《上帝擲骰子嗎？——量子物理史話》讀書心得
08-31
《上帝擲骰子嗎？——量子物理史話》讀書心得
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◆作者簡介 曹天元（Capo），出生於上海，足跡遍歷內地、香港和美國，現居香港。本人不願透露具體身份。 ◆目錄量子物理史話序黃金時代 001烏雲 027
火流星 051
白雲深處 077曙光 101殊途同歸 127不確定性 151決戰 177歧途 263回歸經典 233不等式的判決 261新探險 285尾聲 317
外一篇海森堡和德國原子彈計劃 319後記 332主要參考資料 334人名索引 342 ◆讀書心得人類從有思想開始，就一直在追尋一個問題，那就是：我們生活在什麼樣的世界裡？世界的本質是什麼？人類的文明從未停止該領域的探索與思考，這是一個漫長的過程，在此過程中，我們不斷的假說、不斷的崇尚各種宗教，我們總是在嘗試著給自己一個解釋和交代，然而，大多數的假設及天馬行空的幻想終究如水泡般破滅，直到三百多年前，一個叫做「科學」的東西誕生，成為人類探索真理最明亮的火把。
這本書談到的就是科學的一個重要分支——物理中的「量子物理」，這個名字高、精、尖，十分冷僻，給我們普通人一種高高在上、遙不可及的感覺，似乎只有這個世界上最聰明頭腦的那一幫人才有資格觸碰，但是當我讀完這本書之後，用我自己的話來說，所謂「量子物理」就是探究世界、宇宙、萬物本質與規律的學問，它的年齡不大，只有差不多100歲，但它的發展與攻克是如此的迅速和與我們息息相關！它的突破及成功，將直接影響我們對這個世界奧秘的解鎖、將造福到千千萬萬的學科及我們方方面面的生活、甚至很有可能解答一個每位面臨生老病死的人類最希望知道的問題：我們從何而來、又從何而去？ 書中說：「量子理論是一個極為複雜而又難解的謎題。她像一個神秘的少女，我們天天與她相見，卻始終無法猜透她的內心世界。今天，我們的現代文明，從電腦到激光，從核能到生物技術，幾乎沒有哪個領域不依賴於量子論。」 這本書的作者雖然盡量用最為通俗易懂的語言給我們講述這個高大上的課題，然而它終究不是小說讀物，其中涉及了很多生僻的名詞與理念，這也就造成了讀書進度非常艱難，這麼說吧，這本書講述的內容不可避免的會十分抽象，絕對不像書殼這麼有「喜感」，而且也不算太薄，我之所以咬著牙讀完，就是為了能夠寫出一篇更加生動、通俗、直觀、易懂的讀書心得，至少，我嘗試這麼做，讓任何一個有基本嘗試的朋友都能夠了解「量子物理」及這本書告訴我們的精髓。 我們高興得太早了！但凡讀過書的朋友，都知道學校裡面教我們大多數的學科基礎都是叫「科學」的東西，科學來到我們這個世界不過三百年，為什麼我們要去學科學而不是學宗教呢？因為，科學是當今人類公認最靠譜、最不扯淡的探究我們身邊事物的方法與學問，為什麼？你現在看看你生活周圍的各種事物，這些都是科學給你、給我們全部人類探索它的獎勵。
科學不等於真理、但科學是目前人類公認尋找真理最有效的方法。 人類探索科學、通過科學探索世界的腳步是飛快的，做這一類事情的人都需要足夠聰明的大腦，我們叫他們「科學家」！而牛頓是我們最熟悉的科學家。 牛頓的偉大之處絕不僅僅是搞清楚那個樹上掉落的蘋果、以及我們中學學到的那幾條定律，他是一個開創者，你可以理解是他將「科學理念」抬到了人類文明的主流，人們開始認識到「科學」是我們探究世界、改造世界最重要的工具，並且遠離那些不靠譜的假說、神仙鬼怪、神叨叨的歪理邪說。 他開創了「經典物理」的先河，後來無數的科學家也都是跟著他指出的路徑義無反顧的前行，他像一個畫家，似乎幾筆勾勒出了這個世界真實的模樣，成千上萬顆聰明的腦袋異口同聲的說：「對！世界就應該是這個模樣！靠譜！」，而其他後來者要做的就是在他所畫的這幅草圖上不斷的加工、塗色即刻！多麼和諧壯觀的場面呀！後繼有人——著名科學家麥克斯韋於1856、1861和1865年發表了三篇關於電磁理論的論文，這是一個開天闢地的工作，它在牛頓力學的大廈上又完整地建立起了另一座巨構，而且其輝煌燦爛絕不亞於前者。
