導(dǎo)語：我們熱愛愛因斯坦，并非僅僅因?yàn)樗且粋€(gè)偉大的物理學(xué)家。

馮八飛/文

相對論如日中天，另一場物理學(xué)大風(fēng)暴卻已嘯聚天邊。一群年輕的物理學(xué)者云集丹麥哥本哈根，為首的玻爾比愛因斯坦小7歲，其他人更小，還有碩士生。這群嘴上沒毛的小子戲劇性地修正了人類歷史的軌道——他們創(chuàng)立了量子力學(xué)。

大家都聽說過量子論，但具體是什么呢？看官須知，量子論并非一種理論，而是與牛頓物理學(xué)完全不同的一種新的思想方法。很多人認(rèn)為量子力學(xué)出現(xiàn)于相對論之后，其實(shí)不確。1900年普朗克第一次提出量子論，那年愛因斯坦剛從ETH大學(xué)畢業(yè)，還在到處找飯碗。

量子論最基本的思想是：世上萬事萬物，包括運(yùn)動(dòng)，都不是連續(xù)的。

這個(gè)有啥子了不起？

了不起得很！

這句話翻轉(zhuǎn)了人類的世界。原因是，此前人類認(rèn)為物體的運(yùn)動(dòng)都是連續(xù)的。例如開汽車，時(shí)速總是從0公里到10公里到20公里……最后到100公里。哪怕目前世界上加速最快的汽車也是如此，只是間隔很短，沒有哪輛汽車能夠直接從0公里直接蹦到100公里的。同理，水的流動(dòng)也是連續(xù)的，誰見過一截兒一截兒流的水？此即“運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的”，意為運(yùn)動(dòng)可以無限細(xì)分，永不間斷。這是牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)。

可是，古希臘哲學(xué)家芝諾提出“阿喀琉斯悖論”，提前2000多年挑戰(zhàn)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性。阿喀琉斯是希臘神話中跑得最快的英雄，有天他遇到一只烏龜，該神龜居然說阿喀琉斯追不上它。阿喀琉斯仰天大笑，以為烏龜吃他的豆腐，說：“我就是慢跑，速度都是你的10倍，會追不上你？”烏龜說：“就算你的速度是我的10倍。那么假設(shè)你離我100米，現(xiàn)在你來追我，你跑到我這兒是100米，這時(shí)我已向前跑了10米了；等你又追了10米時(shí)，我又跑了1米了，等你再追1米，我又跑了10分之1米了……總之，雖然你的速度是我的10倍，但你只能無限接近我，卻永遠(yuǎn)都追不上我。”大家都知道烏龜?shù)倪@個(gè)話不對，卻怎么也駁不倒它，因?yàn)槲覀冋J(rèn)為世界上所有運(yùn)動(dòng)都是連續(xù)的，而連續(xù)的運(yùn)動(dòng)可以無限細(xì)分。

但是，到了原子以下的微觀世界，事情就有了變化，物質(zhì)的能量可以不再是連續(xù)的，而是一段兒一段兒的！

What?　Are　you　joking?　真不是笑話。這個(gè)結(jié)論的來源是物理學(xué)史著名的“紫外災(zāi)難”。

19世紀(jì)后半葉，牛頓物理學(xué)解釋地球上的物理現(xiàn)象獲得巨大成功，日臻完美。德國最偉大的物理學(xué)家普郞克上大學(xué)時(shí)想跟慕尼黑大學(xué)物理教授若利學(xué)習(xí)，若利卻勸他：“物理學(xué)已經(jīng)被研究透了，只剩一些無足輕重的空隙”。此乃當(dāng)時(shí)物理學(xué)界共識。

1900年4月27日，發(fā)現(xiàn)“開爾文溫標(biāo)”和絕對零度的英國著名物理學(xué)家開爾文在倫敦皇家研究所做報(bào)告展望20世紀(jì)物理學(xué)，他的話成為所有物理學(xué)史必須提及的著名論斷：“物理學(xué)大廈已經(jīng)落成，所剩的只是些修飾工作?！辈贿^，他在論斷的屁股后面跟了一句：“在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵小小的令人不安的烏云。”

