?關(guān)于作者
曹天元，科普作家。本人不愿意透露具體身份。
關(guān)于本書(shū)
《上帝擲骰子嗎？》是中國非常出名的科普作品之一。曾獲“吳大猷科普獎”，文津圖書(shū)獎等獎項，被譽(yù)為中國版的《時(shí)間簡(jiǎn)史》。
核心內容
作者梳理了量子力學(xué)百余年來(lái)的發(fā)展史，對量子力學(xué)的基本原理，發(fā)展歷程中的重要事件以及多位頂尖科學(xué)家之間的觀(guān)點(diǎn)爭執做了梳理，并詳細論述了量子力學(xué)對人類(lèi)認知的顛覆性影響。
前言
你好，歡迎每天聽(tīng)本書(shū)。本期音頻為你解讀的是《上帝擲骰子嗎》，副標題是“量子物理史話(huà)”。這本書(shū)的中文版大約56萬(wàn)字，我會(huì )用大約27分鐘的時(shí)間，為你講述書(shū)中精髓：量子論是怎么顛覆了人類(lèi)的認知？
如果要評選20世紀人類(lèi)社會(huì )最重要的事件，那么既不是兩次世界大戰，也不是人類(lèi)登上了太空，而是量子力學(xué)的出現和發(fā)展。這不是我說(shuō)的，而是《上帝擲骰子嗎》這本書(shū)里的觀(guān)點(diǎn)。為什么這么說(shuō)呢？因為量子力學(xué)的誕生，引發(fā)了一系列的技術(shù)革命，包括核能、計算機、材料學(xué)、信息技術(shù)等等領(lǐng)域，完全深入了我們生活的每一個(gè)角落。
從實(shí)用性上來(lái)說(shuō)，量子力學(xué)可以說(shuō)是最成功的理論。但問(wèn)題是，至今為止，我們也不能完全理解量子力學(xué)。因為它實(shí)在是太違反常識了，完全顛覆了傳統的世界觀(guān)，有時(shí)甚至會(huì )讓人感到可怕。所以即使是很多頂尖的科學(xué)家，甚至是量子力學(xué)開(kāi)山鼻祖級的人物，都可能會(huì )不敢相信量子力學(xué)的結論，最終站到了量子力學(xué)的對立面。
《上帝擲骰子嗎》這本書(shū)的書(shū)名，就來(lái)源于愛(ài)因斯坦對于量子力學(xué)的批評。愛(ài)因斯坦和另一位頂尖科學(xué)家玻爾的論戰，是20世紀最出名的科學(xué)爭論。愛(ài)因斯坦在這場(chǎng)圍繞量子力學(xué)的對戰中說(shuō)“上帝是不會(huì )玩擲骰子游戲的”，他就是在說(shuō)，量子力學(xué)的理論，一定是有問(wèn)題的，世界不是按照量子力學(xué)那套理論來(lái)運行的。但事實(shí)證明，愛(ài)因斯坦錯了，上帝真的就是在擲骰子，量子力學(xué)徹底顛覆了我們對世界的認知。
這本書(shū)的作者是曹天元，他本人就像量子一樣神秘，不愿意透露自己的身份。跟作者本人的低調不同，《上帝擲骰子嗎》這本書(shū)可以說(shuō)是大名鼎鼎，被譽(yù)為中國的《時(shí)間簡(jiǎn)史》。這本書(shū)屬于通俗的科學(xué)史讀物，通過(guò)一個(gè)歷時(shí)性的縱向視角，介紹了整個(gè)量子力學(xué)的發(fā)展史。量子力學(xué)發(fā)展過(guò)程中的各位代表人物，從普朗克到玻爾到薛定諤再到愛(ài)因斯坦，在書(shū)中都有出場(chǎng)。量子力學(xué)發(fā)展過(guò)程中的重要事件、各類(lèi)思想交鋒，以及對人類(lèi)認知所產(chǎn)生的決定性影響，這本書(shū)都用非常形象的方式給予了概括。只要有中學(xué)物理基礎的人，基本都能看懂書(shū)中所介紹的量子論原理。在我看來(lái)，如果這世界上只有一本書(shū)能讓你明白量子力學(xué)，那就是這本書(shū)了。
