上帝掷骰子吗？量子物理史话—

简介

这是一本让人一口气读完的书。

如果说《明朝那些事》是用小说的格调来阐述明朝历史的书，那么《上帝掷骰子吗？量子物理史话》则是一本用讲故事的方式来重现量子物理的发家历程。

前者用调侃的语气描述了明朝的达官贵族，后者则用轻松的笔调展现了物理大家们对自然世界的探索之路。

读这本书前，还在犹豫一件事：量子物理与我们的日常生活相去甚远，且自己对量子物理不甚了解，能看懂么？

事实证明，作者曹天元做到了，只需初中及少量高中知识，通读此书无任何难度。这也层面说明，对量子物理的理解不需要艰深的理论知识储备。

系好安全带，跟着作者上车即可！

回味经典

物理史最伟大的时代至少有两个：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，宣告了近代经典物理学的正式创立；而后者则带来了相对论和量子论，它彻底推翻和重建了整个物理学体系。

经典已然成为经典，留给我们的是怀旧，但量子论，虽然至今也已有100余年的历史，但却始终披着一层面纱，普通大众基本只是听说，却道不出所以然来。

其实，说不清道不明并不是问题，因为即使是诺贝尔奖得主也未必能够得出服众的结论。甚至，量子论的奠基人之一玻尔曾说：“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就没有真正理解量子论”。

读这本书也有遗憾的一点，因为从1887年自然物理学的黄金时代开始，前期的物理学家压根没有中国人，后期算是进入了科学的圈子，有了几个，也是现代的事了。

从1887年自然物理学的黄金时代开始，科学界的故事并不比政界的少，也不比政治上的争斗乏味可陈。

我们现在都知道，光是波粒二象性的。但这个最终结论的得出，却也耗费了几代物理学家的心血和跨跃几个世纪的争吵。

以波动说和微粒说形成的两大物理营地，分别以实验、理论为炮弹，向对方攻击。战势也是十年河东、十年河西，没有哪个理论能覆盖一切。

麦克斯韦的电磁理论把光的波动说推向了极致，几乎再没有人怀疑光的波动性，直到量子理论的产生。

兔子追不上龟

有一个问题：

假设兔子在乌龟后方100m，兔子的速度是乌龟的10倍。现在兔子开始追乌龟，但是当兔子跑到乌龟现在这个位置，也就是跑了100m的时候，乌龟已经向前爬了10m。当兔子再追10m的时候，乌龟又向前了1m，兔子再追1m，乌龟又向前了1/10m…

怎么样，不管兔子跑多快，永远只能无限逼近乌龟，而无法“真正”追上乌龟，有没有道理？

这是一个悖论，这一点毋庸置疑。因为，现实中，谁都知道，兔子追上乌龟，是极其轻松的事，别说追上，超过也是一眨眼的事。那么，问题是，怎么反驳上面这个推论呢？

其实，这个问题让人困惑的地方就在于，它采用了一种无限分割空间的方法。虽然在数学上无限次的相加会得到有限的值，但现实中的空间是否可以无限次细分就不那么清楚了。

特别是自量子革命以来，学者们越来越多地认为空间未必能无限分割下去，所以上述假设也就不攻自破了。

量子，也就是不连续性，它打破了伽利略和牛顿以来人们用数学驯服自然的规律，后者认为一切自然的过程都是连续不间断的。微积分的基础也是建立在连续平滑性上的。

很多人一度认为，自牛顿等人之后，再无研究物理的必要，因为大家都觉得，人类已经掌握了自然界中的一切，后人所能做的只是修修补补而已。

然而，普朗克的不连续性假设引发了一场大地震，物理学赖以建立的基础开始动摇了。

普朗克点燃了火炬，拉开了帷幕，大戏马上开始，下面演员请就位：

爱因斯坦、玻尔、薛定谔、波恩、德布罗意、泡利、海森堡…

啊哈，这场戏，是诺贝尔颁奖委员会导演的吗？

薛定谔的猫

薛定谔是瑞士苏黎世大学教授，他的名气来自薛定谔波动方程，并以此创立了波动力学。他的论文被誉为“包含了大部分物理学和全部化学”。

波动力学与海森堡的矩阵力学，都是当时对量子论的解释，然而他们各自为战，形成了两大阵营。但最终证明，他们两个的理论殊途同归，

关于薛定谔方程，有一点要特别说明，就是方程中那个波函数fai，一直没有找到合理的解释，它到底代表着怎样的物理意义呢？

最终，波恩给出了答案：骰子。是的，就是澳门和拉斯维加斯赌场中才会出现的骰子，摇一下，就像潘多拉盒子一样，打开才知道它里面是什么。哈哈，什么？物理学需要你打开才能知道它是什么？

我们只能预言概率？这是物理学的挑战么？千百年来，万事万物都是在物理学定律的约束下严密进行的，物理学不仅能够解释过去和现在，它还能预言未来。

物理学定律和方程能够地预测一个炮弹的运行轨迹和降落地点；能够预测几千年后的日食、时刻精确到秒；根据物理定律制造的仪器设备能够有条不紊地按照预想的规划工作，不会出现任何的疏忽和不确定…

