发现新奇的量子世界

在量子物理诞生之前，科学家们对物体不同状态之间的因果关系非常确定，他们可以精确地得到物体在一条确定的轨迹上是怎样运动的，这些都取决于物体受到各种外力。然而在迷雾般的历史中发展起来的经典科学，在19世纪末的时候却总涉及对大量原子团聚而成的这类物质的描述，比方说一颗沙子里包含着亿万个原子。

量子时代之前的观察者观察大量原子团聚的物质，就好比外星文明从很远的地方观察大片大片聚集起来的人类，它只能看到成群结队的人，每个人群可能有几千个、几万个甚至更多的人。它们眼中的人类可能是正在行进中的游行队伍，也可能突然掌声雷鸣，也可能急匆匆地前去上班，也可能处于各种其他的状态。这些遥远的外星人对近距离观察一个独立的地球人却完全没有任何心理准备。距离拉近后，这些外星人将会看到，地球人有新的行为，他们可以表达幽默和爱慕，表达同情心和创造力。如果它们只是之前从很遥远的距离观察过地球人的话，那么这些特性是它们完全没有预料过的。假如这些外星人是昆虫或者机器人的话，当近距离观察人类的时候，它们甚至在自己的词汇表里都找不到形容我们的词汇。事实上，从古至今人类创造的所有的诗歌和文学作品，例如从古希腊的埃斯库罗斯到美国作家托马斯·品钦（Thomas Pynchon），这些文字的总和甚至都还不能涵盖一个个体的人生经历。

同样来说，早先的物理可以准确描述由大量形形色色的原子组成的物体的行为，而在20世纪初，这样一个精致的物理学大厦却轰然崩塌了。通过新的、更为精确的和高度复杂的实验，单个原子，甚至组成原子的更小的粒子如今登上了舞台，它们有的在独奏，有的三三两两地组成乐队。这些单个原子的行为震惊了当时一批顶尖的科学家，将他们从旧有的经典世界中唤醒。这群新世界的探险家，是现代物理学中前卫的“诗人”“艺术家”和“作曲家”，其中闪耀着巨星光芒的科学家有海因里希·赫兹、欧内斯特·卢瑟福、J.J.汤姆逊、尼尔斯·玻尔、玛丽·居里、维尔纳·海森堡、埃尔温·薛定谔、保罗·狄拉克、路易-维克多·德布罗意、阿尔伯特·爱因斯坦、马克斯·玻恩、马克斯·普朗克、沃尔夫冈·泡利等。这群探险家被原子内部的各种新发现完全震住了，仿佛“进取”号太空飞船的船员在无尽浩瀚的宇宙中发现了新的外星文明。科学家渐渐地从早期观测数据引起的困惑中走出来，他们正不遗余力地给这个新世界重建秩序和逻辑。直到20世纪20年代末，所有化学过程和日常物质的理论基础——原子性质的基本逻辑——才最终建成。人类已经开始理解这个崭新而奇异的量子世界。

然而，不同于《星际迷航》中的探险家，他们最终还可以通过“哔”的一下回到没有那么危险的空间，而20世纪初的物理学家们却不能，因为他们清楚地知道，这种奇怪的量子规则统治着原子世界，它是宇宙中所有一切的原始而基本的法则。想一想，我们人类就全部由原子构成，所以我们无法逃避原子域内蕴含的事实。我们已经看到了这个“外星世界”，而它不就正是我们自己吗！

量子世界的新发现有着令人震撼的意义，这使发现它的科学家感到心神不安。这有点像政治革命，量子理论在精神上考验着这场“革命”中最早的一批“领袖”。而让他们如此不快的并不是政治革命中的各种阴谋诡计，却是更深层次的、关乎实在性的让人不安的哲学问题。就在20世纪20年代，这次观念变革大潮的最高峰来临之时，很多量子理论的发起者却掉转方向，开始抵制那些他们曾做出过巨大贡献的理论，其中不乏爱因斯坦这样的科学家。即便我们一下子再跳到21世纪，量子理论已广泛被应用于诸多领域，给我们带来了晶体管、激光、核能以及其他数不胜数的发明创造，但仍然有许多卓越的物理学家试图用一种更为“平易近人”的方式来阐释量子理论，以尽可能少地去冲击人们直觉中比较习以为常的部分。尽管如此，我们仍必须坐下来去解决科学性问题，而不是费尽心思去想着如何通俗化。

在量子理论出现之前，广为流传的科学理论已经很好地解释了我们的宏观世界：在这个世界里梯子安全地靠在墙上，箭和炮弹在飞行，行星在自转和公转，彗星也在周期性地运动；这个世界里还有功能强大又实用的蒸汽机、电报、电动马达、发电机和无线电广播。总而言之，经典物理学已经成功地解释了1900年以前科学家能够轻易观察和测量到的所有现象。让人们尝试去接纳原子尺度的怪异行为是十分困难的，在哲学层面也难以调和，可见这个新生的量子理论是完全有悖于直觉的。

