《上帝掷骰子吗——量子物理史话》这本书太精彩了！

   这是一个什么样的世界？政治家、艺术家、商人、媒体、微信......时刻都在影响我们的判断、修订我们的答案。这本书用浅显易懂的科学语言向我们讲述了完全不同的世界，如今这类声音是很难得听到的，可绝对是美妙的，也是有力的，只要我们仔细的认真聆听，必定震撼我们的心灵：啊？这世界难道是这样的？

这是一本科学史书，讲述了量子物理学发展的故事。可千万别以为这是一本枯燥乏味、晦涩难懂的教材，作者承诺，只要读者具备初中数学和高中物理知识，阅读本书就没有任何障碍。他凭借深厚的科学素质和文学修养，把本书写的如同武侠小说一般。学术之争变成武林门派之争，众多科学巨星如同一个个绝世武林高手，经过一次次比拼切磋，他们共同缔造了量子物理这部武林秘籍，攀上了人类文明的顶峰。这秘籍本身虽然博大精深奥妙无穷，但通过作者深入浅出的介绍，完全可以让我们不知其所以然却知其然，足够拓宽我们认知世界的角度，改变我们的思维方式。

“上帝是数学家，唯一能够描述宇宙的语言是数学”，数学、物理、哲学是不可分割的，先从物理和数学开始：

01.黄金时代。从电磁波的故事开始，说光是电磁波的一种，引出了长达数个世纪之久的战争——波粒之争。这世间的一切究竟是波还是粒子？牛顿说是粒子，麦克斯韦说是波，可无论如何，经典力学、经典电动力学、经典热力学形成了物理世界的三大支柱。在那个经典物理的时代，人们相信，上帝造物的奥秘已经被完全掌握了，一切物理现象都可以从现成的理论里得到解释，一切的一切，都在人们的控制之中。那是一段伟大而光荣的日子，理论与常识完美契合，只是有一些实验细节和新的发现还无法解释，犹如一片晴空下的一丝乌云。

02.乌云。在经典物理学阳光灿烂的天空中漂浮着两朵小乌云。第一朵乌云是光以太的难题，对应迈克尔逊-莫雷实验，该实验失败的证明了以太的存在；第二朵乌云是麦克斯韦-波尔兹曼能量均分学说的难题，对应黑体辐射实验和理论的不一致。而最终，第一朵乌云导致了相对论革命的爆发，第二朵乌云导致了量子论革命的爆发。这第二朵乌云是说在黑体问题上，如果从粒子角度出发，能得到适用于短波的理论公式，如果从电磁波角度出发，能得到适用于长波的理论公式。可一个现象怎么能有两套理论呢？后来普朗克解决了这个难题，他花了6年时间试图从物理学角度去解决却徒劳无功，然后他换了个思路从数学角度拼凑出了一个既适用短波又适用长波的普适公式，被实验证明是正确的，但却无法从理论上找到解释。终于，普朗克推断：能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。1900年12月14日，普朗克为这个世界带来了量子！还有一个简单优美又力量无穷的公式：E=hv（E是单个量子的能量，v是频率，h就是神秘的量子常数）。感谢上天，在一百多年后的今天，我们周围的一切几乎都拜这个量子所赐！

（小贴士：关于连续性的芝诺悖论，阿克琉斯追龟辩。对于这个让当年哲学家头疼的问题，量子论告诉我们，“无限分割”的概念是一种数学上的理想，而不可能在现实中实现，时间空间一切都是不连续的。）

1900年12月14日，普朗克42岁，爱因斯坦21岁，波尔15岁，薛定谔13岁，德布罗意8岁，泡利和海森堡不满1岁，狄拉克还没有出生。这是多么荣耀的光辉岁月，这是多么闪亮的人类明星。

03.火流星。由光电效应（光的频率决定了能否从金属表面打出电子，光的强度决定了打出电子的数目）引出了爱因斯坦1905年3月18日（同年6月30日提出狭义相对论，9月27日提出质能方程E=mc2，这是多么奇幻的一年啊）的光子理论：光以量子的形式吸收能量，没有连续性，不能累积。还记得第一章里光是电磁波的论述吗？波粒大战干戈再起，第一次战争牛顿的粒子赢了，第二次战争麦克斯韦的波赢了，这一次呢？这最后的决战使波和粒子领悟到了各自存在的终极意义：如果没有了你，我独自站在这里，又是为了什么？1913年波尔提出了新的原子结构理论：围绕原子核的电子具有特定的轨道，电子在轨道间的跃迁是量子化的行为E2-E1=hv，并且电子在空间中的运动方向也是量子化的，同样是不连续的。