此時,「科學」這幅畫眼見著就要完工了！每位當代科學家都盼望著一睹這光榮的竣工場面！ 書中道：「人們也許終於可以相信，上帝造物的奧秘被他們所完全掌握了，再沒有遺漏的地方。從當時來看，我們也許的確是有資格這樣驕傲的，因為所知道的一切物理現象，幾乎都可以從現成的理論里得到解釋。力、熱、光、電、磁……一切的一切，都在人們的控制之中，而且所用的居然都是同一種手法。人們開始傾向於認為：物理學已經終結，所有的問題都可以用這個集大成的體系來解決，而不會再有任何真正激動人心的發現了。一位著名的科學家說：「物理學的未來，將只有在小數點第六位後面去尋找」。普朗克的導師甚至勸他不要再浪費時間去研究這個已經高度成熟的體系。」 那個時候的物理，基本上就是當今現在大多數老百姓可以理解到的物理，那時候的世界，基本上就是我們今天理解的世界，我們相信自己看到的世界和理論是無懈可擊的，然而，隨著探索，我們發現自己緊握的真理千瘡百孔、背叛了我們，就像你娶了個媳婦……漸漸的發現她不是一個人、而是一個魂，你可能會問:「有這麼驚悚嗎！？」，我只能告訴你，比這個驚悚一萬倍…… 是的，那時候的科學家高興得太早了……兩朵烏雲
時間剛跨入20世紀，即1900年4月27日，已經76高齡的開爾文爵士提出了著名的兩朵烏雲的演講：「動力學理論斷言，熱和光都是運動的方式。但現在這一理論的優美性和明晰性卻被兩朵烏雲遮蔽，顯得黯然失色了……」 具體而言，這兩朵烏雲是當時物理學上的兩個難題：「分別指的是經典物理在光以太和麥克斯韋－玻爾茲曼能量均分學說上遇到的難題。再具體一些，指的就是人們在邁克爾遜－莫雷實驗和黑體輻射研究中的困境。」 看不懂不要緊，我也沒看懂，但我知道作者想表達什麼樣的意思——這兩朵烏雲之後下起的暴雨幾乎摧毀了由無數德高望重的科學前輩構建起來的那副世界真理的畫卷。 第一朵烏雲，最終導致了相對論革命的爆發。第二朵烏雲，最終導致了量子論革命的爆發。什麼概念呢？你可以想像，一對恩愛的小兩口，被無數人羨慕和視為標配，現實版的天仙配，然而有一天，妻子不小心在丈夫口袋裡翻到了一個莫名其妙的物件，本來並沒有在意，但潛意識下也去探究這個物件的來歷，隨著不斷的深入……她發現她的丈夫……不是有了小三，而是，他丈夫不是人類、已經死亡多年，再後來，她發現原來他丈夫是人，而她自己才是超自然生物……驚悚吧？我們這個物理世界這一百多年就是這麼驚悚的走過來的，關鍵字——顛覆你的認知！而上述的「兩朵烏雲」其實就是我們剛才提到的妻子發現的「小物件」，是的，它是一個線索，打開了一個讓所有人顛覆三觀的世界。
不連續性 剛才我們提到的第二朵烏雲叫做黑體輻射研究，著名的科學家普朗克孜孜不倦的研究這個難題發現，在微觀世界中（即非常非常小、用顯微鏡都看不到的世界），他老人家首次提出了量子的說法，是的，就是我們這本書的主角——量子。 「普朗克把它稱作「能量子」（Energieelement），但隨後很快，在另一篇論文里，他就改稱為「量子」（Elementarquantum），英語就是quantum。這個單詞 來自拉丁文quantus，本來的意思就是「多少」「量」。量子就是能量的最小單位，就是能量里的一美分，一切能量的傳輸，都只能以這個量為單位來進行。」 很快，普朗克發現了首個顛覆我們常識的問題——量子的不連續性，啥意思?就是A點和B點上由一顆直線連接，這顆直線上有一個C點，中學老師告訴我們，從A點到B點必須要經過C點對吧？