现在，波恩说，对于这个世界，没有确定性，只有概率性。很快，海森堡的不确定性原理就出来了，物理界哗然，世人哗然。

好，薛定谔的猫出场。

既然这个世界是不确定的，原子的衰变也是在我们观察的那一刻才确定，在观察之前一直处于衰变和不衰变的中间态，那么，现在实现不在微观层面进行了，咱们来现实世界里看看吧。

现在有一个不透明的箱子，箱子里有一个原子，还有一种结构巧妙的装置，每当原子衰变而放出一个中子，它就激发一连串的反应，最终结果是打破箱子里的毒气瓶，而同时，箱子里还有一只可怜的猫。

很明显，如果原子衰变了，毒气瓶被打破，猫就被毒死。要是没有衰变，那么猫就好好地活着。

啊哈，有意思了。自然的推论就是：当它们在箱子里时，由于没有观察，所以原子就处于衰变/不衰变的叠加态，因为原子的不确定，所以猫的状态也不确定。只有我们打开箱子看时，事情才最终定论：猫要么死了，要么好好地活着。

于是，问题来了，当我们打开箱子之前，猫处于什么状态呢？跟原子一样处于叠加态，猫处于死/活的叠加态吗？一只既死又活的猫？？

更进一步，把一个戴着防毒面具的人也放在箱子里，他会看到什么？当实验结束，记录实验过程时，他只可能记录死猫/活猫，不可能会看到一只处于死活叠加状态的猫。

更更进一步，找一个愿意为了科学而献身的人士，把猫换成人，为了义士少受痛苦，把毒气换成一把枪。怎么样，这位义士如果幸运地没有献身成功，他能否记录下实验过程，说自己处于又死又活的叠加态呢？还是他压根就什么都没有发生（如果有什么发生了，他也没有记录实验结果的机会了）？

哎呀，没法再继续下去了，各位！对此，已经有物理大家们给出了不同的解释，虽然解释各不相同，也没有最终定论，但大家了解了还是可以的：

哥本哈根
MWI
隐变量
GRM理论
DH解释

这些解释也不复杂，各位看官不妨自己试着解释一下这个奇妙而又神奇的现象，说不定，未来的诺贝尔奖名单里，就有你呢！

著名的图像：

你看到的是花瓶还是人脸？为什么同一幅画，会看出完全不一样的东西？尝试解释一下吧！

科学家的闲话

声明：这些内容可能与我们在课堂上学习到的正统故事不相容，甚至引起不适，建议慎重阅读，权当饭后闲话。

牛顿与胡克的恩怨

其实，胡克除了中学课本中的胡克定律（弹性定律）之外，还有很多成就，如《显微术》，亲自主持了1666年伦敦大火后的城市重建工作、地质学专家、发明家（显微镜等）。

他和牛顿是历史上有名的一对欢喜冤家。两人都在力学、光学、仪器等方面有伟大的贡献，互相启发，也存在着激烈的争论，并互相仇视。

看吧，都这么牛叉的人物，还都耍性子呢。哈哈。

泊松亮斑不是泊松发明的

实际上，不但不是泊松发明的，还差点因为泊松而使这个巨大发现石沉大海。

这是1818年法国科学院举办的一个悬赏征文比赛中的一个论文的描述，作者是菲涅耳，他以光的波动性观点为推理，认为在圆盘衍射时，在阴影中间会出现一个亮斑。

对于这一观点，评委之一的泊松（支持光的微粒说）认为是无稽之谈。但在另一评委阿拉果（菲涅耳的同事，但在菲涅耳的论文中未签署自己的名字）的坚持下，做了实验检测，发现果然如论文中描述的一样，后来就有了泊松亮斑。

不为人知的牛顿

没有人不知道牛顿，但有一些故事，可能真相并不像大家想象的那样。

首先是一句名言：“如果我看得更远的话，那是因为我站在巨人的肩膀上”。这句话通常被认为是对牛顿作出巨大贡献后的谦逊之词。

然而，这句话并非原创，可以追溯到12世纪，伯纳德曾说过：“我们都像是坐在巨人肩膀上的矮子”，而在牛顿之前，至少有二三十名人说过类似的话，更像是当时的套词。

还有，这句话出现在牛顿写给胡克的信中，当时他们两人已经闹的不可开交，这更像是一种妥协。更有甚者，因为胡克身材矮小，有人把“巨人”解读为讽刺和揶揄。

最著名的当然还是牛顿的苹果。据牛顿自述，1666年，牛顿因为一个苹果落地，发现了万有引力，这已经是家喻户晓的故事，也是众多家长眼中别人家孩子的技能。

但是，有一个疑点，就是1666年牛顿发现了万有引力，期间一直没有提苹果的事，而直到50多年后的1720年，牛顿才频繁提及此事？大家自行想象吧，哈哈。