這兩朵“小小的烏云”即牛頓物理學(xué)無法解釋的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：邁克爾森的以太實(shí)驗(yàn)和黑體輻射實(shí)驗(yàn)中的“紫外災(zāi)難”。開爾文的這個(gè)屁股很快被證明是物理學(xué)史上最豐碩的屁股，因?yàn)?，這兩朵“小小的烏云”迅速鋪滿整個(gè)物理學(xué)天空，最終讓牛頓物理學(xué)從云端跌落。以太實(shí)驗(yàn)咱們已經(jīng)說過，它被愛因斯坦相對論一劍封喉。而結(jié)束“紫外災(zāi)難”的，就是普郞克。

那么，什么是“紫外災(zāi)難”？看官須知，世界上千姿百態(tài)的一切其實(shí)并無顏色，一個(gè)物體是白色，是因?yàn)樗瓷淞怂蓄l率的光波；一個(gè)東西看上去是黑色，是因?yàn)樗环瓷淙魏晤l率的光波。物理實(shí)驗(yàn)中使用的標(biāo)準(zhǔn)“黑體”是個(gè)空心球，其內(nèi)壁涂了強(qiáng)烈吸收輻射的涂料，上面只開一個(gè)小孔，從小孔射進(jìn)去的光線既無法穿出小球，也不會反射出來，所以這個(gè)小孔看上去就是絕對的黑色。

那么，它為什么成為牛頓物理學(xué)天空中“一朵小小的烏云”呢？因?yàn)?，?dāng)時(shí)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果使用牛頓物理學(xué)公式，實(shí)驗(yàn)時(shí)小球內(nèi)的輻射強(qiáng)度會無限增大，而實(shí)驗(yàn)中輻射強(qiáng)度并未無限增大?？蔁o論大家如何努力，就是找不到原因。這些公式得出的荒謬結(jié)果都落在波長較短的紫外區(qū)，因此該問題被稱為“紫外災(zāi)難”。

1900年10月，開爾文斷言之后半年，普朗克發(fā)表論文說，要解決紫外災(zāi)難，只能假設(shè)物質(zhì)輻射/吸收能量并非連續(xù)過程，就是說，能量只能一小截兒一小截兒地輻射/吸收，就像買水果糖，最小也只能一塊兒一塊兒地賣，沒見過半塊兒或四分之一塊地賣的。普郞克把這個(gè)最小能量單位（這塊水果糖）稱為“量子”，其公式是：E=hv。

E是輻射光波的能量，v是輻射光波的頻率，而h描述量子的大小，通稱“普朗克常數(shù)”。普郞克常數(shù)是現(xiàn)代物理學(xué)中最重要的常數(shù)，它打破了牛頓物理學(xué)的神話“一切自然過程（例如運(yùn)動(dòng)）都是連續(xù)的”。普朗克，憑這個(gè)方程式成為德國最偉大的物理學(xué)家。

運(yùn)動(dòng)不是連續(xù)的，芝諾的“阿喀琉斯悖論”就解決了。因?yàn)?，所有物質(zhì)（包括時(shí)空）和運(yùn)動(dòng)都不是連續(xù)的，都不能無限細(xì)分。阿喀琉斯之所以能夠輕松地追上烏龜，正是因?yàn)榭臻g不可無限細(xì)分下去。

物質(zhì)的連續(xù)性，只是人類的一種美好想像。

二量子論是物理學(xué)史上最有故事的理論。首先，連普朗克本人都不相信這個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)。量子論出現(xiàn)后的14年里，它最堅(jiān)定的反對者是其發(fā)現(xiàn)者普朗克！他一直努力想用牛頓物理學(xué)來證明量子論是錯(cuò)誤的?？墒牵?年后，他得到了科學(xué)史上最偉大的同盟軍——愛因斯坦。

愛因斯坦說，光也是一段兒一段兒的。他把這些小段兒稱為光量子（光子），光電效應(yīng)因此得到圓滿解釋。后來，愛因斯坦又提出了“光的波粒二重性”，歐洲物理學(xué)家集體崩潰。因?yàn)椋ｎD物理學(xué)認(rèn)為世上萬事萬物，包括人和光線，要么是波，要么是粒子，不可能既是波，又是粒子。這實(shí)在太違反人類日常經(jīng)驗(yàn)了。燈光都是連續(xù)的，誰見過探照燈柱在夜空中是一截兒一截兒的？