接下來(lái)，我從三個(gè)角度，來(lái)為你講述本書(shū)精髓，量子力學(xué)如何顛覆了我們的認知？要明白這個(gè)問(wèn)題，首先要從量子論的起源說(shuō)起，看看量子論在最初是怎么沖擊經(jīng)典物理學(xué)的？然后再來(lái)看看，為什么說(shuō)量子力學(xué)是在“擲骰子”，“骰子”是如何徹底摧毀經(jīng)典物理學(xué)體系的？最后來(lái)了解一下，“不確定性”到底意味著(zhù)什么，為什么說(shuō)它不光影響了物理學(xué)，還影響了哲學(xué)？
第一部分
先從量子力學(xué)誕生時(shí)的情況說(shuō)起。來(lái)看第一個(gè)問(wèn)題，量子論是如何沖擊經(jīng)典物理學(xué)的？在19世紀末的時(shí)候，經(jīng)典物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)巔峰。當時(shí)牛頓力學(xué)體系經(jīng)歷了幾個(gè)世紀的考驗，屹立不倒，從天上的星星到地上的石頭，統統都遵照著(zhù)牛頓訂下的規則在運動(dòng)；在電磁學(xué)方面，英國物理學(xué)家麥克斯韋發(fā)表了三篇關(guān)于電磁理論的論文，提出光也是一種電磁波，后人從他的理論中總結出了名垂千古的麥克斯韋方程組，這一成就決不在牛頓之下；在熱力學(xué)方面呢，熱力學(xué)三大定律也已經(jīng)基本確定了。更厲害的是，經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)、經(jīng)典熱力學(xué)，這三大體系是和諧統一的，成為了經(jīng)典物理學(xué)的三大支柱，牢不可破。
所以那個(gè)時(shí)候人們認為，物理學(xué)差不多已經(jīng)到頭了。所有的物體，一切的現象，都在遵照著(zhù)經(jīng)典物理學(xué)的基本原理在運行。大自然中的力、熱、光、電、磁，所有的現象，都已經(jīng)被物理學(xué)無(wú)死角全覆蓋。人類(lèi)已經(jīng)完全掌握了大自然的運行規律，可以把握世界上的一切事物。當時(shí)的熱力學(xué)泰斗開(kāi)爾文男爵就說(shuō)，“物理學(xué)的未來(lái)，只能在小數點(diǎn)第六位之后去尋找”。意思就是說(shuō)，物理學(xué)以后的發(fā)展，無(wú)非就是小修小補，小打小鬧，比如更精確地測量了一些常數什么的。至于各個(gè)領(lǐng)域的基礎原理，都已經(jīng)定型了。
但同樣是這位開(kāi)爾文男爵，他在1900年發(fā)表了一個(gè)著(zhù)名的演講，說(shuō)物理學(xué)這座大廈雖然雄偉，但它的上空卻飄浮著(zhù)兩朵“烏云”，也就是兩個(gè)物理學(xué)上的難題還沒(méi)有解決。第一個(gè)難題，是人們猜想宇宙中有一種叫“以太”的物質(zhì)，但無(wú)論怎么做實(shí)驗，都探測不到這種物質(zhì)。第二個(gè)難題，是關(guān)于黑體輻射實(shí)驗的，這個(gè)實(shí)驗的結果，總和理論預測不一致。在當時(shí)看起來(lái)，這兩朵烏云似乎不算是大問(wèn)題，但如果你今天回過(guò)頭來(lái)看就會(huì )發(fā)現，這兩朵烏云，第一朵導致了相對論革命的爆發(fā)，第二朵導致了量子論革命的爆發(fā)。整個(gè)輝煌燦爛的經(jīng)典物理學(xué)大廈，就在這兩次革命中轟然倒塌。
先簡(jiǎn)單地說(shuō)一下，導致相對論革命的這朵烏云是怎么回事。19世紀的時(shí)候，科學(xué)家們認為，電磁波的傳播需要一種介質(zhì)，這種假想中的介質(zhì)就叫以太。以太充滿(mǎn)整個(gè)宇宙，沒(méi)有質(zhì)量，而且是絕對靜止的。光速也是相對于以太這個(gè)絕對靜止的參照系來(lái)說(shuō)的，如果換個(gè)參照系，光速的大小也就變了。如果你和光在以太中順著(zhù)同一個(gè)方向奔跑，那光速在你看來(lái)就變慢了一點(diǎn)，如果你和光相對著(zhù)奔跑，那光速在你看來(lái)就快了一點(diǎn)。
