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在分享本書之前，我們先聊一下，在當(dāng)時(shí)科學(xué)史上一個(gè)最大的謎題。

那就是，在二戰(zhàn)中，美國向廣島發(fā)射了原子彈后，所有人都奇怪，在當(dāng)時(shí)，納粹德國為什么沒能造出原子彈？這是二戰(zhàn)后人人都問的問題。不錯(cuò)，美國造出了原子彈，因?yàn)樗袏W本海默、費(fèi)米、勞倫斯、貝特、西伯格、維格納、查德威克、佩爾斯、弗里西、塞格雷，以及玻爾等物理科學(xué)家。但是德國一點(diǎn)也不差。

雖然，希特勒趕走了國內(nèi)幾乎一半的精英，納粹上臺(tái)的第一年，就有約2600名學(xué)者離開德國，四分之一的物理學(xué)家從德國的大學(xué)辭職，到戰(zhàn)爭前已經(jīng)有40%的大學(xué)教授失去職位。整個(gè)軸心國流失了多達(dá)27名諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)?，其中包括愛因斯坦、薛定諤、費(fèi)米、波恩、泡利、德拜這樣最杰出的人物，還有間接損失的如玻爾等。但是德國憑他驚人的實(shí)力，仍保有對(duì)抗全世界的能力。

戰(zhàn)爭一爆發(fā)，德國就開始原子彈的研究計(jì)劃。在1939年，全世界只有德國一家在進(jìn)行這個(gè)原子能的軍事應(yīng)用項(xiàng)目。德國占領(lǐng)著世界上最大的鈾礦，有最強(qiáng)大的化學(xué)工業(yè)，世界上最好的科學(xué)家，原子裂變現(xiàn)象就是兩個(gè)德國人發(fā)現(xiàn)的，一個(gè)是奧托.哈恩，一個(gè)弗里茲.斯特拉斯曼。還有勞厄、沃茲、波特等，當(dāng)然還有定海神針海森堡，20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家之一，是這個(gè)計(jì)劃的總負(fù)責(zé)人。

然而，德國并沒能造出原子彈，甚至連門都沒有入。1942年起，德國似乎已經(jīng)放棄原子彈計(jì)劃，改為研究制造一個(gè)能提供能源的原子核反應(yīng)堆。原因是海森堡向軍備部長斯佩爾報(bào)告說，鈾計(jì)劃因?yàn)榧夹g(shù)原因，在短時(shí)間內(nèi)難以產(chǎn)出任何實(shí)際的結(jié)果，在戰(zhàn)爭期間造出原子彈不大可能。同時(shí)也使斯佩爾相信，德國的研究仍處在領(lǐng)先的地位。

由于整個(gè)戰(zhàn)場情況的緊迫，德國的研究計(jì)劃被迫采取急功近利的方略，所有不能短期見效的計(jì)劃都暫時(shí)放在了一邊。既然這方面仍然“領(lǐng)先”，不妨繼續(xù)撥款研究下去。

兩年后，計(jì)劃被希姆萊注意到，下令大力撥款，推動(dòng)原子彈計(jì)劃的前進(jìn)，雖然計(jì)劃有所進(jìn)展，但那時(shí)全國的工業(yè)早已被轟炸破壞得體無完膚，難以支撐下去。而且也為時(shí)太晚，不久德國就投降了。

1942年的報(bào)告是怎么一回事？海森堡扮演了一個(gè)什么樣的角色？答案撲朔迷離，這就是科學(xué)史上有名的“海森堡之謎?！?/span>

好了介紹完這個(gè)故事，我們回到本書，今天跟你分享的是《上帝擲骰子嗎？量子物理史話》。

這是一本人人都能讀懂的量子論發(fā)展的科普史話。曾獲得《科學(xué)時(shí)報(bào)讀書杯最佳科普創(chuàng)作獎(jiǎng)》、《國家圖書館文津圖書獎(jiǎng)》、《第三屆吳大猷科普獎(jiǎng)》。豆瓣評(píng)分高達(dá)9.2，超過14000人參與評(píng)價(jià)。

本書的作者曹天元，畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)和香港大學(xué)。由于本行通信工程前沿涉及量子物理，遂對(duì)該領(lǐng)域稍有鉆研。作者興趣廣博，尤好歷史和自然科學(xué)，除科普之外，也長期從事金融投資做媒體工作。

接下來，我就從量子論的誕生開始，聊聊量子發(fā)展史中，出現(xiàn)的令人匪夷所思的現(xiàn)象，以及光怪陸離的解釋。

第一部分：量子論的誕生

量子論的誕生，最初來源于著名的“黑體輻射”問題?？茖W(xué)家們?cè)谘芯窟@個(gè)問題時(shí)，發(fā)現(xiàn)采用經(jīng)典物理方法根本解釋不通。他們按照輻射出粒子還是波子，兩種不同形式推導(dǎo)出了兩個(gè)對(duì)應(yīng)的黑體輻射公式，但都無法完全適用，一個(gè)適用于短波，在長波范圍失效，另一個(gè)則適用于長波，在短波范圍失效。

