量子力学的真相

幕 量子力学的真相

01 热爱隐藏的大自然

02 量子

03 量子的变化方式

04 量子的共享方式

05 量子力学无法解释的事物

06 反现实主义的胜利

第二幕 现实主义的重生

07 德布罗意和爱因斯坦:现实主义的挑战

08 戴维·玻姆:现实主义的又一次尝试

09 量子态的物理坍缩

10 魔幻现实主义

11 批判现实主义

第三幕 超越量子力学 

12 革命的替代品

13 经验教训

14 步，原理

15 因果论观点

结 语 完成爱因斯坦未竟的革命

致 谢

术语表

注 释

量子物理学，一个充满悖论与神秘色彩之地

我们总是看不清现实与幻想之间的边界，为了解释这个世界的运作机制，我们编造了各种各样的故事。因为我们都是优秀的故事讲述者，所以就被这些自编的故 事迷住了，并把自己对世界的诠释同世界本身混淆了起来。这对科学家和公众都产生了很大的影响，实际上， 对科学家的影响要更大一些，毕竟在科学家的工具包中 有非常多具有说服力的故事。

 随着我们把注意力转到更小且更基础的现象上，我们对自然界的理解也越来越深入，然而，我们所取得的一系列成功其实给我们的进一步发展设置了障碍。为了避免陷入困境，我们必须在以下两个方面取得平衡:一是对已有知识的力量保持理性的认知;二是敏锐地意识到即便是我们说服力的假设也只是假设。我们的感官部分由现实引起，但完全由大脑构建，目的则是以一种探索自然所需的形式把这个世界呈现在我们面前。这是我们必须学习的艰深一课。在我们的感官之外，神秘莫测的大自然从本质上来看是摇摆不定的，且处于我们的认知范围的边缘。

如今，我们对大自然重要的特征已有所理解，但在过去，这些特征则不为人知。我们已知的关于这个世界基本的事实，例如，物质是由原子构成的;地球是一个包裹着熔融核心的岩石球体，并被一层薄薄的大气所笼罩，同时在近乎真空的空间中围绕着一座“天然热核反应堆”运转。 实际上，这些我们从小就学到的简单事实是不计其数的科学家和学者数个世纪以来辛勤耕耘的结果。它们在刚被提出时，全都是近乎疯狂的想法， 与明显得多且合理得多的但终证明是错误的想法相矛盾。

 所谓的科学思维就是要尊重一些人所共知的事实，它们是前人们不断努力探究出的结果，同时还要对未知之物保持开放的态度。这样做有助于我们在世界的核心奥秘前保持谦逊，因为当我们对其进行更加深入地探索时，那些已知的领域也会变得神秘起来。我们知道的越多，就会越发对未知的世界感到好奇。自然界中的一切都如此非凡，对它们的沉思无不是通往奇迹和感恩的无言之路，而我们获得的也只是其内涵的一小部分。

在春天的早晨，从窗户涌进来的空气带着花园里的清新气息，这个“奇迹”是如何发生的呢?分子如何被微风吹动，接着又如何经鼻子转化成令人感到愉悦的气味?我们看到鲜艳的色彩便会回想起那个关于不同波长的光如何激发不同神经元的故事，但是，受到刺激的不同神经元又是如何引发人产生红色或蓝色这些感觉的呢?什么样的事物才算得上具有不同颜色或是不同气味的感觉—用哲学家的语言来说就是“主观体验特性”? 气味与颜色的区别又是什么?既然它们都是神经元中的电脉冲， 那为什么又会出现这种差异?每天早晨醒来的“我”又是谁?当这个“我”睁开双眼时，周围的宇宙又是什么?此外，我们的存在以及我们与这个世 界之间的关系这些基本的问题也仍是未解之谜。

 接下来，让我们踮起脚尖，小心翼翼地避开这些意识方面的难题，把目光放到更简单的问题上，作为一名科学家，我相信这是取得突破的途径。让我们从一个非常基本的问题开始:什么是物质?比如，桌子上放着一块岩石，我把它拿了起来，对我来说，它的重量和形状都有一种熟悉的感觉。不过，岩石到底是什么?