所以說(shuō)，當時(shí)整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)的時(shí)空體系，都建立在以太的基礎之上。為了觀(guān)測以太，有兩位科學(xué)家設計了一個(gè)極其精密的實(shí)驗，來(lái)探測以太對于光線(xiàn)傳播的影響。結果發(fā)現，無(wú)論是順著(zhù)光跑還是逆著(zhù)光跑，觀(guān)察到的光速都是完全一樣的，根本沒(méi)有任何變化。這讓整個(gè)物理學(xué)界大受震動(dòng)。這次實(shí)驗的結果，等于是否定了以太的存在，也否定了經(jīng)典物理學(xué)和經(jīng)典時(shí)空觀(guān)的基礎。愛(ài)因斯坦最終提出，在任何參照系中，光速都是不變的，并且以此為基礎，掀起了一場(chǎng)轟轟烈烈的相對論革命。
當然了，我們今天的重點(diǎn)是第二朵烏云。所以接下來(lái)我們著(zhù)重來(lái)看一下，導致量子論革命的這朵烏云是怎么回事。
在19世紀末的時(shí)候，很多科學(xué)家都在研究黑體輻射問(wèn)題，簡(jiǎn)單來(lái)講，就是研究物體的溫度和輻射能量之間有著(zhù)怎樣的關(guān)系。經(jīng)過(guò)科學(xué)家前仆后繼的努力，終于得到了兩套公式，但問(wèn)題是，其中一套公式只對電磁波的短波有效，另一套公式只對長(cháng)波有效，所以這中間肯定是有問(wèn)題的。
這個(gè)時(shí)候，量子論歷史上最最重要的人物之一，普朗克，就登場(chǎng)了。普朗克這個(gè)人多才多藝，文學(xué)、音樂(lè )、自然科學(xué)，樣樣精通。普朗克的大學(xué)導師還勸他說(shuō)物理學(xué)體系已經(jīng)非常成熟了，不會(huì )再有什么大的發(fā)現了，你不如去搞搞其他的。還好當時(shí)普朗克沒(méi)聽(tīng)他的話(huà)，否則量子力學(xué)能不能發(fā)展起來(lái)還真不好說(shuō)。
1900年的時(shí)候，普朗克已經(jīng)研究黑體輻射好幾年了，但也沒(méi)搞出什么頭緒來(lái)。一天下午，他就想換個(gè)思路，先不管各種各樣的假設啊推導啊，不管怎樣，先用數學(xué)方法把這兩套公式拼起來(lái)再說(shuō)。結果幾天之后，普朗克還真把這兩套公式給湊成了一個(gè)，也就是著(zhù)名的“普朗克黑體公式”。在普朗克黑體公式公布之后，大家發(fā)現這個(gè)公式非常管用。但問(wèn)題是，大家都是知其然，不知其所以然，只知道這個(gè)公式好用，但不知道它為什么好用，也并不知道這個(gè)公式究竟隱藏著(zhù)怎樣的物理意義。
又經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間的研究，普朗克終于發(fā)現，如果要讓這個(gè)公式成立，就必須做一個(gè)假設，那就是：能量在發(fā)射或者吸收的時(shí)候，不是連續不斷的，而是必須分成一小份一小份的。也就是說(shuō)，能量不是可以無(wú)限分割的，而是有一個(gè)最小單位，這個(gè)基本單位，后來(lái)就被命名為“量子”。就是這個(gè)量子的假定，最終推翻了整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)的大廈，也徹徹底底地改變了人類(lèi)對世界的認識。
