神奇的宇宙樂高_穿越平行宇宙

我們視為真實的萬物，都是由那些不能被視為真實的事物所組成的。

尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）

不對，這根本講不通，一定是哪里出錯了！彼時，我還在斯德哥爾摩，正在我女朋友的宿舍里學(xué)習(xí)，為我的量子力學(xué)考試做準(zhǔn)備。教科書告訴我，像原子這樣微小的物質(zhì)能同時位于不同的地方，而像人類這種宏觀的事物卻無法做到這一點。不可能！我告訴我自己。人類是由原子組成的，如果原子能同時出現(xiàn)在不同的地方，我們肯定也可以??！書上還說，每當(dāng)一個人觀測到一個原子的位置，這個原子就會隨機地跳躍到它之前所在的某一個位置。但是，我無法找到任何一個方程來定義什么才算真正的觀測。一個機器人算得上觀察者嗎？那么單個原子呢？書上只是說，每個量子系統(tǒng)都一定遵循著所謂的薛定諤方程。但是，這難道不和隨機跳躍的邏輯相違背嗎？

懷著惴惴不安的心情，我鼓起勇氣敲開了一位著名物理學(xué)家的門，他是諾貝爾獎委員會的成員之一。20分鐘后，我坐在他的辦公室里，深感自己的愚蠢。這位物理學(xué)家說服了我，讓我確信之前是我的理解完全錯誤了。這件事成了一個起點，為我開啟了一段至今仍在延續(xù)的人生旅途，把我引向了量子平行宇宙。直到幾年后，我到加州大學(xué)伯克利分校讀博士時，才意識到我并不是唯一一個在這上面犯錯的人。我發(fā)現(xiàn)，許多著名的物理學(xué)家都被量子力學(xué)所困擾，而我卻恰好在撰寫該領(lǐng)域的論文中找到了極大的樂趣。

不過，在我告訴你這一切是怎么一回事（這是第7章的內(nèi)容）之前，我想帶你一起溯時間之流而上，去真正欣賞一下量子力學(xué)的瘋狂，以及那些惱人之事的根源。

2013年，我問我兒子亞歷山大想要什么生日禮物時，他說：“你看著辦吧！什么東西都可以，只要是樂高就行……”我也非常喜歡樂高。我覺得，我們的宇宙也一定很喜歡樂高——因為宇宙中的所有事物都是由相同的基本構(gòu)件組成的，（見圖6-1）。在元素周期表中，80種穩(wěn)定原子都是由同一套“宇宙樂高積木”組成^[20]，我認(rèn)為這是一件了不起的事情。正是它們構(gòu)成了萬事萬物，從石頭到兔子，從恒星到音箱——它們唯一的不同之處只在于，組成它們的“積木”數(shù)量和排列方式不同。

   

圖6-1　鉛筆芯是由石墨做成的，而石墨是由一層一層的碳原子組成的（這是一張真正的照片，由掃描式隧道顯微鏡拍攝），碳原子則是由質(zhì)子、中子和電子組成。質(zhì)子和中子是由上夸克和下夸克組成，而夸克有可能是振動的弦。我為寫這本書而買的鉛筆芯包含2×10²¹個原子，如果你把它切成兩半，最多可以切71次。

宇宙是由不可分割的構(gòu)件所組成的，這種“樂高理論”有著源遠流長的歷史。原子的英文單詞“atom”在古希臘語中正意味著“不可分割之物”。實際上，柏拉圖在他的對話錄《蒂邁歐篇》（Timaeus）中曾說道，當(dāng)時所公認(rèn)的4種基本元素（土、水、氣和火）就是由4種不同的原子組成的，而這些原子都是微小到肉眼不可見的數(shù)學(xué)對象——它們分別是立方體、二十面體、八面體和四面體，也就是5種柏拉圖多面體中的4種（見圖6-2）。例如，柏拉圖認(rèn)為，火之所以讓人覺得疼痛，正是因為四面體有尖銳的角；水之所以能流動，是因為二十面體像球體一樣圓潤；地球之所以堅固，是因為立方體可以緊密地堆疊在一起。盡管這個可愛的理論被觀測事實所推翻，但它的一些精神仍然留存，比如，每種基本元素都是由一種特定的原子所組成，并且物質(zhì)的性質(zhì)由原子的特性所決定。此外，我在第9章中還將提到，我們宇宙的終極構(gòu)件其實也屬于數(shù)學(xué)，但和柏拉圖所說的方式有所不同——柏拉圖認(rèn)為，我們的宇宙是由不同的數(shù)學(xué)對象組成的；而我認(rèn)為，我們的宇宙僅僅是一個數(shù)學(xué)對象的一部分。

   

圖6-2　5種柏拉圖多面體：四面體、立方體、八面體、十二面體和二十面體。其中，只有十二面體被柏拉圖的原子理論排除在外：有時，它被看作一種與宗教有關(guān)的神秘物體，在神話中具有重要的作用；它自古以來就是藝術(shù)作品中的常客，薩爾瓦多·達利（Salvador Dalí）的作品《圣禮上最后的晚餐》（Sacrament of the Last Supper）中也出現(xiàn)了它的身影。

直到2 000多年后，現(xiàn)代原子理論才逐漸建立起來。20世紀(jì)初，著名奧地利物理學(xué)家恩斯特·馬赫（Ernest Mach）甚至拒絕相信原子的存在。如果他能活到今天，看到我們竟然有能力拍下一個個原子的照片（見圖6-1），甚至還能操控它們，想必他一定會被深深地震撼。

原子假說的勝利，很自然地讓人開始疑惑“原子”這個名字是否真的適用。如果宏觀物體是由被稱為“原子”的微小“樂高積木”所組成的，那這些“小積木”能否繼續(xù)分下去，分成某種更小的、可重新排列的“樂高積木”呢？

實際上，在我們的元素周期表中，所有原子都是由3種更小的“樂高積木”組成的，比柏拉圖理論中的4種還少一種。我認(rèn)為這是一件既巧妙又不同尋常的事情。我們已經(jīng)在第2章中和它們簡單地打過照面了。圖6-1中展示了這3種“積木”，它們分別是質(zhì)子、中子和電子。它們的排列方式很像微縮的太陽系，由電子圍繞著一個小球旋轉(zhuǎn)，而這個小球是由質(zhì)子和中子緊緊靠在一起而形成，我們稱之為原子核。在太陽系中，地球能在軌道上圍繞太陽旋轉(zhuǎn)是由于二者之間存在著萬有引力；在原子中，電子與質(zhì)子間存在著電荷產(chǎn)生的庫侖力，將電子吸引在質(zhì)子周圍（電子擁有負電荷，質(zhì)子擁有正電荷，異號電荷相吸引）。由于電子也受到其他原子中的質(zhì)子吸引，這種吸引力就將原子與原子緊密地黏合在一起，組成一種較大一些的結(jié)構(gòu)，稱為分子。如果原子核和電子像洗牌一樣來來去去，但各自的數(shù)量保持不變，這個過程就是化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)的速度有快有慢：它可以快到像一場熊熊的山火（主要是木頭和樹葉中的碳原子和氫原子與空氣中的氧原子相結(jié)合，生成二氧化碳和水分子）；慢時，也可能像一棵緩緩生長的樹（主要是山火的逆反應(yīng)，由陽光所驅(qū)動的光合作用）。