但是在量子的微觀世界，普朗克告訴你，他不經過C點，它瞬移了……（ 原書：量子論告訴我們，「無限分割」的概念是一種數學上的理想，而不可能在現實中實現。一切都是不連續的，連續性的美好藍圖，也許不過是我們的一種想像。量子像一個高超的魔術師，它在舞台的一端微笑著揮舞著帽子登場，轉眼間便出現在舞台的另一邊。而在任何時候，它也沒有經過舞台的中央部分！）瞬移了……讓我想起了七龍珠孫悟空的瞬間移動……但這不是漫畫，這是科學家告訴你的！你可能要說，我管他是誰，他胡說八道我就是不信他，是的，他自己也不信自己，普朗克親手開創的量子理論，他自己都看不上、甚至被嚇傻了。
1900年12月14日這個日子，這一天就是量子的誕辰。量子的幽靈從普朗克的方程中脫胎出來，開始在歐洲上空遊盪，有人戲稱，普朗克就像是童話里的那個漁夫，他親手把魔鬼從封印的瓶子里放了出來，自己卻反而被這個魔鬼嚇了個半死。 不確定性 一旦走入量子世界，就好像我們走入了荒誕不經的靈異世界，我們的常識在這個世界裡狗屁不通，而我們自己卻被「嚇尿了」，來，我們即將走入被顛覆的核心地帶。 這就是這本書的主題：「上帝擲骰子嗎？」這句話是什麼意思？ 這起源於著名的兩位科學家之間的對話：愛因斯坦：玻爾，親愛的上帝不擲骰子！玻爾：愛因斯坦，別去指揮上帝應該怎麼做！ 這句話的意思是，玻爾認為，電子在軌道間的躍遷似乎是不可預測的，是一個自發的隨機過程，至少從理論上說沒辦法算出一個電子具體的躍遷條件。愛因斯坦大搖其頭，認為任何物理過程都是確定和可預測的。 讓我還是以打比方的法子來描述他們爭論的問題吧，愛因斯坦說：1+1肯定等於2，波爾說：不對1+1有時候等於2、有時候等於3，至於什麼時候等於2、什麼時候等於3，要看上帝老人家的意思。 這是什麼概念？在量子世界裡，沒有了因果關係！沒有了邏輯推論！這很可能會顛覆科學的本身！ 愛因斯坦我們很熟悉，波爾我們很多人並不是很熟悉，從以上的對話，我們覺得是一個偉大的科學家和一個宗教瘋子對話，簡直不可理喻！然而這樣想就錯了，波爾也是名偉大的科學家，而後來若干的量子糾纏實驗證明了貝爾不等式不成立，波爾是對的、愛因斯坦是錯的。（這是科學界非常有名的事件，在我的《智能時代》也有提到） 書中說到：愛因斯坦的上帝已經死了。 這個實驗的結果遠遠不是證明一個偉人是錯誤的這麼簡單，它給出了所有物理學家一個不爭的事實和一個艱難的選擇： 1、要麼否定我們的宇宙世界是定域的，也就是推翻愛因斯坦狹義相對論中堅定提到的：宇宙中沒有任何東西可以超過光速。可能很多人覺得那有什麼關係？超過就超過唄，越快越好呀！……天真！超過光速意味著我們可以逆轉時空！扭曲時間、我們可以同時出現在兩個地方、甚至改變人類存在的模式，將會出現一系列可怕的問題。 2、要麼否定我們的宇宙世界實在的，也就是說，存在著一個獨立於我們觀察的外部世界，而我們的世界不是一個客觀存在的世界，有點虛幻的味道。 至今，所有的科學家都必須面臨這個二選一的難題，必須選！而我們吃瓜群眾也要試著相信上述命題至少有一個是真的。 書中道：「在概率解釋，不確定性原理和互補原理這三大核心原理中，前兩者摧毀了經典世界的（嚴格）因果性，互補原理和不確定性原理又合力搗毀了世界的（絕對）客觀性。新的量子圖景展現出一個前所未有的世界，它是如此奇特，難以想像，和人們的日常生活格格不入，甚至違背我們的理性本身。」 波函數坍縮 如果以上的內容我們覺得離譜，那好，真正毀三觀的東西來了！ 物理屆著名的「波粒戰爭」，你可以把他想像成一群物理學家分為兩派，就光這個東西是「波」還是「粒子」相互撕逼，從牛頓和胡克開始一直撕！這不無聊嗎？不，這不無聊，因為如果我們解釋不了光到底是個什麼玩意兒，我們對世界認知的房頂就始終不能封頂，這是原則性的問題，就像一群人爭論某個重要人物是男還是女，這是小事兒嗎？