為什么這么說(shuō)呢？在經(jīng)典物理學(xué)看來(lái)，一切自然過(guò)程都是連續不斷的，如果氣溫從20度上升到30度，那中間肯定經(jīng)過(guò)了25度，如果一個(gè)化學(xué)反應釋放了50焦耳的能量，那中間肯定有一個(gè)時(shí)刻，它剛好釋放出了，比如30.134焦耳的能量。但量子的假設就不是這樣，量子論相當于在說(shuō)，能量的發(fā)射和吸收，就像是我們花錢(qián)一樣，你一次最少也要花1分錢(qián)，因為沒(méi)有比1分錢(qián)更小的面值了。你不能說(shuō)我買(mǎi)個(gè)東西花0.3分錢(qián)，不可能的。能量也一樣，它有個(gè)最小單位，是不連續的。
關(guān)于連續性和平滑性的假設，是微積分的基礎。而無(wú)論是牛頓的力學(xué)還是麥克斯韋的電磁學(xué)，都建立在微積分的基礎之上。而量子論的誕生，直接動(dòng)搖了連續性的假設，相當于經(jīng)典物理學(xué)的大廈一下子被移走了地基。
那量子論到底對不對呢？是對的。舉個(gè)例子，大名鼎鼎的光電效應?？茖W(xué)家發(fā)現，如果用光來(lái)照射金屬，就有可能從金屬的表面打擊出電子來(lái)。但很奇怪的是，光能不能打出電子，跟光的強度無(wú)關(guān)，只跟光的頻率有關(guān)。比如頻率高的紫外線(xiàn)，就可以打擊出電子。頻率低的紅光、黃光，就一個(gè)電子都打不出來(lái)，而且無(wú)論這個(gè)紅光和黃光有多強都不行。這個(gè)當時(shí)科學(xué)家都不能解釋的現象，就是“光電效應”。之后愛(ài)因斯坦用量子理論成功地解釋了光電效應：頻率更高的光線(xiàn)，比如紫外線(xiàn)，它的單個(gè)量子所蘊含的能量比較高，而頻率低的光線(xiàn)，單個(gè)量子蘊含的能量低。對于低頻率的光來(lái)說(shuō)，它的量子能量不足，根本就激發(fā)不出電子，無(wú)論這個(gè)光多強都不行。也就是說(shuō)，光也是以量子的形式來(lái)吸收能量的，沒(méi)有連續性，也不能積累。
憑借著(zhù)對光電效應的解釋?zhuān)瑦?ài)因斯坦最終獲得了諾貝爾獎。這里順便提一句，愛(ài)因斯坦對自己的世界觀(guān)有著(zhù)非常堅定的信仰，所以他在后期不愿意接受量子力學(xué)中種種違反常識、顛覆認知的現象，甚至站到了量子力學(xué)的對立面，但盡管如此，他對光電效應的研究，以及對量子力學(xué)的種種質(zhì)疑，仍然在客觀(guān)上推動(dòng)了量子論的發(fā)展。
剛才講的就是第一個(gè)問(wèn)題，量子論是如何沖擊經(jīng)典物理學(xué)的？經(jīng)典物理學(xué)建立在微積分的基礎之上，認為一切的自然過(guò)程都是連續不斷的，可以無(wú)限切分。但普朗克卻發(fā)現，能量的傳輸并不是連續的，而是有一個(gè)最小單位，就是量子，愛(ài)因斯坦對光電效應的研究等也證實(shí)了這一結論。整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)的大廈因此搖搖欲墜。
如果說(shuō)量子論對“連續性”的沖擊，是讓經(jīng)典物理學(xué)的大廈搖搖欲墜的話(huà)，那接下來(lái)我們要討論的話(huà)題等于是徹底摧毀了這座大廈。就來(lái)看看科學(xué)家為什么說(shuō)量子力學(xué)是在“擲骰子”？為什么一個(gè)小小的“骰子”會(huì )摧毀經(jīng)典物理學(xué)呢？
第二部分
隨著(zhù)量子論的不斷發(fā)展，這門(mén)學(xué)科展現出了越來(lái)越多讓人匪夷所思的性質(zhì)。而且跟以前不同的是，很多物理性質(zhì)，都是通過(guò)數學(xué)推導才發(fā)現的。我們一般認為，只有先掌握了物理量的定義，然后才能在這些物理量之間建立數學(xué)關(guān)系。比如我們先知道了什么是力，什么是質(zhì)量和加速度，然后才發(fā)現，力等于質(zhì)量乘以加速度。但在量子力學(xué)，包括現代物理學(xué)的其他領(lǐng)域里，經(jīng)常是科學(xué)家們用數學(xué)方法算出一個(gè)函數或者方程，然后才去尋找這個(gè)函數究竟是什么意思。就像是你在不知道什么是力的情況下，就先通過(guò)計算得出了一個(gè)數據，然后才發(fā)現原來(lái)這個(gè)數據代表了力的大小。
