3章第1节3

8、量子的世界

（1）概述

在1900年，伟大的德国物理学家马克思·普朗克提出了著名的“量子”概念。

这是因为在自然界，微观世界中的能量总是以离散的（一小团一小团的）方式，以“能量小包”来传递的。普朗克洞悉了能量的这种基本属性（在日常物体的微观尺度边沿，基本的建筑材料就像无限多的量子“乒乓球”一样。我们所见到的这个宇宙和万物就是由无限多量子“乒乓球”积聚构造出来的）。至此“万物的基质”概念得到了根本而彻底的改变。

量子是能量的一个可计算单位，量子拥有一个不能逾越的最小限度值，即普朗克常数h（6．62×10-34焦·秒）。一旦超越它，现有的各种物理定律就会失效。

有一种描述：常数h 所规定的“普朗克量子”是我们的宇宙时空和万事万物最小限度的基本建筑单元，犹如一颗颗终极的“量子沙粒”。

注：人的眼睛最起码要看到一颗光子才能有视觉上的感知，假如连一粒光子都没有了，那么我们就什么也无法看见。一旦量子的尺度小于“普朗克常数h”，这就像一颗光子都没有，我们就要面对“什么都看不见”的局面。

量子作为最小的能量作用单位，不具有实体质量的特性，物理学有时将量子只作为最小单位“力的作用”的一种描述符号，相对于我们的五官感觉而言，量子仿佛是“虚化态”的东西。这也正是常人难以理解之处。

值得注意，所有的的量子（包括光、声、电、磁、热、力）皆具有神奇的“波粒二象性”，会在波动性和粒子性之间来回跳跃。另外量子还具有不确定性、测不准、泡利不相容、量子隧穿、非定域性、量子纠缠等等特征。

量子力学理论认为，我们日常所见的大量基本粒子均是以最小作用单位的量子，单个或聚集一起所产生的存在现象。

进一步的研究发现，物质的亚原子单元比如电子、质子、中子等基本粒子也具有波粒二象性，它们有时呈现波动性，有时呈现粒子性，也是非常抽象的实在。这种性质似乎令人更加难以接受，居然将日常的某些东西（物体）一旦放大到比原子结构还要小的尺度时，

它们可以既是一种粒子——有非常小体积的实体——同时又是一种波——弥散在很大的空间区域之内。

因此，有物理学家描述，量子包括亚原子的基本粒子并不是具体存在于确定的地点，而是显示出某种“存在的倾向性”，原子事件也不是在确定的时间，以确定的方式发生，而只是具有某种“发生的倾向性”。

用量子论的表述就是说，这种倾向性可以用概率来表示，一个粒子的出现与在特定位置、特定时间找到这种粒子的几率有关，这就像大自然本身在掷骰子一样。

另外需要注意，量子（包括亚原子的基本粒子）并不是指孤立的实体，而必须理解为实验条件与测量结果之间的相互作用关系。也就是说，只有当观察者对于某一个具体的粒子给予确认的时候，这个粒子才是“真实存在”的（如果我们尚未对一个具体的粒子给予确认时，它就会变成“叠加态”的不确定状态）。这种关系中包括了观察者本身，他构成了观察过程的最后一个环节，任何一个粒子对象的确认都应该理解为粒子对象与观察者相互作用的结果（这也就是著名的“薛定谔的猫”悖论的一种表述）。

于是量子理论提示了四维时空（“我们的宇宙”）的一种基本性质，它表明我们无法把这个世界分成独立存在的最小单元。当我们深入物质的内部时，自然界并不是呈现为相互分离的“最小建筑单元”，而是表现为各个部分组合成整体的各种关系的总合。

这就是说，传统上将人类自身作为“审看者”来描述自然的思想不再是正确的，在量子世界中无法把我们观察者与对象世界分割开来。①

（2）测不准原理

20世纪20年代，德国物理学家海森伯（1932年获诺贝尔物理学奖）提出，原则上人们不可能在同一时刻给出某个粒子以精确的位置和精确的运动状态，也不可能以任意的精度进行实验和观察确定这两个量。这就是“测不准原理”，也叫不确定性原理。

