移动端| 设为首页| 加入收藏
通知公告
您的位置: 首页> 校园文化
学长藏书阁|《上帝掷骰子吗:量子物理史话》:“上帝不但掷骰子,他还把骰子掷到我们看不见的地方去!”
作者:办公室 来源:昆明一中 日期:2016-11-04 点击量:5049 字体: [] [] []



校友海咏菊私人藏书《上帝掷骰子吗:量子物理史话》

作者:曹天元

这是一部堪称中国版《时间简史》的优秀科学史作品。非常担心大家看到这个标题就被吓走,为了消除大家的疑虑,首先带来这本书的官方介绍:


这本书是关于量子论的故事。量子论是一个极为奇妙的理论:从物理角度来说,它在科学家中间引起了最为激烈的争议和关注;从现实角度来说,它给我们的社会带来了无与伦比的变化和进步;从科学史角度来说,也几乎没有哪段历史比量子论的创立得到了更为彻底的研究。然而不可思议的是,它的基本观点和假说至今没有渗透到大众的意识中去,这无疑又给它增添了一道神秘的光环。

这本书带读者做一次量子之旅,从神话时代出发,沿着量子发展的道路,亲身去经历科学史上的乌云和暴雨,追逐流星的辉光,穿越重重迷雾和险滩,和最伟大的物理学家们并肩作战。除了回顾基本的历史背景,还将向着未来探险,去逐一摸索量子论面前的不同道路,闯入人迹罕至的未知境地,和先行者们一起开疆扩土。让人惊叹的,不仅仅是沿途那令人眼花缭乱的绚丽风景,更来自于人内心深处的思索和启示——那是科学深植在每个人心中不可抗拒的魅力。

这本书适合任何有中学基本物理概念的读者。(对于我们这类普通读者,不必过于深究专业的理论或名词,只需把握大致的思想和理论的来龙去脉即可,这也是作者写作此书的原则之一。)


让我们先回溯上帝掷骰子说法的出处:


图:1927年索尔维会议合影

照片中获得过诺贝尔物理奖的有:洛伦兹1902,居里夫人1903,布喇格1915,普朗克1918,爱因斯坦1921,玻尔1922,康普顿1927,海森伯1932,薛定谔1933,狄拉克1933,泡利1945,玻恩1954。获得诺贝尔化学奖的有:居里夫人1911,德拜1936

1927年群星璀璨的第五届索尔维会议,几乎当时世界上所有的物理学界领军人物都齐聚于此,这可谓物理学界的“超豪华阵容”。但从后来的结果来看,这次会议的主角无疑是玻尔为首的哥本哈根派和他们的量子论。

在争论中,爱因斯坦说道:“玻尔,亲爱的上帝不掷骰子!”玻尔则还击道:“爱因斯坦,别去指挥上帝应该怎么做!”

我们知道,正是爱因斯坦对光电效应的研究,点燃了量子力学革命的星星之火。这位曾经是量子物理开创者的科学大师,面对量子力学随后众多蜂拥而出、匪夷所思的结论,甚至站到了量子论的对立面!这实在是因为量子论的一系列结果,实在太过革命,太过匪夷所思。

如果要评选物理学发展史上最伟大的年代,那么有两个时期一定会入选:17世纪末和20世纪初。前者以牛顿《自然哲学的数学原理》的出版为标志,宣告的经典物理学的正式创立;而后者则为我们带来了相对论和量子论,并最终彻底推翻和重建了整个物理学体系,也导致了我们现在诸多科学技术的兴起与繁荣。

故事从人们对于光本性(如:光是许多粒子的集合;光是电磁波)的猜想、研究与争论开始;从19世纪最后一天开尔文展望新世纪物理学时两朵乌云的讲话埋下伏笔;1900年普朗克引入量子化能量的黑体辐射公式、1905年爱因斯坦引入光量子成功解释光电效应、1913年玻尔的量子化氢原子模型将故事进一步展开;到了1924192519261927四年间,德布罗意的“物质波”,“波粒二象性”、海森堡等人的矩阵力学、泡利的不相容原理、薛定谔方程、波恩的“概率波”、海森堡不确定性原理以及玻尔的互补原理,短时间内这一系列理论的提出,将故事推向高潮,量子论迎来了真正意义上的爆发。