在這里，著(zhù)名的奧地利科學(xué)家薛定諤要登場(chǎng)了。薛定諤在研究原子的過(guò)程中，得到了一個(gè)名震物理學(xué)史的著(zhù)名方程，叫薛定諤波動(dòng)方程。這個(gè)方程里有一個(gè)用希臘字母ψ命名的函數，它代表電子在空間中的分布，但人們并不知道它明確的物理意義到底是什么。
薛定諤本人認為，ψ函數的物理意義，是電子在空間中的實(shí)際分布。什么意思呢？就是說(shuō)，如果我們把電子或者光子這些微觀(guān)粒子放大來(lái)看的話(huà)，就會(huì )發(fā)現，它們不是一個(gè)個(gè)小點(diǎn)，而是在空間中融化開(kāi)來(lái)了，就好像是涂在面包上的黃油那樣。這個(gè)ψ，就是代表電子的這種實(shí)際的位置分布。但另一位諾貝爾獎獲得者波恩卻認為，薛定諤的這個(gè)解釋是錯的。他提出了一個(gè)驚世駭俗的預言，說(shuō)ψ函數代表的不是電子的實(shí)際分布，而是代表著(zhù)一種隨機分布，也就是電子在某個(gè)地點(diǎn)出現的概率。
到底誰(shuí)是對的呢？來(lái)看個(gè)著(zhù)名的實(shí)驗，電子的雙縫干涉實(shí)驗。假如我們有一臺儀器和一個(gè)感光屏，兩者之間還有一塊有兩條縫的板子。如果現在這個(gè)儀器發(fā)射出一個(gè)電子，那么這個(gè)電子到底會(huì )出現在感光屏上的什么位置呢？答案是，無(wú)法確定。我們不知道這個(gè)電子會(huì )出現在哪里，完全摸不到頭緒，因為它根本就是一個(gè)隨機過(guò)程。
但如果我們進(jìn)行大量觀(guān)察的話(huà)就會(huì )發(fā)現，電子的出現也不是完全沒(méi)有規律的，感光板上有些位置出現電子的可能性高，有些位置可能性低。這個(gè)概率是完全符合概率計算的。所以，如果我們大量發(fā)射電子，就會(huì )發(fā)現，感光板上有些地方亮一些，有些地方暗一些，亮的地方就是電子出現概率高的地方，暗的地方就是電子出現概率低的地方，而且每次的明暗分布都是有規律的。所以，雖然我們沒(méi)法兒確定單個(gè)電子的位置，但卻可以計算出大量電子會(huì )組成怎樣的圖案，因為電子的隨機分布符合數學(xué)規律。
聽(tīng)到這里你肯定明白了，在這個(gè)問(wèn)題上，薛定諤錯了，波恩才是對的：我們根本無(wú)法預言電子的實(shí)際位置，而是只能預言電子的出現概率。這個(gè)結論意味著(zhù)，量子論徹徹底底地從最根本的因果關(guān)系上顛覆了整個(gè)物理學(xué)。
伽利略、牛頓這樣的偉人，建立起了物理學(xué)的恢弘大廈，向人們解釋了世間萬(wàn)物的運行規律，并且預言了未來(lái)。在這個(gè)基礎上，人們可以完美地預言幾時(shí)幾分幾秒會(huì )出現日食，掌握所有運動(dòng)的來(lái)龍去脈?？傊?，一切事物之間都是有因果聯(lián)系的，宇宙就像是一臺精密的機器，所有零件都按照規則運行。只要我們掌握了足夠多的規律，擁有足夠強的計算能力，那么整個(gè)宇宙里所有事物的過(guò)去和未來(lái)，都應該盡在掌握。人類(lèi)之所以還沒(méi)做到這一點(diǎn)，只是因為我們目前知道的信息還不夠多而已。這種觀(guān)點(diǎn)，在哲學(xué)上叫做“決定論”，自古以來(lái)，人們對世界的理解方式都是這樣的。
