量子物理史话简介简介

量子物理史话读后感 (2010-08-19 19:26:48) 转载▼ 标签： 杂谈 分类：图     周末看了一本《量子物理史话》。 为什么想起来看量子物理的历史呢？ 在量子物理之前，所有的科学——无论是几何、微积分、牛顿力学、麦克斯韦电磁学还是化学，都令初学者发自内心的信服。我上初中时，班上一个成绩较差的同学，也禁不住感叹说，平面几何太优美了，做几何真是一种享受！所有的定理和自然界如此和谐相处，让人感到世界太精美、太巧妙了！ 然而，量子物理却不是这样。 量子物理从诞生起，就是一个威力巨大的怪兽。“当你不看月亮时，月亮其实就不存在。”“在意识诞生之前，根本就没有宇宙。有了意识才有了存在。”“我们生活在多个平行世界里，总有一个世界里，你能得到永生，永远不会衰老，更不会死亡。”这些鬼话连篇，都可以理解为量子物理现行的各个主流学派不得不支持的推论。（我要强调一下，量子物理本身其实并不研究这些形而上的哲学问题，只是物理学发展到了顶峰，必须寻求哲学体系的支持。量子物理研究的是微观世界的结构和规律，如果没有量子学说，就没有现代的化学、生物学、物理学，就不会有半导体、硬盘、电脑、核磁共振、激光、太阳能电池、手机、移动通信。实际上，没有量子物理，就不会有固体物理学，就不会有集成电路，所以，也就不会有任何现代我们正在使用的电子产品了。没有量子物理，我们的生活就会停留在1900年的那个水平。） 作为外行，我们禁不住想说，量子物理是不是伪科学啊？实际上，即使作为内行自己的量子物理学家们，很多人也是发自内心地不信任、不相信量子学说。因为它不符合我们的日常逻辑，很不和谐，很不优美。爱因斯坦一直到死都不想接受量子学说。量子物理的创始人之一玻尔也有句名言：“谁要是第一次听到量子理论时没有感到困惑，那他一定没听懂。”《量子物理史话》的作者是位物理学家，他说，他直到今天仍然为量子物理学说感到惊恐、惶惑、头痛欲裂。 比如，牛顿的理论发展到巅峰时，法国的大科学家拉普拉斯把牛顿的万有引力定律应用到整个太阳系，1773年解决了一个当时著名的难题：解释木星轨道为什么在不断地收缩，而同时土星的轨道又在不断地膨胀。拉普拉斯用数学方法证明行星平均运动的不变性，即行星的轨道大小只有周期性变化，并证明为偏心率和倾角的3次幂。这就是著名的拉普拉斯定理。1784年，拉普拉斯求得天体对其外任一质点的引力分量可以用一个势函数来表示，这个势函数满足一个偏微分方程，即著名的拉普拉斯方程。1786年证明行星轨道的偏心率和倾角总保持很小和恒定，能自动调整，即摄动效应是守恒和周期性的，不会积累也不会消解。拉普拉斯研究了木星的三个主要卫星的平均运动，还发现月球的加速度同地球轨道的偏心率有关，从理论上解决了太阳系动态中观测到的最后一个反常问题。 拉普拉斯让任何一个坐在家中的人，轻轻松松计算出太阳系各个星球之间的引力，计算它们的轨道、速度及一切运行规律。换句话说，它简直让所有的凡人都掌握了上帝创造宇宙星辰的所有秘密。这才像科学嘛。拉普拉斯把自己的研究心得写成了《天体力学》送给自己的学生，拿破仑皇帝。拿破仑问道，老拉啊，你把这一切都解释得这么清楚，那在你的体系里，上帝处于何种位置？拉普拉斯冷笑着说了一句科学史上很有名的话。他说，在我的世界里，不需要上帝。是啊，一切都被科学家们算得清清楚楚。人类虽然那时还登不上月球，却可以清晰地描述天体的过去和未来。真正做到了秀才不出门，能知天下事。（拉普拉斯生活的年代，中国正处于昏庸的乾隆统治时期。我们无法想像乾隆治下的中国，能有高等数学和现代物理学、化学的研究，更不能想像乾隆会和一个科学家对话。） 而量子物理呢？