正是由于“测不准原理”所规定的粒子的位置和速度不可能同时完全精确地测定，于是这产生了粒子和场在我们所能看见的各种可能数值间波动，我们所看到的量子运动总会表现得飘忽不定，再加上量子几率波这就必然引起“量子涨落”的现象，也就是说，微观世界在一片飘忽不定、沸腾汹涌的量子汪洋中随机涨落。这就是量子不确定性带来的认识效应。

    虽然在微观世界中，这种不确定性在距离和时间尺度越小时会变得越发显著，但现在，物理学家也已经将量子理论和不确定原理的基本思想广泛地应用于所有的日常物理现象。

根据量子理论，即使拥有一个物理系统的过去历史的全部信息，我们也无法对一个新的观测结果作出确定的预言。对于任何有关未来的测量，量子理论也只能告诉我们结果可能是什么，与过去信息相关的是，它将每一个可能结果与一个几率相关联，这个几率即实际发生的频繁程度。量子理论不能告诉我们对于某个实验过程所不能观测的是什么。

直到量子理论出现之前，物理学几乎从来没考虑过不可观察和不可测量的量。至少在过去的物理学中，只要给定足够的关于一个系统的过去历史的经验信息，由动力学定律就能得到关于以后任何时间所有可观测量的值和精确信息。②

（3）互补性原理

基本粒子有时似波、有时似粒子这一事实，究竟说明了什么？

基本粒子的波动性与粒子性构成其行为的互补性。20世纪最著名的物理学家之一，丹麦人尼尔斯·玻尔（1922年获诺贝尔物理学奖）把这种思想上升为“互补性原理”，互补性原理首先是在说，波粒二象性之间是互补的。任何时候我们都只能看到波动性或者粒子性之

中的一个象，但实际上大自然却同时拥有这两个象。进一步的阐述是，微观世界的量子实在无法摆脱跟宏观世界包括观察者缠绕在一起的关系。换一句话说，离开了同整体的关系，部分是没有意义的。实际上在量子论出现的早期，许多物理学家（包括薛定谔）很快就发现：部分和整体的量子概念跟东方古老的关于大自然的统一性与和谐性的传统概念十分相似。

（4）量子的“纠缠”

所谓“量子纠缠”就是爱因斯坦曾提出的两个基本粒子“在一定距离上的相应运动”。粒子的这种特性一直使物理学家感到迷惑不解。有时候，两个被远距离相隔的粒子竟然有如孪生，它们的特性相互影响。有人说：两个基本粒子之间的纠缠指的是“如果你胳肢其中一个，另一个就笑。”也就是说，相隔很远的两个量子，你指挥了其中的一个，另一个也会做出相应的动作。

值得注意，量子之间的纠缠现象，已经被无数实验所确认。

（5）量子“非定域性”

量子纠缠是一种极其怪异、完全违反直觉的现象。这种现象也被称为非定域性(nonlocality)，也就是说两个（甚至多个）物体在既不相互接触、也不通过一系列实体从这里衔接到那里的情况下，仍有可能彼此施加物理影响。非定域性暗示，一个人在中国挥出一拳，直接可以凭空打破美国另一人的鼻子，而且不惊动一草一木,这种“隔山打牛”的功夫正是量子纠缠带来的不可思议之处。量子的非定域性违背了所有日常生活中的“信念”。

尼尔斯·玻尔说过：“不对量子理论感到震惊的人不懂量子理论。”量子世界由原子、电子和其他非常微小的物质组成，其中有些概念在日常现实世界是不可思议的。少量物质在同一时间可以存在于不止一个地方。电子甚至可以穿过似乎不可穿透的墙壁，称为“量子隧穿”。还有一些人说，量子理论认为存在着多个并列宇宙的可能。