幾個世紀(jì)以來，煉金術(shù)士們徒勞無功地嘗試改變原子的種類，主要目的是想將廉價的元素（比如鉛）變成昂貴的元素（比如金子）。那為何他們無一例外都失敗了呢？因為原子的種類取決于它所包含的質(zhì)子數(shù)量（比如，1個質(zhì)子就是氫，79個質(zhì)子就是金子），因此，煉金術(shù)士的失敗之處就在于，他們不會玩質(zhì)子的“樂高游戲”，不懂得怎樣將質(zhì)子從一個原子轉(zhuǎn)移到另一個原子中。為什么他們做不到這一點呢？

現(xiàn)在我們知道，他們失敗的原因并不是因為這是不可能完成的任務(wù)，而是因為他們使用的能量遠遠不夠！對于庫侖力來說，同號電荷是相互排斥的，但原子核內(nèi)部帶正電荷的質(zhì)子們卻沒有四散開來，原因就在于它們之間存在另一種更強大的吸引力——強相互作用力，這種力名副其實，它真的很強大。強相互作用力就像原子內(nèi)部的魔術(shù)貼，只要質(zhì)子和中子靠得足夠近，魔術(shù)貼就會把它們黏在一起。它非常強大，需要極其巨大的力量才能將其克服。

舉個例子，如果兩個氫分子（每個氫分子包含兩個氫原子）以每秒50公里的速度相撞，分子就會被撞碎，原子就會相互分離開來；然而，如果你想撞碎原子核，將其中的質(zhì)子和中子分開來，你需要讓兩顆氦原子核（每個氦原子核包含2個質(zhì)子和2個中子）以每秒36 000公里的驚人速度迎面相撞，才有機會撞飛質(zhì)子和中子——這個速度是光速的12%，如果你以這個速度前進，從紐約到舊金山只需要0.1秒。

在自然界中，當(dāng)溫度極度炙熱，高到幾百萬攝氏度時，就會發(fā)生這樣猛烈的碰撞。早期宇宙中就發(fā)生了這樣的事情。那時候宇宙中沒有任何原子，只有氫等離子體（也就是單個的質(zhì)子），正是因為當(dāng)時的溫度實在太高，即使質(zhì)子和中子黏附在一起組成了較重的原子，也會很快被撞碎。隨著宇宙逐漸膨脹和冷卻，曾經(jīng)出現(xiàn)過短短幾分鐘時間，在那段時間內(nèi)，猛烈的撞擊盡管依然超出質(zhì)子之間的電荷斥力，但卻敵不過強大的“魔術(shù)貼”的力，于是質(zhì)子和中子逐漸黏合在一起，形成了氦元素——這正是被伽莫夫稱為太初核合成的階段（見第2章）。太陽內(nèi)核也非常炙熱，溫度和宇宙早期差不多，都位于那個魔法般的范圍內(nèi)，促使氫原子聚變成氦原子。

經(jīng)濟學(xué)原理告訴我們，如果一種原子很稀缺，它就會很昂貴；物理學(xué)原理則告訴我們，如果一種原子需要很高的溫度才能生成，那它就很稀有。這兩種原理結(jié)合起來，我們就能推斷出：假如原子會說話，那最昂貴的原子就能講出最精彩的故事。諸如碳、氮和氧這類普通原子（它們和氫一起，組成了你身體96%的重量）都很便宜，因為與太陽類似的普通恒星在瀕臨死亡的掙扎中就可以制造出這些元素。之后，這些元素又可以回到宇宙的循環(huán)系統(tǒng)中，孕育出新一代恒星。昂貴元素的故事卻截然不同。金元素是在猛烈的恒星死亡事件——超新星爆炸中生成的。這種爆炸在宇宙中很罕見，它在短于一秒鐘的時間內(nèi)釋放出的能量，相當(dāng)于可觀測宇宙中其他所有恒星釋放的能量總和。難怪煉金術(shù)士們造不出金子呢！

如果萬物都是由原子組成的，而原子又是由更小的構(gòu)件組成（中子、質(zhì)子和電子），那么，它們是否還能被分為更小、更基本的構(gòu)件呢？歷史經(jīng)驗告訴我們一種可以找出答案的實驗方法——讓這些已知的最小構(gòu)件彼此猛烈相撞，看它們能否被撞碎。許多大型粒子對撞機都在嘗試這個實驗。然而，在日內(nèi)瓦附近的CERN（歐洲核子研究組織）實驗室里，即使加速到光速的99.999 999 999%，也沒有絲毫跡象表明電子能被撞碎成什么更小的東西。不過，撞擊質(zhì)子和中子卻得到了不一樣的結(jié)果——它們確實是由更小的粒子所組成的，我們稱之為上夸克和下夸克。2個上夸克和1個下夸克組成一個質(zhì)子（見圖6-1），2個下夸克和1個上夸克構(gòu)成一個中子。此外，在對撞的過程中，還生成了一系列前所未知的新粒子（見圖6-3）。

   

圖6-3　目前粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型（圖片來源：CERN）。

人們給這些新粒子起了稀奇古怪的名字，比如，π介子、K介子、Σ粒子、Ω粒子、μ子、τ子、W玻色子和Z玻色子。這些粒子十分不穩(wěn)定，瞬間就會衰變成我們所熟悉的普通粒子。精細的探測器發(fā)現(xiàn)，在這些粒子中，除了最后4個以外，其他都是由夸克組成的——不僅有上夸克和下夸克，還有4種不穩(wěn)定的新夸克，分別叫作奇夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克。人們發(fā)現(xiàn)，W玻色子和Z玻色子負責(zé)傳遞所謂的弱相互作用力，它們與放射性有著密切的關(guān)系，還是光子的表兄弟——光子是一種玻色子，負責(zé)傳遞電磁力。在玻色子大家族中，還有一個成員叫作膠子，能將夸克們捆綁在一起，組成更大的粒子。而最近發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子則將質(zhì)量賦予其他粒子。此外，人們還發(fā)現(xiàn)了一些鬼魅般的穩(wěn)定粒子，如電子中微子、μ中微子和τ中微子。這“三兄弟”非常害羞，它們幾乎不與其他粒子發(fā)生相互作用——如果一個中微子撞在地面上，它會直直地穿過地面，穿越地球，并從地球的另一邊毫發(fā)無傷地飛出去，繼續(xù)一往無前的太空之旅。最后必須要說的是，幾乎所有粒子都擁有一個“邪惡”的雙胞胎——反粒子。如果粒子和反粒子相撞，就會彼此湮滅成一股純粹的能量。表6-1中總結(jié)了本書所涉及的一些重要粒子及其相關(guān)概念。

表6-1　理解微觀世界所需要了解的一些重要物理學(xué)概念

到目前為止，尚無證據(jù)表明玻色子、夸克、輕子（這是電子、μ子和τ子的家族名稱），以及它們的反粒子還可繼續(xù)分成更小或更基本的構(gòu)件。但是，由于夸克在宇宙樂高層級（見圖6-1）中位于三層以下，所以，就算你不是福爾摩斯，也會懷疑：我們無法觸探更深層級的原因，是由于粒子加速器的能量不夠。實際上，在第5章里我們已經(jīng)提到過，弦理論正是這么想的，它認(rèn)為，如果我們能用巨大的能量（大約是今天所使用能量的10萬億倍）讓這些粒子相撞，我們就會發(fā)現(xiàn)，它們都是由振動的弦所組成。同樣的基本弦以不同的方式振動，就產(chǎn)生了不同類型的粒子，就像同一根吉他弦按在不同的品位就會彈出不同的音調(diào)一樣。弦理論的競爭對手是圈量子引力論，這個理論認(rèn)為，萬事萬物并不是由微小的弦組成的，而是由所謂的“激發(fā)引力場的量子回圈自旋網(wǎng)絡(luò)”構(gòu)成——真拗口，如果你不懂這是什么東西也沒關(guān)系，因為即使是弦理論和圈量子引力論領(lǐng)域內(nèi)最忠實的踐行者也不敢聲稱自己完全弄懂了這些理論……那么，萬物到底是由什么構(gòu)成的呢？基于目前最前沿的實驗證據(jù)，答案很清楚——我們還不知道。但是，我們有充分的理由相信：目前已知的萬事萬物，包括時空自身的結(jié)構(gòu)，最終都是由一種更加基本的構(gòu)件所組成的。