不僅物理學(xué)界不相信，愛因斯坦1911年也差點(diǎn)放棄這個(gè)理論，不過，這時(shí)他也獲得了援軍——物理學(xué)家盧瑟福做出了第一個(gè)原子核模型，該模型看上去很像太陽系：原子內(nèi)部大部分是空的，中間是原子核，體積雖小，但質(zhì)量很大并帶正電荷；帶負(fù)電荷的電子則繞原子核運(yùn)動(dòng)。

這個(gè)天才模型出生后差點(diǎn)被經(jīng)典的麥克斯韋電磁理論淹死，因?yàn)?，按照麥克斯韋理論，當(dāng)電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)時(shí)，正負(fù)電荷相互吸引靠近，同時(shí)釋放能量，因此原子的能量會越來越小，最后電子會落到原子核上消失。所以，按照這個(gè)模型，所有原子存在不會超過1秒鐘。

這是什么意思？意思就是：所有原子一秒鐘之后都會消失，因此，人類世界根本不會存在，更甭說人了。這顯然無法自圓其說，因?yàn)槿孙@然是存在的。因此，盧瑟福理論剛出生即面臨夭折。

這時(shí)，他又獲得了物理學(xué)史上第二偉大的同盟軍——他的學(xué)生玻爾。玻爾1913年發(fā)現(xiàn)原子光譜線也是一段兒一段兒的，于是他提出，電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)時(shí)不是連續(xù)不斷的，而是像咱們上樓梯一樣是一個(gè)臺階一個(gè)臺階的，我們不可能一步踏在兩個(gè)樓梯之間。同樣，電子運(yùn)動(dòng)的軌跡也非連續(xù)。在能量最低的軌道上，電子等于是在平地上運(yùn)動(dòng)，獲得能量后它就向上攀登一個(gè)階梯，在新軌道上運(yùn)行，而這兩個(gè)軌道之間沒有聯(lián)結(jié)，就像樓梯一樣。如果能量耗盡，它就又跌落到平地上，此即量子力學(xué)的“電子躍遷”。正因?yàn)槿绱?，原子才不會在一秒鐘之后消失。這樣，才有世界和我們這些吃飽了沒事兒干寫文章玩兒的人。

玻爾這個(gè)理論招致強(qiáng)烈反彈，有的物理學(xué)家甚至宣布，如果量子論正確，他們將辭職，就此從物理江湖隱退?？蓪?shí)驗(yàn)觀測很快證實(shí)了玻爾的理論，后來，玻爾的學(xué)生海森堡提出“測不準(zhǔn)原理”，法國物理學(xué)家德布羅意提出“物質(zhì)波粒二重性”，大大推進(jìn)了量子論。

不過，量子論最后的工程師是奧地利的薛定諤，此人堪稱史上第一瘋狂物理學(xué)大師，他的“薛定諤方程”讓量子力學(xué)圓滿立于天地之間。但薛定諤在物理江湖名氣這么大，主要?dú)w功于那只著名的“薛定諤的貓”。所有見過這只貓的人都發(fā)了瘋，至少是短暫地發(fā)了瘋?！把Χㄖ@的貓”講的是：把一只貓放進(jìn)一個(gè)不透光盒子里，再放進(jìn)一個(gè)放射性原子核和一個(gè)毒氣玻璃瓶。放射性原子核衰變沒有固定周期，完全是概率性的，就是說衰變可能發(fā)生在下一秒，或一年之后，也或一萬年之后，只要我們沒看見它發(fā)生衰變，就永遠(yuǎn)不能確認(rèn)它是否已經(jīng)衰變?，F(xiàn)在假設(shè)盒子里的放射性原子核一小時(shí)之內(nèi)有50%的概率會衰變，衰變時(shí)它將發(fā)射一個(gè)粒子，而這個(gè)粒子會打碎毒氣瓶，毒氣溢出殺死貓。如果原子衰變了，毒氣瓶被打破，貓就死了。如果原子沒衰變，那么貓就仍然活著。

