《上帝掷骰子吗》｜如何深入了解量子理论的发展史？
核心书摘
《上帝掷骰子吗》讲述的是一个关于量子论的故事。从物理角度来说，量子论在科学家中间引起了最为激烈的争议和关注；从现实角度来说，它给我们的社会带来了无与伦比的变化和进步。但引人深思的是它的基本观点和假说至今没有被所有人理解。走进本书，作者将带我们步入一次从神话时代出发的量子之旅，沿着量子发展的道路，读者将亲身去经历科学史上的乌云和暴雨，追逐流星的辉光，穿越重重迷雾和险滩，和最伟大的物理学家们并肩作战。
跟随作者的脚步，除了可以回顾基本的历史背景，还可以面向未来探索量子论面前的不同道路，闯入人迹罕至的未知境地，和先行者们一起开疆扩土，揭开一层层物理学的神秘面纱。
关于作者
曹天元，中国著名的科普作家，曾在美国和香港攻读生物化学和电子工程，后担任CCTV新科动漫的首席品牌顾问，足迹遍历内地、香港和美国，现居香港。
本书鲜知
学什么？如何深入了解量子理论的发展史
上帝创世的第一天，说要有光，便有了光，但上帝貌似给我们开了一个玩笑，他忘记告诉我们，光是什么？光是粒子吗？千百年来，人们笃信光是粒子，否则，镜子里反射的是什么？但是麦克斯韦预言了电磁波，同时也预言光就是电磁波的一种。当赫兹用实验证实了麦克斯韦的预言时，光的波粒之争正式打响了——牛顿的牛顿环、杨氏的双缝干涉实验、泊松亮斑、以太假说，属于光的真相到底是什么？
《上帝掷骰子吗》就是一本讲述量子理论演变的史书，作者不仅用浅显的语言介绍了一个一个晦涩的原理，更是用一种独特的文笔腔调，重现了整个量子理论的史话，让人仿佛不是在读专业书籍，而是在津津乐道地看一本剧情饱满、引人入胜的武侠小说，而其中的江湖，就叫做量子力学。那是物理学上的大时代，也是英雄人物辈出的年代，在作者妙趣横生的文笔之下，隐去数学的艰深晦涩，生发出一个量子世界的无穷魅力。
你还会发现
· 光的本质究竟是什么；
· 量子与佛学的关系是什么；
· 光学的三次大争论是怎样发展的。
一、七色光的诞生：有关光的本质的第一次争论
在物理学界曾围绕光的本质进行过三次重大论战，最终孕育出了量子的概念。长期以来，物理学界有关光的本质一直有两种主流说法，一种是微粒说，一种是波动说。那么，光究竟是一种什么样的物质呢？
古希腊的人们把光看成是一种非常小的粒子组成的粒子流，就像佛珠手链一样，由一颗一颗珠子组成，这种理论就是光的微粒说。古人认为，光的粒子流沿着直线打到物体表面后，这些粒子又反弹到人的眼里，人们就看到这个物体了。后来，随着人们对自然界的认识越来越多，逐渐知道了声音是一种波，人们就开始猜想，光是不是也有可能像声音一样，也是一种波，这种猜想就是光的波动说。
围绕着光的本质，波动和微粒两种学说展开了无数次争论，接下来我们先来说说第一场争论。
1672年，一个29岁的年轻人做了一个实验。他把一个房间的所有门窗全部封闭起来，屋子里面一片漆黑。然后，他在窗户上开了一个小孔，光只能通过这个小孔照进屋子里，当他把一个三棱镜插进那个小孔后，神奇的事情发生了。每当三棱镜插进那个小孔里，一束白光就通过三棱镜折射到墙上变成了七色光。
前段时间我们和大家一起读《牛顿传》的时候，讲过这个实验，这个实验就是牛顿做的三棱镜实验，实验得出一个结论，那就是光是由不同颜色的微粒组合而成的。
