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“你没法告诉上帝该做什么!”  

2010-03-10 14:05:00|  分类: 封面故事 |  标签: |举报 |字号 订阅

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“你没法告诉上帝该做什么!”
量子是什么,以及量子物理学是怎样发展起来的 
 
“你没法告诉上帝该做什么!” - 新知周刊 - 《新京报·新知周刊》
“有史以来最聪明的照片”,第五次索尔维会议与会者的合影。从左至右分别是:(第三排)皮卡尔德、亨里奥特、埃伦费斯特、赫尔岑、顿德尔、薛定谔、维夏菲尔特、泡利、海森堡、福勒、布里渊;(第二排)德拜、努森、布拉格、克雷默、狄拉克、康普顿、德布罗意、玻恩、玻尔;(第一排)朗缪尔、普朗克、居里夫人、洛伦兹、爱因斯坦、朗之万、古耶、威尔逊、理查森。 
 
作为物理学界的大明星,量子论其实已经100多岁了,比相对论的年纪还大。爱因斯坦的相对论刚出生,便受到世人的瞩目。而量子论呢?虽然已经超过100岁,但它或许尚未进入自己的“青春期”。

 

但是,这个被国际上公认为科学史上目前为止最成功的理论依然在过去的一个世纪内让科技爆发出巨大的能量,人类文明会被彻底重写。量子论的诞生充满了英雄气概,它改变了人类的一切,也像烛光一样,还会继续引导着人类走向更深、更广阔的真理世界。

 

1 量子诞生

世界不再是“连续的”

 

“量子”诞生于1900年12月14日。这个新词并非出现在原子核这个有关量子动力的研究中,而是首先出现在黑体辐射这个有关量子场的领域。上一世纪第一年年末出现的这个科学突破成为20世纪中物理学革命的第一个突破口。

 

就在那一天,德国物理学家马克思·普朗克(MaxPlanck)在德国物理学会会议上宣读了一篇论文,提出了“黑体辐射定律”,他认为原子在发射或吸收辐射时,存在着一个最小的固定单位,这个最小单位的能量叫做“能量子”(后改名为“量子”),它和辐射频率成正比。

 

玻尔研究者戈革在《量子永寿》一文中做了有趣的解释:“原子吸收辐射,可以说是原子‘吃’辐射,它不是像吃牛奶那样地吃,而是像吃米粒那样地吃,每个饭粒就是食物的最小单位……”此前,人们认知的世界是连续、确定的,但是放在原子这一最小单位的时候,量子效应令传统意义上的时空连续性丧失了,这颠覆了牛顿等人建立起来的传统物理观。

 

但是,新的问题也来了,当原子吸收了一个能量子之后,它的状态从A“跃迁”到了B,因为能量子已经是最小单位,不可分割了,因此这个“跃迁”是个瞬间发生的过程,没有人知道它是怎么发生的。“跃迁”开始了量子论神秘莫测的百年历程,也将人类认知的方式从已知、确定的宏观世界转向了未知、不确定的微观世界。

 

2 理论争端

既生“波”,何生“粒”

 

你可以做这样一个简单实验:将一个单色光源放在两张纸前,第一张穿了小孔,第二张开出两道平行的缝隙。由第一张纸形成的点光源透过第二张纸的缝隙,投射到墙上,会出现一条条明暗交替的条纹。

 

说到这里你或许已经想到,这就是中学物理课上曾经提及的双缝衍射实验。科学家用弹珠、水波和其他光源进行实验,均证明了光呈现出波而非微粒的特性,当麦克斯韦的电磁学理论将光归入为电磁波后,更加巩固了光是一种波的主流说法。到了19世纪末,尽管有人说“物理学阳光灿烂的天空中漂浮着两朵乌云”,但大家还是认为物理学研究已到尽头。

 

事实证明,这还只是开始。20世纪初期,经典物理学遭到了挑战,以量子力学和相对论为支柱的现代物理学开始蓬勃发展。

 

1905年,还在瑞士专利局任职员的青年爱因斯坦连续发表了6篇重要论文,不仅提出了狭义相对论、质能方程,而且也首次提出“光电效应”。在普朗克“能量子”的基础上,爱因斯坦提出了“光量子”的概念:光以量子的形式吸收能量,没有连续性,不能累积,一个光子打到金属上,会激发出一个对应的电子。爱因斯坦证明光依然还只是一种微粒(光子)。这令光是“波”还是“粒”的争吵再次成为物理学界的焦点。

 

直到丹麦物理学家玻尔领导的“哥本哈根学派”的出现,才在量子层面终结了这场争吵。在玻尔看来,电子的波和粒子属性在同一时刻是互斥的,却在更高的层次上统一起来,它具有“波粒二象性”。按照这个设想,假设我们将一个“量子弹球”射出去,面对两道缝,它可能通过一条缝,也可能通过另一条缝,如果在两道缝上安装探测器,则不是这条缝响,便是那条缝响,但在被测量之前,这个“量子弹球”处于一种不确定的“叠加态”。

 

电子走向哪里去?正确的答案是:不知道!在“哥本哈根学派”看来,微观粒子是不确定的,唯一确定的只是宏观意义上的统计概率。“不确定性”成了量子论的一个基础,也撼动了经典物理学大厦下的坚固基石。不确定性甚至令爱因斯坦也受不了了。坚信世间万物是可以通过因果关系,而非概率来解释的爱因斯坦在“第五次索尔维会议”上抛出了一句世人皆知的话:“上帝是不掷骰子的!”这句话成了象征量子物理学的名言。

 

玻尔反击的话同样有名:“你没法告诉上帝该做什么!”

 

3 理论前景

步入“量子世纪”?

 

接下来的半个多世纪中,物理学家们一直都忙着弄清爱因斯坦和玻尔究竟谁对谁错。物理学主流观点认为,从上世纪80年代到现在20多年中的无数次试验,都证明了正统的量子理论是对的,而不支持爱因斯坦。但并非说爱因斯坦是胡说八道,他是第一个把量子论深刻含义提出来的人。

 

另一方面,虽然量子力学在理论上远未达到成熟期,它令上世纪人类技术文明爆发出巨大的能量。很多持实用主义态度的科学家避开了理论上的讨论,而把量子力学放入到实际的研究中去,取得了很多成果。放眼望向20世纪的诺贝尔奖获得者,很多人都是因为和量子力学有关的实际科学成就而获奖。此外,量子力学还积极地促进了生物学、数学、核物理学、化学、甚至心理学、哲学的发展。

 

大部分物理学家认为,就对人类技术和日常生活来看,量子力学的影响可能是要超过相对论。相对论可能改变了人们的时空观,但量子论直接导致了晶体管的出现,如果我们想象没有量子论的今天,或许我们身边也根本不会出现电视机、收音机和计算机。它对新技术的促进,直接体现在量子信息学和量子工程学上。据中科院量子信息重点实验室副主任周正威介绍,上世纪40年代信息论被提出,但直到上世纪90年代前,处理的都是经典世界里的信息。此后,随着微电子工艺技术的迅速发展,人类对微观世界的操纵能力越来越深入,这时量子力学的研究才对信息论产生了巨大的影响,并直接导致通讯和计算机科学发生了革命性的变化,全球也进入信息时代。

 

量子理论依然看起来还是一个让物理学家头疼的神秘理论,但其推动人类科技文明的潜力依然无穷,或许真的如有人评价的那样,18世纪和19世纪是机械世纪,20世纪是信息世纪,而21世纪则是量子世纪。
 
本报记者/金煜

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