就像你有兩套衣服，其中一套上裝十分得體，但褲腿太長；另一套的褲子倒是合適了，但上裝卻小的無法穿上身。最要命的是，這兩套衣服根本沒辦法合在一起穿，因?yàn)閮蓚€(gè)公式，推導(dǎo)的出發(fā)點(diǎn)是截然不同的。這個(gè)難題就這樣困擾著物理學(xué)家們。

正當(dāng)人們?yōu)檫@個(gè)難題頭痛不已的時(shí)候，馬克斯.普朗克登上了歷史舞臺(tái)。利用數(shù)學(xué)上的內(nèi)插法，普朗克開始玩弄起他手上的兩個(gè)公式來。要做的事，是讓維恩公式的影響，在長波的范圍里盡量消失，而在短波里“獨(dú)家”發(fā)揮出來。普朗克嘗試了幾天，終于靈機(jī)一動(dòng)，無意中湊出了一個(gè)公式，看上去正符合要求。在長波的時(shí)候，它表現(xiàn)得就像正關(guān)系一樣，而短波的時(shí)候，則經(jīng)為維恩公式的原始形式。這就是著名的普朗克黑體公式。

當(dāng)普朗克注視他的公式，它究竟代表了什么樣的物理意義呢？這真是一個(gè)令人很尷尬的地位，知其然，但不知其所以然。

為了打開面前這個(gè)潘多拉盒子，普朗克做好了拋棄一切的準(zhǔn)備，當(dāng)然除了熱力學(xué)的兩個(gè)定律不可動(dòng)搖外。

最終發(fā)現(xiàn)，在處理熵和概率的關(guān)系時(shí)，必須做一個(gè)假定：假設(shè)能量在發(fā)射和吸收的時(shí)候，不是連續(xù)不斷，而是分成一份一份的。在了解它的具體意義之前，不妨先了解一個(gè)事實(shí)：正是這個(gè)假定，推翻了自牛頓以來200多年、曾經(jīng)被認(rèn)為堅(jiān)不可摧的經(jīng)典世界。

那么能量不是連續(xù)不斷的，有什么了不起呢？很了不起。因?yàn)樗陀惺芬詠硪磺形锢韺W(xué)家的觀念截然相反。自從伽利略和牛頓用數(shù)學(xué)規(guī)則馴服了大自然之后，一切自然的過程，就都被當(dāng)成是連續(xù)不間斷的。比如說：一輛小車沿直線，從A點(diǎn)行駛到B點(diǎn)，卻不經(jīng)過兩點(diǎn)中間的C點(diǎn)，你一定會(huì)覺得不可思議。

普朗克的方程倔強(qiáng)地要求，能量必須只有有限個(gè)可能態(tài)，它不能是無限連續(xù)的。在發(fā)射的時(shí)候，必須分成有限的一份份，必須有個(gè)最小的基本單位。這個(gè)基本單位，普朗克把它稱為“能量子”后來改稱“量子”。量子就是能量的最小單位，它可以傳輸一個(gè)量子，兩個(gè)量子，任意整數(shù)個(gè)量子，但不能傳輸一又二分之一個(gè)量子，那個(gè)狀態(tài)是不允許的。

也許你應(yīng)該記住1900年12月14日這個(gè)日子，這一天是量子的誕辰。幾年以后它將爆發(fā)出令人驚奇的力量，把一切舊的體系徹底打破。

好了，了解了量子的誕生，我們?cè)倏纯戳孔映砷L過程中，科學(xué)家們所看到的詭異現(xiàn)象以及光怪陸離的解釋。

第二部分：量子態(tài)疊加與塌縮

正如作者在史話前面提醒的那樣，量子論革命的破壞力是相當(dāng)驚人的。在概率解釋、不確定性原理和互補(bǔ)原理這三大核心原理中，前兩者摧毀了經(jīng)典世界的因果性。互補(bǔ)原理和不確定性原理，又合力搗毀了世界的絕對(duì)客觀性。新的量子圖景展現(xiàn)的世界，是如此奇特和難以想象，和生活格格不入，甚至違背我們理性的本身。但是它卻能夠解釋量子世界一切不可思議的現(xiàn)象，這種主流解釋被稱為量子論的“哥本哈根”解釋。

根據(jù)我們的日常經(jīng)驗(yàn)，客觀物體一定要有一個(gè)確定的空間位置，這種存在，不是以人的意志為轉(zhuǎn)移的。假如有人說你現(xiàn)在在房間里，又或者說你現(xiàn)在不在房間里，兩者必定是其中一種，但是在量子世界里科學(xué)家不這么說，他會(huì)說你既在房間里，又不在房間里。

為什么?什么是既在又不在？這就是量子學(xué)里的一種分裂解釋。量子學(xué)告訴我們，在觀察之前，粒子的位置是不確定的，它的位置分布遵循著一個(gè)波函數(shù)，在所有可能的位置都會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)你不去看它的時(shí)候，它同時(shí)出現(xiàn)在所有可能出現(xiàn)的位置，處于一種疊加狀態(tài)，而當(dāng)我們?nèi)タ此鼤r(shí)，它瞬間會(huì)選擇一個(gè)位置出現(xiàn)。波函數(shù)這種奇跡般的變化，在哥本哈根那里稱為“塌縮”。

