上帝不會(huì)擲骰子 ——愛(ài)因斯坦

微觀的世界具有隨機(jī)性

對(duì)于量子力學(xué)的最初印象，相信很多人是由于愛(ài)因斯坦的這句話。作為20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家，愛(ài)因斯坦對(duì)于量子世界的不確定性是極度抵制的，因?yàn)檫@與他內(nèi)心深處的宇宙決定論思想格格不入。然而，量子力學(xué)的發(fā)展軌跡，并沒(méi)有因?yàn)閻?ài)因斯坦的反對(duì)而改變方向，而是在不確定性的道路上徑直的走了下去......

作為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱之一，量子力學(xué)對(duì)現(xiàn)代科學(xué)、生活的影響是方方面面的。恒星為什么會(huì)發(fā)光、鐵以下的元素為什么更穩(wěn)定、化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是什么等問(wèn)題都可以由量子力學(xué)的理論來(lái)解答；現(xiàn)在困擾我們的芯片問(wèn)題、我們每天都在用的互聯(lián)網(wǎng)以及未來(lái)有可能普及的量子計(jì)算機(jī)等無(wú)一不是應(yīng)用了量子力學(xué)的理論。在某種程度上，量子力學(xué)代表了科學(xué)的最大進(jìn)展，較之相對(duì)論有著更大的現(xiàn)實(shí)意義。

量子的世界是如此的神奇，以至于連敢于蔑視一切科學(xué)常見(jiàn)的愛(ài)因斯坦都難以接受。量子力學(xué)告訴我們：微觀世界沒(méi)有什么是真實(shí)的，在我們觀察它之前我們什么都不能說(shuō)，甚至我們都不能知道它是否真的存在于某個(gè)地方。宏觀世界的物理規(guī)律在微觀世界不再成立，取而代之的是事件發(fā)生的概率，例如放射性物質(zhì)的衰變輻射。

由于原子衰變的隨機(jī)性，貓?zhí)幱谒琅c活的疊加態(tài)中

一、上帝的骰子：不確定性原理——微觀世界確定性的坍塌

一、不確定性原理是什么

在今天，海森堡的不確定性原理已經(jīng)成為了量子力學(xué)的核心本質(zhì)。它表明了在微觀世界，粒子的任意一對(duì)共軛變量（比如：位置與動(dòng)量、時(shí)間與能量等）無(wú)法被同時(shí)精確測(cè)量，或者更準(zhǔn)確的說(shuō)二者無(wú)法同時(shí)擁有精確的數(shù)值。它們之間的不確定性，遵循不等式△x△p≥h/4π。當(dāng)其中一項(xiàng)趨向于無(wú)窮小時(shí)或者說(shuō)當(dāng)其中一項(xiàng)的精確度無(wú)限增大時(shí)，與其共軛的另外一項(xiàng)的精確度就會(huì)趨向于無(wú)窮小，也就是說(shuō)它可能是任一數(shù)值而完全沒(méi)有了意義。

在開(kāi)始的一段時(shí)間里，由于人們發(fā)現(xiàn)從量子力學(xué)的基本方程出發(fā)可以推導(dǎo)出不確定性關(guān)系，但從不確定性關(guān)系出發(fā)，卻推導(dǎo)不出量子力學(xué)的基本方程式。這很容易讓人們產(chǎn)生這樣的想法：不確定性關(guān)系不是微觀世界的一個(gè)基本原理，而完全是由于實(shí)驗(yàn)條件的限制所導(dǎo)致的。由于是測(cè)量工具對(duì)微觀物理現(xiàn)象的擾動(dòng)導(dǎo)致的，因此海森堡的不確定性關(guān)系就被稱之為測(cè)不準(zhǔn)原理。因?yàn)槔?，我們?cè)谟脙x器觀察一個(gè)微觀粒子時(shí)，會(huì)不可避免的對(duì)其造成擾動(dòng)，從而以不可知的方式影響到粒子的運(yùn)動(dòng)。然而，我們現(xiàn)在已經(jīng)知道這一切與人類的測(cè)量無(wú)關(guān)，它是量子的內(nèi)在稟性。