盡管現(xiàn)在我們還不知道萬物構(gòu)成的終極答案，但我們已經(jīng)找到了一個令人激動的線索，前面也曾提到過。對我來說，有一件事讓我感到十分狂熱，那就是在CERN的大型強子對撞機中，兩個相撞的質(zhì)子產(chǎn)生了一個質(zhì)量為質(zhì)子97倍的Z玻色子。我曾經(jīng)認(rèn)為質(zhì)量是守恒的，這很好理解，就好比兩輛法拉利轎車相撞，當(dāng)然不可能撞出一艘游輪，因為游輪的質(zhì)量遠大于兩輛車的質(zhì)量之和。所以，兩個粒子相撞竟然產(chǎn)生了一個質(zhì)量大于二者之和的新粒子，這聽起來不是很像龐氏騙局嗎？不過別忘了，愛因斯坦教導(dǎo)我們，能量E可以被轉(zhuǎn)換為質(zhì)量m，它們的關(guān)系是E=mc²，其中c代表光速。所以，如果在粒子相撞時，正好有一些動能可以任你安置，那么這些能量中的一部分就有可能被轉(zhuǎn)換成新粒子。換句話說，總能量是守恒的（也就是保持不變），但是，粒子對撞過程對能量進行了重新分配，可能將一部分能量轉(zhuǎn)變成之前不存在的新粒子。

動量也存在類似的情況。在臺球游戲中，當(dāng)白球撞到一顆原本靜止的球時，后者直直飛向落球袋，而白球則逐漸慢下來，這個過程中，總動量是守恒的，但是進行了重新分配。守恒是物理學(xué)上最重要的發(fā)現(xiàn)之一。不止能量和動量，還有許多其他的量也是守恒的，我們最熟悉的例子是電荷，還有一些守恒的量比如同位旋和色荷。還有一些量在許多重要情境下是守恒的，比如輕子數(shù)（等于輕子的數(shù)目減去反輕子的數(shù)目）和重子數(shù)（等于夸克的數(shù)目和反夸克的數(shù)目分別除以3之后相減，由于質(zhì)子和中子都包含3個夸克，所以它們的重子數(shù)都等于+1）。表6-2中列出了這些不同的粒子所具有的量的數(shù)目（稱為量子數(shù)）。你會注意到，它們許多都是整數(shù)或簡分?jǐn)?shù)，在質(zhì)量一列中還有3個數(shù)并未準(zhǔn)確地測出來。

表6-2　不同的粒子所具有的量的數(shù)目

注：所有已知的基本粒子都可以由一套獨特的“量子數(shù)”來進行描述，該表就展示了一些范例。除了自身的量子數(shù)以外，粒子不具有任何其他性質(zhì)。從這個意義上說，粒子是純粹的數(shù)學(xué)對象。表中的質(zhì)量對應(yīng)著創(chuàng)造一顆靜止粒子所需要的能量。我所使用的單位十分有趣，是MeV，相當(dāng)于你用100萬伏特的電壓來加速一個電子時，它所能獲得的動能。

我還記得一個“冷戰(zhàn)”時期的笑話，說的是在西方世界，所有不被禁止的事情都是被允許的，而在東方，所有不被允許的事都是被禁止的。有趣的是，粒子物理學(xué)似乎遵循前者：所有不被禁止的反應(yīng)（也就是違背某些守恒定律的反應(yīng)）在自然界中都可能真的發(fā)生。這意味著，應(yīng)該被我們看成物理學(xué)基本構(gòu)件的，是守恒量，而非粒子本身！所以，粒子物理學(xué)只是對能量、動量、電荷等守恒量進行了重新分配。比如，按照表6-2，要烹制一個上夸克，需要將2/3個單位的電荷、1/2個單位的自旋、1/2個單位的同位旋和1/3個單位的重子數(shù)糅合在一起，最后再灑上些許MeV的能量，一道上夸克大餐就做好了。

那么，能量和電荷這種量子數(shù)又是由什么組成的？什么都沒有——它們只是數(shù)字！一只貓也擁有能量和電荷，但除此之外它還擁有許多其他的性質(zhì)，比如名字、味道和性格。所以，如果有人聲稱貓只是一個純粹的數(shù)學(xué)對象，聲稱僅用兩個數(shù)字就能完全描述它，似乎太過瘋狂。然而，我們的基本粒子小伙伴們卻能被量子數(shù)完全描述，除此之外不具備任何內(nèi)稟性質(zhì)！從這個角度看，我們繞了一大圈，又回到了柏拉圖的面前。因為，正如他所認(rèn)為的那樣，宇宙萬物是由一些微小的基本單位組成的，就像樂高積木一樣，而這些基本單位似乎只是純粹的數(shù)學(xué)對象，它們除了數(shù)學(xué)性質(zhì)以外，不具備其他特性。在第9章，我們將更詳細地討論這個觀點，那時你會發(fā)現(xiàn)，這也僅是一座巨大的數(shù)學(xué)冰山露出水面的小小一角而已。

在更技術(shù)的層面，如果你問“粒子是什么”，一些物理學(xué)家可能會油嘴滑舌地回答道：“它是拉格朗日量對稱群不可約表示的一個元素?！边@也太拗口了，一段本應(yīng)愉快的聊天很可能就此畫上了句號。但不管怎么說，它確實是一個純粹的數(shù)學(xué)對象，只比數(shù)字的概念更廣泛一點點。當(dāng)然，弦理論或它的競爭理論都可能加深我們對粒子的理解，但是，所有主流理論都只是用一個數(shù)學(xué)實體來替代另一個而已。比如，假如表6-2中的量子數(shù)正巧對應(yīng)著不同類型的超弦振動，那么，你就不應(yīng)該把這些弦想象成用金棕色貓毛編成的毛茸茸小物件，而應(yīng)該把它們看作純粹的數(shù)學(xué)概念。它們只是在物理學(xué)上被冠以“弦”的名字，以強調(diào)它們具有一維的本質(zhì)，這樣就可以用那些不那么晦澀的日常事物來打比方了。

大自然就像一個樂高金字塔，每一層都由不同尺度的基本單元構(gòu)成。如果我兒子亞歷山大想玩樂高，他只能玩工廠生產(chǎn)出來的樂高，工廠生產(chǎn)什么樂高，他就只能玩什么樂高。假如他想玩原子的樂高，玩法是將它們放在火中炙烤，或浸入酸液中，或用其他方法來改變原子的排布，那么，這些事情叫化學(xué)；如果他想玩原子核樂高，玩法是用某種方法重新排列原子核內(nèi)部的中子和質(zhì)子，生成新的元素，那么，他做的事情叫核物理學(xué)；如果他用光速來對撞他的樂高塊，讓中子、質(zhì)子和電子的能量、動量和電荷等發(fā)生重新分配，讓它們變成新的粒子，那么，他做的事情叫作粒子物理學(xué)。最深層的構(gòu)件似乎只是純粹的數(shù)學(xué)對象。

