大家好，這里是小播讀書，今天我們繼續(xù)講最前沿的科普暢銷書《宇宙的琴弦》。前面我們講了愛因斯坦的廣義相對論和狹義相對論，接下來今天我們講：量子力學。

愛因斯坦為了我們帶來了解釋宇宙的宏觀世界的一套堅貞不破的定律廣義相對論，而德國物理學家普朗克給我們帶來了宇宙另外一套微觀世界的理論：量子力學。量子力學是我們認識微觀宇宙的概念框架。當我們考察原子及亞原子的世界時，量子力學將揭示也許更為驚人的微觀世界的特性。接下來，就讓我們一起進入宇宙的微觀世界吧。

1928年，量子力學的許多公式就已經(jīng)確立了，到現(xiàn)在已經(jīng)將近100年歷史，它是科學史上最精確和最成功的數(shù)字預言。愛因斯坦的廣義和狹義相對論改變了我們對宇宙世界空間、時間和運動速度的觀念。而量子力學向我們展示了宇宙另外一個完全不同的微觀世界的自然規(guī)律。它們是兩個當代物理學的理論支柱，但是愛因斯坦是完全拒絕量子力學的，甚至量子力學的核心人物玻爾曾說過：

誰如果在思路量子力學時不曾有過迷惑，他就沒有真正懂得它?？梢娏孔恿W并不那么容易接受。

很早我們就知道，地球上萬物生命的能量來自太陽，電磁波將太陽能帶到地球。根據(jù)19世紀的熱力學，我們知道即便在一個烤爐中，有數(shù)個完整的電磁波峰和波谷，而每一列波都被賦予了相同的能量。這樣會推導出一個結論，當烤爐內(nèi)有無限的波時，這個烤爐內(nèi)具有無限的能量，當然我們知道這是不可能的，和我們的常識相違背。

1900年，普朗克提出了一個激動人心的猜想，消除了無限能量的煩惱，他假設一列波具有的最小能量正比于波的頻率，高頻波意味著大能力，低頻波意味著小能量。就像海上洶涌的波濤都是短波，而平靜的湖面都是長波一樣。

普朗克認為，波的最小能量正比于波的頻率，而有的波不會對整體貢獻能量的。在一個烤爐內(nèi)，只有有限的波能對烤爐里的總體能量有所貢獻。普朗克在計算能量的方程式中增加了一個調(diào)節(jié)參數(shù)，從而能準確地預言任何溫度下測量烤爐的能量，這個參數(shù)被我們稱之為：普朗克常數(shù)，大約是平常單位的千億億億分之一。普朗克常數(shù)非常小，說明每個能量包的尺度也非常小，按照普朗克的觀點，波的能量實際上是一點點傳播的，但是那個小點太小了，以至于我們看起來是連續(xù)不斷的。

愛因斯坦認為一束光其實可以認為是一股光粒子流，化學家劉易斯將這個粒子流稱之為：光子。根據(jù)光的粒子觀，一只普通的100瓦的燈泡每秒鐘大概會發(fā)出1萬億億億多個光子，愛因斯坦用這個新概念提出了光電效應背后的微觀機制。他指出：當一個電子被足夠能量的一個光子擊中時，它會從金屬的表面逃逸出來。那么是什么決定每個光子的能量呢？愛因斯坦根據(jù)普朗克的引導，提出了每個光子的能量正比于光波的頻率。因此愛因斯坦證明了，普朗克的能量包的猜想實際上反映了電磁波的一個基本特性：電磁波由粒子即光子組成，是一束光的量子。這是一個巨大的發(fā)現(xiàn)。

現(xiàn)在我們知道水是由大量的水分子組成的，光波是由大量粒子（光子）組成。愛因斯坦通過一系列實驗證明，光同時具有粒子性，也具有波動性，也就是說，剛即是粒子也是波。這就是我們說的光的“波粒二象性”。1923年，法國物理學家德布洛意提出了波粒二象性不僅是光具有，也適用于其他物質(zhì)。1927年，量子力學發(fā)展得到了主流科學界的認可，宇宙不再是一個精確的模型，按照量子力學的觀點，宇宙也遵照嚴格準確的數(shù)學形式演化，不過那些形式所決定的只是未來發(fā)生的幾率，不是不一定性。

換句話說，量子力學給宇宙發(fā)展帶來了不確定性，打破了廣義相對論的宇宙確定性和規(guī)律性的認知。當然愛因斯坦是反對的，便有了那句名言：上帝從不擲骰子。

就像愛因斯坦一樣，物理學家對量子力學理論一直還存在爭議。物理學家理查德·費曼是繼愛因斯坦以來最偉大的物理學家之一，他完全接受了量子力學的核心理論。在1927年，物理學家海森堡發(fā)現(xiàn)了量子力學的另外一個核心特征：不確定性。隨時不斷有物理學家加入量子力學的陣營，量子力學也更多地被物理學家所接受。

過去100年，廣義相對論和量子力學讓我們探索宇宙的尺度從最大一直到最小。人類取得了非常多了不起的成就。但是我們也意識到，量子力學和廣義相對論沒能達到最深層次的認識。因為它們的適用范圍是不同的，在一些情況下還有沖突，比如在討論黑洞的中心、在大爆炸時刻的宇宙等方面這兩套理論存在對立矛盾面。

愛因斯坦的能量方程式告訴我們，能量和物質(zhì)是可以相互轉(zhuǎn)化，量子力學中，海森堡的不確定性告訴我們，能量和動量在微觀世界中瘋狂漲落，宇宙在微觀尺度上類似一個鬧哄哄、混沌、瘋狂的世界。但是動量和能量在微觀世界中可以相互抵消，因此在宏觀世界看來，一切都是寧靜和太平的。

簡而言之，微觀世界的混沌狀態(tài)和宏觀世界的規(guī)律性就是這兩個理論最大的矛盾點。

廣義相對論適用于巨大的天文學尺度。在那樣的距離，愛因斯坦的理論說明，沒有物質(zhì)意味著空間是平直的。為了把廣義相對論與量子力學融合起來，我們現(xiàn)在必須轉(zhuǎn)移關注的焦點，去考察空間的微觀性質(zhì)。

我們說明了如何一點點去暴露越來越小的空間結構。開始的時候，看不出什么來；看圖中底下的三層，空間結構幾乎是一樣的形態(tài)。從純經(jīng)典的立場看，我們以為這樣平直穩(wěn)定的空間圖景會一直保持到任意的距離尺度。

但量子力學完全改變了這種想法。萬物都擺脫不了不確定性原理所規(guī)定的量子漲落——引力場也不例外。雖然經(jīng)典理論認為虛空間沒有引力場，但量子力學證明，引力場盡管在平均意義上等于零，實際上卻因量子漲落而波蕩起伏。另外，不確定性原理還告訴我們，關注的空間越小，看到的引力場起伏越大。量子力學展現(xiàn)了一個沒有絕望的世界，越是狹小的地方，越是浪花飛濺。

引力場通過空間的彎曲表現(xiàn)出來，而量子漲落通過空間周圍越來越強烈的扭曲表現(xiàn)自己。物理學家惠勒發(fā)明用“量子泡沫”來描述超微的空間和時間里表現(xiàn)出來的混沌狀態(tài)，在那個尺度上，空間和時間都失去了意義。在這個尺度上，正是量子力學和廣義相對論不相容的地方。

好了，今天的內(nèi)容就是這些，我們講了量子力學和愛因斯坦的相對論，到底上帝會不會制篩子呢？到底什么是弦理論呢？我們講在下一篇文章開啟更加精彩的內(nèi)容。