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《量子物理史话》读书笔记

已有 7915 次阅读 2011-6-19 10:26 |个人分类:读书笔记|系统分类:科普集锦|关键词:学者| 相对论, 读书笔记, 实用主义, 罗素悖论

有些书你读完了会后悔读过,不是因为写的不好,而是因为书中的某些内容影响了你,让你觉得有些……有些无所适从。这类书如果是哲学类的倒没什么关系,但如果是物理学的就杯具了,因为它会告诉你这个世界不是你想的那样的。当然,其实这一过程应该在大学物理的教学过程中进行,但不知是教材的编写者无意遗漏还是有意避开一些形而上的讨论。自劳丹以来实用主义的复兴似乎也为这种教学方式提供了科学哲学的依据,但人就是这样,明知过多的思考是没有意义的,但如果不思考谁又来赋予思考的意义呢?从罗素悖论我们可以看出如果我们不断去探求更高层次的知识是找不到一个头的,而且就像是解九连环,无限出现的嵌套会直接从结构上把人拖垮,但我想这还不足以构成停止探索的脚步,因为智慧的潜能是无法估量的。这本书的作者将量子物理学(其实严格说20世纪颠覆物理学的不是相对论,因为相对论统一的是经典电磁学与牛顿力学,而量子物理学则是从根本上颠覆了经典决定论体系)这一传奇学科的曲折发展与理论要点展示给了读者。实话说,仅从科普角度是很出色的,但如作者言这里面的一些抽象可能并不严谨,所以我的笔记也不能说把握了多少核心什么的,但结合之前的一些阅读与课程学习我想尽量将教材中缺失的那一部分通过这本书的一些论点来讨论,算是对这部分知识的小结。

不再经典的物理学

千乱万乱,物理学不再经典的根源是著名的两朵乌云中号称紫外灾难的那一朵,而这一问题的解决者是普朗克,而普朗克解决的方式现在看来有点搞笑:先用数学方法统一了两个辐射方程,然后又花了大量的精力赋予它物理意义,而这个物理意义直观地说就是物质是量子化的。这只是一个开端,而玻尔则在卢瑟福模型与麦克斯韦的电磁理论中选择了前者,这一选择建立起的行星化原子轨道结构也很好的解释了很多问题,但正如后来看到的,一个介于经典与现代的过渡理论总归是要杯具的。德布罗意波的提出更是将物质的本性问题引入到更高的层次,这时玻色的统计理论更加完整了物质的全同粒子性,但波动性在麦克斯韦理论体系中依然牢不可破。但历史走到了1925年,经典理论的悲剧正式上演了,这一年,海森堡、玻尔与约尔当提出了矩阵力学,在这个新理论体系中,之前所有矛盾的问题都得到了解决,但有一个问题的物理意义还没有找到,那就是在矩阵力学中交换律是不满足的,当然当这个问题解决时,真正的问题就出现了。不久之后,薛定谔又提出了量子力学的第二种表述——波动力学,严格说,这种理论与矩阵力学及后来费曼提出的路径积分在本质上都是一致的,但由于表达方式不同,在相当长的一段时间内出现过类似对立的状态,而对立的双方幕后主导则是爱因斯坦与玻尔。其实,到这里似乎应该再说一下有点被神化的爱因斯坦了。事实上,爱因斯坦在奇迹年的工作毋庸置疑是很重要的,但经典的思维似乎带着一种贵族的荣耀迷惑着爱因斯坦导致其一直对量子化的思想带有一些不屑,如果让我来形象化这种贵族的荣耀那就是拉普拉斯妖,而后期我们也会看到在决定论的大旗下总是不缺战将的。但在薛定谔的波函数的物理意义却是对经典理论的一次践踏,因为波函数代表了概率。换言之,在微观粒子水平,不论我们将初始条件与运动方式定得多精确,其运动的结果在物理上却是无法定域的。其实这还不是最杯具的,刚才说到的不符合交换律的矩阵力学的物理意义也被海森堡找到了——测不准原理。这下有意思了,刚才还说精确的初始条件现在连精确的初始条件都不可能找到了,但这却是以粒子性为基础建立起来的,战局又回到了物质本性上:究竟物质的本性是波还是粒子?这次玻尔再次出手,终于将量子力学的哥本哈根解释完整起来——物质具有波粒二象性。怎么理解一个东西既是波又是粒子呢?这里可能要请“客观实在”这个概念出来溜达溜达了。有了这个东西,我们可以说波跟粒子不是本质而是属性,但这一思想实际还是经典理论中的,在量子力学中,“客观实在”就像“以太”一样,是多余的,因为性质是由我们的观测来决定的。好了,总结下就是在量子论里,决定论被概率波搞垮了,客观性被波粒二象性搞垮了,而测不准原理则在搞上面两样上都起到了作用。现在回想一下,物理学真正乱了应该就是在这个时候吧。

