《上帝掷骰子吗》：一篇文章读懂爱因斯坦与玻尔等物理学家的量子之旅Epub-Pdf-Mobi-Txt-Azw3 下载在线阅读 

 

 

1

第一次波粒战争：

波方：

1663年，波义耳，我们看到的各种颜色，其实并不是物体本身的属性，而是光照上去才产生的效果。（格里马第：颜色的不同，是因为光波频率的不同而引起的）

1665年，胡克，重复了格里马第的工作，并仔细观察了光在肥皂泡里映射出的色彩以及光通过薄云母片而产生的光辉，从而判断光必定是某种快速的脉冲，出版《显微术》，明确地支持波动说。

1690年，惠更斯，继承了胡克的思想，认为光是一种在以太里传播的纵波，并引入了“波前”等概念，成功地证明和推导了光的反射和折射定律。出版的《光论》标志着波动说在这个阶段到达了一个兴盛的顶点。

 

 

粒方：

1672年，牛顿，光的色散实验，得出白色光是由七彩光混合而成的结论，光的复合和分解被比喻成不同颜色微粒的混合和分开。

1675年，牛顿，牛顿环实验（让光通过一块大曲率凸透镜照射到光学平玻璃板上，会看见在透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环条纹）

1704年，牛顿，《光学》出版，详尽阐述了光的色彩叠合与分散，从粒子的角度解释了薄膜透光、牛顿环以及衍射实验中发现的种种现象，研究了双折射现象，驳斥了波动理论。

结果：

第一次波粒战争以波动的惨败而告终。

 

 

2

第二次波粒战争：

波方：

1807年，托马斯·杨，《自然哲学讲义》出版，总结了1801年与1803年对于如何用光波的干涉效应来解释牛顿环和衍射现象的阐释。描述了光的双缝干涉实验。

1819年，菲涅耳，采用了光是一种波动的观点，并以严密的数学推理，极为圆满地解释了光的衍射问题。（该理论应用于圆盘衍射会出现泊松亮斑）

1821年，菲涅耳，《关于偏振光线的相互作用》论文发表，用横波理论成功地解释了偏振现象。

 

1850年，傅科，提交了关于光速测量实验的报告。在准确地得出光在真空中的速度之后，他也进行了水中光速的测量，发现这个值小于真空中的速度，只有前者的3/4，彻底宣判了微粒说的死刑。

1856年、1861年、1865年，麦克斯韦，电磁理论，预言光其实只是电磁波的一种。

1887年，赫兹，证实了电磁波的存在，也证实了光其实是电磁波的一种，两者具有共同的波的特性。

 

 

粒方：

1809年，马吕斯，发现偏振现象，和已知的波动论相抵触。

第二次波粒战争随着微粒的战败而尘埃落定。 

两朵乌云：

1900年，汉弗来•戴维爵士，发表《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》（这两朵著名的乌云，分别指的是经典物理在光以太和麦克斯韦－玻尔兹曼能量均分学说上遇到的难题，再具体一些，指的就是人们在迈克尔逊－莫雷实验和黑体辐射研究中的困境。）

迈克尔逊-莫雷实验：

目的：探测光以太对于地球的飘移速度。但最后成为物理史上最有名的“失败的实验”。它当时在物理界引起了轰动，因为以太这个概念作为绝对运动的代表，是经典物理学和经典时空观的基础。而这根支撑着经典物理学大厦的梁柱竟然被一个实验的结果而无情地否定，那就意味着整个物理世界的轰然崩塌。

 

 

黑体辐射实验和理论的不一致：

1859年，基尔霍夫，提出“黑体辐射”概念。

1894年，维恩，从经典热力学的思想出发，假设黑体辐射是由一些服从麦克斯韦速率分布的分子发射出来的，然后通过精密的演绎，提出了辐射能量分布定律公式。（长波内失效）

瑞利-金斯公式（短波内失效）

1900年，普朗克，发表《黑体光谱中的能量分布》，提出普朗克常数E=hv，与普朗克公式（在长波的时候，它表现得就像正比关系一样。而在短波的时候，它则退化为维恩公式的原始形式）

 

 

3

第三次波粒战争：

波方：

1923年，德布罗意，求出了相波，伴随着每一个运动的电子，总是有一个如影随形的“相波”。

1926年，薛定谔，发表了四篇《量子化是本征值问题》，建立了另一种全新的力学体系——波动力学。在这四篇论文中，他还写了一篇《从微观力学到宏观力学的连续过渡》的论文，证明古老的经典力学只是新生的波动力学的一种特殊表现，它完全地被包容在波动力学内部。

1927年，戴维逊和革末，通过实验精确地证明了电子的波动性。

 

 

粒方：

1905年，爱因斯坦，发表《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，提出光量子假说，即对于光来说，量子化也是一种必然的选择，同时解释了光电效应。