但量子力學(xué)對微觀(guān)粒子的研究卻發(fā)現，世界的運行規則，跟我們想象的完全不同。即使我們掌握了電子的初始狀態(tài)，擁有最強大的計算工具，考慮了所有可能的影響，也不可能準確預言電子的位置。更重要的是，這不是因為我們的能力不足，而是大自然從根本性質(zhì)上就是不可預測的。這不是推翻某一條規律的問(wèn)題，而是要完完全全地推翻整個(gè)決定論系統，推翻當時(shí)所有科學(xué)的根本基礎。在量子力學(xué)中，概率是深藏在世界底層的根本性質(zhì)，一切的事情，都是靠擲骰子來(lái)決定的。
這個(gè)堪稱(chēng)詭異的結論，對很多科學(xué)家來(lái)說(shuō)是完全不可接受的。愛(ài)因斯坦在寫(xiě)給量子力學(xué)奠基人之一馬克斯·波恩的信中明確表示，自己完全不能容忍這樣的想法，絕不愿意放棄因果性，他堅信量子論的基礎一定有問(wèn)題，一定能挑出毛病。他在信中說(shuō)，“我毫無(wú)保留地相信，上帝是不會(huì )擲骰子的！”
之后，以愛(ài)因斯坦和玻爾為代表，薛定諤、波恩、海森堡、德布羅意，這些物理史上金光閃閃的天才偉人，全都投入到了量子力學(xué)的大戰中。愛(ài)因斯坦給玻爾出了許多看似不可解決的難題，但玻爾都給出了非常精妙的解答。不過(guò)直到臨終之前，愛(ài)因斯坦也仍然沒(méi)有被說(shuō)服，他一直在為自己的信仰辯護?；剡^(guò)頭來(lái)看，這場(chǎng)關(guān)于量子論的爭戰的結果很明確：愛(ài)因斯坦錯了，量子力學(xué)是正確的，上帝的確擲骰子。
剛才講的就是第二個(gè)問(wèn)題：為什么說(shuō)量子力學(xué)是在“擲骰子”？因為對微觀(guān)粒子的研究發(fā)現，粒子的分布并不是確定的，而是一個(gè)隨機事件。我們不能確定粒子的位置，只能掌握粒子出現的概率。所以，嚴格的因果關(guān)系蕩然無(wú)存，統治科學(xué)界幾百年的決定論被打破了。人們發(fā)現，概率深藏在宇宙的底層，上帝的確擲骰子。
講到這里，你應該已經(jīng)感受到了量子力學(xué)對人類(lèi)認知的重大顛覆。但接下來(lái)的最后一個(gè)問(wèn)題，可能還會(huì )再顛覆一次你的三觀(guān)。這個(gè)問(wèn)題就是，量子論里的“不確定性”意味著(zhù)什么？
第三部分
剛才講到，即使我們完全確定了一個(gè)電子的初始狀態(tài)，也無(wú)法預測電子出現的位置。不光如此，另一位科學(xué)巨人海森堡還發(fā)現，我們連完全確定電子的初始狀態(tài)這一點(diǎn)，也是做不到的。
海森堡在研究量子力學(xué)的過(guò)程中，使用到了一種很不常見(jiàn)的數學(xué)方法，通過(guò)推導之后，發(fā)現了一個(gè)奇怪的方程：簡(jiǎn)單點(diǎn)來(lái)說(shuō)的話(huà)，就是如果用英文字母P來(lái)代表電子的速度，Q來(lái)代表電子的位置的話(huà)，那么P乘以Q卻不等于Q乘以P，相當于不符合乘法交換律。
海森堡被這個(gè)方程困擾了很長(cháng)一段時(shí)間，一直不明白這背后究竟有什么物理意義。直到某一天，海森堡突然醍醐灌頂，做出了一個(gè)特別大膽的猜測，他覺(jué)得這代表著(zhù)，如果我們先觀(guān)測電子的速度，就會(huì )影響電子的位置；反過(guò)來(lái)，如果先觀(guān)測電子的位置，也會(huì )影響電子的速度。
之后通過(guò)數學(xué)計算，海森堡終于確認了自己的猜想：測量速度的誤差，和測量位置的誤差，二者的乘積一定大于某個(gè)常數。意思就是說(shuō)，如果對速度的測量越精確，那么對位置的測量就越不精確；反過(guò)來(lái)也一樣，對位置的測量越精確，對速度的測量就越不精確。所以，電子的位置和速度，是一種互補關(guān)系，就像蹺蹺板一樣，按下這頭就翹起那頭，我們永遠也無(wú)法同時(shí)確定一個(gè)電子的速度和位置。這個(gè)原理，就是大名鼎鼎的“海森堡測不準原理”，更準確地說(shuō)，應該叫“不確定性原理”。