并不是只有物體才由積木一樣的基本構(gòu)件組成，光也是如此，我們在本書第一部分提到過這一點。1905年，愛因斯坦推斷，光是由一種粒子構(gòu)成的，這種粒子稱為“光子”。

在愛因斯坦提出這個觀點之前的40多年，詹姆斯·麥克斯韋（James C.Maxwell）就已發(fā)現(xiàn)光是一種電磁波，這是一種電干擾。如果你能精確地測定一束光線上兩個點之間的電壓，你就會發(fā)現(xiàn)它會隨時間來回振蕩。振蕩的頻率f（每秒振蕩的次數(shù)）決定了光的顏色，振蕩的強度（你測到的最大電壓）決定了光強。我們在第3章提到過的“萬遠鏡”就能測量這種電壓。根據(jù)頻率的不同，人們?yōu)椴煌碾姶挪ㄆ鹆瞬煌拿?，根?jù)頻率從小到大分別將其命名為無線電波、微波、紅外線、紅、橙、黃、綠、藍、紫、紫外線、X射線、伽馬射線等。盡管名字不同，但它們實際上都是光，由一個個光子組成，只不過形式不同而已。發(fā)光體每秒釋放出的光子越多，它就越明亮。

愛因斯坦意識到，光子中蘊含的能量E是由頻率f決定的，它們遵循一個簡單的方程：E=hf，其中，h是一個名為“普朗克常量”的自然常數(shù)。常數(shù)h非常小，所以一個普通的光子內(nèi)只含有非常微小的能量。如果我在陽光明媚的海灘上躺1秒鐘，一共會有10²¹個光子落到我身上，溫暖我的身體，所以感覺起來很像一股綿延不斷的光流。然而，如果我朋友送我一些能遮住90%光線的墨鏡，我同時戴上21副這樣的墨鏡，那么1秒鐘內(nèi)，在之前的那些光子中，大約僅有1個光子能通過墨鏡的重重阻隔，只有靈敏的光子探測器才能發(fā)覺它的存在。

愛因斯坦獲得諾貝爾獎，正是因為他用這個想法來解釋了光電效應(yīng)（photoelectric effect）：光具有“擊”出金屬中電子的能力，這種能力只取決于光的頻率（也就是光子的能量），而與光強（光子的數(shù)量）無關(guān)。低頻光子無法完成這項任務(wù)，因為它們的能量不夠，這就好比扔網(wǎng)球去砸碎玻璃窗，如果你使的力氣過小，那么不管你扔多少個網(wǎng)球，玻璃也毫發(fā)無傷。今天的太陽能電池和數(shù)碼照相機的圖像傳感器上都用到了與光電效應(yīng)有關(guān)的技術(shù)。

馬克斯·普朗克（Max Planck）獲得了1918年的諾貝爾物理學(xué)獎，因為他發(fā)現(xiàn)，愛因斯坦對光子的想法同樣能解釋另一個困擾人們多年的謎：為何以前人們對發(fā)光發(fā)熱物體的熱輻射計算總是不正確。彩虹（見圖1-5）展示了陽光的光譜，也展示了多種不同頻率的光。人們知道，物體的溫度T可以用來度量它內(nèi)部粒子運動的快慢。人們還知道，一個粒子的動能E遵循公式E=kT，其中k代表玻爾茲曼常量（Boltzmann’s constant）。在太陽內(nèi)部，當(dāng)粒子相撞時，大約有kT這么多的動能被轉(zhuǎn)變?yōu)榱斯饽堋?/p>

不幸的是，對彩虹更詳細的預(yù)測陷入了一個困境，被稱為“紫外災(zāi)變”（ultraviolet catastrophe）。光強會向著圖1-5的右側(cè)（也就是向著更高的頻率）永遠增加下去，所以只要你向任何一個有溫度的物體（比如，你最要好的朋友）瞥一眼，你就會立刻被伽馬射線亮瞎眼。然而，“光由粒子組成”這個事實將救你一命：太陽發(fā)光時，只能一個一個地釋放出光子，制造一個光子所需要的能量通常是kT，這個能量太小，與制造伽馬射線的能量hf相比還差得遠呢，所以你一點也不用擔(dān)心。

如果所有物體都是由粒子組成的，那它們都遵循什么物理定律呢？具體地說，如果我們知道我們的宇宙中每一個粒子此時此刻正在做什么，那么，我們要采用什么方程才能計算出它們未來的狀況呢？如果這個方程真的存在，你一定會希望它能（至少理論上能）根據(jù)現(xiàn)在預(yù)測出未來的方方面面，從擊出棒球的路徑，到2048年奧林匹克運動會的冠軍們。只要能算出所有粒子的下一步，你就能得到一切的答案。

關(guān)于這一點，可謂喜憂參半。喜的是，這個方程似乎真的存在，它被稱為“薛定諤方程”（見圖6-4）；憂的是，這個方程并不能精確地預(yù)測粒子的下一步。這個方程是由奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr dinger）在百年前寫下的。將近百年之后，物理學(xué)家們依然對此爭論不休，不明白它究竟是怎么一回事。

   

圖6-4　薛定諤方程永垂不朽。這張照片是我在1996年拍的，從那之后，銘文字體發(fā)生了神秘的改變。難道量子力學(xué)的怪事也會在這里發(fā)生嗎？

大家都認(rèn)同，微觀粒子并不遵從我們在中學(xué)所學(xué)的那些經(jīng)典物理定律。由于原子的結(jié)構(gòu)讓人聯(lián)想到太陽系，所以自然地，許多人會假定電子繞原子核旋轉(zhuǎn)是遵循牛頓力學(xué)的，就像行星圍繞太陽旋轉(zhuǎn)一樣。確實，當(dāng)你照此計算時，看起來還真像那么回事兒。你可以拉著一個溜溜球的線，讓它繞著你的腦袋旋轉(zhuǎn)；如果線斷了，溜溜球就會從斷點沿著一條直線飛出去。所以，你對線施加的拉力必須能夠克服溜溜球沿直線飛出去的慣性，才能讓它做圓周運動。

在我們的太陽系中，行星和太陽之間并沒有一根線，那么，保持行星不沿直線飛出去的力是什么呢？是太陽的萬有引力。在原子中，原子核與電子之間存在著電荷吸引力。如果你對一個氫原子大小的軌道進行計算，你得到的電子速度與我們在實驗室中測得的速度相差無幾——這簡直是一個理論勝利！然而，為了得到更精確的答案，我們需要在方程中引入另一個效應(yīng)，即電子如果正在加速（改變速度或運動方向），它將會輻射出能量——你的手機就利用了這一點，讓電子在天線附近振動，以傳輸無線電波。由于能量是守恒的，輻射出的能量不可能憑空創(chuàng)生，而必須有一個來頭。在你的手機里，能量來自電池，但在氫原子中，輻射出的能量來自電子的動能，這使得它將向原子核“落下去”，就像上層大氣的空氣阻力讓低軌衛(wèi)星逐漸減速，失去動能，最終落回地面上一樣。這意味著，電子軌道并不是圓形的，而是一個通向死亡的螺旋形（見圖6-5）。在旋轉(zhuǎn)10萬圈以后，電子最終會撞到質(zhì)子上，氫原子就會因此坍縮，享年0.02納秒^[21]。

