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上帝掷骰子吗--量子物理史话 作者:castor_v_pollux-第章

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骰子?骰子是什么东西?它应该出现在大富翁游戏里,应该出现在澳门和拉斯维加斯的赌

场中,但是,物理学?不,那不是它应该来的地方。骰子代表了投机,代表了不确定,而

物理学不是一门最严格最精密,最不能容忍不确定的科学吗?

可以想象,当波恩于1926年7月将骰子带进物理学后,是引起了何等的轩然大波。围绕着

这个核心解释所展开的争论激烈而尖锐,把物理学加热到了沸点。这个话题是如此具有争

议性,很快就要引发20世纪物理史上最有名的一场大论战,而可怜的波恩一直要到整整28

年后,才因为这一杰出的发现而获得诺贝尔奖金——比他的学生们晚上许多。

不管怎么样,我们还是先来看看波恩都说了些什么。骰子,这才是薛定谔波函数ψ的解释

,它代表的是一种随机,一种概率,而决不是薛定谔本人所理解的,是电子电荷在空间中

的实际分布。波恩争辩道,ψ;或者更准确一点,ψ的平方,代表了电子在某个地点出现

的“概率”。电子本身不会像波那样扩展开去,但是它的出现概率则像一个波,严格地按

照ψ的分布所展开。

我们来回忆一下电子或者光子的双缝干涉实验,这是电子波动性的最好证明。当电子穿过

两道狭缝后,便在感应屏上组成了一个明暗相间的图案,展示了波峰和波谷的相互增强和

抵消。但是,正如粒子派指出的那样,每次电子只会在屏上打出一个小点,只有当成群的

电子穿过双缝后,才会逐渐组成整个图案。

现在让我们来做一个思维实验,想象我们有一台仪器,它每次只发射出一个电子。这个电

子穿过双缝,打到感光屏上,激发出一个小亮点。那么,对于这一个电子,我们可以说些

什么呢?很明显,我们不能预言它组成类波的干涉条纹,因为一个电子只会留下一个点而

已。事实上,对于这个电子将会出现在屏幕上的什么地方,我们是一点头绪都没有的,多

次重复我们的实验,它有时出现在这里,有时出现在那里,完全不是一个确定的过程。

不过,我们经过大量的观察,却可以发现,这个电子不是完全没有规律的:它在某些地方

出现的可能性要大一些,在另一些地方则小一些。它出现频率高的地方,恰恰是波动所预

言的干涉条纹的亮处,它出现频率低的地方则对应于暗处。现在我们可以理解为什么大量

电子能组成干涉条纹了,因为虽然每一个电子的行为都是随机的,但这个随机分布的总的

模式却是确定的,它就是一个干涉条纹的图案。这就像我们掷骰子,虽然每一个骰子掷下

去,它的结果都是完全随机的,从1到6都有可能,但如果你投掷大量的骰子到地下,然后

数一数每个点的数量,你会发现1到6的结果差不多是平均的。

关键是,单个电子总是以一个点的面貌出现,它从来不会像薛定谔所说的那样,在屏幕上

打出一滩图案来。只有大量电子接二连三地跟进,总的干涉图案才会逐渐出现。其中亮的

地方也就是比较多的电子打中的地方,换句话说,就是单个电子比较容易出现的地方,暗

的地带则正好相反。如果我们发现,有9成的粒子聚集在亮带,只有1成的粒子在暗带,那

么我们就可以预言,对于单个粒子来说,它有90%的可能出现在亮带的区域,10%的可能

出现在暗带。但是,究竟出现在哪里,我们是无法确定的,我们只能预言概率而已。

我们只能预言概率而已。

但是,等等,我们怎么敢随便说出这种话来呢?这不是对于古老的物理学的一种大不敬吗

?从伽利略牛顿以来,成千上百的先辈们为这门科学呕心沥血,建筑起了这样宏伟的构筑

,它的力量统治整个宇宙,从最大的星系到最小的原子,万事万物都在它的威力下必恭必

敬地运转。任何巨大的或者细微的动作都逃不出它的力量。星系之间产生可怕的碰撞,释

放出难以想象的光和热,并诞生数以亿计的新恒星;宇宙射线以惊人的高速穿越遥远的空

间,见证亘古的时光;微小得看不见的分子们你推我搡,喧闹不停;地球庄严地围绕着太

阳运转,它自己的自转轴同时以难以觉察的速度轻微地振动;坚硬的岩石随着时光流逝而

逐渐风化;鸟儿扑动它的翅膀,借着气流一飞冲天。这一切的一切,不都是在物理定律的

监视下一丝不苟地进行的吗?