科學(xué)家們進(jìn)一步研究發(fā)現，能量和時(shí)間，也存在著(zhù)這種不確定性的互補關(guān)系。如果能量測量得越精確，時(shí)間就越模糊；如果時(shí)間測量得越精確，能量就會(huì )開(kāi)始起伏不定。各種物理量都遵循著(zhù)海森堡的不確定性原理，此起彼伏，難以捉摸。
在“電子雙縫實(shí)驗”中，波恩的概率解釋證明了即使給出全部的條件，我們也不能預測結果。而海森堡的不確定性原理證明了，我們連給出所有條件都做不到。這里需要解釋一下，不能同時(shí)確定電子的位置和速度，并不是因為我們的測量技術(shù)不夠強，而是因為根本就不存在一個(gè)位置和速度完全確定的電子。這個(gè)道理就相當于，我們造不出永動(dòng)機，不是因為我們技術(shù)不夠好，而是永動(dòng)機本身就是不可能存在的。
不確定性原理其實(shí)告訴了我們這樣一個(gè)現實(shí)：就是我們的觀(guān)測行為本身，會(huì )影響我們的觀(guān)測結果。采取不同的觀(guān)測方式，會(huì )觀(guān)測到不同的結果。舉個(gè)例子。很多年以來(lái)，科學(xué)家們一直為電子到底是什么而爭論，有些科學(xué)家說(shuō)它是一種粒子，有些說(shuō)它是一種波，而且雙方都可以舉出各種各樣的證據支撐自己的理論，所以，我們說(shuō)電子是具有“波-粒二象性”的，因為根據我們的觀(guān)測方法不同，它既可以表現出波的性質(zhì)，又可以表現出粒子的性質(zhì)。
那你肯定想問(wèn)，道理我都懂，那說(shuō)到底，電子本質(zhì)上究竟是個(gè)什么東西呢？關(guān)鍵就在這里了。在量子力學(xué)看來(lái)，我們根本不知道電子的本來(lái)面目是什么，只能說(shuō)我們采用某種觀(guān)察方式時(shí)，所看到的電子是什么樣的。
舉個(gè)例子。假如你現在看到了一匹棕色的馬，那如果你戴上墨鏡，那這匹馬的顏色在你眼中就變了，而如果你是一位色盲患者，那馬在你眼中又會(huì )是另外一種顏色。我們其實(shí)并不知道馬在本質(zhì)上是什么顏色的，只能說(shuō)馬在我們的觀(guān)察中是什么顏色的，甚至可以說(shuō)，馬根本就沒(méi)有什么“本來(lái)的顏色”。
這個(gè)道理聽(tīng)起來(lái)很玄乎，但事實(shí)的確就是這樣。無(wú)論是電子還是光子，這些量子力學(xué)中的測量對象都是非常微小的，我們的觀(guān)測會(huì )對它們造成致命的干擾，而且是不可能被克服的，觀(guān)測的結果并不是客觀(guān)確定的。在量子力學(xué)看來(lái)，除非我們先確定了測量這個(gè)物理量的方式，否則談?wù)撊魏挝锢砹慷际菦](méi)有意義的。
這么一來(lái)，就造成了一個(gè)非常詭異的結論：在量子世界里，沒(méi)有一個(gè)絕對客觀(guān)的實(shí)體或者外部世界。比如一個(gè)電子或者光子，它根本就沒(méi)有一個(gè)客觀(guān)的速度，我們所能把握的，只是測量得到的速度，而且這個(gè)測量速度還跟我們的測量方式有關(guān)。甚至可以說(shuō)，如果我們不進(jìn)行測量的話(huà)，這個(gè)電子的速度根本就沒(méi)有意義！只有可以被測量的物理量，才是有意義的。
在經(jīng)典物理學(xué)中，我們認為有一個(gè)客觀(guān)實(shí)在的世界，即使我們還沒(méi)有對這個(gè)世界有清晰的認識，那也是我們自己的問(wèn)題，世界本身肯定是客觀(guān)實(shí)在的，不以我們的意志為轉移。這是人類(lèi)一直以來(lái)認識世界的方式，叫“客觀(guān)實(shí)在論”。