04.白云深处。波尔的理论在原子世界是成功的，可是从原子范围扩大到平常世界时，量子效应又消失了，麦克斯韦的理论成为主宰，这是为什么？1918年，波尔提出对应原理，1925年，泡利提出不相容原理，揭示了原子内部的一些基本行为准则，可是还是无法解释很多现象，这也注定了波尔体系的衰落。这时，德布罗意波（相波）出现了，德布罗意推断：电子在前进时，本身总是伴随着一个波。电子是一个波？！他说电子在通过一个小孔时，会产生一个可观测的衍射现象。虽然不可思议，但很快就被实验证实了！爱因斯坦刚刚提出了光子的概念，德布罗意又说电子是波。这个物质世界究竟是粒子还是波？这时，海森堡出场了。

05.曙光。矩阵力学：海森堡从观测到的原子谱线出发，发现了矩阵Matrix，用二维矩阵来描述电子的能级差，来描述一切，然后狄拉克把这晦涩的矩阵用相对容易理解的q数替代。这里的明星们从数学角度来描述了各种物理理论，以数学为唯一导向，强调光谱线非连续性的一面，带有粒子的影子，所以特点是粒子性和不连续性，代表人物海森堡，幕后主角是波尔。

06.殊途同归。波动力学：薛定谔从另一个角度出发，从德布罗意波的概念推出了薛定谔波动方程，揭示了为什么电子只能在特定的能级上运行。这里强调电子作为波的连续性的一面，以波动方程来描述它的行为，因此特点是波动性和连续性，背后人物是爱因斯坦。虽然出发点与矩阵力学完全相反，而波动力学和矩阵力学在数学上又是完全等价的。

关于波动方程的解释，波恩又给出了一个答案：这个方程描述的不是波，而是电子在某处出现的概率！也就是说，我们只能预言概率！曾几何时，人们以为，天地间的一切自然现象都能用物理学来解释，整个宇宙只不过是一台庞大而精密的机器，从它出生那一刹那起，就有一个确定的命运，我们无法了解它，只是因为我们所知道的信息太少而已。可是这“决定论”如今被推翻了，薛定谔方程说整个宇宙包括你我是个概率事件，要靠掷骰子来决定命运，是不确定的！

07.不确定性。1927年，海森堡提出了“不确定性原理”即“测不准原理”。说我们永远无法同时准确知道一个电子的位置和动量，测量位置和动量的误差之乘积必定要大于某个常数（h/4π）。前面波恩的“概率解释”说即使给定全部条件，也无法预测任何事的结果。现在海森堡更夸张，他的意思是根本无法给定全部条件，这个前提本身都是不可能的，是不确定的！随后，海森堡在波尔的帮助下进一步指出：不确定性是建立在波和粒子的双重基础上的，也就是同时建筑在连续性和不连续性两者之上。紧接着，波尔提出了“互补原理”，指出电子具有波粒二象性，它既是粒子也是波，完全取决于人们如何“观察”它。朋友们，这世上不存在什么“真实是什么”、“本来是什么”，只在观察的那一刻，才决定了它是什么。电子也只有在被观察的那一刻，才会表现成波或者粒子。我们的参与决定了它应该是什么。这里的哲学意义太丰富了，这也是“第三次波粒战争”的结局。至此，波尔的“互补原理”、海森堡的“不确定性原理”、波恩的“概率解释”，三者共同构成了量子论“哥本哈根解释”的核心，深刻的影响着我们对于宇宙的终极认识。

好了，按照“哥本哈根解释”，不确定性原理和概率解释摧毁了世界的（严格）因果性，互补原理和不确定性原理又合力捣毁了世界的（绝对）客观性。换言之，不存在一个客观的、绝对的世界，一切都是随机的，没有因果关系，唯一存在的，就是我们能够观测到的世界，或者说我们所参与的世界。

套用一句歌词：“眼前的黑不是黑，你说的白是什么白”。量子物理告诉你我这世上没有什么真相，只有行为才决定了真相。不要再问“人生的意义是什么”，连宇宙的意义都不存在，没有什么绝对的意义，直到我们付出了行动，我们的行为决定了所谓的意义。如此看来，贝克莱的“存在就是被感知”，道家说“道，无名”，禅宗说“吾向尔道是第二义”，金刚经说“凡所有相，皆是虚妄”，王阳明说“你未看此花时，此花与汝同归于寂；你来看此花时，则此花颜色一时明白起来......”这些哲学思想倒有几分逻辑和概率上的支撑。