牛顿在提出光的微粒学说后，遭到了当时英国皇家学会实验室主任罗伯特·胡克的反驳。我们知道，胡克也是一位伟大的物理学家，号称“英国达芬奇”，他提出的胡克定律，是弹性力学和材料力学的基本定律。他还改进了望远镜，第一次观测了木星大红斑和月球环形山；他用自己改进的显微镜，发现并命名了细胞，发表了物理学名著《显微学》。
在当时，胡克是绝对的权威，他认为光是一种波，他反对牛顿的微粒学说，而牛顿坚持自己的观点，于是两人展开了一场大论战，他们的关系也因为这场争论而持续恶化。论战的最后，胡克觉得丢了面子，他指责牛顿的论文中有很多内容是抄袭自己的论文；牛顿当然也不是省油的灯，他用嘲讽的语气在回信里写下了那句著名的话：“假如我看得比较远，是因为我站在你们这些巨人的肩膀上。”
现在人们都把这句话解读为牛顿在自谦，其实，当初这句话可不是什么谦虚的话，而是骂人不带脏字。因为胡克不仅不是什么巨人，还是个有点驼背的矮子，说白了，牛顿的这句话相当于把胡克的观点，连同他的身体缺陷一起损了一遍。
这场论战最后以牛顿的胜利告终。牛顿的光是微粒的说法，在之后整整一百年里，成了物理学界的主流，被奉为不可动摇的金科玉律。
二、双缝干涉实验：有关光的本质的第二次争论
下面我们再来说说有关光的第二场斗争，在牛顿完成三棱镜实验之后，又过了一个世纪，一位名叫托马斯·杨的人，也做了一个实验，就是我们在中学物理书上都会提到的“双缝干涉”实验，这个实验可以说是物理学界最经典的五个实验之一了。
我们先来简单介绍一下双缝干涉实验。这个实验要把一支蜡烛放在一个开了小孔的纸前面，这就形成了一个“点光源”，在这张纸的后面再放一张纸，不同的是，第二张纸上开了两道平行的窄缝，从小孔中射出的光穿过这两道窄缝后，投到后面的屏幕上，会出现什么图案呢？
按照一般人的理解，光沿着直线传播，通过两道缝隙之后，后面的屏幕上肯定会出现两条明亮的条纹，但是实验的结果却不是这样的，屏幕上出现的竟然是一系列明暗交替的条纹。所以，托马斯·杨认为，光的本质不是粒子而是一种波。因为只有光的波动和互相叠加，才能解释这个实验现象。那么问题来了，为啥波能互相叠加呢？
其实波的相互叠加原理，也比较容易理解，简单说就是当波峰遇到波峰时，波就会成倍地增长；当波峰遇到波谷时，波就会相互抵消。为了方便大家理解，我们来举个简单的例子：在一个平静的湖里，扔一块石头，我们可以发现波浪有高有低，一圈一圈地向外波动。
如果我们在两个位置同时扔两块石头，就会发现湖面上会出现很多个高高低低的波浪向外扩散，这些波浪像鱼鳞一样叠加得很有规律，这就是水波叠加在一起后的干涉现象，所以，关于光是一种波的猜想，就得到了这个实验的验证。
除此之外，在1887年，德国物理学家赫兹通过实验发现了电磁波，并且计算出了电磁波的传播速度也是每秒30万公里，跟光速一样，也就是说，这个实验证实了人们平常见到的光就是电磁波的一种。
这里我们说的电磁波，其实就是收音机、手机接收的信号，它们都是通过电磁波传输的，而可见光、红外线、X射线，都是电磁波的一种，只是它们的波长不一样。但是人的眼睛只能接收一定范围的波段，人看不到其他波段的电磁波，比如手机信号的传输人眼就是看不到的。赫兹的实验彻底推翻了光是一种微粒的说法，光的“波动”说暂时占了上风。
同时，赫兹的实验也标志着经典物理到达了顶峰。因为，当时人们所知道的力、热、光、电、磁等一系列物理现象，几乎都可以用经典理论解读，甚至当时的物理学家开始相信，这个世界所有的基本原理都已经被发现了，物理学已经完美无缺。然而，让人想不到的是，第三次波粒大战又悄悄打响了。
三、铁块的颜色：有关光的本质的第三次争论
