【原创】重读《量子力学史话》
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重读《量子力学史话》 吕万端|文
成语新解：“度德量力”，度量人之德才，要看是否懂量子力学；“量力而行”，只有学过量子力学，才能正确行动。虽属幽默，也可见量子力学对现代人的重要性。而阅读爱因斯坦文集，更是常常涉及量子力学。于是把三年前读过的《量子力学史话》又翻一遍，学科深奥，难于悟透，数学公式，更如天书，人物智慧，令人景仰，史事生动，印象深刻，哲理感悟，留于此篇。 关于认识的相对性。量子是现代物理的重要概念，即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。量子力学是研究原子、原子核和基本粒子的结构和性质的基本理论，是现代物理的基础理论之一。 这是一门神奇的学问，有人说，这是一群无法无天的科学天才创造的。量子力学发展过程中，发现了许多性质奇异的粒子：夸克、轻子、交子、光子、中微子、费米子、玻色子等等；创造了一个个奇特的概念：反粒子、反电子、反质子、反中子、反介子、反超子、虚粒子、引力子、反物质、暗物质、暗能量等等；科学家从不同的角度思考研究，相互论战，提出了一个个罕见的学术主张和思想实验：测不准原理、波粒二象性、互补原理、量子纠缠、EPR佯谬、薛定谔的猫、不相容原理、超弦理论等等。奇思妙想，匪夷所思，可谓真实与虚构齐飞，想象共逻辑一色。人和物的世界都是粒子构成的，但在量子力学微观世界中，构成世界的粒子并不是一颗颗实体，而是一团“嗡嗡”跳动的概率云，没有唯一确定的位置，习惯宏观世界的大脑，不能不感觉神奇。量子力学取得了巨大成功，当今生活已离不开量子力学，从智能手机到通讯卫星，但直到现在，物理学家关于量子力学的一些假设仍然不能被充分证明，仍有很多需要研究的地方。阅读中，时时感叹宇宙的奥妙，思维的神奇，已知的有限，未知的无穷。每一个科学理论都可能被修正，每一个科学发现都可能被超越，每一个科学天才都有自己和时代的局限，每一个科学成果都只是真理发展的一个环节，大浪淘沙，永无止境。万物相连，学术相通，科学悟出哲理，哲理渗入道德，道德改善人性，阅读量子力学，有利预防“三高”：自以为高明、自以为高尚、自以为高贵，有利克服“四自”：自以为是、自作聪明、自命不凡、自大狂妄。 关于因果的确定性。量子力学基本理论认为，微观粒子的各种力学量（位置、动量、能量等）的出现都是几率性的，量子力学对微观粒子运动的几率性描述是完备的，对几率性的原因不需要也不可能有更深的解释，经典决定论不适用于量子力学领域。 经典决定论建立在经典力学的因果观之上，认为因和果的联系具有确定性，无论从因到果的轨迹多么复杂，沿着轨迹寻找，总能确定出原因或结果，只要初始状态一定，则未来状态可以由因果法则进行准确预测。然而，哥本哈根学派量子力学对微观世界运动规律的理解，同经典决定论根本不同，微观粒子运动遵守统计规律，人们不能说某个电子一定在什么地方出现，而只能说它在某处出现的几率有多大。在量子力学中，几率性是基本概念，统计规律是基本规律。因果原理的解释发生了改变：统计描述代替了严格的因果描述，统计决定论代替了因果决定论。经典统计力学虽然也提出了几率的概念，但未能从根本上动摇严格决定论，量子力学揭示并论证了人们对微观世界的认识具有不可避免的随机性，它不遵循严格的因果律。任何微观事件的测定都要受到测不准关系的限定，不可能确切地知道它们的位置和动量、时间和能量，只能描述和预言微观对象的可能的行为。经典因果律在微观世界失效，这要求对因果确定性作出新的理解，对科学规律作出新的定义。 关于世界的客观性。量子力学对世界的认知，是从可观察的宏观客体到不可观察的微观客体，从日常语言到数学语言，从可存在的量到可观察的量，从本体论的解释到认识论的解释，使科学活动中主客体分离迈向主客体互动。 经典科学思维的一个基本观念是，科学应该客观地、不附加任何主观成分地获取“照本来样子的”世界知识。但是量子力学的测不准原理表明，粒子的位置与动量不可能同时被确定，人不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度。测量，在面对量子世界如此微小的测量对象时，成为一个难以把握的手段。因为研究者的介入对量子世界产生了致命的干扰，使得测量中充满了不确定性。在量子力学看来，研究工作由宏观领域进入微观领域时，会遇到一个矛盾：观测仪器是宏观的，可是研究对象却是微观的；宏观仪器必然对微观粒子产生干扰，这种干扰又对人的认识产生干扰；人只能用反映宏观世界的经典概念来描述宏观仪器所观测到的结果，这种经典概念在描述微观客体时不能不加以限制。仪器的作用同观察对象具有不可分割性，形成了科学活动中主客体互动关系，这就突破了经典科学完全可以在不影响客体自然存在的状态下进行观测的假定。哥本哈根量子力学反复表明，不存在绝对客观的世界，唯一存在的是能够观测到的世界；我们观测的不是自然本身，而是由我们用来探索问题的方法所揭示的自然；物理学的意义，不在于它能够描述出的自然“是什么”，而在于它能够明确关于自然我们能够“说什么”。如果接受量子力学，就需要修正建立在经典科学基础之上的哲学理念，重新阐述什么是实在，何为客观性。 这是科学与哲学互相影响的必然结果。 喜欢琢磨量子力学的读者感叹加调侃：遇事不决，量子力学；解释不通，穿越时空；风格跳跃，虚拟世界；脑洞不够，平行宇宙。欲懂量子力学，要做吃苦准备，思维筋疲力尽，真知遥不可及。新解成语，结束本文，“不自量力”：不应自学量子力学！ （值得欣赏的一张历史性照片。1927年第五届索尔维会议，物理学界的神仙聚会，现代物理学基础知识，几乎有一半是这些人创造的，29位与会者中有17人是诺贝尔奖得主，支持和批评量子力学的精英空前聚会，群贤毕至，少长咸集，激烈论战，寻求真理，包括爱因斯坦、普朗克、玻尔、埃伦费斯特、居里夫人、洛伦兹、朗之万、德布罗意、波恩、薛定谔、泡利、海森堡等。）
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