在孩子哲学课老师的带领下,我们进入了量子物理的世界。曾经觉得不可能搞懂的领域,竟然渐渐产生起兴趣来。如果你想搞懂“量子物理”而只能读一本书,那这本再好不过了!
本书作者梳理了量子力学百余年来的发展史,对量子力学的基本原理,发展历程中的重要事件以及多位顶尖科学家之间的观点争执做了梳理,并详细论述了量子力学对人类认知的颠覆性影响。
“量子”概念中展现出的不连续性,对以连续性为基础的经典物理学提出了重大挑战。
在19世纪末,经典力学、经典电动力学、经典热力学这三大体系和谐统一,牢不可破,共同构成了经典物理学的大厦。当时人们认为,物理学已经发展到了尽头,任何现象都在物理学的解释范围之内。
热力学泰斗开尔文爵士曾说:“物理学的未来,只能在小数点第六位之后去寻找。”意思是说,物理学各个领域的基础原理都已经定型了。此外,普朗克的老师也曾劝说普朗克别再研究物理学,认为物理学体系已经成熟了。
在经典物理学发展到顶峰之时,两朵看似无关紧要的“乌云”,却最终导致了经典物理学的覆灭:一朵引发了相对论革命,一朵引发了量子论革命。
普朗克发现,能量的发射和吸收是有一个最小单位的,并不能无限分割,是非连续的。而经典物理学建立在微积分之上,连续性是经典物理学的基础。量子论由此颠覆了经典物理学的大厦。
在量子论中,能量的发射和吸收就像是花钱一样,你一次最少也要花1分钱,因为没有比1分钱更小的面值了。能量也一样,它有个最小单位,是不连续的。而在经典物理学中,一切都是平滑连续的。
在经典物理学中,只要进行足够的计算,粒子的状态都是可以完全确定的。但量子力学认为,我们无法确定粒子的分布,只能掌握粒子出现的概率。
薛定谔在研究原子的过程中得到了一个方程,其中的 ψ 函数代表了电子在空间中的分布。薛定谔一开始以为,ψ 代表了电子的实际分布位置。但波恩却指出,ψ 函数代表的是电子出现的概率,并不是实际位置。电子的分布是一种随机分布。
在光的双缝干涉实验中,单个电子的出现位置是完全无法预测的,因为电子的位置是随机分布的。但如果我们加大电子的发射量,就能看到明显的干涉条纹。因为大量电子的随机分布是符合数学规律的,我们就可以预测电子在某一处出现的概率。
在经典物理学中,一切事物之间都是有因果联系的。只要掌握了足够多的规律,拥有足够强的计算能力,就可以掌握所有事物的过去和未来,这种观点被称为“决定论”。但量子力学提出,我们不可能预测一切事物,只能预测事物发生的概率,上帝是在玩“掷骰子”的概率游戏。这一观点从根本上否定了决定论。
爱因斯坦不相信上帝会“掷骰子”,他在写给量子力学奠基人之一马克斯·波恩的信中明确表示,自己绝不愿意放弃因果性,他坚信量子论的基础一定有问题,一定能挑出毛病。他在信中说:“我毫无保留地相信,上帝是不会掷骰子的!”
“不确定性”原理指出,我们无法同时精确地测量电子或其他微观粒子的位置和速度,并且,我们的观测行为本身,会对测量结果造成干扰。所以,我们不能说世界的本质是什么样的,只能说我们观测到的世界是什么样的,甚至可以说,根本就不存在一个客观实在的世界。
海森堡在研究中发现,当我们在测量电子的速度和位置时,如果对速度的测量越精确,那么对位置的测量就越不精确;反过来也一样,对位置的测量越精确,对速度的测量就越不精确。这就是大名鼎鼎的“海森堡测不准原理”,也就是“不确定性原理”。
科学家们进一步研究发现,能量和时间,也存在着这种不确定性的互补关系。如果能量测量的越精确,时间就越模糊;如果时间测量的越精确,能量就会开始起伏不定。许多物理量都遵循着海森堡的不确定性原理,此起彼伏,难以捉摸。
“不确定性”原理意味着,我们的观测行为本身,会影响我们的观测结果。采取不同的观测方式,会观测到不同的结果。因此,我们无法把握事物的本质状态,甚至可以说,在量子世界中,根本就没有一个绝对客观的实体或者外部世界。
这无疑颠覆着我们原有的哲学观!育儿也是如此,一切并一定按既定的目标发展。也许,这就是世界本来的模式,也是乐趣所在!