二、神奇的量子隧穿效應(yīng)——時(shí)間與能量之間的不確定性

海森堡的不確定性原理，深刻的影響了整個(gè)科學(xué)界。之前人們所習(xí)以為常的觀念，在量子世界都被打破了，一切都沒(méi)有了確定性。例如，當(dāng)一個(gè)粒子有著更加精確的位置時(shí)，它的動(dòng)量就變得有極大的不確定性，反之亦然。在量子世界中神奇的量子隧穿效應(yīng)，就是由于時(shí)間與能量之間的不確定性導(dǎo)致的。

在現(xiàn)實(shí)世界中，我們要想過(guò)去必須越過(guò)這座山

在現(xiàn)實(shí)世界中，我們要想越過(guò)這座山，必須要消耗足夠的能量。但在量子的世界，盡管位勢(shì)壘的高度大于粒子的總能量，由于時(shí)間與能量這對(duì)共軛變量的內(nèi)在不確定性，在某一個(gè)極短的時(shí)間段內(nèi)或者說(shuō)時(shí)間的不確定性很小的情況下，基于公式△x△p≥h/4π，能量的大小在此時(shí)間段內(nèi)將會(huì)有很大的不確定性，從而也有可能穿越。這種情況，在宏觀的世界是不可想象的。

三、未來(lái)的不確定性

測(cè)不準(zhǔn)原理的另一個(gè)重要含義，是它在未來(lái)時(shí)間上的不確定性。在經(jīng)典的物理理論中，如果我們知道了某一時(shí)刻天體的位置和動(dòng)量，我們可以根據(jù)公式推導(dǎo)出這一天體在這之前和在這之后的任一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。但在量子世界由于不確定性關(guān)系，我們無(wú)法同時(shí)知道粒子的位置和動(dòng)量，從而也就無(wú)法對(duì)粒子的未來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)。但是，我們可以用量子力學(xué)的規(guī)律，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法去推算過(guò)去，精確地推算出電子在過(guò)去某一時(shí)刻的位置和動(dòng)量。

基于不確定性原理，量子在時(shí)間的正方向和負(fù)方向上有著極為不同的含義。過(guò)去是確定的，我們能精確度知道我們從哪里來(lái)；但未來(lái)在本質(zhì)上是不確定的，我們無(wú)法準(zhǔn)確的知道未來(lái)將走向何方。用海森堡的話就是，“原則上我們只知道過(guò)去的一切細(xì)節(jié)”。就像我們的日常經(jīng)驗(yàn)?zāi)菢?，我們從確定的過(guò)去，走向不確定的未來(lái)。

二、波爾對(duì)不確定性關(guān)系的哥本哈根解釋

盡管海森堡推導(dǎo)出的不確定性原理，是量子世界的內(nèi)在本質(zhì)屬性，但他的理論僅僅只是一種描述性質(zhì)的。至于是由于什么原因?qū)е碌倪@一點(diǎn)，他本人也說(shuō)不清楚。但是當(dāng)哥本哈根的領(lǐng)袖人物波爾看到海森堡的不確定性原理時(shí)，他發(fā)現(xiàn)這與他之前一直思考的關(guān)于量子力學(xué)的哲學(xué)本質(zhì)問(wèn)題有關(guān)聯(lián)，并由此發(fā)展出了他的互補(bǔ)原理。

• 波爾的互補(bǔ)原理

波爾的互補(bǔ)原理，又被稱為并協(xié)原理，用其本人的原話就是，“一些經(jīng)典概念的應(yīng)用不可避免的排除另一些經(jīng)典概念的應(yīng)用，而這‘另一些經(jīng)典概念’在另一條件下又是描述現(xiàn)象不可或缺的；必須而且只需將所有這些既互斥又互補(bǔ)的概念匯集在一起，才能而且定能形成對(duì)現(xiàn)象的詳盡無(wú)遺的描述”。

量子是粒子屬性與波動(dòng)屬性的統(tǒng)一體

波爾認(rèn)為在量子世界，量子的粒子屬性和波動(dòng)屬性是相互排斥的。對(duì)量子的粒子屬性的確認(rèn)，就是對(duì)量子的波動(dòng)屬性的排斥，反之亦然，量子無(wú)法同時(shí)擁有兩個(gè)屬性。量子的波動(dòng)性滿足因果性規(guī)律，而量子的粒子性則滿足時(shí)空特征。就此，波爾認(rèn)為時(shí)空描述和因果描述之間同樣是相互排斥又相互統(tǒng)一。