掃碼獲取這個死亡螺旋的推導(dǎo)過程。

電子沿螺旋形落入質(zhì)子中？這可不妙。相當(dāng)不妙啊。這里，我們談?wù)摰目刹皇抢碚摵蛯嶒炛g1%的微小差異，而是宇宙中所有的氫原子（也包括其他所有的原子）都將在你讀一個字所花時間的1/10⁹內(nèi)崩塌殆盡?？墒?，絕大多數(shù)氫原子都早已存在了140億年，比經(jīng)典物理學(xué)所預(yù)測的壽命長了28個數(shù)量級，創(chuàng)造了史上最糟糕物理學(xué)預(yù)測的世界紀(jì)錄，直到暗能量密度的錯誤預(yù)測出現(xiàn)（我們在第2章中提到過，它錯了123個數(shù)量級），才將其擠下了冠軍舞臺。

除此之外，當(dāng)物理學(xué)家假定基本粒子遵循經(jīng)典物理定律時，還遇到了許多其他問題。比如，他們發(fā)現(xiàn)，加熱極冷物體所需的能量小于預(yù)測值。這些問題又觸發(fā)了更多一連串的問題。但是，我們沒必要再列舉這些例子，因為大自然的信息已經(jīng)非常清楚——微觀粒子并不遵守經(jīng)典物理學(xué)的定律。

那么，這些粒子是凌駕于物理定律之上的嗎？并不是，它們遵守一個完全不同的定律——薛定諤定律。

1913年，為了解釋原子的機制，丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾想出了一個激進的念頭。他想：也許，不只物質(zhì)和光是一份一份的（也就是由積木一樣的基本構(gòu)件組成），運動也是如此。有沒有可能，運動并不是連續(xù)的，而是跳躍的，就像電子游戲“吃豆人”（Pac-Man）或者卓別林的老電影一樣，幀與幀之間的切換十分突兀。圖6-5中展示了玻爾的原子模型——只有滿足某些神秘尺度的圓形軌道才允許存在。最小的軌道被標(biāo)記為n=1，接著，更大一點的軌道為n=2，以此類推，每個軌道的半徑都是最小半徑的n²倍^[22]。

玻爾的原子模型的第一個也是最重要的一個成就在于，它不會像左邊的經(jīng)典模型那樣坍縮。當(dāng)電子處在最里面的軌道時，它就不可能再向內(nèi)躍遷了，因為里面沒有可用的軌道。不止如此，玻爾的模型還能解釋更多事情。較高軌道所具有的能量大于較低的軌道，由于總能量是守恒的，所以，每當(dāng)電子像吃豆人一樣躍遷到較低的軌道時，原子就將多余的能量以一個光子的形式釋放出來（見圖6-5）；如果電子要跳回原來的較高軌道，它又必須付出一定的代價——吸收一個具有所需能量的光子。由于軌道能量是一組離散的數(shù)字，這意味著原子只能釋放或吸收具有特定能量值的光子。也就是說，一個原子只能吸收或釋放具有特定頻率的光子。這解決了一個困擾多年的謎——陽光所形成的彩虹（見圖1-5）中，在特定的頻率存在著一些神秘的黑線（也就是缺失了某些特定的顏色）。還有，人們在實驗室里研究炙熱的氣體時，觀察到每種原子都只能釋放和吸收某些特定頻率的光，形成獨特的光譜特征，就像人的指紋一樣。玻爾的原子模型不僅解釋了這些光譜線的存在，還解釋了氫原子所對應(yīng)的那個特別的頻率^[23]。

這是一個好消息，為玻爾贏得了諾貝爾獎（本章中我提到的大多數(shù)科學(xué)家都獲得了諾貝爾獎）。但是，我們不能忽略那個暗潮涌動的壞消息：玻爾的模型只對氫原子有效，而無法解釋其他原子，除非它們只剩一個電子。

   

圖6-5　該圖是我們對原子認(rèn)識的變遷。經(jīng)典的“太陽系”原子模型是由歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）提出來的，不過，這個模型很不穩(wěn)定，電子會沿螺旋形的軌道落入中心的質(zhì)子（這張圖里，為了簡化，我將電荷力增強了20倍，否則它將旋轉(zhuǎn)10萬圈后才落入質(zhì)子，那這張圖將變得難以辨認(rèn)）。玻爾模型則將電子限制在離散的軌道上，這些軌道分別記作n=1、2、3……，電子在不同的軌道之間躍遷，需要吸收或釋放出光子。但是，這個模型只對氫原子成立，對其他原子都不成立。薛定諤模型則描述道，單個電子可能同時出現(xiàn)在許多不同的地方，形成一個“電子云”，電子云的形狀由所謂的波函數(shù)Ψ決定。

拋開這些早期的成功事跡不說，物理學(xué)家們依然不明白這些奇怪的現(xiàn)象和量子規(guī)律究竟是怎么回事。它們到底意味著什么呢？為什么角動量是量子化的？是否有更深層次的解釋呢？

物理學(xué)家路易·德布羅意（Louis de Broglie）提出了一個想法，他認(rèn)為，電子（實際上所有粒子都如此）有一種像波一樣的性質(zhì)，就像光子一樣。在長笛中，聲駐波只能在某些特殊頻率下振動，那么是否也存在一種類似的波，決定著電子在原子中旋轉(zhuǎn)的頻率呢？

我們知道，兩個波可以互相穿越、互不影響，就像水缸里的圓形漣漪（見圖6-6左圖），在任何時候，它們的效果都是相互疊加的。在有些地方，我們可以看到兩個波峰疊加成一個更大的波峰（這種現(xiàn)象被稱為“相長干涉”[constructive interference]）；而在有些地方，我們則看到一個波峰和一個波谷疊加在一起，相互抵消，讓水面看起來寧靜如斯，仿佛并沒有水波（這種現(xiàn)象被稱為“相消干涉”[destructive interference]）。在太陽表面（見圖6-6中圖），人們觀察到了炙熱氣體/等離子體內(nèi)的聲波。如果這種波在整個太陽表面?zhèn)鞑ラ_來（見圖6-6右圖），它就會與自身產(chǎn)生相消干涉，將自身抵消掉，除非它走一圈的距離正好等于波長的整數(shù)倍，才能與自身同步。這意味著，與長笛一樣，太陽表面的振動也只存在于某些特殊的頻率^[24]。德布羅意在他1924年的博士論文里把這個邏輯運用在氫原子上，得出的頻率和能量與玻爾模型所預(yù)測的完全一致。圖6-7展示了一個更直接的證據(jù)，證明粒子具有波動性。這個實驗被稱為“雙縫實驗”（double-slit experiment）。

這種波動理論也直觀地解釋了，原子為何不會像經(jīng)典物理學(xué)預(yù)測的那樣落向原子核。如果你試著將一個波局限在一個非常小的空間內(nèi)，它就會立刻開始向四面八方擴展開來。比如，如果一滴雨掉進水缸，最開始它只會擾動入水點附近的一小片區(qū)域，但是，這種擾動很快就會向所有方向擴展開，形成一個個圓形的漣漪，就像圖6-6左圖中的波紋一樣。這就是海森堡不確定性原理的本質(zhì)。沃納·海森堡（Werner Heisenberg）認(rèn)為，如果你想將某物限制在非常小的空間區(qū)域內(nèi)，它就將獲得很多隨機動量，使得它具有擴展開的傾向，從而變得不那么局限。換句話說，一個物體不可能同時具有精確的位置和精確的速度^[25]！這意味著，如果氫原子中的電子如圖6-5左圖所示的那樣被吸入質(zhì)子中，那么，隨著電子的位置受到越來越大的制約，它的動量和速度會越來越大，直到獲得足夠的速度，重新飛回到較高的軌道上。