更重要的是,物理学不仅能够解释过去和现在,它还能预言未来。我们的定律和方程能够

毫不含糊地预测一颗炮弹的轨迹以及它降落的地点;我们能预言几千年后的日食,时刻准

确到秒;给我一张电路图,多复杂都行,我能够说出它将做些什么;我们制造的机器乖乖

地按照我们预先制定好的计划运行。事实上,对于任何一个系统,只要给我足够的初始信

息,赋予我足够的运算能力,我能够推算出这个体系的一切历史,从它最初怎样开始运行

,一直到它在遥远的未来的命运,一切都不是秘密。是的,一切系统,哪怕骰子也一样。

告诉我骰子的大小,质量,质地,初速度,高度,角度,空气阻力,桌子的质地,摩擦系

数,告诉我一切所需要的情报,那么,只要我拥有足够的运算能力,我可以毫不迟疑地预

先告诉你,这个骰子将会掷出几点来。

物理学统治整个宇宙,它的过去和未来,一切都尽在掌握。这已经成了物理学家心中深深

的信仰。19世纪初,法国的大科学家拉普拉斯(Pierre Simon de Laplace)在用牛顿方

程计算出了行星轨道后,把它展示给拿破仑看。拿破仑问道:“在你的理论中,上帝在哪

儿呢?”拉普拉斯平静地回答:“陛下,我的理论不需要这个假设。”

是啊,上帝在物理学中能有什么位置呢?一切都是由物理定律来统治的,每一个分子都遵

照物理定律来运行,如果说上帝有什么作用的话,他最多是在一开始推动了这个体系一下

,让它得以开始运转罢了。在之后的漫长历史中,有没有上帝都是无关紧要的了,上帝被

物理学赶出了舞台。

“我不需要上帝这个假设。”拉普拉斯站在拿破仑面前说。这可算科学最光荣最辉煌的时

刻之一了,它把无边的自豪和骄傲播撒到每一个科学家的心中。不仅不需要上帝,拉普拉

斯想象,假如我们有一个妖精,一个大智者,或者任何拥有足够智慧的人物,假如他能够

了解在某一刻,这个宇宙所有分子的运动情况的话,那么他就可以从正反两个方向推演,

从而得出宇宙在任意时刻的状态。对于这样的智者来说,没有什么过去和未来的分别,一

切都历历在目。宇宙从它出生的那一刹那开始,就坠入了一个预定的轨道,它严格地按照

物理定律发展,没有任何岔路可以走,一直到遇见它那注定的命运为止。就像你出手投篮

,那么,这究竟是一个三分球,还是打中篮筐弹出,或者是一个air ball,这都在你出手

的一刹那决定了,之后我们所能做的,就是看着它按照写好的剧本发展而已。

是的,科学家知道过去;是的,科学家明白现在;是的,科学家了解未来。只要掌握了定

律,只要搜集足够多的情报,只要能够处理足够大的运算量,科学家就能如同上帝一般无

所不知。整个宇宙只不过是一台精密的机器,它的每个零件都按照定律一丝不苟地运行,

这种想法就是古典的,严格的决定论(determinism)。宇宙从出生的那一刹那起,就有

一个确定的命运。我们现在无法了解它,只是因为我们所知道的信息太少而已。

那么多的天才前仆后继,那么多的伟人呕心沥血,那么多在黑暗中的探索,挣扎,奋斗,

这才凝结成物理学在19世纪黄金时代的全部光荣。物理学家终于可以说,他们能够预测神

秘的宇宙了,因为他们找到了宇宙运行的奥秘。他们说这话时,带着一种神圣而不可侵犯

的情感,决不饶恕任何敢于轻视物理学力量的人。

可是,现在有人说,物理不能预测电子的行为,它只能找到电子出现的概率而已。无论如

何,我们也没办法确定单个电子究竟会出现在什么地方,我们只能猜想,电子有90%的可

能出现在这里,10%的可能出现在那里。这难道
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