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求知简史:用易懂而优美的语言来描述深奥的宇宙学

[摘要]从留基伯和德谟克利特到波义耳和牛顿,原子主义至今已走过了漫长的道路。要从根本上认识自然,我们必须彻底改造我们对于自然的传统认知。

本文摘自《求知简史:从超越时空到认识自己》,[美]马塞洛.格莱泽 著,曾大为 刘勇军 译,重庆出版社,2017年11月

求知简史:用易懂而优美的语言来描述深奥的宇宙学

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学会放手——量子物理学如何对我们所认识的世界加以限制

10年之间,爱因斯坦狭义相对论的理论和光量子假说已在物理学界引起了轩然大波。光从一开始被视为是一种在以太中穿梭的平静的波,到此已变得越发神秘莫测:光的运动速度不仅是最快的,而且和其他物质不同,光的运动速度不受其光源运动的影响;光波和其他波也不一样,它可以在虚无中往来;光既是一种粒子,也是一种波,这样的观点挑战着人们通常认为的物体非“粒”即“波”的观点。光速不仅是人们所知的最快的速度,而且也是一种极限速度,是自然中存在的最大值。信号的传播,信息的发布,都莫快于光。向宇宙的四周望去,光即是信息,物理学家和天文学家细心收集遥远物体传来的各种各样的电磁辐射,以勾画出世界的蓝图。我们已探讨过光的极限速度是如何指引我们探索宇宙视界的存在,而在宇宙视界之外,我们收集不到任何其他信息。

更奇异的是,光能以光速传播正是因为它没有质量。那些光粒子,后来被称为光子,就是由纯能量的光子所组成的无质量光束。物理学家由此推定有无质量的物体存在,即可以以没有外界实体的形式存在。存在的事物定义了物理现实,因此新物理学认为物理现实可以是非物质的。能量比质量更基本,更重要。人们需要以新的世界观来深入理解自然。物理学家必须放弃旧的方法。

爱因斯坦1905年发表的第四篇论文只有寥寥几页,但其中他推导出著名的E=mc2公式。他写道:“如果有一物体以辐射形式放出能量L,那么它的质量就要减少L/c2。”1爱因斯坦还称,“物体的质量是其能量含量的标尺”。我们可因此仅指称物体内部的能量。爱因斯坦将质量与辐射结合起来,使其中一种有可能变成另外一种。在论文末尾,爱因斯坦推测:“用那些能量含量变化很大的物体(比如用镭盐)来验证这个理论,不是不可能成功的。”2斯人所言何其正确!事实上,爱因斯坦所指的镭盐就是放射性原子核,随着它的衰变,它要么释放小粒子,要么纯辐射。衰变的辐射类型包括伽马射线光子,能量与核的质量损失相符(E=mc2),与爱因斯坦所预言的一样。

在接下来的25年里,各种爆炸性新闻层出不穷,量子革命是一场真真正正的革命,不仅改变了我们看世界的方式,而且改变了我们生活在这个世界上的方式。它所引起的连锁反应至今仍然存在,而且会持续很长时间。在本文中,我们对量子革命的第一个方面尤为感兴趣,它对我们关于现实的定义产生了深远影响;第二方面则是量子力学更为现实和技术上的影响,包括我们所生活的数字时代,它们是相互关联而又各自独立的。我们会偶然在数据采集和分析中用到数字技术,但这种技术也只是我们实现目标的辅助工具而已。

量子力学带给人类的第一个重大启示,即我们基于对现实感官认知基础上的普遍世界观,也就是我们常说的“经典”世界观,只是一个近似值。现实就是量子力学的不断深入,自下而上,从小到大。诸如牛顿力学和麦克斯韦电磁学等传统描述之所以起作用,是因为量子效应是处于小的可以忽略不计或又大的不可计量的系统之中。人类和电子一样,都是由量子组成。但我们的量子本质是极其微妙的。事实上,极其微妙,似乎与我们毫不相关。树、车、青蛙和阿米巴虫,也都如此,尽管随着我们对更小物体的深入研究,传统力学和量子力学的区别变得越来越模糊。我们可以得到清晰的经验,即随着我们进入极小的量子王国中,我们必须接受一个与我们自身截然不同的现实。

第一个需要解决的问题在于原子结构。1911年,欧内斯特·卢瑟福证明,原子是由一个致密的、带正电的原子核及若干围绕在原子核周围带负电的电子构成。说起卢瑟福的理论,人们常把原子比作一个微型太阳系(尽管这是错误的)。问题在于电荷量并非天体。麦克斯韦电磁理论认为,加速运动的电荷会辐射出它们的能量。如果真是这样,一个电子绕原子核长时间转动,却不会自杀式的向内旋转,这是怎么做到的呢?卢瑟福对此并不清楚,但却非常肯定自己的结论。