   

圖6-6　水缸里的水波（左圖）和太陽表面的聲波（右圖）。

   

圖6-7　假設(shè)我們向一道擁有兩條豎直狹縫的屏障發(fā)射粒子（比如，用激光槍發(fā)射電子或光子），根據(jù)經(jīng)典力學(xué)的預(yù)測，這些粒子穿過狹縫，打在屏障后面的探測器上，將呈現(xiàn)出與狹縫相對應(yīng)的兩根豎條。然而，根據(jù)量子力學(xué)的預(yù)測，粒子具有波動性，所以每個粒子都將以“量子疊加”（quantum superposition）的方式同時穿過兩條狹縫，并與自身產(chǎn)生干涉，然后在探測器上形成與圖6-6相類似的那種干涉模式。這個著名的雙縫實驗證明了量子力學(xué)是正確的：你會觀測到，粒子組成了一系列平行的豎條，而并非僅有兩條。

德布羅意的論文引起了軒然大波。1925年11月，薛定諤在蘇黎世召開了一場與之有關(guān)的研討會。當(dāng)他講完后，彼得·德拜（Peter Debye）說：“你講了半天關(guān)于波動的事情，可是，波動方程在哪里呢？”于是，薛定諤向這個方向繼續(xù)鉆研，發(fā)表了他著名的波動方程（見圖6-4），這個波動方程成了打開現(xiàn)代物理學(xué)的金鑰匙。大約在同一時間，馬克斯·玻恩（Max Born）、帕斯奎爾·喬丹（Pasqual Jordan）和維爾納·海森堡開始用一種被稱為“矩陣”的數(shù)表來解決同樣的問題。有了這個強大的數(shù)學(xué)工具做基礎(chǔ)，量子理論開始了爆發(fā)式的進展。在短短幾年內(nèi)，成功解決了一大批從前無法解釋的觀測現(xiàn)象，包括復(fù)雜原子的光譜和化學(xué)反應(yīng)中的各種數(shù)字等。量子物理學(xué)最終改變了我們的生活：激光、晶體管、集成電路、計算機和手機等紛至沓來。量子力學(xué)的成功之處還在于，它衍生出了許多分支，比如量子場論，為尋找暗物質(zhì)粒子等現(xiàn)代前沿研究打下了堅實的基礎(chǔ)。

好的科學(xué)理論有什么特點呢？我認(rèn)為，其中一個特點叫“數(shù)據(jù)壓縮”（data compression），即能用極少的信息來解釋很多問題。一個好的科學(xué)理論，你從中得到的東西遠多于你為之付出的努力。例如，我試著用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)壓縮軟件把本章的草稿文檔壓縮了一下。軟件根據(jù)我字里行間的規(guī)律和模式，將文檔壓縮到了1/3那么大。讓我們把它和量子力學(xué)進行一下對比吧。我從網(wǎng)上下載了一個列表，包含超過20 000個光譜線，是世界各地的實驗室經(jīng)過艱苦的工作測定出來的。根據(jù)這些數(shù)字中所找出的規(guī)律和模式，薛定諤方程能將這些數(shù)據(jù)壓縮到僅剩3個數(shù)字，分別是：所謂的精細結(jié)構(gòu)常數(shù)α≈1/137.036（它賦予了電磁相互作用的強度）、一個大小為1 836.15的數(shù)字（代表質(zhì)子質(zhì)量是電子質(zhì)量的多少倍）以及氫元素的軌道頻率^[26]。這相當(dāng)于把整本書壓縮為短短的一句話！

我將薛定諤視為我的物理學(xué)英雄之一。當(dāng)我還在慕尼黑的馬克斯·普朗克物理學(xué)研究所做博士后研究時，實驗室的復(fù)印機每次都要花很長時間才能啟動。在等待的時間里，我通常會從架子上抽出一本經(jīng)典書籍來打發(fā)時間。有一次，我抽出了一本1926年的《物理學(xué)年鑒》，驚訝地發(fā)現(xiàn)，薛定諤發(fā)表于1926年的4篇論文幾乎涵蓋了我在研究生量子力學(xué)課堂上所學(xué)到的所有知識。我敬仰他，并不僅僅因為他很聰明，還因為他是一位自由的思想家——他敢于質(zhì)疑權(quán)威，善于獨立思考，并追尋自己認(rèn)為正確的事情。當(dāng)他得到柏林馬克斯·普朗克研究所的教授職位（世界上最德高望重的職位之一）后，他放棄了這個機會，因為他無法忍受納粹迫害他的猶太同事。接著，他又拒絕了普林斯頓大學(xué)拋出的橄欖枝，因為他們無法接受他離經(jīng)叛道的家庭（他與兩名女性同居在一起，并育有一個非婚生的孩子）。1996年，當(dāng)我在奧地利滑雪時，曾去瞻仰過他的墳?zāi)?。我發(fā)現(xiàn)，他的自由思想在他的家鄉(xiāng)也不怎么吃香——你可以看一下我拍的照片（見圖6-4），那是阿爾卑巴赫（Alpbach）的一個小城鎮(zhèn)，這位最有名的鎮(zhèn)民被埋葬在一個十分簡樸的墳?zāi)估?，并且位于公墓的邊緣地帶…?/p>

那么，這一切都意味著什么呢？薛定諤方程描述的這些波，究竟是什么東西？量子力學(xué)的謎語，直到今天也沒有解開，人們依舊對此爭論不休。

當(dāng)物理學(xué)家用數(shù)學(xué)來描述某樣?xùn)|西時，我們通常需要分別描述兩件事：

●它在某一特定時刻所處的狀態(tài)。

●用來描述這個狀態(tài)如何隨時間而變化的方程。

比如，為了描述水星繞太陽旋轉(zhuǎn)的軌道，牛頓用了6個數(shù)字來描述它的狀態(tài)：3個數(shù)字用來描述水星中心點的位置（類似x、y和z坐標(biāo)），另外3個用來描述3個方向上的速度^[27]。對運動方程，他采用了牛頓定律：加速度由太陽對水星的萬有引力決定，而萬有引力與二者距離的平方成反比。

尼爾斯·玻爾在他的“太陽系”原子模型（見圖6-5中圖）中，引入了兩個特殊軌道之間的量子躍遷，改變了上述第二部分的描述，但他保留了第一個部分。薛定諤則跨出了比玻爾更大、更徹底的一步，他連第一部分也改變了——他徹底摒棄了那個認(rèn)為粒子必須具有精確位置和速度的觀念！相反，他采用了一個嶄新的“數(shù)學(xué)怪獸”來描述粒子的狀態(tài)，這個怪獸就叫作“波函數(shù)”，記作Ψ，來描述粒子如何同時存在于不同的位置。圖6-5右圖展示了氫原子的電子位于n=3軌道時的波函數(shù)平方^[28]，也就是|Ψ|²；你可以看出，它并不存在于某一個特定的位置，而是分布在質(zhì)子的各個方向，只不過在某些半徑的概率大一些。在圖6-5右圖中，“電子云”在不同位置的強度相當(dāng)于電子出現(xiàn)在這些地方的可能性。具體地說，如果你付諸實踐來尋找電子，你會發(fā)現(xiàn)，波函數(shù)的平方就等于你在某處可能找到這個電子的概率。所以，一些物理學(xué)家喜歡把波函數(shù)看作是對“概率云”或“概率波”的描述。需要特別注意的是，你永遠不可能找到一個粒子在某處的波函數(shù)等于零。如果你想在雞尾酒會上偽裝成一位量子物理學(xué)家，建議你一定要說一個詞，那就是“疊加態(tài)”（superposition）——如果一個粒子同時位于此處和彼處，那它就處于此處和彼處的疊加態(tài)，它的波函數(shù)描述了關(guān)于這個疊加態(tài)的一切。