1911年，威尔逊，利用威尔逊云室，亲眼看见电子的运行情况，从而进一步研究它和其他粒子碰撞时的情形，结果它们的表现完全符合经典粒子的规律。

1923年，康普顿，引入光量子的假设，把X射线看做能量为hv的光子束的集合，用光子说解释了康普顿效应。

1925年，波恩、约尔当，奠定矩阵力学的基础。

1926年，波恩，概率解释。

第三次波粒战争最终以“波粒二象性”收场，两者原来是不可分割的一个整体。

 

4

量子领域：

早期成就：

1897年，汤姆逊，在研究阴极射线的时候，发现了原子中电子的存在，明确地向人们展示：原子是可以继续分割的，提出了“葡萄干布丁”模型。

1910年，卢瑟福，用α粒子（带正电的氦核）来轰击一张极薄的金箔，想通过散射来确认那个“葡萄干布丁”的大小和性质，结果发现有少数α粒子的散射角度是如此之大，以致超过90度。

 

1911年，卢瑟福，提出“行星系统”模型。

1912年，玻尔，完成了他在原子结构方面的第一篇论文，历史学家们后来常常把它称作“曼彻斯备忘录”，在其中开始试图把量子的概念结合到卢瑟福模型中去，以解决经典电磁力学所无法解释的难题。

1913年，玻尔，《论原子和分子的构造》、《单原子核体系》、《多原子核体系》陆续发表，提出原子内部只能释放特定量的能量，说明电子只能在特定的“势能位置”之间转换。也就是说，电子只能按照某些“确定的”轨道运行，这些轨道，必须符合一定的势能条件，从而使得电子在这些轨道间跃迁时，只能释放出符合巴尔末公式的能量来。宣告了量子力学进入了青年时代。

 

 

1918年，玻尔，试图将他的原子体系和麦氏理论调和起来，建立一种两种理论之间的联系。力图向世人证明，两种体系都是正确的，但都只在各自适用的范围内才能成立。即当我们的眼光从原子范围逐渐扩大到平常的世界时，量子效应便逐渐消失，经典的电磁论得以再次取代h常数成为世界的主宰。然而，在这个过程中，无论何时，两种体系都存在着一个确定的对应状态，即“对应原理” 。

1922年，奥托•斯特恩、沃尔特•盖拉赫 ，斯特恩-盖拉赫实验，提出电子在空间中的运动方向同样是不连续的。不仅从根本上支持了玻尔的定态轨道原子模型，更为后来的“电子自旋”铺平了道路。

 

 

哥本哈根解释：

1925年，泡利，提出了“不相容原理”，即没有两个电子能够享有同样的状态，而一层轨道所能够包容的不同状态，其数目是有限的，也就是说，一个轨道有着一定的容量。当电子填满了一个轨道后，其他电子便无法再加入到这个轨道中来。

1926年，波恩，提出“概率解释”，即就算我们把电子的初始状态测量得精确无误，就算我们拥有最强大的计算机可以计算一切环境对电子的影响，即便如此，我们也不能预言电子最后的准确位置。

 

1927年，海森堡，提出了“测不准原理”（“不确定性原理”）。△p×△q > h/4π，△p和△q分别是测量p和测量q的误差，h是普朗克常数。测量p和测量q的误差，它们的乘积必定要大于某个常数。如果我们把p测量得非常精确，也就是说△p非常小，那么相应地，△q必定会变得非常大，也就是说我们关于q的知识就要变得非常模糊和不确定。反过来，假如我们把位置q测得非常精确，p就变得摇摆不定，误差急剧增大。

1927年，玻尔，提出“互补原理”，波和粒子在同一时刻是互斥的，但它们却在一个更高的层次上统一在一起，作为电子的两面被纳入一个整体概念中。

 

与哥本哈根对立一面的反击：

1920年，爱因斯坦，光箱实验，非但没能击倒量子论，反而成了它最好的证明，证明绝对的因果性是不存在的。

1935年，爱因斯坦、波多尔斯基、罗森，发表了《量子力学对物理实在的描述可能是完备的吗？》，提出EPR佯谬，但最多表明了，在“经典实在观”看来，量子论是不完备的。

1935年，薛定谔，发表了《量子力学的现状》，描述了猫悖论实验。

 

 

5

关于坍缩问题的解释：

冯诺依曼，提出了“无限复归”原理，即用于测量目标的那些仪器本身也是由不确定的粒子所组成的，它们自己也拥有自己的波函数。当我们用仪器去“观测”的时候，这只会把仪器本身也卷入到这个模糊叠加态中去。当我们用仪器去测量仪器，这整个链条的最后一台仪器总是处在不确定状态中。

维格纳，提出了“维格纳”的朋友，意识无疑在触动波函数中担当了一个重要的角色。意识可以作用于外部世界，使波函数坍缩是不足为奇的。因为外部世界的变化可以引起我们意识的改变，根据牛顿第三定律，作用与反作用原理，意识也应当能够反过来作用于外部世界。

 