您還沒發(fā)瘋吧？這不奇怪，因?yàn)榱钊税l(fā)瘋的是故事的后半截。

問題在于，貓死了沒死，只有我們打開盒子看見它的那一剎那才能確認(rèn)。在人類世界中，在我們打開盒子之前，盒子里的貓只有兩種可能性：死了，或者沒死。但在量子力學(xué)中，根據(jù)薛定諤方程，這只可惡的薛定諤的貓?zhí)幱谝环N“活”與“不活”的疊加態(tài)。原子核既是已衰變的，又是未衰變的；毒氣瓶既被打破了，又還未被打破；貓既是死的，又是活的；它既不是活的，也不是死的。我們只有在揭開蓋子的那一剎那才能確認(rèn)薛定諤的貓到底是死是活。

于是，按照量子論，在盒子沒打開之前，薛定諤的貓?zhí)幱凇八?活疊加態(tài)”，就是說，這只可惡的貓已經(jīng)死了，但同時(shí)還活著！只有等我們打開盒子看它一眼時(shí)，這種疊加態(tài)才突然結(jié)束。薛定諤的貓使量子力學(xué)中的微觀不確定性變成宏觀世界的不確定性：貓要么死了，要么活著，兩者必居其一，不可能既死又活！怎么能既活著又死了呢？貓當(dāng)然不能既死又活，也不能又死又活，這顯然是個(gè)佯謬。問題是，在我們打開盒子看見薛定諤的貓之前，這個(gè)佯謬居然一直存在，并且無法推翻。

怎么樣？您瘋了有半分鐘了吧？不過您不用沮喪，因?yàn)槟皇堑谝粋€(gè)被薛定鍔的貓搞發(fā)瘋的。它已經(jīng)讓無數(shù)人發(fā)了瘋。

薛定諤的貓說明了量子論與相對論的關(guān)系：宏觀人類世界與微觀原子世界完全不是一回事兒，就像牛頓地球力學(xué)與愛因斯坦的宇宙相對論完全不是一回事兒。薛定諤的貓證明了世界的不確定性。

實(shí)際上，直到今天，大部分物理學(xué)家仍然認(rèn)為宇宙萬事萬物都可用物理方程來解釋。如果事實(shí)如此，那就意味著宇宙從誕生起就注定了結(jié)局，而從誕生到結(jié)局之間的所有現(xiàn)象都只是物質(zhì)的機(jī)械物理運(yùn)動(dòng)。也就是說，宇宙與每個(gè)人的命運(yùn)早已注定，無論我們?nèi)绾闻Χ紵o法更改。反過來說，如果我們掌握了足夠的計(jì)算能力，我們就可以預(yù)測未來，因?yàn)槲磥硪呀?jīng)注定，只是我們計(jì)算能力不夠，無法解開這個(gè)方程式而已。在哲學(xué)上，這就叫機(jī)械主義宿命論。

量子論給了宿命論重重一擊：它宣布宇宙之中一切皆有可能，未來的發(fā)展有千百種，每種出現(xiàn)的概率大小不一，但并沒有必然會出現(xiàn)的事件。過去與未來一樣，都是可以改變的。

也就是說，歷史，或者說宇宙其實(shí)不見得只有一個(gè)。也也就是說，上帝不認(rèn)可牛頓物理學(xué)的確定性。上帝是玩骰子的。他玩的是心跳。夠不夠震撼？

列位看官，這就是量子論那攝人心魄而又令人瘋狂的偉大歷程。

三有趣的是，量子論出現(xiàn)后的前14年，整個(gè)物理界只有愛因斯坦一個(gè)人相信它，連其發(fā)現(xiàn)者普朗克都堅(jiān)決反對?？?4年之后，幾乎所有物理學(xué)家都宣布承認(rèn)量子論，愛因斯坦卻轉(zhuǎn)而反對，從此成為最堅(jiān)定的量子論反對派。

發(fā)現(xiàn)量子論后，玻爾遇到的阻力比愛因斯坦提出相對論時(shí)還大，于是他決定向愛因斯坦求助。愛因斯坦目光非凡，熱心扶植后輩，而且說到底，光量子假說也是他提出來的，他本來就是量子力學(xué)的奠基者之一。