這種量子波與圖6-6中所描述的那種經(jīng)典波有著天壤之別。那種你可以在其中沖浪的經(jīng)典波是由水組成的，波紋形成于水的表面。而氫原子中的“波”和“云”卻不是水，甚至根本不是一種物質(zhì)，那里只有一顆電子，只不過它的波函數(shù)像波浪一樣起伏，向世界宣告它將如何出現(xiàn)在空間各處。

簡而言之，薛定諤從兩個方面改變了人們對世界的經(jīng)典描述：

●一個粒子的狀態(tài)是由波函數(shù)來描述的，而不是位置和速度。

● 這個狀態(tài)隨時間的改變是由薛定諤方程來描述的，而不是牛頓定律或愛因斯坦的定律。

人們把薛定諤的發(fā)現(xiàn)看作20世紀(jì)最偉大、最重要的成就，因為它深刻地變革了物理學(xué)和化學(xué)。但同時，它也讓人們抓耳撓腮，困惑不已：如果一個物體竟然能同時出現(xiàn)在幾個不同的地方，為什么我們從來沒有觀察到這個現(xiàn)象呢（喝醉時除外）？這個謎被稱為“測量問題”（measurement problem，在物理學(xué)中，測量[measurement]和觀察[observation]是同義詞）。

在經(jīng)過各方爭議和討論后，玻爾和海森堡想出了一個補救措施，被稱為“哥本哈根解釋”（Copenhagen interpretation），直到今天它依然出現(xiàn)在眾多量子力學(xué)教科書上，受到大多數(shù)人的支持。這個解釋最關(guān)鍵的一點是在上述第二條中加入了一個“后門”，假定薛定諤方程只在某些時候起作用，而是否起作用取決于是否存在觀察者。具體而言就是說，如果某個物體沒有被觀測，那么其波函數(shù)的變化是符合薛定諤方程的。但是，如果它正在被觀察，那它的波函數(shù)就會坍縮，這樣，你就會觀察到它只位于同一個地方，而不是同時位于許多地方。這個坍縮的過程是突然發(fā)生的，而且本質(zhì)上具有隨機性。與此同時，你觀察到粒子位于某個特定位置的概率是由它波函數(shù)的平方?jīng)Q定的。這樣，波函數(shù)坍縮就巧妙地逃脫了神經(jīng)兮兮的疊加態(tài)，并能解釋我們所熟知的、物體在同一時間只出現(xiàn)在同一個地方的經(jīng)典世界（見圖6-8）。表6-3總結(jié)了迄今為止我們所探討過的量子概念以及它們之間的相互關(guān)系（希爾伯特空間和最后三個概念將在下一章里講解）。

   

圖6-8　波函數(shù)Ψ搖搖欲墜。

表6-3　主要的量子力學(xué)概念總結(jié)

哥本哈根解釋還包含許多其他方面，但是上面所說的這部分是最廣為接受的。我漸漸發(fā)現(xiàn)，我的一些同行們盡管歡呼雀躍地視哥本哈根解釋為量子力學(xué)的最佳詮釋，但卻無法在其他方面達成共識，這讓談?wù)摳绫竟忉屪兂闪艘患r髦的事。正如相對論先驅(qū)羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）嘲笑的那樣：“對量子力學(xué)有許多不同的態(tài)度。這些態(tài)度數(shù)量之多，恐怕比量子物理學(xué)家的數(shù)量還多。這并不矛盾，因為許多量子物理學(xué)家同時持有多種不同的觀點?！贝_實，關(guān)于哥本哈根解釋究竟對現(xiàn)實世界的本質(zhì)有何隱喻，哪怕是玻爾和海森堡的意見都有些輕微相左。不過，不管怎樣，那時所有物理學(xué)家都一致同意，哥本哈根解釋與實驗室的觀測結(jié)果十分相符。

然而，并非所有人都為之興奮。如果波函數(shù)坍縮真的會發(fā)生，這將意味著，自然規(guī)律中隱藏著隨機性的本質(zhì)。愛因斯坦內(nèi)心深處對這個解釋十分不悅。他認(rèn)為宇宙不應(yīng)該是隨機的，而應(yīng)該是確定的。為了表達他的偏好，他說出了那句著名的話，后來被廣泛引用：“我不相信上帝會擲骰子。”畢竟，物理學(xué)的本質(zhì)就是由現(xiàn)在預(yù)測未來?，F(xiàn)在倒好了，物理學(xué)的預(yù)測功能不僅在實踐中無法做到，甚至在理論上都行不通了。即使你聰明絕頂，并且將宇宙中的每一個波函數(shù)都諳熟于心，你也無法計算出這些波函數(shù)在未來會變成什么樣，因為只要宇宙中存在觀察者，波函數(shù)就會發(fā)生隨機改變。

波函數(shù)坍縮還引發(fā)了其他方面的恐慌，比如，由于坍縮是由觀測引起的，于是，觀測這一動作被提升到了一個重要的位置。當(dāng)玻爾大聲疾呼“沒有觀測，就沒有真實”時，似乎把人類又推回了中心地位。許多年以來，哥白尼、達爾文等科學(xué)家的研究逐漸抹去了人類的傲慢與自大，并對那些認(rèn)為宇宙萬物都圍著我們旋轉(zhuǎn)的人類中心論提出了警告。然而，哥本哈根解釋卻把我們引回了老路。在哥本哈根解釋中，現(xiàn)實世界似乎是由人類創(chuàng)造出來的，而我們創(chuàng)造它的方法很簡單，只需要看它一眼。

還有一些物理學(xué)家也十分煩惱，因為哥本哈根解釋缺乏數(shù)學(xué)上的嚴(yán)謹(jǐn)性。傳統(tǒng)的物理學(xué)理論都是由數(shù)學(xué)公式來描述的，而哥本哈根解釋中卻沒有數(shù)學(xué)公式來定義究竟什么是觀測，即波函數(shù)究竟會在何時坍縮。必須要有一個人類觀察者才會引發(fā)波函數(shù)坍縮嗎，還是更廣義的意識也可以？正如愛因斯坦所問：“月亮?xí)驗橐恢焕鲜罂戳艘幌绿於嬖趩?？”那么，機器人會引發(fā)波函數(shù)坍縮嗎？網(wǎng)絡(luò)攝像頭呢？

不嚴(yán)格地講，量子力學(xué)的哥本哈根解釋告訴我們，微小的事物行為怪異，但較大的事物卻很正常。具體地說是指，原子那么小的物體通常會同時出現(xiàn)在幾個不同的地方，但是像人這樣宏觀的物體卻無法做到這一點。拋開上面所談的那些問題不說，這種說法確實站得住腳，只要量子的怪誕性像瓶中之妖一樣被限制在微觀世界，不偷偷溜進宏觀世界大搞破壞就行。但是，它真的被囚禁起來了嗎？