1954年，休•埃弗莱特 ，提出多世界理论（“埃弗莱特主义”、平行世界理论），即函数从未坍缩，而只是世界和观测者本身进入了叠加状态。当电子穿过双缝后，整个世界，包括我们本身成为了两个独立的叠加，在每一个世界里，电子以一种可能出现。

1979年，约翰•惠勒，设计“延迟实验”，提出“参与性宇宙”模型。宇宙本身没有一个确定的答案，而其中的生物参与了这个谜题答案的构建本身！这实际上是某种增强版的“人择原理” 。

 

 

80年代，“量子自杀”实验，推理出“量子永生”，要从主观视角来看，不但一个人永远无法完成自杀，事实上他一旦开始存在，就永远不会消失！总存在着一些量子效应，使得一个人不会衰老，而按照MWI，这些非常低的概率总是对应于某个实际的世界！如果多宇宙理论是正确的，那么我们得到的推论是：一旦一个“意识”开始存在，从它自身的角度来看，它就必定永生！

约翰•泰勒 ，系综解释，系综解释持有的是一种非常特别的统计式的观点，也就是说，物理量只对于平均状况才有意义，对于单个电子来说，是没有意义的，它无法定义！我们无法回答单个系统，比如一个电子通过了哪条缝这样的问题，而只能给出一个平均统计！

 

 

其他解释：

1927年，德布罗意，提出“导波”理论，认为粒子是波动方程的一个奇点，它必须受波的控制和引导。

1952年，玻姆，把所谓的“导波”换成了“量子势”概念，电子或者光子始终是一个实实在在的粒子，不论我们是否观察它，它都具有确定的位置和动量。但是，一个电子除了具有通常的一些性质，比如电磁势之外，还具有所谓的“量子势”，成功地创立了一个完整的隐变量体系。

1964年，贝尔，发表《论EPR佯谬》，提出了贝尔不等式。

1982年，阿斯派克特，阿斯派克特实验，证明了量子论的胜利。

1984年，格里菲斯，退相干历史。

1986年，Ghirardi，Rimini和Weber，开创了GRW理论，主要假定是，任何系统，不管是微观还是宏观的，都不可能在严格的意义上孤立，也就是和外界毫不相干。它们总是和环境发生着种种交流，为一些随机的过程所影响。

 

 

6

本书是关于量子力学发展史的一部科普性读物，作者在为我们梳理这一段科学史的同时，也尽可能生动地将一些理论性知识介绍给我们，从三次波粒战争，到笼罩物理学的两朵乌云，再到量子的引入以及围绕其展开的种种讨论，都让我们看到了这个世界的奇妙和变幻无穷。

 

我们可以很容易地看到，随着时间的推移，理论逐渐晦涩，甚至颠覆三观，竟然要引入上帝、意识等来对物理学这门不应掺杂主观意识的学科进行解释，不过我们也可以看到一代代的科学家求索拓新，将一个个理论创立、发展、完善的全过程，尽管在未来某个时候可能会被否定、甚至被推翻，但它无疑代表了那个时代最高的理论水平，为日后的进一步探索奠定了基础，哪怕它是错的，也为日后留下了反驳的可能，从而去追寻真理，这些科学家也因而在物理学史册上得以留名。

 

 

不过我们也应当多多留意那些虽然名声并非如雷贯耳，但贡献同样突出的科学家，如那位牛顿的对头胡克，我相信大家在此之前只在中学物理课本中见到过这个名字，如果没记错的话还是那种无关痛痒的定律，但读过本书后我想可以跟牛顿做对头的人一定也差不到哪里去。作者还安排了一个科学史上的神话板块，用严谨的态度对于一些传说予以了说明，其实我个人觉得这些严谨的考证应该交由研究史学方面的专家去做，而对于普通人而言，这些传说增加了故事的生动性，同时也在教育方面起到了比较积极的作用，接受这样的“野史”也未尝不可。

 

 

通过本史话，我们可以发现科学家其实也并不好当，既要面对来自反对方的质疑与刁难，又要承受我们这个世界本身的变化莫测。反对方的质疑与刁难不是最重要的，通过理论推理和实验验证可以予以证明；而世界本身的奇妙则是不那么容易去证明的，也许世界本身就不想让我们去证明呢，也许终极真理就不想显露在世人的眼前呢。因此我们可以看到那些科学家在物理上，哲学上，都经受着不小的考验，如玻尔兹曼那样精神都出现了问题，最终自杀了。同时科学家们在政治、道德方面也承受着压力，如到底是为祖国造原子弹，还是为了良心推迟这一计划，这无不困扰着科学家们。

 

对于我们普通人而言，我们并不是科学家，不用背负那些科学上的，哲学上的，政治上的，道德上的种种包袱，我们可以享受量子力学等科学发展带给我们的红利；如果我们好奇，也可以随时翻阅那些已有的研究成果，当作科普读物从中得到一些启发，而并不需要自己去绞尽脑汁寻找那些世界的究极真理，这对我们来说不也是一种幸运么。

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