聽起來，似乎很燒腦，我們換個(gè)容易理解情境，金庸在《笑傲江湖》里，描述了令狐沖在武當(dāng)腳下，與沖虛一戰(zhàn)，沖虛一柄長劍幻為一個(gè)個(gè)光圈，讓令狐沖眼花繚亂，看不出劍尖所在。用量子語言說，這時(shí)候沖虛的劍，已經(jīng)不是一個(gè)實(shí)體，它變成了許多的虛劍，在光圈里分布開來，每一個(gè)虛劍尖都代表一種可能性，它有可能就是實(shí)劍尖所在。

沖虛的劍可以為一個(gè)波函數(shù)所描述，很有可能在光圈的中心，這個(gè)波函數(shù)的強(qiáng)度最大?，F(xiàn)在令狐沖揮劍直入，在那瞬間，沖虛劍的波函數(shù)坍縮了，又變成了一柄實(shí)劍。令狐沖運(yùn)氣好，它真的出現(xiàn)在光圈中間，破了此招，如果猜錯(cuò)了，就丟失了一條手臂。沖虛劍的波函數(shù)坍縮了，無論如何，它都要實(shí)實(shí)在在地出現(xiàn)在某處，才能傷敵。

總得來說，量子波塌不塌取決于，你沒有去觀察它。嚴(yán)格來說，電子在沒有觀測的時(shí)候什么也不是，只有數(shù)學(xué)可以描述，即波函數(shù)。按照哥本哈根的解釋，不觀測的時(shí)候，根本沒有實(shí)在，自然也就沒有實(shí)在的電子。事實(shí)上，不存在電子這個(gè)東西，只存在：我們與電子之間的觀測關(guān)系。

第三部分：關(guān)于黑洞

以上我們了解了量子態(tài)疊加與坍縮的問題?？梢哉f，量子論在物理界的幾乎每一個(gè)腳落都激起激動(dòng)人心的浪花，并引發(fā)一連串的漣漪。

在浩瀚的星空中，同樣，我們必須借助量子論才能把握恒星的命運(yùn)會(huì)何去何從。當(dāng)它們?nèi)剂虾谋M之后，它們會(huì)不可避免地向內(nèi)坍縮，這時(shí)支撐起它們最后骨架的，就是源自泡利不相容原理的一種簡并壓力。當(dāng)電子簡并壓力足夠抵擋坍縮時(shí)，恒星就演化為白矮星。

要是電子被征服，而要靠中子出來抵抗時(shí)，恒星就變?yōu)橹凶有?。最后，如果一切防線都被突破，那么它就不可避免地坍縮成一個(gè)黑洞。但即使黑洞也不是完全“黑”的，如果充分考慮量子不確定因素的影響，黑洞其實(shí)也會(huì)產(chǎn)生輻射而逐漸消失，這就是以其鼎鼎大名的發(fā)現(xiàn)者史蒂芬.霍金而命名的“霍金蒸發(fā)”過程。

當(dāng)物質(zhì)落入黑洞的時(shí)候，它所包含的信息被完全吞噬了。因?yàn)榘凑斩x，沒什么能再從黑洞中逃出來，所以這些信息其實(shí)是永久的喪失了?；艚饘?duì)此說了一句有名的話：“上帝不但擲骰子，他還把骰子擲到我們看不見的地方去！”這個(gè)看不見的地方就是黑洞奇點(diǎn)。

但由于蒸發(fā)過程的發(fā)現(xiàn)，黑洞是不是在蒸發(fā)后又把這些信息重新給吐出來呢？為此，人們長期爭論不休，甚至引發(fā)了學(xué)界著名的“黑洞戰(zhàn)爭”。

不過，近年來，多半科學(xué)家都開始認(rèn)為，信息確實(shí)會(huì)在黑洞蒸發(fā)后被重新釋放，連霍金自已也改變觀點(diǎn)，公開認(rèn)輸。

最后，很有可能，我們對(duì)宇宙終極命運(yùn)的理解，也離不開量子論。大爆炸的最初發(fā)生了什么？是否存在奇點(diǎn)？在奇點(diǎn)處物理定律是否失效？因?yàn)樵谟钪鏄O早期，引力場是如此的強(qiáng)，以至量子效用不能忽略，必須采取有效的量子引力方法來處理。

在采用了費(fèi)曼的路徑積分手段后，哈特爾和霍金提出了著名的“無邊界假設(shè)”，宇宙的起點(diǎn)并沒有一個(gè)明確的邊界，時(shí)間并不是一條，從一點(diǎn)開始的射線，相反，它是復(fù)數(shù)的，時(shí)間就像我們地球表面，并沒有一個(gè)地方可以稱為“起點(diǎn)”。為了更好地理解這些問題，我們迫切地需要全新的量子宇宙學(xué)，需要量子論和相對(duì)論進(jìn)一步強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手。

這一切，都來自我們對(duì)成功的信念，對(duì)于科學(xué)的依賴，以及對(duì)于神奇的自然，那永無休止的好奇。