最後還是愛因斯坦出手，證明了光的波粒二象性，即光又是一種波又是一種粒子，憑藉這個研究獲得了諾貝爾物理學獎。 好，那光是波粒二象性，那電子（即很小的粒子）呢？這就涉及到著名的電子雙縫干涉實驗了，這個被排名史上最讓人頭皮發麻的物理實驗竟然揭示了一個匪夷所思的客觀情況——人們不觀察電子穿縫這個過程的時候，電子成波狀投射，而人們通過儀器觀察電子穿縫的時候，電子突然「學乖」了，成粒子狀投射！ 這是什麼意思！？電子像一個小孩子般，你不看著他的時候他就調皮，而你看著他的時候他竟然突然就變乖了！？這幾乎可以推導出，我們不看月亮的時候它是散亂的，而我們看月亮的時候它才成為月亮！ 書中道：「事實似乎是這樣的，當我們閉上眼睛不去看這個電子，它就不是一個實實在在的電子。它像一個幽靈一般按照波函數向四周散發開去，虛無縹緲，沒有實體，而以概率波的形態飄浮在空間中。隨著時間的演化，這種概率波嚴格地按照薛定諤波動方程的指使，聽話而確定地按照經典方式發展。這個時候，與其說它是一個電子，不如說它是一個鬼魂，一團混沌，一幅浸潤開來的水彩畫，一朵概率雲，愛麗絲夢境中那難以捉摸的柴郡貓的笑容。不管你怎麼形容都好，反正它不是一個實體，它以概率的方式擴散開來，這種概率似波動一般起伏，可以干涉和疊加，為ψ所精確描述。但是，當你一睜開眼睛，奇妙的事情發生了！所有的幻影，所有的幽靈都消失了。電子那散發開去的波函數在瞬間坍縮，它重新變成了一個實實在在的粒子，隨機地出現在某處。除了這個地方之外，一切的概率波，一切的可能性都消失了。化為一縷清風的妖怪重新凝聚成為一個白骨精，被牢牢地摁死在一個地方。電子回到了現實世界裡來，又成了大家所熟悉的經典粒子。」 這種現象用物理術語叫做「波函數坍縮」，即我們觀察的時候世界是一個樣子，不觀察的時候又是一個樣子，這不是科幻電影、不是神怪故事、電子也不是聰明頑皮的小孩子，這是鐵錚錚的物理實驗事實！此時，我們還能挺直腰桿說，我們的世界萬物我們很清楚嗎？現在不是清不清楚、了解多少的問題了，現在的問題在於我們的認知世界和邏輯世界被顛覆的問題了，我們對世界的認知不是不夠、而是徹底是錯誤的！ 王陽明在《傳習錄?下》中也說過一句有名的話：「你未看此花時，此花與汝同歸於寂；你來看此花時，則此花顏色一時明白起來……」如果王陽明懂量子論，他多半會說：「你未觀測此花時，此花並未實在地存在，按波函數而歸於寂；你來觀測此花時，則此花波函數發生坍縮，它的顏色一時變成明白的實在……」測量即是理，測量外無理。 繼續推導，更加奇妙…… 著名的薛定諤的貓實驗假設：一隻貓被封在一個密室里，密室里有食物有毒藥。毒藥瓶上有一個鎚子，鎚子由一個電子開關控制，電子開關由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出阿爾法粒子，觸動電子開關，鎚子落下，砸碎毒藥瓶，釋放出裡面的氰化物氣體，貓必死無疑。如果我們不揭開密室的蓋子，根據我們在日常生活中的經驗，可以認定，貓或者死，或者活。這是它的兩種本徵態。但是，如果我們用薛定諤方程來描述薛定諤貓，則只能說，它處於一種活與不活的疊加態。我們只有在揭開蓋子的一瞬間，才能確切地知道貓是死是活。此時，貓的波函數由疊加態立即收縮到某一個本徵態。量子理論認為：如果沒有揭開蓋子，進行觀察，我們永遠也不知道貓是死是活，它將永遠處於半死不活的疊加態。量子力學告訴我們，存在一個中間態，貓既不死也不活，直到進行觀察看看發生了什麼。問題是，當我們沒有打開箱子之前，這隻貓處在什麼狀態？似乎唯一的可能就是，它和我們的原子一樣處在疊加態，這隻貓當時陷於一種死/活的混合。
朱江
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