量子革命的到来——跨越时空的对话

**部分 量子神话 问题是这个理论太强大，太令人信服了。我觉得我们正在遗漏一个基本点。下一代物理学家，一旦发现了这一点，就会敲敲脑袋说：他们怎么会漏掉这一点呢？ 伊西多 拉比（Isidor Rabi），1985 1 开普勒的难题 约翰内斯 开普勒（ Johannes Kepler）在 1630年去世时，给当时的物理学留下了一个深刻的难题。他一生中大部分时间都花在对天文数据极其艰难和枯燥的分析上，他发现了支配太阳系中行星运动的三条定律。例如，他的**条定律指出，行星围绕太阳运动的轨道是卵形的，数学家称之为椭圆形。 他留给我们的难题是，即使他能证明椭圆将完全符合行星轨道的观测，但他并不能给出任何理由说明为什么这些椭圆会比希腊天文学家克拉夫迪斯 托勒玫（ Claudius Ptolemaic）提出的“本轮 -均轮”学说（行星在被称为本轮的小圆上运动，而本轮又沿均轮绕地运行）更好地描述太阳系中的行星轨道运动。毕竟托勒玫的理论确实符合从地球上看到的火星运动轨道，而开普勒却没有给出任何理由，为什么椭圆轨道会更好。我们将看到，现代的量子物理学也面临着同样的科学难题。大约从 1930年开始，以一个物理学家的角度来教授量子物理学（原子尺度上的物理），并且从物理学家的角度来讨论学科进展，成了一个普遍的趋势。这个情形让人有些难以捉摸，因为在过去的 100年里，物理学的主要进展实际上发生在*近 50年。这段时间内，计算机、新材料、超快激光器等纷纷出现；实验精度大幅度提高，可以轻松地超越过去几十年甚至几个世纪的积累。 在过去 200年间，科学技术的进步以接近指数级的速度发展。具体说来，过去 200年到过去 100年的进展仅达到我们当前水平的 10%，接下来的 50年这个水平累计上升到 32%左右，而其余 68%的科学技术进展都发生在刚刚过去的 50年里。发生量子革命时的科技水平大概处在当前水平的 10%～ 15%。 大家究竟做了什么，使物理学在历史长河中这么短的一段时间内，也就是大约从 1900年到 1930年间，人们脑海中的这些想法突然就被点亮了呢？科学家在这个时期创立了一种称为量子力学的全新科学，奠定了一种全新的物理方法的基础，我们今天仍在使用。或者这只是表明，当今的物理学家，直到 2016年，仍不能将过去 50年的科学进步通过积累转化完善为一个更加合理的理论框架？ 要不我们就得相信理论并不会随着实验方法和观测的发展而改变，这将与我们对科学史的认知相矛盾；或者认为传统观念中存在一些深层次的缺陷，它们看上去竟可以如此轻松地应对变化。 通常，科学家在选择方法的时候是存在机会主义的，只要这个方法奏效便被认为是成功的。从这个层面上说，科学进步可以看作是一份科学家在理解自然的过程中，应对各种挑战的成功方法的清单。由于科学进步具有进化的特征，因此长期来看，*适合解决我们理解问题的方法*终将占上风。当然，你也可以反驳这个观念，你会说正如亚里士多德所说的，科学中描述自然界的更普适的方法也意味着这个方法不太具体，包含的内容较少。对大自然*普适的描述必然空洞无物。 这看起来也许像闲人的遐想猜测，但是对于理论物理学来说，这点是非常重要的。宽泛来说，可以将理论物理学定义为一套数学工具和方法的系统，用以描述那些被实验和观测证明的物理实体。这时问题便出现了，考虑到存在大量的观测和实验，那么哪个理论才是*合适的？是尽可能具体的这个理论，还是那个不具体但*普适的理论？根据亚里士多德的想法，演化*成功的理论框架将会是具有*少具体内容的理论。 但我们不得不承认科学模型，每一个科学模型，都必须遵循一个基本的科学准则，即物质效应是由物质产生的。 在**部分接下来的章节中，我们将探讨一门科学的发展，从经典物理学到量子物理学，是如何从基于有形的物理对象转化为了主要基于数学概念的科学，从而不再回答为什么事情会按照某种特定的方式发生。到 1935年左右，已有的概念竟被如此成功而彻底地从物理学中删除了。物理学家是如何做到的？ 普朗克提出的“光”不再是电磁场的概念。随后爱因斯坦发现了一个不再能被视为延伸物体的光子。在此基础上，玻尔提出了一个与已知电磁学和力学定律相违背的原子模型，甚至这个模型本身也存在矛盾。海森伯创造出几何空间中的对象，它们不再是由物质组成，而是数学上的点和延伸的几何对象。之后，薛定谔提出了波的概念，但是这个波并不同于任何有形的波。玻尔还声称力学意义上的因果律并非广泛适用于量子力学，它只适用于经典物理学，从而使因果关系从量子力学中消失了。 这样量子物理学家便可以不受基本逻辑的约束，*终导致了近 30年来广为流行的观念—大自然本身就是离奇而且充满矛盾的。 如今，量子物理学的每个步骤都只是在一些数学技巧的基础上进行，从而能够使数值计算的结果与实验数据一致。然而，这些量子物理学家用来观测的数学模型可能并不是合理的科学模型，因为它们并不符合基本的科学准则—物理效应必须由物理因素导致（即物质效应是由物质产生的）。 科学史上有一个很著名的例子，在 20世纪以前，天文观测中所看到的行星轨道用数学来描述，它很好地反映了现在这种情形。追溯历史很快就能让人发现用量子力学来描述物理学的漏洞在哪里。 现代自然科学的开端，首先是物理学，然后是化学和生物学，可以追溯到生活在 16世纪和 17世纪的三个男人。其中一个人是尼古拉 哥白尼（ Nicolaus Copernicus），他是波兰天文学家。第二个人是意大利物理学家、天文学家伽利略 伽利雷（ Galileo Galilei）。第三个是德国天文学家、物理学家和数学家约翰内斯 开普勒（ Johannes Kepler）。哥白尼是**个提出将太阳作为太阳系中心的天文学家。伽利略发现了地球引力场是怎样影响物体运动的。开普勒对现代科学的贡献是描述太阳系行星运动的三大定律（轨道定律、面积定律和周期定律）。 如今，众所周知，每个行星轨道都是称为椭圆（卵形的数学术语）的几何形状，而太阳始终处于椭圆的一个焦点上。值得注意的是，椭圆形行星轨道是从地球表面的天文观测中看到的形状，比如火星看上去是在一个大椭圆轨迹上偶尔逆行打个小圈然后继续沿着大的椭圆形轨道运行。其实，这些逆行的小圈路径是由于地球和火星的相对运动造成的，它们并不是火星的绝对（真实）运动，而是从一个具有特殊视角的运动