读《上帝掷骰子吗?:量子物理史话》

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人们后来回忆起那个年代,简直像是在讲述一个童话。

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一、背景

之前曾看过一本书《物理学的困惑》。
那本书中主要介绍近几十年物理学的状况,没有任何实验与预言,只有拼凑出来的数学理论。
所以作者感到不甘,觉得现在的科学不再是科学,而是宗教。

什么是宗教,就是宣称自己的理论可以适配世界上的一切,但是不能预言然后通过实践来验证。
比如我说我是上帝,世间的过去、现在、未来都看的一清二楚。
当你问我具体某件事的时候,我说我真的知道,但是无法告诉你。


大概从5月份开始,历时两个月,我断断续续的读完了另外一本相关的书《量子物理史话》。

这本书文如其名,介绍的是量子物理的发展史。

而且这是一个纪实类的书,即只罗列收集来的事实,不做主观的判断。
这是一本好书。

二、第一次波粒战争

历史上,人们对光有两个假设:微粒说和波动说。

1663年波义耳发现颜色不是物理的属性,是光波反射的频率不同引起的。
由此爆发了第一次波粒战争。

波义耳有一个助手叫做胡克。
1665年,胡克出版了《显微术》一书,支持光的波动说。
1690年,惠更斯在《光论》一书中支持了波动说。

1672年,牛顿做了色散实验。
1675年,牛顿发现光通过透镜会形成牛顿环。

期间牛顿与胡克发生冲突,胡克支持波动说,所以牛顿决定一生来支持微粒说。
1704年,牛顿出版《光学》,从微粒说解释光的各种奇特现象。

第一次波粒战争以牛顿为首的微粒说胜利。

三、第二次波粒战争

1807年,托马斯·杨出版了《自然哲学讲义》,书中使用光的波动说解释双缝干涉、衍射、牛顿环问题。
由此,第二次波粒战争开始了。

1809年,马吕斯发现光的偏振现象。

啥是偏振呢?

首先需要了解波分为横波和纵波。
以传播方向为参考系,横波是上下波动的,纵波是前后的。
比如水波、声波、弹簧波就是纵波,而光波是横波。

既然横波是上下的,空间中上下可以 360 度旋转,光波具体怎么个震动法呢?
如果一个光子的震动方向相同,则是偏振波,否则是非偏振波。

平常的自然光由于是自然生成的,360度都为震动方向的光子都有。
但是有了偏振器,就可以过滤出固定震动方向的光线,由此证明光波是偏振波。

1819年,菲涅尔使用数学推理证明光的波动说。

泊松说不可能,按这推理,圆盘中间应该会有一个亮点。
菲涅尔背后的男人阿拉果说:那就来做个试验 吧。
结果真的发现了亮点,称为泊松亮点。

1821年,菲涅尔发表论文《关于偏振光线的相互作用》支持了光是横波,理论上解释了偏振现象。

1850年,傅科测量了光速,给微粒说宣判了死刑。

由此,第二次波粒战争以光波胜利而结束。

四、第三次波粒战争

也许是巧合,1900年的4月27日,开尔文对过去光物理学进行了回顾总结,认为当前的理论已经非常完美,除了两个小乌云。

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, whichasserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured by two clouds

第一个乌云是:以太检测失败。

1886年,迈克尔逊和莫雷进行了迈克尔逊-莫雷实验实验,实验失败,没有发现以太。
荷兰物理学家洛伦兹提出,物体在运动的方向上会发生长度的收缩,所以以太无法被测量(有没有相对论的味道)。
这朵乌云最终导致了相对论革命的爆发。

第二多朵乌云是黑体辐射实验与理论不一致。
这朵乌云最终导致了量子论革命的爆发。

我们来看看黑体辐射的故事。

1856年、1861年和1865年,麦克斯韦发表了三篇关于电磁理论的论文,奠定了电磁学的基础。
1887年,赫兹发现了光电效应,证明了电磁波。
1895年,伦琴发现了X射线。
1897年,居里夫人研究了放射性,并发现了更多的放射性元素。
1897年,J.J.汤姆逊发现了电子。
1899年,卢瑟福发现了元素的嬗变现象(核分裂)。

1894年,维恩通过麦克斯韦方程发现了辐射能量分布公式,简称维恩分布公式。但是只对短波有效。
1894年,瑞利与金斯通过麦克斯韦方程得到了另一个公式,称为瑞利-金斯公式。但是只对长波有效。
1900年,普朗克使用数学方法将两个公式拼凑在一起,得到了万能的普朗克黑体公式。

1900年12月14日,普朗克发表了《黑体光谱中的能量分布》,提出能量不是连续的,最小单位是量子,量子力学诞生了。
1905年3月17日,爱因斯坦发表了论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》来解释光电效应,因此得了诺贝尔物理奖。 由此第三次波粒战争”全面爆发了。

1911年10月30日,第一届索尔维会议在比利时布鲁塞尔召开,称为“巫师盛会”。

1910年,卢瑟福做了一个实验:使用α粒子轰击极薄的金箔。根据实验结果推测出类似于太阳系一样的原子核模型。

卢瑟福作为一个伟大的老师,一生至少培养了10位诺贝尔奖得主。
保罗·狄拉克,量子论的创始人之一,1933年诺贝尔物理奖得主。
詹姆斯·查德威克,中子的发现者,1935年获得诺贝尔物理奖。
。。。。。。
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新西兰元上面,作为国家对他最崇高的敬意和纪念。