有关光的本质的第三次争论，导火索是一块铁。
有生活经验的人都知道，把一块铁放在火上加热，到了一定温度的时候，它会显示出暗红色。温度再高些，就变成了橙黄色，到了极高温度的时候，铁块呈现出蓝白色。问题是不同的温度，铁块为什么会有不同的颜色，或者说会发出不同颜色的光呢？
可以说，光究竟是微粒还是波动，两种说法都不能完美地解释铁块被加热的现象，当时有关光学的争论陷入了僵局。打破这个僵局的历史性时刻，是1900年的12月14日。这一天，物理学家普朗克在柏林宣读了他的论文，宣告了量子的诞生。
普朗克解释说，物体在不同的温度下向外发出不同的能量，能量由一个个能量子组成。这些能量子就是能量的最小单位，它没法再分割，所以是一个一个发出去的。这里普朗克所说的能量子，就是物理学上伟大的量子。
量子是能量的最小单位，没法再分割了，能量只能是量子的整数倍。这怎么理解呢？举个例子，就像我们爬楼梯，我们可以1个台阶2个台阶3个台阶地走，但是不能说一个人走了5.3个台阶。这个台阶就像量子一样，是不能分割的最小单位。
再比如我国的货币是由元、角、分组成的，你有10元也好100元也好，都是在一分一分的基础上累计的，不可能把1分再往下分割。那么，这个“分”就是货币里的最小单位，同样地，量子也是能量的最小单位。
当时普朗克的量子假设提出之后，并没有引起很多人的重视，因为他仅仅提出了能量子可以一个一个向外发出的假设，没有解释清楚能量和光之间的关系。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，量子假说即将颠覆经典物理学的大厦，当时几乎没人察觉。但是量子假设却引起了一位物理学大咖爱因斯坦的注意。
5年以后，年仅26岁的爱因斯坦提出了“光量子”假设，爱因斯坦认为，光也是不连续的，光不仅在吸收和发射时是量子化的，而且光传播本身也是量子化的。说到这里，我们还得先科普一下颜色和光的关系。在黑暗的屋子里，人们是看不到物体的颜色的，只有光照到物体再反射到人的眼里，人们才能看见物体的颜色，白色的物体说明它反射了全部波段的光，所以看起来是白色的；黑色的物体吸收了全部的波段的光，所以看起来是黑色的；橙色吸收了其他波段的光，只反射出波段是橙色的光，所以它看起来是橙色的。
知道了这些，我们再回过头用量子的观点来解释铁块加热的现象。当铁块被加热到不同的温度时，它向外辐射出不同的能量子。这些能量被光吸收后，再由不同能量的光量子发射出去，这些不同波长的光粒子，到达人们的眼睛，人们就看见铁块加热时显示出不同的颜色。
现在我们知道了，普朗克的能量子假设和爱因斯坦的光量子假设结合在一起，就能完美地解释铁块加热的现象了。
可是，细心的朋友可能会说，刚刚已经讲过，赫兹证明光是一种电磁波，现在又说光是一个一个的光量子，这不是自相矛盾吗？光怎么能既是一种粒子又是一种波呢？这就像说一个人既是帅哥又是美女一样可笑。
其实，到了这个时候，物理学界围绕光的本质，到底是一种微粒，还是一种波，斗争了几百年，但双方都无法彻底推翻对方的观点。所以在第三次波粒斗争中，孕育出了量子的概念。量子概念的提出，让双方无奈地达成了妥协，只能接受光既是粒子又是波，也就是光的“波粒二象性”。
四、量子与佛学：有关世界的颠覆性认知