量子论的坚实基础就是在那一段时间被杰出的物理学家们所打下,可是,自量子论诞生以来,它曾一度受到反对派的质疑和挑战。直到今天,它和相对论一起成为了支撑物理学的两大支柱。但它是又如此地与众不同,虽然早已在很多领域取得了巨大的成功,但近90年前就被创立的它仍然没有被最后完成!许多理论学家仍在为了它而争吵不休,为如何解释其意义而闹得焦头烂额,这更加凸现出量子论独一无二的神秘气质。在如此漫长的岁月过去之后,我们不但没有对量子论了解得更清楚,反而越来越感觉到它的奇特和不可思议。“声称自己懂得量子力学的人,其实还在量子力学的门槛之外”。

书的后面部分,作者对后来兴起的几种对量子现象的新解释作出了叙述,也讲述了20世纪后期理论物理学家们基于量子力学,对建立统一宇宙四种基本力的终极理论所进行的探索。




图:我们的理论结构(摘自书中第12章)


本书的有趣之处不仅在于作者对难以理解的物理学理论所做出的精彩比喻和诠释,让大家稍加思考就能看懂其思想,更在于对科学家本身的性格和事迹的描写。一个故事精彩,正是在于人物的精彩。物理学家有人类中最为聪明的头脑,同时也有着独特的个性。书中以量子力学的发展为主线,其中串着一个个伟大的科学家,他们每一个人,又都有着独特的故事,这无疑使历史更加引人入胜。

此外,书后面部分对物理学理论上升到哲学层面的一些探讨也值得我们思考。书中一些章节结尾处的“饭后闲话”栏目也饶有趣味,作者要么对科学史上的一些“神话”(如伽利略斜塔抛球、牛顿的苹果、凯库勒的蛇等等)进行有理有据地分析;要么介绍一些科学家的趣闻;要么进行一些内容补充,这些也算是我们旅途中一道道别样的风景。


精彩章节

海森堡后来在写给荷兰学者范德沃登(Van der Waerden)的信中回忆道,当他在那个石头小岛上的时候,有一晚忽然想到体系的总能量应该是一个常数。于是他试着用他那规则来解这个方程以求得振子能量。求解并不容易,他做了一个通宵,但求出来的结果和实验符合得非常好。于是他爬上一个山崖去看日出,同时感到自己非常幸运。是的,曙光已经出现,太阳正从海平线上冉冉升起,万道霞光染红了海面和空中的云彩,在天地间流动着奇幻的辉光。在高高的石崖顶上,海森堡面对着壮观的日出景象,他脚下碧海潮生,一直延伸到无穷无尽的远方。是的,他知道,this is the moment(是时候了),他已经作出生命中最重要的突破,而物理学的黎明也终于到来。

评注:对于这样一个伟大的物理学家而言,当他完美地解决了一个困扰世人已久的科学问题的时候,他所得到的快乐,已非其他任何事情能够与之相比。所谓朝闻道,夕死可矣

人们的确有理由感到奇怪,为什么在如此漫长的岁月过去之后,我们不但没有对量子论了解得更清楚,反而越来越感觉到它的奇特和不可思议。最杰出的量子论专家们各执一词,人人都声称只有他的理解才是正确的,而别人都错了。量子谜题已经成为物理学中一个最神秘和不可捉摸的部位,Zeilinger有一次说:我做实验的唯一目的,就是给别的物理学家看看,量子论究竟有多奇怪。到目前为止,我们手里已经攥下了超过一打的所谓解释,而且它的数目仍然有望不断地增加。很明显,在这些花样繁多的提议中,除了一种以外,绝大多数都是错误的。甚至很可能,到目前为止所有的解释都是错误的,但这却并没有妨碍物理学家们把它们创造出来!我们只能说,物理学家的想象力和创造力是非凡的,但这也引起了我们深深的忧虑:到底在多大程度上,物理理论如同人们所骄傲地宣称的那样,是对于大自然的深刻发现,而不属于物理学家们杰出的智力发明? 但从另外一方面看,我们对于量子论本身的确是没有什么好挑剔的。它的成功是如此巨大,以至于我们除了咂舌之外,根本就来不及对它的奇特之处有过多的评头论足。从它被创立之初,它就挟着雷霆万钧的力量横扫整个物理学,把每个角落都塑造得焕然一新。或许就像狄更斯说的那样,这是最坏的时代,但也是最好的时代。