據(jù)說(shuō)，波爾提出互補(bǔ)原理是因?yàn)槭艿搅酥袊?guó)的太極圖的影響，而且我們從波爾對(duì)于互補(bǔ)原理的描述來(lái)看似乎也是如此。用簡(jiǎn)單的話來(lái)描述，就是對(duì)于量子世界像粒子屬性與波動(dòng)屬性等相反的屬性之間是陰陽(yáng)對(duì)立的統(tǒng)一體。二者都只描述了世界的一部分真實(shí)性質(zhì)，只有把二者統(tǒng)一起來(lái)，才能準(zhǔn)確的把握量子本身。我們不能把一個(gè)量子說(shuō)成是單純的粒子也不能把其說(shuō)成單純的波，相反量子既是粒子同時(shí)也是波。

• 互補(bǔ)原理對(duì)海森堡不確定性原理的解釋

對(duì)于海森堡的不確定性關(guān)系，波爾指出盡管在經(jīng)典物理當(dāng)中，不管我們是否正在進(jìn)行觀察，由宏觀物質(zhì)所構(gòu)成的系統(tǒng)都不會(huì)受到影響。但在微觀世界，觀察者與微觀量子系統(tǒng)之間是相互作用的，而且這種相互作用強(qiáng)到了不能再認(rèn)為量子系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立存在的系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，我們要精確的測(cè)量量子的位置，我們就無(wú)法得到量子的精確動(dòng)量，反之亦然。相對(duì)于我們的觀察而言，量子的位置和它的動(dòng)量之間是互補(bǔ)的，或者說(shuō)觀察者本身也是實(shí)驗(yàn)的一部分。

三、愛(ài)丁頓對(duì)量子力學(xué)的思考

我們對(duì)于量子世界的認(rèn)識(shí)，都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論而猜想出來(lái)的。就像愛(ài)丁頓在其《物理學(xué)的哲學(xué)》一書(shū)中所說(shuō)的那樣，我們對(duì)于量子世界的認(rèn)知就如同以為藝術(shù)家在雕刻一塊大理石。假如他告訴你人頭的形狀就隱藏在這塊大理石中，你肯定會(huì)嗤之以鼻。然而，這位藝術(shù)家僅僅用了一把斧子和一個(gè)鑿子在大理石上進(jìn)行了一些加工，隱藏的人頭就出來(lái)了。而這也就是盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子核的方式，但事實(shí)上沒(méi)有人曾經(jīng)看到過(guò)原子核。我們所看到的只是一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，之后我們用核（人頭）的概念解釋了所觀察的現(xiàn)象。

總結(jié)

對(duì)于量子實(shí)驗(yàn)，我們所看到的只是我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，至于實(shí)驗(yàn)結(jié)果所對(duì)應(yīng)的量子內(nèi)涵究竟是什么，其實(shí)都是我們的猜測(cè)而已。就像一個(gè)電子一會(huì)處于能態(tài)A，一會(huì)又躍遷到能態(tài)B，我們并沒(méi)有看到這一切。所有的一切都只是我們的猜測(cè)，甚至原子內(nèi)部是否真的存在一個(gè)這樣的電子也是如此。

所以，我們對(duì)于海森堡的不確定性關(guān)系中的共軛的變量雙方的認(rèn)知，同樣只是基于我們的假設(shè)的基礎(chǔ)上的。我們只是用宏觀世界中我們所能看到，并被我們所用到的一些概念（比如動(dòng)量和位置等）來(lái)硬往量子的身上套。但事實(shí)上量子世界是什么樣子的，我們對(duì)其一無(wú)所知。我們所能唯一知道的僅僅是我們的數(shù)學(xué)公式確實(shí)能夠用于量子世界，而且符合的很好。但數(shù)學(xué)公式所代表的物理含義，是否如我們的宏觀世界一樣，這是不可知的。至于量子世界是否也如宏觀世界一樣有粒子性，這個(gè)“粒子”是否在微觀領(lǐng)域也同樣存在動(dòng)量與位置，就像愛(ài)丁頓所說(shuō)那只是我們的猜測(cè)而已?；诓聹y(cè)之上的“粒子”的動(dòng)量與位置之類的不確定性關(guān)系，本身就具有不確定性。所以，我們只需要去用這些公式就好了，至于這些燒腦的事情，就留給物理學(xué)家去思考吧。