 我们知道岩石的外形和触感，但这些无论对我们还是对岩石来说都是表面的信息。岩石的外形和触感几乎无法告诉我们从本质上是什么构成了岩石。从物理学角度看，岩石大部分是由原子排列其中的空旷空间构成的，而把岩石看作坚硬的固体则是我们人类思维的产物。相对于原子尺度来说，我们的思维是在相当宽泛的尺度上整合了各类知觉。

 物质的存在形式多种多样，我们知道其中的一部分肯定很复杂，比如岩石和编织成毯子、床单和衣物的有机材料。因此，我们可以先探究一种简单一些的物质形式，比如玻璃杯中的水是什么?

从我们的视觉和触觉的角度看，水似乎是平滑、连续的，直到一个多世纪前，物理学家还认为水是完全连续的。在 20 世纪初，爱因斯坦则证明这种观点是错误的，并证明了水是由巨量的原子构成的。在水中，这些原子每 3 个一组结合成分子，每个水分子包含 2 个氢原子和 1 个氧原子。

接着，我们可能会问:“什么是原子?”在爱因斯坦做出上述发现后不到 10 年，人们就知道了原子就像一个微型太阳系，原子核就像太阳一 样处于中心位置，而电子则像行星一样围绕着原子核运动。

问题又来了，什么是电子?我们目前已经知道电子以离散单位存在， 每个电子都拥有确定的质量和电荷，且一定会处于空间中的某个位置，但它是处于不断的运动状态中的:我们刚开始观察时，它可能在这里，过一 会儿再观察时，它可能又跑到了那里。

这些性质都还算容易理解，但电子的其他性质就没那么容易弄明白了，本书的大部分内容就是为了把电子的那些让人难以理解的性质解释 清楚。

岩石是什么?水是什么?分子、原子、电子又是什么?对这些问题完备的解释来自一个被称为“量子物理学”(quantum physics)的科学分支。不过，众所周知，这是一个充满悖论与神秘色彩的领域。在量子力学所描述的世界中，没有任何物质是以稳定形式存在的，原子或电子既可以 是波也可以是粒子，具体如何则取决于我们的观测方式;更为人熟悉的则是“薛定谔的猫”(Schrödinger's cat)。这对一些前卫的潮流文化来说简直太有用了，于是，“量子”就成了与酷炫、极客、神秘主义有关的流行词。对于那些希望理解我们赖以生存的这个世界的人来说，这个词会让人感到非常困惑，因为这样一来，连“岩石是什么”这种简单的问题似乎也没有简单的答案了。

春天的早晨，从窗户涌进来的空气带着花园里的清新气息，这个 “奇迹”是如何发生的?

分子如何被微风吹动，又如何经鼻子转化成令人感到愉悦的气味? 

每天早晨醒来的“我”是谁 ?当这个“我” 睁开双眼时，周围的宇宙又是什么? 

……

在这个量子力学的时代，关于我们的存在以及我们与这个世界之间关系的这些基本的问题，仍是未解之谜。而爱因斯坦和其他现实主义者相信：量子力学理论是不完备的。

在《量子力学的真相》一书中，斯莫林教授用3幕故事带领我们走进量子力学的世界，了解那些自量子力学诞生以来就一直困扰着人们的概念问题和严重分歧。幕他会讲述我们在探究量子力学发展轨迹时所需的基本的量子力学概念。第二幕他将带我们追溯了从 20 世纪 50 年代开始的现实主义量子力学方法的复兴，并且阐述它们的优缺点。斯莫林认为：正确且完备的量子力学理论不仅能够解决量子引力的问题，还能给出一套完整的宇宙学理论。第三幕斯莫林将介绍包括自己在内的当代物理学家为构建现实主义的万物理论所付出的努力。

量子力学，是一个充满悖论与神秘色彩之地，欢迎所有人来到新的科学时代。