08.决战。这里描写了爱因斯坦和波尔之间的争论。爱因斯坦认为一切皆有因果，无法接受物理学里存在不确定性，无法接受上帝掷骰子的事实。然而这一次他都输了，包括著名的爱因斯坦光箱实验，每一次思维实验和真实实验都证实了新的理论。虽然直到爱因斯坦去世，他还是认为“即使量子论是正确的，那也是不完备的”，可如今从半导体到核能、从激光到电子显微镜、从集成电路到分子生物学，量子论已成为在实用中最成功的物理理论。

虽然量子论成功了，并且也实实在在的改变了我们的生活，可是它的内在意义依然扑朔迷离，对它的诠释依旧众说纷纭。它像幽灵一般困扰着整个世界，而反对派薛定谔也带来了他那只著名的猫，那只又死又活的猫。还有“当我们不观察时，月亮是不存在的”这样的论调，听起来就是强烈的主观唯心论。

物理学发展到这一步，还适合彻底的唯物主义者研究吗？：）

09.歧途。这一章介绍了两种宇宙模型，是基于量子论两种主流解释而衍生的物理模型。第一种是由前面介绍的“哥本哈根解释”带来的“参与型宇宙”。为什么说是参与型呢？因为哥本哈根解释里的坍缩现象是由我们的意识造成的，我们的意识参与了整个宇宙过程，我们的观测行为本身参与了宇宙的创造过程，虽然宇宙在道理上讲已经演化了一百多亿年，但它直到被一个高级生物所观察才成为确定。参与型宇宙是增强的人择原理，它不仅表明我们的存在影响了宇宙的性质，甚至，我们的存在创造了宇宙和它的历史本身。我们选择了宇宙，宇宙又创造了我们。

第二种是由“多世界解释”（Many Worlds Interpretation，简称MWI）带来的“多世界宇宙”，或者叫“平行宇宙”。多世界解释说在电子双缝实验里根本没有坍缩现象，电子没有随机选择左还是右，事实上两种可能都发生了，而是我们只能观察到其中一个世界，在另一个世界存在着另一个可能。薛定谔的猫也没有既死又话，而是在我们这个世界或死或活，在另一个世界则相反。从宇宙诞生以来，已经进行过无数次这样的分裂，它的数量以几何级数增长，很快趋于无穷，我们现在所处的只不过是其中的一个宇宙。当然分裂这个词并不准确，我们可以试着理解多维数空间的概念，一个复杂系统的状态可以看成某种高维空间中的一个点或者一个矢量（脑补一下画壁）。按照MWI，“真实的完全的宇宙”始终只有一个，但是它存在于一个非常高维（可能是无限维）的希尔伯特空间中，但这个高维的空间却由许许多多低维的“世界”所构成（正如我们的三维空间可以看成由许多二维平面构成一样），每个“世界”都只能感受到那个“真实”的矢量在其中的投影，因此在每个“世界”感觉到的宇宙都是不同的。

那么为什么微观的电子能感觉到不同的世界，宏观的我们却感觉不到呢？“退相干理论”说宏观与微观的区别，关键在于其牵涉到的维度不同，随着宏观世界的维度增加，不同“世界”之间的联系被抹平了，它们相互正交而不干涉，量子叠加态在宏观层面上的瓦解，正是退相干的直接后果。

在MWI的框架中，宇宙只有一个波函数，它按照薛定谔方程唯一确定的演化，重新回归了经典的决定论。上帝又不掷骰子了，只不过对于我们这些凡夫俗子芸芸众生来说，因为我们纠缠在红尘之中，与生俱来的限制迷乱了我们的双眼，让我们只看得见某一个世界的影子。而在这个投影中，现实是随机的，跳跃的，让人惊奇的。

如此，你是接受“意识怪兽”？还是“宇宙分裂”?

（小贴士：怎样表述一个命题才算是科学的？按照证伪派说法，我们对待科学的态度是，只要一个理论能够被证明为“错”但还未被证明“错”，我们就暂时接受它为可靠正确的。不过它必须随时积极地面对证伪，这也就是为什么科学总是在自我否定中不断完善，也是科学与宗教的区别。）

10.回归经典。本章先是延续上一章的话题MWI，因MWI而推导出的有趣现象。比如如果把薛定谔的猫换成人来做实验，也就是“量子自杀”实验。那么按照MWI，总有一个世界这个人是永远不会死去的，跳楼也好，卧轨也好，他无论如何试图去自杀都不会死，事实上按照MWI推论，一旦一个“意识”开始存在，从它自身的角度来看，它就必定永生，这就是“量子永生”，这又是一个无解的逻辑怪圈了。