但在量子力學(xué)中，情況就完全不同了，一切都跟測量行為掛上了鉤：觀(guān)測對象和被觀(guān)測對象融為一體，相互影響，主客體之間的界限消失了。也就是說(shuō)，物理學(xué)或者其他科學(xué)，都沒(méi)法去研究一個(gè)所謂的“客觀(guān)實(shí)在”的世界，人類(lèi)并不知道宇宙的客觀(guān)本質(zhì)是什么，只知道我們觀(guān)測到的宇宙是什么樣的，任何事物都只有在被觀(guān)測的時(shí)候才有意義。
聽(tīng)到這里，你應該可以感受到，量子力學(xué)給整個(gè)物理學(xué)界和哲學(xué)界帶來(lái)了多大的沖擊。概率解釋顛覆了因果關(guān)系，“不確定性原理”顛覆了客觀(guān)實(shí)在論，這簡(jiǎn)直可以說(shuō)是顛覆了人類(lèi)對世界的一切認知，而且由此引申出的種種結論，比如著(zhù)名的處于生死疊加態(tài)的“薛定諤的貓”、或者是經(jīng)常在科幻小說(shuō)中出現的“平行宇宙理論”等等，對一般人來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直是天方夜譚，甚至是讓很多科學(xué)家都感到難以接受。只能說(shuō)，人類(lèi)至今為止，還是沒(méi)有完全明白量子力學(xué)背后究竟隱藏著(zhù)怎樣的物理意義和哲學(xué)意義。玻爾曾說(shuō)過(guò)，“如果誰(shuí)不為量子論而感到困惑，那他就是沒(méi)有理解量子論?！绷硪晃淮笪锢韺W(xué)家費曼說(shuō)得更直接，他說(shuō)“沒(méi)人能夠理解量子力學(xué)”。
剛才講的就是最后一個(gè)問(wèn)題，量子力學(xué)中的“不確定性”意味著(zhù)什么？不確定性原理意味著(zhù)，我們無(wú)法同時(shí)精確地測量電子或其他微觀(guān)粒子的位置和速度，并且，我們的觀(guān)測行為本身，會(huì )對測量結果造成干擾。所以，我們不能說(shuō)世界的本質(zhì)是什么樣的，只能說(shuō)我們觀(guān)測到的世界是什么樣的，甚至可以說(shuō)，根本就不存在一個(gè)客觀(guān)實(shí)在的世界。人們一直以來(lái)堅持的“客觀(guān)實(shí)在論”受到了嚴重的挑戰。
總結
講到這里，《上帝擲骰子嗎》這本書(shū)的內容就聊得差不多了，我再來(lái)為你回顧一下這本書(shū)的精華內容，量子論如何顛覆了人類(lèi)的認知？
首先講到了量子論是如何沖擊經(jīng)典物理學(xué)的？經(jīng)典物理學(xué)依賴(lài)于微積分，認為一切的自然過(guò)程都是連續不斷的。但量子力學(xué)發(fā)現，能量的傳輸是有一個(gè)最小單位的，這個(gè)單位就是“量子”，許多自然過(guò)程都不是連續的。這種非連續性的概念，讓經(jīng)典物理學(xué)的大廈搖搖欲墜。
然后講到了，為什么說(shuō)量子力學(xué)是在“擲骰子”？因為對微觀(guān)粒子的研究發(fā)現，我們不能確定粒子的位置，只能掌握粒子出現的概率，粒子的分布是一個(gè)概率事件。這么一來(lái)，強調嚴格因果關(guān)系的“決定論”就被打破了。人們發(fā)現，概率深藏在宇宙的底層，上帝的確是以擲骰子的方式在維持著(zhù)宇宙的運行。
最后講到了量子力學(xué)中的“不確定性”。不確定性原理的意思是，我們無(wú)法同時(shí)準確地測量電子的位置和速度，位置越精確，速度就越不精確，反過(guò)來(lái)也一樣。而且，我們的觀(guān)測行為本身，會(huì )對測量結果造成干擾。這么一來(lái)，觀(guān)測者和觀(guān)測對象的界限就被打破了，我們發(fā)現自己無(wú)法把握世界的本質(zhì)，甚至根本就不存在一個(gè)客觀(guān)實(shí)在的世界?！翱陀^(guān)實(shí)在論”受到了嚴重的挑戰。
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