1920年，玻爾親赴柏林拜訪愛因斯坦，渴望得到科學(xué)新教皇的肯定。他萬萬沒想到，最應(yīng)該肯定他們的愛因斯坦，卻一口否決量子論：愛因斯坦完全無法接受玻爾用概率來解釋世界。他當(dāng)天把嘴上沒毛的玻爾訓(xùn)了一頓后說了一句物理學(xué)史名言：“記住，仁愛的上帝絕不會擲骰子！”

年輕氣盛的玻爾不顧禮貌針鋒相對地反駁說：“上帝不僅擲骰子，而且會把骰子擲到我們看不見的地方！”這句話成為物理學(xué)史的名名言。

玻爾對愛因斯坦的威脅很大，因?yàn)?，他可是個(gè)真正的天才！從此，他倆成為物理學(xué)死敵，兩人在學(xué)術(shù)會議上只要碰面就拔刀相見，張飛殺岳飛，殺得滿天飛。每一次他們都跟張飛殺岳飛一樣戰(zhàn)成平手——他們確實(shí)不屬于同一個(gè)時(shí)代，最后誰也沒說服誰。直到1942年愛因斯坦還致信朋友：“想偷看上帝要出什么牌確實(shí)很困難，但我一秒鐘也不會相信上帝會選擇跟這個(gè)世界玩骰子?！?/p>

想知道玻爾聽見這句話之后的回答嗎？他針鋒相對：“嗨，請不要再教上帝該做什么！”

從此，跟上帝打麻將就成為物理學(xué)史經(jīng)典橋段。百年后霍金比玻爾更進(jìn)一步，他說：上帝不僅擲骰子，而且他總是把骰子擲到我們看不見的地方！”

霍金是對的，上帝確實(shí)把骰子擲到了我們看不見的地方。他跟我們開了一個(gè)大玩笑。愛因斯坦是個(gè)絕對蔑視權(quán)威的人，1905年，還是物理青年的他居然在業(yè)余時(shí)間寫5篇論文來否定牛頓，可到了1930他不得不自嘲：“作為對我蔑視權(quán)威的懲罰，命運(yùn)把我自己變成了權(quán)威?！?/p>

愛因斯坦對量子論的否定持續(xù)到他生命的盡頭，從未改變。但是，愛因斯坦并未變成牛頓那樣的物理學(xué)暴君和獨(dú)裁者。愛因斯坦后來還專門請玻爾去普林斯頓做過演講。而理應(yīng)仇恨愛因斯坦的玻爾后來說：“愛因斯坦的成果使人類地平線無限展開，而同時(shí)我們對宇宙的想像畫獲得了夢寐以求的完美與和諧”。

1922年11月，諾貝爾委員會將1921年空缺的物理獎(jiǎng)補(bǔ)授愛因斯坦，同時(shí)把1922年物理獎(jiǎng)授予玻爾。1922年11月11日，玻爾致信正在亞洲旅行的愛因斯坦：“關(guān)于授予諾貝爾獎(jiǎng)金一事，我很高興地致以最衷心的祝賀。這種外界推崇對您可能毫無意義，不過這筆錢或許有助于改善您的工作條件……倘若我竟被提名與您同時(shí)獲獎(jiǎng)，這可稱我從外界所能得到的最大榮譽(yù)和愉快。我知道我根本配不上跟您同時(shí)獲獎(jiǎng)，但我想說——且不論您在人類思想方面付出的崇高努力——，僅僅您在我從事的專業(yè)領(lǐng)域里所奠定的基礎(chǔ)就足以與盧瑟福和普朗克并肩。其實(shí)在考慮給我這個(gè)榮譽(yù)之前，應(yīng)當(dāng)首先考慮您的貢獻(xiàn)。在下實(shí)乃三生有幸?！?/p>

1923年1月11日愛因斯坦回信說：“我在日本啟程前不久收到您熱誠的來信。毫不夸張地說，它像諾貝爾獎(jiǎng)一樣讓我快樂。您覺得您在我之前獲獎(jiǎng)甚為不妥，您的憂慮讓我倍覺可愛——它彰顯了玻爾本色?！?/p>

此生得一友如愛因斯坦者，此生得一敵如玻爾者，足矣！

他們才是偉大的人。

我們熱愛愛因斯坦，并非僅僅因?yàn)樗且粋€(gè)偉大的物理學(xué)家。