猫的隐喻

值得说明的是,在我们能接触到的宏观世界里,感谢那些可爱的物理常数,量子论的实际影响基本可以忽略。但物理学家对这种答案是不满意的,所以在著名的玻尔-爱因斯坦之争中就出现许多光怪陆离的思想实验,而这些思想实验正是被多数人忽略的思想宝藏。在玻尔与爱因斯坦的多次交锋中有几次可以说是有实际意义的,第一个要数EPR佯谬。EPR佯谬是指如果测不准原理是成立的,那么一个由母粒子分裂的两个粒子为了保证守恒必须要在分裂很远后测定其中一个时另一个状态就被定下来了,但这里面有一个悲剧,这种信息的传递是超距的,也就是可能超过光速。但玻尔的解释简单异常:由于测不准原理是在一个波函数中起作用的,那么其实是没有所谓的两个粒子的自旋状态的,不是没有定域性而是没有实在性。呵呵,这其实更说明了一个问题:经典实在观与量子实在观是根本对立的。然而,虽然这个后来奠定了量子通信的基础,但起码当时还不能实际验证,但薛定谔的猫的出现(爱因斯坦的月亮悖论也很有名)就将微观世界与宏观世界联系起来了。在薛定谔的猫的思想实验中,一个由粒子的衰变导致毒气泄漏的装置与一只活猫封到一个箱子里,这样当我们不看这个箱子时,猫到底是死是活?按量子论的解释,猫应该是处于死活叠加量子态中;但实际看来,其是死是活应该是确定的,打开箱子看一下就可以。但这个过程的解释对于物理学家而言是比较尴尬的,于是引入了一个叫做波包塌缩的过程,但这一过程的引发却是观察过程。这就奇怪了,一个物理事实怎么会是由参与者来决定的呢?这也太唯心了吧,但现实情况是似乎塌缩这个过程就这这么来的。到了冯·诺依曼这个过程更有意思了,因为用于测定目标的仪器本身也是由不确定的粒子组成的,事实上的观察过程的最终塌缩是由意识的参与来完成的,因为所谓的定态是意识决定的。其实这还不是杯具所在,维格纳引入的“维格纳的朋友”才是真正捣乱的,在这个思想实验里,薛定谔的猫所在的箱子里蹲了一个戴防毒面具的熟人,这样在箱子里存在着观察意识,那箱子外的我们能否再说这是一个死活叠加态呢?其实这时有一个更尴尬的问题出现了:意识是个什么东西?为什么它就那么特殊可以使波包塌缩?一种看法是意识是一种序的体现,但序又是什么?在猴子打字机思想实验中由猴子打出的莎士比亚十四行诗是不是序的体现?序来自于无序吗?通过了图灵测试的计算机是不是可以说有意识?序中的信息的物理意义在哪里?额,就此追问下去委实是一件头痛的事,但一个留有头痛的时代也不啻为一个好时代。有意思的是,惠勒的延迟实验又是在哥本哈根解释上另一个让人头痛的思想实验,通俗的说法可以用惠勒的龙来形容:龙的头和尾巴(输入输出)都是确定与清晰的,但其身体确实一团迷雾,无人说得清。其一个推论就是:宇宙的历史,可以在其发生后才被决定究竟是怎样发生的!再通俗一点就是宇宙的历史是由能观察的高等生物观察而确定的,没错,强人择原理。但另一个推论就又让人尴尬了:难道只有我们有能力去观察才确定而当我们没观察时或还没能力观察时,宇宙是一团迷雾吗?量子论会说yes,而我们的经典体系则很难理解。好了,这个问题就让哥本哈根的信徒考虑吧,爱因斯坦的阵营又会杀出什么样的战将呢?