1913年,丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)给出了他的答案,不过这个答案有点怪:他提出电子只能以固定轨道绕原子核转动,如同上楼梯。正如你不能在不同台阶之间保持平衡,电子也不能在轨道之间保持平衡。每个轨道都具有能量:轨道越高,其能量就越高。在拿梯子做类比时,他比喻道,楼阶越高,你要上去所需的能量就越高,反过来,往下走则释放能量。3玻尔异想天开,试图在没有任何其他前提的情况下设想,一旦电子抵达最底层的轨道(最底层的楼梯),那么它便不能再往下了。最底层的轨道即原子的基态,也就是原子运动的终止点。

玻尔对此并未提出任何理由。他的论据来自于将经典圆周轨道的概念同普朗克与爱因斯坦的分离能量和成束的光理论结合起来,以解释原子在激发运动时会释放出什么类型的辐射。玻尔认为,原子要想爬到更高一层的轨道,它需要吸收光子,光子的能量与两个轨道之间的能量之差几乎相等。正如我们需要能量来爬楼梯和爬山一样,电子吸收光子以向上爬。相反,当它向下运动时,它会释放出光子,其光子能量亦与轨道能量之差相等。不同的原子拥有不同数量的光子和电子,以及不同的轨道(或者说不同的能量级),它们各自的发射光谱也颇为独特,每个电子所能进行的轨道爬升的总数,即其下降至基态所需通过的轨道之和,都是不同的。这一光谱特性,其独特性常用来与指纹做类比,它是光谱学的主要构成,是天文学的命脉。天文学家无须去遥远星体或星系才能研究其结构和物质构成,而只需收集并研究其发出的光和光谱特性即可。

玻尔的理论很明显是一个混合性的、过渡性的描述。原子中更全面的电子行为构成要等到第一次世界大战结束后,物理学家重新有空思考物理之时才得以阐明。关于这一思想主要分为两个学派,两派的代表人物分别为爱因斯坦和玻尔。有一点毫不奇怪,爱因斯坦相信量子力学的秘密将来自于波粒二重性学说,而这将随着光量子理论的成功而实现。当然,玻尔则反过来专注于电子在原子轨道上不连贯的跳跃。

1924年,历史学家、物理学家路易·德布罗意(Louis de Broglie)提出了一个相当令人惊讶的观点:在玻尔原子模型的电子阶梯状的轨道中,如果将电子看作是由原子核四周的驻波(驻波是频率相同、传输方向相反的两种电波,沿传输线形成的一种分布状态。其中的一个波一般是另一个波的反射波——译者注)所组成,好比我们在摇晃一端固定起来的绳子时所看到的现象,那么这就好理解得多了。我们来看绳子的例子,驻波现象的出现是由于两个绕绳子产生的波动力的相互抵消。对电子而言,驻波的产生原因相同,但电子波就像乌洛波洛斯(吞食自己尾巴的衔尾蛇)那样自我形成闭环。就好比,当我们更加猛烈地晃动绳子,驻波就会表现出更多波峰,在高级别轨道上的电子对应有更多波峰的驻波。

在爱因斯坦的热情支持下,德布罗意大胆地将波粒二重性概念推而广之,将其应用范围从光扩展到所有移动物体。不只是光,所有与波有关的物质都包括在内。事实上,德布罗意提出了一个公式来计算不同质量(用m表示)的物体在不同速度(用v表示)运行下的波长,世人称之为“德布罗意波长”4。

一个以每小时70公里速度运动的棒球,其德布罗意波长约2.2×10-32厘米。很明显,波动并不大,我们通过将棒球看作一个固体就能看清这一点。与之相反的是,以1/10光速运动的电子,其波长是氢原子大小的一半(更准确地讲,是基态电子和原子核之间最大可能距离的一半)。尽管运动的棒球的波动性与人们理解其行为并无关联,但电子的波动性对于人们理解其在原子中的行为来说却是至关重要的。

玻尔自己相信与其将电子或其他量子物质视为微粒或波,不如专注于实验可以测量的总量,比如原子轨道的能量以及原子辐射的频率和强度。1925年,维尔纳·卡尔·海森堡(Werner Heisenberg)及随后的马克斯·玻恩(Max Born)、帕斯库尔·约当(Pascual Jordan)严格遵照玻尔的理论提出了描述原子行为的公式。

他们的理论即矩阵力学,例如将经典理论中粒子与波的确定性运动丢弃掉,专注于轨道之间的能量与跃迁过程中吸收和发射辐射电子的特性之间的关系。该理论描述了一个完全陌生的世界,在这里,没有固定物理图像的实体在具有一定概率的可能状态波动。轨道间能量的不同直接决定了波动频率。为了得到相应的结果,海森堡构建起将电子作为实体浮于太空中的场景,在这样一个场景中没有确切的位置和速度(动力)。

计算过程并不容易,但结果却与实验相匹配。量子世界的奇异特性促使物理学家们发明了一种描述物理现实的全新方法。在物质中心处存在着的不是物质,至少不是人们通常所认为的庞大的东西。从留基伯和德谟克利特到波义耳和牛顿,原子主义至今已走过了漫长的道路。要从根本上认识自然,我们必须彻底改造我们对于自然的传统认知。

