 论 文 非 欧 几 何 解 释 的 尝 试, 证 明 非 欧 几 何 可 以 在 欧 几 里 得 空 间 的 曲 面 ( 例 如 拟 球 曲 面 ) 上 实 现 这 就 是 说, 非 欧 几 何 命 题 可 以 翻 译 成 相 应 的 欧 几 里 得 几 何 命 题, 如 果 欧 几 里 得 几 何 没 有 矛 盾, 非 欧 几 何 也 就 自 然 没 有 矛 盾 人 们 既 然 承 认 欧 几 里 是 没 有 矛 盾 的, 所 以 也 就 自 然 承 认 非 欧 几 何 没 有 矛 盾 了 直 到 这 时, 长 期 无 人 问 津 的 非 欧 几 何 才 开 始 获 得 学 术 界 的 普 遍 注 意 和 深 入 研 究, 罗 巴 切 夫 斯 基 的 独 创 性 研 究 也 就 由 此 得 到 学 术 界 的 高 度 评 价 和 一 致 赞 美, 他 本 人 则 被 人 们 赞 誉 为 几 何 学 中 的 哥 白 尼 在 科 学 探 索 的 征 途 上, 一 个 人 经 得 住 一 时 的 挫 折 和 打 击 并 不 难, 难 的 是 勇 于 长 期 甚 至 终 生 在 逆 境 中 奋 斗 罗 巴 切 夫 斯 基 就 是 在 逆 境 中 奋 斗 终 生 的 勇 士 同 样, 一 名 科 学 工 作 者, 特 别 是 声 望 较 高 的 学 术 专 家, 正 确 识 别 出 那 些 已 经 成 熟 的 或 具 有 明 显 现 实 意 义 的 科 这 成 果 并 不 难, 难 的 是 及 时 识 别 出 那 些 尚 未 成 熟 或 现 实 意 义 尚 未 显 露 出 来 的 科 学 成 果 我 们 每 一 位 科 学 工 作 者, 既 应 当 作 一 名 勇 于 在 逆 境 中 顽 强 点 头 的 科 学 探 索 者, 又 应 当 成 为 一 个 科 学 领 域 中 新 生 事 物 的 坚 定 支 持 者 ( 摘 自 数 学 驿 站 ) * 请 尊 重 我 们 的 劳 动, 转 载 请 注 明 出 自 ChinaUnix.net 及 作 者 名 * Copyright ChinaUnix.net All Rights Reserved [ [email protected] ] 感 谢 所 有 关 心 和 支 持 过 ChinaUnix 的 朋 友 们