還記得本章開頭，我在斯德哥爾摩那間宿舍里復(fù)習(xí)量子力學(xué)嗎？那時候，有一件事一直困擾著我，那就是，宏觀的物體也是由原子組成的，既然原子可以同時出現(xiàn)在幾個不同的地方，那宏觀的物體應(yīng)該也可以才對。但是，有能力做某件事并不意味著這件事一定會發(fā)生。你可能會認(rèn)為，宏觀物體之所以沒有同時出現(xiàn)在不同的地方，是因為不存在某種可將微觀怪誕性放大和傳遞到宏觀世界的物理過程。為了打破這種觀點，薛定諤設(shè)計出了一個惡魔般的思想實驗——薛定諤的貓。

薛定諤的貓被關(guān)在一個盒子里，盒子里有一罐氰化物，罐子的開關(guān)與一個放射性原子相連，如果這個放射性原子發(fā)生衰變，罐子就會打開，釋放出氰化物，殺死貓。實驗開始后不久，這個原子將處于衰變和未衰變的疊加態(tài)，使得貓?zhí)幱谒廊ズ突钪寞B加態(tài)。換句話說，單個原子的微觀疊加態(tài)似乎并沒有造成什么影響，但在這個思想實驗中，它卻能被放大成宏觀的疊加態(tài)，影響一只由10²⁷個粒子組成的貓，讓它同時處在兩個狀態(tài)。另外，即使沒有薛定諤的毒氣裝置，這種疊加態(tài)放大的過程也每時每刻都在發(fā)生。

你也許聽說過混沌理論（chaos theory）——在經(jīng)典物理定律的作用下，輕微的差異也可以被指數(shù)級地放大，比如北京的一只蝴蝶扇動了一下翅膀，結(jié)果引起了斯德哥爾摩的風(fēng)暴。再舉一個更簡單的例子，一支鉛筆直立在桌上，保持著平衡，但初始狀態(tài)中的微小擾動卻決定了它最終傾倒的方向?；煦鐒恿W(xué)能發(fā)揮作用，正是因為某個原子的初始狀態(tài)影響了整個系統(tǒng)，從而走向完全不同的道路。所以，如果原子同時位于兩個位置，那么宏觀物體也應(yīng)該同時位于兩個地方才對。

這種怪誕性的放大在量子觀測過程中肯定會發(fā)生。如果你觀測到一顆原子同時處于兩個位置^[29]，并把這兩個位置記錄在一張紙上，那么，原子的位置就能決定你手部的運動，進而讓你手中的鉛筆也同時位于兩個地方。

還有一個不可忽略的事實是，這種怪誕性的放大通常也會發(fā)生在你的大腦中。在某一特定時刻，一個特定的神經(jīng)元是否會被激活，取決于輸入它的信號總和能否超過某一個閾值。所以，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也像前面所說的蝴蝶效應(yīng)和平衡鉛筆一樣不穩(wěn)定。

本書前面也講過類似的事——我騎著自行車上學(xué)，來到那個路口，正要決定是否向右看。假設(shè)在那千鈞一發(fā)的瞬間，在我的前額葉皮層中，一個鈣原子進入了一個特定的突觸間隙，激發(fā)一個特定的神經(jīng)元發(fā)射出電信號，從而觸發(fā)了一連串的神經(jīng)元活動，最終在我腦海中形成一個念頭：“向右看看吧！”那我的小命就保住了。但是，假設(shè)那一瞬間，那顆鈣原子同時出現(xiàn)在兩個略有差異的位置，半秒鐘后，我的小伙伴們就會看見我同時向兩個相反的方向騎去。不久之后，我就會同時出現(xiàn)在兩個不同的地方，其中一個我會躺在太平間里。這簡直就是一個薛定諤貓的人類版本，只不過把那只貓換成了我……

再次回到我女朋友位于斯德哥爾摩的宿舍里。在量子力學(xué)面前，我陷入了深深的困惑和沮喪?，F(xiàn)在你知道原因了吧。我的第一門量子力學(xué)課就要考試了。教科書告訴我，哥本哈根解釋就是絕對的事實真相，可是我越想越迷惑。量子怪誕性肯定不會被局限在微觀世界，薛定諤的貓已經(jīng)向我們泄露了這個秘密。我并不在意怪誕性本身，當(dāng)時縈繞我心頭的問題是：假設(shè)你真的能把薛定諤的貓付諸實驗，會發(fā)生什么事呢？如果教科書是正確的，你只需要打開盒子往里面看一眼，就在你瞥見的一瞬間，貓的波函數(shù)就會坍縮，此時它只有一種確定無疑的狀態(tài)：要么死了，要么活著。

不過，假如此時我正站在你的實驗室外，讓我們來考量一下那個能描述實驗室里所有粒子的波函數(shù)吧，這個波函數(shù)不僅描述了貓身上的所有粒子，還涵蓋了組成你和實驗室里所有設(shè)備的粒子。這些粒子當(dāng)然都會遵循薛定諤方程，不管它們是不是位于鮮活的生命身上。在這種情況下，按照教科書的說法，只有當(dāng)我親自進入到實驗室觀察那只貓時，貓的波函數(shù)才會坍縮，而不是在之前你進行觀察時。此時，在我進入實驗室看到你之前，你處于一個疊加態(tài)，其中一個你正為殺死了貓而懊惱，另一個你則因為貓還活著而松了一口氣。也就是說，即使在最好的情況下，哥本哈根解釋也是不完備的，無法回答波函數(shù)究竟在何時坍縮。而在最壞的情況下，它是自相矛盾的，因為在一個遙不可及的平行宇宙居民眼里，我們整個宇宙的波函數(shù)永遠不會坍縮，因為這個居民永遠無法觀察到我們。

那么，讓我們一起進入下一章的探險吧！我們將一起探索量子力學(xué)究竟訴說著真實世界的哪些本質(zhì)。也許，我們?nèi)鸬淙藦墓亲永锞拖矚g批評西南方的鄰國，但是，每當(dāng)我想到哥本哈根解釋時，腦子里就回響起《哈姆雷特》中的那句名言：“丹麥正在發(fā)生不可告人的壞事?！?/p>

◆一切事物都是由粒子組成的，包括光和人。

◆這些粒子都是純粹的數(shù)學(xué)對象，因為它們所具有的所有內(nèi)稟性質(zhì)都是數(shù)學(xué)性質(zhì)——數(shù)字。只不過這些數(shù)字擁有各自不同的名字，比如電荷數(shù)、自旋和輕子數(shù)。

◆這些粒子并不遵循經(jīng)典物理學(xué)的定律。

◆從數(shù)學(xué)上來說，這些粒子（或許應(yīng)該叫“波粒子”更準(zhǔn)確）的狀態(tài)無法用6個代表位置和速度的數(shù)字來描述，而應(yīng)該用波函數(shù)來描述它們?nèi)绾挝挥诳臻g中的不同位置。

◆這既賦予了它們傳統(tǒng)粒子的性質(zhì)（不在此處，就在別處），又賦予了它們波的性質(zhì)（以所謂的“疊加態(tài)”的形式同時位于多個不同的地方）。

◆粒子不能被局限在一個地方（海森堡不確定性原理），這阻止了原子的坍縮。

◆粒子未來的行為不是由牛頓定律描述的，而是由薛定諤方程描述的。

◆薛定諤方程表明，看似影響甚微的微觀疊加態(tài)也可以被放大成瘋狂的宏觀疊加態(tài)，比如薛定諤的貓。你自身也同樣如此，因為你有可能同時位于兩個不同的地方。

◆教科書上假定波函數(shù)有時會發(fā)生坍縮，從而違背薛定諤方程，并把隨機性深深植入自然的本質(zhì)中。那這一切究竟意味著什么？物理學(xué)家對此爭論不休。

◆教科書對量子力學(xué)的解釋要么不完備，要么前后矛盾。