抛开量子场论的胜利不谈,量子论在物理界的几乎每一个角落都激起激动人心的浪花,引发一连串美丽的涟漪。它深入固体物理之中,使我们对于固体机械和热性质的认识产生了翻天覆地的变化,更打开了通向凝聚态物理这一崭新世界的大门。在它的指引下,我们才真正认识了电流的传导,使得对于半导体的研究成为可能,而最终带领我们走向微电子学的建立。它驾临分子物理领域,成功地解释了化学键和轨道杂化,从而开创了量子化学学科。如今我们关于化学的几乎一切知识,都建立在这个基础之上。而材料科学在插上了量子论的双翼之后,才真正展翅飞翔起来,开始深刻地影响社会的方方面面。在量子论的指引之下,我们认识了超导和超流,我们掌握了激光技术,我们造出了晶体管和集成电路,为一整个新时代的来临真正做好了准备。量子论让我们得以一探原子内部那最为精细的奥秘,我们不但更加深刻地理解了电子和原子核之间的作用和关系,还进一步拆开原子核,领略到了大自然那更为令人惊叹的神奇。在浩瀚的星空之中,我们必须借助量子论才能把握恒星的命运会何去何从:当它们的燃料耗尽之后,它们会不可避免地向内坍缩,这时支撑起它们最后骨架的就是源自泡利不相容原理的一种简并压力。当电子简并压力足够抵挡坍缩时,恒星就演化为白矮星。要是电子被征服,而要靠中子出来抵抗时,恒星就变为中子星。最后,如果一切防线都被突破,那么它就不可避免地坍缩成一个黑洞。但即使黑洞也不是完全的,如果充分考虑量子不确定因素的影响,黑洞其实也会产生辐射而逐渐消失,这就是以其鼎鼎大名的发现者史蒂芬霍金而命名的霍金蒸发过程。……霍金对此说了一句同样有名的话:上帝不但掷骰子,他还把骰子掷到我们看不见的地方去!


展望和结语

作者在书中提到了当今量子论研究的两大热门领域——量子计算和量子通信。

说到量子计算,量子比特不同于经典比特,它可以同时处于两个逻辑态01的相干叠加态。“考虑一个N个物理比特的存储器,若它是经典存储器,则它只能存储2^N个可能数据当中的任一个,若它是量子存储器,则它可以同时存储2^N个数,而且随着N的增加,其存储信息的能力将指数上升,例如,一个250量子比特的存储器(由250个原子构成)可能存储的数目比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多!由于数学操作可以同时对存储器中全部的数据进行,因此,量子计算机在实施一次的运算中可以同时对2^N个输入数进行数学运算。其效果相当于经典计算机要重复实施2^N次操作,或者采用2^N个不同处理器实行并行操作。可见,量子计算机可以节省大量的运算资源(如时间、记忆单元等)。

量子计算机将给人类文明带来的变革,恐怕根本无法想像。 一句话,商业级量子计算机会成为未来科技的引擎。就像蒸汽机是工业文明的象征一样,量子计算机带来的计算能力突破将会有类似的意义。

可是量子计算的实现却在技术上遇到严重的挑战,真正实现量子计算必须解决量子算法、量子编码、实现量子计算的物理体系这三大问题,这当中的很多领域仍然处于起步探索阶段。可谓路漫漫其修远兮。目前美国几大巨头对量子计算的投入已经比其他所有国家加起来还多得多。

而量子通信呢?我国的墨子号量子科学实验卫星已经于2016816日升空,它将进行一系列长距离的量子纠缠和量子隐形传态的相关实验。该项目由中科大的潘建伟院士主导,对建立基于量子纠缠态的量子通信网络具有重要意义(由于量子的奇妙性质,该通信方式理论上不能被窃听)。在这一领域,中国走在了世界的最前面!

了解到这些,我衷心希望这些领域能在不远的将来取得重大突破;也期待将来量子计算机引领的新一轮科技革命的到来。

看到这些,大家确定不来了解一下量子论及其建立的历史吗?快上车,一起开始这一趟奇妙的旅程吧!


编辑:王倡剑