基于此类原因,薛定谔(Erwin Schrödinger)于1926年出版了量子力学的解释论文,论点截然相反,但很快被科学界作为巨大成就而受到追捧。与海森堡、玻恩以及约当提出的抽象矩阵力学相反,薛定谔的公式是基于波动方程之上的,波动方程更为人所熟悉,也更易于理解,它与爱因斯坦-德布罗意波粒二重性与量子世界的本质即非不连续跳跃的哲学思想立场一致。

起初,人们期望量子力学最终还是具有确定性的,它可以像牛顿力学理论一样,认为未来与过去完全一致,并无任何其他可能性:如果我们知道一个粒子在一定时间的位置和速度,以及施加于其上的力,我们就能肯定地确定其未来的行为。

薛定谔在他充满创意的系列论文中的第四和最后一章证明了他的方法和海森堡的方法是一致的,表明描述同一事情存在两种不同方式,这使人们倍感兴奋。薛定谔的波动方程成为量子力学以及原子和分子物理学的入口。这是全球各地开展的量子力学讲座中的精髓内容。

针对薛定谔的波动方程,人们或是争议不休,或是欣然接受,而这需要说明的是,玻尔和海森堡可能错了,量子力学的奇异特性并不是根本性的,而只是我们对于自然不完备认识的描述罢了。爱因斯坦、普朗克、薛定谔和德布罗意相信一个有序而一成不变的现实存在,这样的现实是充满可能性与不确定性的神奇量子世界的基础。

这就是为什么爱因斯坦在1926年12月4日写给玻恩的一封信中这样写道:“量子力学明显取得了胜利,但是我内心深处的声音告诉我它并非真实。这个理论描述了很多,但并不能使我们在面临过去的旧有问题时更进一步。无论在任何情况下,我都坚信那个万物背后的上帝不是在掷骰子。”5这也是为什么玻尔在1927年10月举行的第五届索尔维会议上建议爱因斯坦“不要再跟上帝说他该做什么了”。

事实上,爱因斯坦以及所有科学实用主义的希望至今仍未实现。1927年海森堡证明,不确定性是量子力学的核心,特别是位置和动量(或者说速度,至少是比光速小得多的速度):即使使用最好的仪器,实验也不能以绝对的高精度来决定粒子的位置和速度。换句话说,我们不能确切知道粒子处于何处,也不知道其速度是多少。这两点是人们对其未来行为做出确定性预测的前提条件。根据波粒二重性,这个结论是意想不到的:如果一个实体既不是波也不是粒子,而是介于两者之间的物质(或者完全是另一种物质),那么人们很难知道它在哪里以及它运动得有多快。

物体越小,事情越糟,这与德布罗意波长相一致:我们能自信地确定棒球有一个确切的位置和速度(就仪器的测量精度而言),但是说到电子和其他小物质,就是另一回事了。

也许海森堡不确定性原理最令人惊异的部分在于量子力学之中的不确定性是固有的,这不是一个技术问题,因为仪器本来就是精度有限;量子不确定性从根本来说是关于自然在极短距离下如何表现的一种表述,这种表述中的世界与我们所处的世界迥然不同。

我们无法使用更好的技术使这种不确定性消除。恰恰相反,由于测量本身就是干涉,我们测量得越认真细致,我们对所测量之物的影响就越大,而它也因此会在我们身边飘忽而去。像一间里面尽是一流学生的教室,量子王国中充满了躁动。我们尽其所能,也不能使之静止下来。奥地利物理学家泽林格(Anton Zeilinger)在《跳动的光子》(Dance of the Photons)中这样写道:

几个世纪了,我们试着看得更深入,以求得原因和解释,突然之间,当我们走向纵深处,去探访单个量子的单个粒子的行为,却发现这一求索原因的过程到达了终点——没有原因。在我眼里,这一基本的宇宙不确定性至今仍未被真正融入我们的世界观之中。

作品简介

求知简史:用易懂而优美的语言来描述深奥的宇宙学

《求知简史:从超越时空到认识自己》,[美]马塞洛.格莱泽 著,曾大为 刘勇军 译,重庆出版社,2017年11月

《求知简史:从超越时空到认识自己》是一部跨越哲学、天文学、物理学等学科的人类认知发展史。

作者用简洁优美而不乏幽默风趣的笔法,展现了从古希腊哲学家到牛顿、开普勒、爱因斯坦等众人是如何拓展我们对于世界的认知:从宇宙的起源及其物理性质,到世界的物质构成及物质特性,从元素说、原子论到日心说、经典力学,再到相对论、量子力学,其范围大至太空小到量子世界,涵盖了奇点、弯曲空间、暗物质、多元宇宙等广泛主题。

在《求知简史:从超越时空到认识自己》中。作者指出在人类的求知之旅中,哲学家的智慧胆识和卓尔不凡的想象力,科学家的惊人创造力、不懈努力和强大的实验能力,探索工具的逐渐改善,都不同程度地动摇了人类原有的知识根基,并重新定义了人类与未知世界的关系。

《求知简史:从超越时空到认识自己》的主旨还在于阐明科学知识的边界。局限主要表现在探究工具和物质的本质上:宇宙边界的未知性、量子的不确定性等。但这些并没有阻止科学进步,反而使人类的求知尝试变得高尚、不可预测和充满惊喜。

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