量子物理的一大基石，“不确定性原理”（也叫测不准原理）费了无数高深的数学，证明了一件事：无论技术如何进步，我们都无法同时测定电子的位置和动量，两者只能取其一。初学者看到这里，肯定会撇着嘴说，这叫什么科学？ 但是，遗憾的是，尽管量子物理有着巨大的缺陷，有着无数不合乎常理、不合乎逻辑的推论，但是量子学说在实验中表现得非常完美，是科学史上能最精确地被实验检验的理论，也是科学史上最成功的理论，从半导体到互联网到材料科学，量子物理给人类社会带来了巨大进步。人人都希望量子学说是错误的，因为它太不符合人类想像中的世界了，但是每次实验和新理论的提出，反而都进一步证明了量子学说的有效。史学家认为，量子理论的诞生，重写了一半的物理，改写了全部化学。有了量子理论，才有了现代生物学。 《量子物理史话》是一本通俗读物，有高中文化程度的人都能看懂。书从1887年，赫兹用实验测出了电磁波的波长、频率、速度，证实了光线其实也是一种电磁波开始，一直讲到20世纪末的超弦理论为止，叙述了量子物理的整个发展史。 当然，最吸引人的，还是关于电子或者光子究竟只是一种虚无缥缈的波函数，还是实实在在的一种粒子的讨论。这个讨论的科普版本被称为“薛定谔的猫”。简单地说，在量子物理看来，那只猫又死又活，究竟是死是活，取决于外界的“观测”。这个问题迄今没有得到公认的解释。 薛定谔猫假设了这样一种情况：将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率，如果镭发生衰变，会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；如果镭不发生衰变，猫就存活。根据量子力学理论，由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。 显然，既死又活的猫是荒谬的。薛定谔想要借此阐述的物理问题是：宏观世界是否也遵从适用于微观尺度的量子叠加原理。“薛定谔猫”佯谬巧妙地把微观放射源和宏观的猫联系起来，旨在否定宏观世界存在量子叠加态。然而随着量子力学的发展，科学家已先后通过各种获得了宏观量子叠加态。此前，科学家最多使４个离子或５个光子达到“薛定谔猫”态。 这也是激发很多好莱坞大片的灵感源泉。比如平行世界——其实你同时生活在好多个互相平行的世界里，只是你日常生活只能感受到一个世界。这是物理学界对猫的死活问题的解释之一。 在看书的过程中，我无数次地被作者巧妙地引导，想像自己是一个电子，站在双缝衍射的实验前：这一次，我是要表现成一个波同时穿过两条缝，还是作为一个粒子只穿过特定的一条缝？ 书中介绍了各个物理学派对这个问题的不同解释，然而每一种解释都不令人满意。我记得上个世纪90年代，一个中国的留美物理学博士枪杀了好几位老师和同学之后自杀。事后的媒体报道说，此人生前抱怨过，他原以为自己在追寻物理学的真相巅峰，没想到爬到山顶之后才发现，物理学的顶端由一群江湖术士般的骗子在把持，物理学已经演变得和星相学一样虚无。 当然，虽然问题没有解决，读者却会很开心。原来，我们这个世界并不是那么庸俗，我们每个人都有可能是个巨大的波函数，正在无限次地坍塌中。我们甚至有可能生活在许多个不同的世界里，能够获得永生。我看完书之后反而觉得释然，因为我忽然想到，其实我们生活的世界，本来没有我们想像得那么完美、和谐、一致，本来就不是决定论的，本来就缺乏因果关系，不按理出牌。 看这本书还有两个感想：一是，自古英才出少年。牛顿、爱因斯坦、海森堡、玻尔、泡利、狄拉克等一大批青史留名的物理学家，几乎都是在二十多岁做出自己最重要的贡献，有些甚至是在22岁、23岁的年龄就做出了获得诺贝尔奖的成就。三十岁如果还没能名震学术界，那基本这辈子都不会有希望了。 