在光具有波粒二象性的引发下，人们通过“电子双缝干涉实验”，发现了电子也具有波粒二象性。而且电子的出现具有随机性和不确定性。既然整个宇宙都由电子、原子这些微粒组成，所以，量子论提出，不存在绝对的“客观真相”，也不存在客观世界，整个世界的发展都是测不准的、不确定的，也没有什么因果关系。量子论还认为，存在多个世界或者多维度时空，但各个时空之间互相平行，没法联系，就像我们的物质世界和灵魂世界没法联系一样。
这个观点的确是对我们的三观造成了很大的冲击。可是实际上，有关客观世界的有无，在咱们中国古代其实早就已经有了相关解读，这就不得不提到佛学和量子物理学的关系了。
熟悉佛学的朋友都知道，佛教认为，一切的有形物质都是虚空不实的。小乘佛法认为人是五蕴也就是各种物质的因缘和合，提出了“无我”的说法。而大乘佛法不但认为“我”是不存在的，还认为五蕴自身也是虚假不实的。正如《心经》所说：“色不异空，空不异色。色即是空，空即是色。受想行识，亦复如是。”这句经文简单来说，就是不论物质现象“色”或者精神现象“受想行识”，都不是固定不变的。
不仅如此，宋代理学大师张载在《正蒙·太和篇》中也提出了“有无混一”论，张载认为，虚空中充满了一种无法直接感知的极为稀薄的“气”。无形无状的虚空，实际上是“气”的本来状态。虚空和“气”是统一的，万物和“气”也是同样的一种因缘聚散的关系。因而，“气”是物质的实体，又是空间本身。
这些中国古代的朴素观点，和现代物理学中的量子理论不谋而合。爱因斯坦就指出，根据量子理论可以知道质量和能量是可以互换的。能量大量集中的地方就是物质，能量少量集中的地方就是所谓的“场”空间。
所以，物质和“场”空间不是完全不同性质的东西，而是相同的东西，不过是以另一种形态显现而已。量子理论证明，场是无处不在的，也是无处不有的，它永远无法消除，是一切物质现象的载体。
所以，我们刚才提到《心经》中的“色”就相当于物理学上的“物质”；“空”就相当于物理学上的“场”空间。色与空是截然不可分的，正如物质和“场”空间不可隔绝分裂一样。
我们能看到的万物实体之所以是空，是因为万物只不过是各种要素的因缘和合，而有聚合就必有离散。一旦缘分尽了，也就成了空。从这个意义上说，客观世界其实也只是因缘和合而成的，一旦因缘散去，世界也就不存在了。
总结
经典物理理论告诉我们，我们生活在一个不以人类意志为转移的客观世界，宇宙从大爆炸那一刻起，就像一台精密的机器，严格按照物理定律严丝合缝地连续运转，这个世界有因必有果。但是，量子论却提出了完全相反的说法。
在《上帝掷骰子吗：量子物理史话》这本书中，我们在作者曹天元的带领下，进行了一次有趣的量子物理旅行。通过光学的三次大争论，知道了量子是如何产生的，以及量子理论对我们的世界观产生了哪些影响。
通过这本书，我们了解到爱因斯坦是量子物理学的重要贡献者之一，他面对量子理论推导出很多匪夷所思的、彻底颠覆经典物理理论的观点。
实际上，爱因斯坦本人坚信宇宙中存在着确定的因果性，不相信上帝会“掷骰子”，认为量子论的基础一定有问题。可是量子理论这个貌似荒谬的理论，确实是众多物理学家，通过严格推导反复证明的，而且已经列入人类最伟大的发现。
对于上帝是否“掷骰子”这个宏大的物理学问题，我想用另一位物理学大师霍金的回答来作为今天的结尾。史蒂芬·霍金博士说：“上帝不但掷骰子，他还把骰子掷到我们看不见的地方去。”
恭喜你和“今今乐道”读书会一起读完了你生命中的第 2157 本书，希望今天的内容能给你有益的启发。（编辑：越读者）
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