1913年,玻尔发表了三篇论文,介绍原子是分能量带的,即有轨原子模型。
1924年,德布罗意博士论文中提到电子的波动性,因此获得诺贝尔奖。
1925年,海森堡得到了矩阵形式的量子波动方程,波恩与帕斯库尔·约尔当进一步研究,发表了《论量子力学》。
1926年,薛定谔写出了优美的量子波动方程。
1926年7月,波恩对薛定谔方程进行解释,说波函数是骰子,即随机与概率。
1927年3月23日,薛定谔发表了《测不准原理》论文。

后来,波恩提出了光即使波又是粒子的波粒二象性。
第三次战争由此结束,没有胜利者,也没有失败者,由于测不准原理,他们处于即胜利又失败的叠加状态中。

五、量子理论的发展

1927年10月24日到29日,为期6天第五届索尔维会议开始了,主题是“电子和光子”。

波尔说:量子理论是随机的。
爱因斯坦说:上帝不掷骰子!
波尔说:那老头子已经死了。

之后爱因斯坦提出的所有思维实验,都被波尔破解。

随后薛定谔站了出来给爱因斯坦助阵,并放出了一只可怕的怪兽,那就是让人闻之丧胆的”薛定谔的猫”。

薛定谔的猫具体描述的是,一个放射性原子什么时候进行衰变是完全概率性的。
只要没有观察,它便处于衰变与不衰变的叠加状态中,只有进行观测才能随机选择一种状态。
有一个不透明的箱子,如果原子衰变就会激发连锁反应,打破箱子里的毒气瓶,毒死箱子里的猫。反之猫则活着。
问箱子里的猫是死的还是活的?

按照量子理论的说法,观测之前,猫即是死的,又是活的,即处于死与活的叠加状态。
观测的时候,由于意识的参与,叠加状态进行坍缩,变成之后一个状态。

冯·诺伊曼紧接着也补充到,测量仪器也都处于叠加状态,所以我们录的视频、拍的照片都是叠加状态的,只有人眼看的时候才坍缩。

1967年,维格纳提出了“维格纳的朋友思维实验。
即维格纳的朋友带着防毒面具进入箱子,维格纳在外面。
对于维格纳来说,猫的死活是叠加状态的。可以对于朋友来说,猫的死活是固定的。
这样就会存在矛盾。
因此得出结论:人的意识使叠加态坍缩。

由此还可以推论出几亿年前的宇宙是不存在的,只有几万年前人类有了意识的时候,宇宙才开始存在了。
甚至还可以得出,外面是否下雨,是否刮风、是否地震其实都是不确定的,我们掏出手机刷新闻的时候,一切才唯一确定。

为了避免意识使叠加态坍缩,惠勒引入了“多世界理论”或者平行宇宙理论。
即对于波函数,从来没有坍缩,而是有两个世界,一个世界猫死了,另外一个猫没死。
也就是说,我们的世界在无时无刻的分裂着,只是我们无法与其他宇宙联系。

惠勒说,物理规律是不存在的,只是恰好我们这个世界都满足物理规律。
惠勒还说,你们可以想象一个问题:自己的父亲有儿子,父亲的父亲也有儿子,这样往上可以无穷无尽。
但是生一个儿子的概率要二分之一,儿子再生儿子就是四分之一,无穷次的概率是多小,但是对于每个人,概率确实 100%。
多世界理论也是如此,理论上概率无穷小,实际上确实100%。

后来,人们有提出了隐变量理论、系综解释理论、GRW自发定域理论、退相干理论来解释量子力学。

六、大统一理论

量子理论一直都处于想象理论阶段。
而那些实践者已经在进一步研究原子内部的世界了。

除了引力、电磁力,人们还发现了原子核内部的强相互作用力与弱相互作用力。

面对这四种力,明显不是那么优美。
所有的物理学家都相信,上帝是爱好简单的人,四种力背后可能是一种力。

于是人们提出了大统一理论 GUT,目标是统一弱相互作用力、强相互作用力和电磁力3种力。
对于四种力的统一理论,则称为 万能理论 TOE。
于是人们提出了超弦理论,后来进一步优化,称为M理论。

七、最后

人们后来回忆起那个年代,简直像是在讲述一个童话。

微观物理学的发展是爆炸式的,因此也出现无数的传奇人物与传奇故事,至今令人难忘。
比如爱因斯坦、普朗克、海森堡、威尔逊、波恩、波尔、薛定谔、泡利、德布罗意、狄拉克、康普顿、布拉格、居里夫人等等。
这么多科学圣人出生在同一时代,是何等的幸运。这一幕以前没有过,以后也许不会再有。

量子力学最大的特点就是测不准原理与波粒二象性。
因此无数人提出无数想法来推测背后的方程与原理。
可是至今,量子力学的发展依旧是盲人摸象,像诸子百家的思想一样,人类提出了各种猜想,但仍然没有得到统一。

理论终究需要预言加实践来检验。

所以很多人基于现有的量子理论设计了量子计算机。
如果被证明正确,那世界的算力将会爆炸式增长。

这对于中国其实也是一个机会。
传统的计算机已经被海外垄断,形成了恶性循环。
所以想要有所突破,只能是使用新型的计算机如量子计算机来降维打击,弯道超车。

可以想象,未来几十年,突然所有的电脑、手机都更新换代变成了量子电脑,量子手机。
那时将会有新的科技巨头站出来,苹果、微软、英特尔将都成为过去的符号。

思考题:你怎么看到量子理论呢?

《完》

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