还有一样东西必须一提，那就是“量子计算机”。到目前为止，计算机自诞生以来并没有什么本质变化，阿兰图灵为它种下了灵魂，冯诺依曼为它雕刻了骨架，其他的一切都是细枝末节。万变归一所有的计算机都是这样一种机器：在一端读入信息数据流，按照特定的算法（有限的内态）来处理它，并在另一端输出结果。对于普通的计算机，一个bit或者代表0或者代表1，然而对于量子计算机，由于量子叠加态，一个bit可以同时记录0和1，也就是所谓的“量子比特”（qubit）。所以如果同样是读入10bits的信息，传统计算机只能处理一个10位的二进制数，而量子计算机则可以同时处理2的10次方个这样的数，可以想象这样的计算能力是多么的恐怖！更要命的是，1985年大卫德义奇已经成功证明了一台通用的量子计算机是可能的！相信不久的将来，所有的算法所有的软件所有的交互所有的一切将面临重构。（这里联想到最近很热的区块链，打算找来读一读）

好了，上面我们谈到了哥本哈根解释的“意识怪兽”，还有MWI的“宇宙分裂”，这都与我们的常识背离，所以这里又提到了另一种对量子论的解释：“隐变量理论”。通俗的说就是目前的量子论还是一个不完全的理论，还有一些隐藏的变量未被考虑，所以才显得不可预测，如果能发现这些隐变量，那么整个系统依然是确定和可预测的，符合严格因果关系的。这里最成功的是波姆的隐变量理论，他说电子本质上是一个经典的粒子，但以它为中心发散出一种量子势场，这种势弥漫在整个宇宙，这种势能在宇宙的任意点之间瞬间传递信息。波姆的理论在恢复了世界的实在性和决定性的同时，却放弃了定域性。所谓定域性，简单来说就是相对论指出的：不存在超光速的通信。世界是不是定域的？这里引出了一个裁判：贝尔不等式。

11.不等式的判决。如果我们的世界本质是经典的，那么必须同时满足：1.定域性，也就是没有超光速信号的传播。2.实在性，也就是存在着一个独立于我们观察的外部世界。而贝尔不等式就是判定宇宙最基本性质的试金石：如果世界是经典的，那么在EPR佯谬（一对分裂的粒子，无论相隔多远都保持相关性）中贝尔不等式就必须得到满足，反之则可以突破。

最近的一系列实验已经证明：贝尔不等式是可以突破的。也就是说世界不可能既是定域的，又是实在的。我们要么放弃定域性，要么放弃实在性。

如果放弃实在性，那么可以选择相信哥本哈根解释的“意识怪兽”，或是在一个高层次的角度上保留决定论，选择相信MWI。这些都背离了我们的常识。

如果放弃定域性，那我们必须容忍超光速信号的存在。可爱因斯坦说超光速意味着获得了回到过去的能力，虽然存在并不等于可以被利用，目前所发现的超光速也不能携带能量和信息，可承认超光速总是让人感觉不妥。

怎么办？虽然这些看似与我们的日常生活无关，每天太阳照常升起，我们照常穿衣吃饭，可至少我们已经认识到我们生存在我们无法了解的宇宙中，我们没有理由狂妄，千万别再自大，抬头仰望星空的时候，请心怀谦卑。

对于量子论，到这里我们已经了解了哥本哈根、MWI、隐变量。本章又简单介绍了“系综解释”（说量子论所推导的一切结果都是一个统计概念，不存在单个事件，一切都是针对真个集合而言的）、“GRW解释”（即自发定域理论，说所有系统间存在着一种随机的物理交流，从而导致微观系统从叠加状态变为一个精准的定域）。

12.新探险。本章描述了量子论的第六种解释：退相干历史（DH），也称多历史理论。与多世界解释不同，DH说世界只有一个，但历史有很多个。每时每刻都有许许多多的精细历史在“同时发生”（相干），可是因为它们之间互相脱散（退相干）的缘故，只有一种粗略历史能被我们感觉到。当然这些解释都有数学上的证明用以支撑。

现在，本书已经带我们简单了解了哥本哈根、多宇宙、隐变量、系综、GRW、退相干历史六种对于量子论的解释，虽然量子力学的基本数学形式已经被创立80年了，它在每一个实用领域也取得了巨大的成功：核能、计算机技术、新材料、能源技术、分子生物学、互联网......没有量子力学就没有这一切，但是如何“解释”它依然没有定论。虽然现在我们无法理解它只能运用它，可并没有影响它前进的脚步：量子场论、超弦理论......

神赋予了量子无与伦比的力量，将整个宇宙的命运都控制在它的掌握之下，也许我们永将为其困扰，也许我们已接近终极定律的终点。无论如何，这是一段奇妙非凡的量子旅程。