第二个感想是，现代科学技术的突飞猛进中，没有我们中国人什么事情。在三四百年前，欧洲人就知道行星绕太阳公转周期的平方和椭圆轨道的半长轴的立方成正比，角动量守恒，发明了微积分，能够计算出地球的质量。 而完全颠覆我们对现实世界认识的量子物理史上，最早期的几个物理学家，比如基尔霍夫，1845年，21岁的基尔霍夫就发表了第一篇论文，提出稳恒电路网络中电流、电压、电阻关系的两条电路定律，解决了电器设计中电路方面的难题。后来又研究了电路中电的流动和分布，从而阐明了电路中两点间的电势差和静电学的电势这两个物理量在量纲和单位上的一致。这一年，马克思正在法国搞革命，德克萨斯和佛罗里达先后加入美国，梭罗正在写作他的《瓦尔登湖》，而中国呢，这一年中国广西的洪秀全写了《原道救世歌》、《原道醒世训》，正忙着造反呢。 1859年，基尔霍夫得出了关于热辐射的定律，根据热平衡理论导出，任何物体对电磁辐射的发射本领和吸收本领的比值与物体特性无关，是波长和温度的普适函数，即与吸收系数成正比。并由此判断：太阳光谱的暗线是太阳大气中元素吸收的结果。这一年，马克思出版《政治经济学批判》，达尔文出版《物种起源》。中国的太平天国正处于鼎盛时期，慈禧的先生，咸丰皇帝正为此苦恼不堪。 再如维恩，1893年，他发表了关于波长随温度改变的规律，后来发展成为维恩位移定律。1897年，他开始研究阴极射线的性质，发现阴极射线是由高速运动的带负电粒子组成的。他还测量了这些粒子的荷质比，发现电子约比氢原子轻二千倍。这一年，中国还没有开始戊戌变法。再过一年，才会有一个腐朽的京师大学堂诞生。 普朗克提出量子物理概念的那一年（1900年），清政府正悬赏10万白银缉拿康有为、梁启超呢。同一年还爆发了义和团事件，义和团说，“洋人取中国人眼睛配药点石成银，还会用咒水飞符摄生人魂与奸宿，取男童女童生辰粘树上，咒之，摄其魂为耳报神……甚或割女子子宫、小儿肾子，及以术取小儿脑髓心肝。”，搞出一个《闭火分砂咒》：“弟子在红尘，闭住枪炮门，枪炮一齐响，沙子两边分”，这样据说就可以打败洋人的洋枪洋炮。这样的世界，真是比量子物理更荒谬啊。 探寻宇宙本质 ——读《上帝掷骰子吗》有感 《上帝掷骰子吗》一书，是一本谈论量子物理学发展历史的科普类读物，以浅显易懂的语言、发人深省的方式娓娓讲述物理学发展过程中的故事。这本书从1887年海因里希.鲁道夫.赫兹的电磁感应实验讲起，阐述了“波动派”及“微粒派”对电子长达百余年的争论，并引出了现代量子物理学的发展历史。在这一段堪称物理学发展史上获得一系列爆炸性突破的黄金期中，各理论学派奇招妙计频出，相互征伐不休，你宛如进入一片腥风血雨的战场，又宛如走进一处奇峰迭起的胜景，见证着那些伟大的物理学先贤们如何在追求真理的道路上孜孜以求，至死方休。 但我更倾向于把它看作是一本探寻宇宙本质的具有浓厚哲学意味的历史书。从谈及现代量子物理学的诞生之时起，书中便充满了关于世界本质的各种哲学性争论，而这恰恰是这本书的迷人之处。书名“上帝掷骰子吗”，本身就是一个深刻的哲学命题——世界是随机的，由大量的偶然事件组成；抑或是处于某种既定的复杂程序（或可称为一条巨大的因果链）中，万事万物其实都在按照一定的轨迹运行。量子论中的测不准理论就说明了，从最微观层面看，基本粒子的运行无法精确测量，是完全随机的，那么也就说明在此基础上组建的世界也是随机的。 而就在2012年1月16日，日本科学家通过实验发现量子物理学中的测不准理论存在缺陷。一个基本粒子的动能和势能在同一时刻能够被精确测量，这无疑对量子物理学的基础理论带来了威胁。也许，若干年以后我们会发现就像当年量子物理学摧毁经典物理理论一样，其本身也被更新的发现和理论所摧毁，物理学也将迎来再次的涅槃重生。