直觉往往建立在人们的生活经验之上，但即便从这个意义上来讲，绝大多数早先的经典科学理论在其被发现的时代里也是违背当时人们的直觉的。如伽利略对物体在无摩擦情形下运动的观点，在当时就非常违背一般人的直觉（几乎没有人经历过或者去思考那种没有摩擦力存在的世界）。[2]可是起源于伽利略的经典科学在1900年之前的300年里，重新定义了我们所谓的直觉，而且这套理论似乎在那些科技剧烈变化的年代中岿然不动，直到量子物理被发现之后，才由后者带来了全新意义的反直觉和实实在在的震撼。

要理解原子，并且统一1900—1930年实验室发现的一系列明显自相矛盾的实验现象，就意味着科学家们要有革命性的想法和态度。那些曾在很广泛的意义上给事件演进带来精准预言的物理学方程，现在却只能计算出一个“概率”——一个事件发生的可能性。代表着精确性和必然性的牛顿方程（经典的决定论）被薛定谔的新方程和海森堡关于不确定性和概率的数学表达所取代。

那么在自然界中这种原子尺度的不确定性是如何展示的呢？其实可以在很多地方遇到这种情况，这里我们举一个简单的例子。在实验室里我们知道，如果我们有一堆放射性原子，比如说铀，那么在一段确定的时间内一半数量的原子会消失（其实我们的意思是“衰变成其他更小的原子”），这段时间就称为这种元素的半衰期。再经过一个半衰期，剩下的原子又会减少一半的数量（所以两个半衰期后我们原来拥有的放射性原子只剩1/4，三个半衰期后只剩1/8，以此类推）。原则上讲，如果肯费力气，我们可以用量子物理学计算铀原子的半衰期。类似地，我们可以从基本粒子出发计算出其他种类原子的半衰期，这使得那些原子物理学家、核物理学家和粒子物理学家保住了铁饭碗。但是，量子理论不能预测单独的一个铀原子什么时候消失（衰变）。

这是一个难以令人满意的结果。也就是说，如果铀原子符合牛顿的经典物理体系，那么只要给出足够的前提细节，我们总可以预言一个特定的原子什么时候会衰变。量子物理却与此不同，它只能够告诉我们模糊的概率。可以说，量子理论已经断言，衰变概率是我们能够了解的关于一个特定原子衰变的全部信息。

让我们再来看一个量子世界里的例子：如果有不多不少正好两个可以分辨的光子（构成光的粒子）由相同的路径射向一块玻璃，它们可以直接穿透玻璃，也可能被反射回去。量子物理学无法预言具体哪一个光子穿透了，哪一个被反射了。从理论上说，我们根本无法知晓一个特定光子未来会怎样，我们只能够计算各种可能情形（透射或反射）的概率。我们有可能通过量子物理计算得到这样一个结论：每一个光子有10%的可能性被玻璃反射回去，有90%的可能性透射过去。但是也就到此为止了。尽管量子物理有明显的不确定性，但它为我们提供了一个正确的方法去认识这个世界是如何运转的，事实上，这也是唯一正确的方法。量子物理同样也为我们认识原子结构、原子演变、分子构造以及辐射（所有从原子发出来的光）提供了唯一方法。后来人们发现，在解释原子核中质子和中子是如何紧紧地束缚在一起、太阳为什么可以产生如此巨大的能量输出等原子核核内问题时，量子物理同样很成功。

既然伽利略和牛顿的经典物理学无法描述原子行为，那它又怎能简洁且精确地预言日食发生的时间、预言2061年一个周四的下午哈雷彗星会造访地球以及求出宇宙飞船的轨道？我们生活中很多事情都是仰仗着牛顿物理学的出色表现，比如确保机翼是固定在飞机上且能使其在天上飞行，确保大桥和大楼在风中屹立不倒，确保外科手术的机械手精准无误。如果量子力学最终十分确定这个世界并非按照经典物理学的方式运行，那后者又是怎样在这些日常生活中正常发挥作用的呢？

当遇到大量原子聚集在一起的情形，比如刚才例子里的机翼、大桥甚至机械手，量子理论的那种诡异的反直觉行为——其理论中伴随的概率和不确定性——经过平均后又变回了经典的牛顿力学的那种适当且精确的可预见性行为。简而言之，是因为统计学。这就有点像根据统计学得出美国家庭平均成员数为2.637，虽然没有任何一个家庭恰好有2.637人，但这确实是一种非常严格而精确的表达。

在如今21世纪的现代社会里，量子物理已经成为所有原子及亚原子研究领域的重头戏，在材料学和宇宙学领域同样举足轻重。电子学及其他领域中和量子有关的成果，每年可以为美国经济带来数万亿美元的进账。同时，因对量子力学的理解而带来的生产效率的提高，每年又可以带来数万亿美元的增收。然而，仍然有少数特立独行的物理学家，他们在存在主义哲学家的鼓动下依然致力于这样一些基本思想的研究工作，包括定义量子理论，从某种程度上尝试彻底搞清量子力学，寄希望于量子理论存在某种更深层次的内在精确性，这种精确性此前只是在某种程度上被忽略了……总之，持这种想法的物理学家只是少数。