平行宇宙

由于不满那个诡异的塌缩过程与随机选择,艾弗莱特搞出了一个更大胆的假设:当电子通过双缝时,世界随之出现了两个。换句话讲,世界还是决定论的,只不过你感觉不到另一个而已。这一观点不论是否是误解,起码创造了很多优秀的影视作品。但按书中描述,事实上所谓的多世界是出现在一个宇宙中的,每个世界只是在希尔伯特空间中表述的宇宙的一个低维投影而已。但在解释电子的干涉现象时,正交化的希尔伯特空间就显得不给力了,但退相干理论就很好的解释了这个问题。简单说就是粒子的低维性会产生较明显的相干,而宏观粒子由于具有较高的粒子数与维度其正交化更易形成,也就是出现平行世界。这一理论中不涉及那个让人尴尬的波包塌缩,但却引入了多个世界,但总体说其影响力正在逐渐扩大。但如同辩论一样,任何理论只看到其成功的地方是不合适的,对于MWI(也就是量子论的多世界解释)而言也是有一些值得推敲的推论的,例如量子自杀。量子自杀是指在那个活死猫的比喻中由于出现了多世界,所以必然会有一活一死两种对应,换句话讲,在多世界解释中总有一只猫是死不了的,那么一旦一个“意识”开始存在,从其自身角度来说,它必定永生。这个推论还有个名字——最终人择原理,只是这个推论难以证伪。不过如果量子计算机能广泛应用也许会给MWI提供支持(因为量子计算机强大的计算能力可能来自于其将运算过程放在了多个宇宙中进行),但如同前面所言,这只是一种解释,或者说,是一种我们可以接受的解释。

隐变量潜行

其实在对量子力学的解释上并不都是类似意识或多世界这种让人头痛的概念,隐变量解释就比较经典。在隐变量解释中,薛定谔方程中的不确定性可以被描述为一种缺失的隐变量——量子势的作用。但量子势的一大特点就是存在却看不到,那在唯名论来看跟不存在没什么区别。但(每当出现这个字都说明作者在耍流氓)贝尔先生显然不这么认为,他为隐变量理论的验证提出了一个不等式——贝尔不等式。这个不等式以隐变量存在为前提导出的,其作用是检验量子纠缠是否存在,那么似乎剩下的就是实验物理学家的事了。本来由贝尔理论设计的1982年阿斯派克特的实验是来证伪量子论的,但正如现在我们所感知的,它不过是众多证实量子效应实验中的一个而名气不大。很遗憾,后期越来越多的实验在很大程度上告诉我们:经典物理学是错误的,爱因斯坦那个不掷骰子的上帝是不存在的。

系综论的救赎

也许这是决定论者面对量子论最后的底线了,系综论的提出是基于如下假设的:量子论描述只能针对系统全集而不是个体。也就是说,量子论是统计性的而讨论电子是什么什么的都是没意义的。这是一种实用主义的说法,跟什么也没说没什么区别。其假设本身就阻止了进一步的探索,但似乎也没什么好责备的,因为不是每一个人都喜欢钻牛角尖。

新的希望

当人们从系综论大约缓了一会后,新的理论又出现了。以GRW与退相干理论为代表,新的理论试图通过新的角度来赶走或客观化令人讨厌的波包塌缩,然而面对种种选择我想以没有必要做过多的解释了。不妨就把方程作为定理来用吧!但问题又出现了,量子论能不能与宏观相结合?这个问题现在也有了很多的解释但还缺少一些实验证明,其基本的概况大致如下:为了解决多粒子系统,量子场论被建立起来,但当量子场论遇到了广义相对论,似乎玻尔与爱因斯坦再一次站到了辩论席上。在这里,如何统一场论成了物理学上的大问题,万能理论(theory of everything,TOE)成了很多人追逐的目标,在解决关键的量子引力上,又一个令人眩晕的理论登场了——超弦。在这个10维的世界(后来在M理论中变为11维)中,我们似乎找到了一些TOE的线索但又不那么明朗。好了,就此停下吧,量子化的世界实在是让人晕头转向了,但也许稍事休息我们又会踏上征途……

未来

这本书对我而言最大的价值就是彻底的破坏掉了经典物理在我心中的形象,但如果本来如此,我又能说什么呢?此外,那些在系综论看来毫无意义的问题无疑也是很有价值的,只是我可能对序更感兴趣些。虽然在微观尺度上发生了些让人头痛的事,但我总感觉序这一接近意识的东西有些更光怪陆离的现象,对其本质的探索可能对宏观世界意义更大。群论、混沌以及湍流什么的可能隐藏了上帝之骰中一些关键的信息,但这些都是猜测,或许不久我们就能看到答案也说不定。

最后值此父亲节之际向我的父亲献上深深的祝福:happiness of everything!



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