我们清楚知道，日常的物体和事物都确切的存在于某一空间位置上，而量子们却可以“既在这里，又在那里”，并且两个相距很远的粒子之间的行为无需介质即可保持同步，这些效应都是非定域的。这样，我们就必然会得到在同一个世界中，却拥有两种不同存在状态的矛盾认识。

量子理论给予人们的真正困惑是：大量实在的日常物体构成了我们可见的确定性世界，然而我们却生活在微观世界“波粒二象性”“量子沸腾”“量子纠缠”“非定域性”等等不确定性事件的支撑之上。两种“真实的存在”各自遵守着完全不同的自然规则，彼此之间产生出如此不相融合的矛盾。

附：量子力学的标准理解方法

这是上世纪初伟大的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(Niefs Bohr)提出并被学术界奉为圭臬的所谓哥本哈根解释(Copenhageninterpretation)。这种解释坚持认为，量子不确定性不是因为我们不知道单个粒子的确切位置，而是单个粒子根本不存在所谓的“确切位置”。询问单个粒子的位置，就如同询问5这个数字是否已婚一样，没有任何意义。这不是一个认知问题(我们知道些什么)，而是一个存在问题(事实真相是什么)。物理学家把粒子间这种形式的关联，称为粒子之间发生了量子力学纠缠(entanqlement)。这种相互纠缠的性质不一定非得是位置：两个粒子可以自旋方向恰好相反，但没有哪个粒子的自旋方向是确定的；又或者一堆粒子中恰有一个粒子被激发，但没有哪一个粒子确定就是那个被激发的粒子。不论粒子身处何处，本身是什么粒子，彼此间可能施加了什么作用力，纠缠都可以把它们联系起来——理论上说，分别位于星系

（6）量子的“叠加态”与“退相干”

量子本身所具有的各种各样奇特属性是交织纠缠在一起的，这可以称为量子的叠加态。

量子始终处于各种叠加态之中。而量子与外界的任何接触都会使它选择某一确定状态，从而摧毁叠加态。

只要一个观察者对量子的叠加态、波粒二象性、量子纠缠、非定域性等进行实际测量观察时，这些粒子才会选择一个比较正常的状态，即一个确定性的日常单一状态，而这个选择完全是随机的。这种现象被称为退相干。

量子的叠加态，相似于电梯刚好行进在两层楼梯口之间，观察的人不知道它是上还是下的时候，一刹那间不知所措；很快的一旦停靠住了，这时的电梯不是停靠在上一层就会在下一层。一切被退相干而变得确定和清楚了。

人们一旦认识某个量子（包括事物）的时候就如同使该量子与外界产生了接触，从而摧毁了量子本身中包含的叠加态。从广义角度说，现实生活中的所有常规认识都是一种“退相干”的效应。

怎么理解量子退相干现象呢？量子物理学家们的意见曾经出现了分歧。

著名科学家冯·诺伊曼提出过一种测量理论：“观察者在测量终结时看到仪器指针的读数，是导致被测量的对象从不确定状态过渡到确定状态的决定性因素。因此，如果不提到人类意识，就不可能表述一个完备的、前后一贯的量子力学的‘测量理论’”。按照冯·诺伊曼的这种意见，观察者“主观的介入”乃是量子退相干的根本原因。

德国物理学家吉·路德维希则持相反的观点，他拒绝“感觉”“知识”和“意识”等用语出现在物理学中，测量不再是“客体与主体之间的一个不可分的链环”，而是一个“微观系统与一个宏观系统之间的一个不可分的链环”。

还有一种观点认为，即使观察者不在场，量子叠加态与退相干也照样发生，人类的仪器只不过起着“记录”的作用。

这些观点显然是相互排斥的，人们无法判定孰是孰非。因此，事物究竟如何从叠加态过渡到退相干，这仍然是尚未解决的重要的物理学难题之一。

（7）爱因斯坦与玻尔的对决

20世纪20、30年代，当时以著名物理学家尼尔斯·玻尔为首的哥本哈根学派，坚持量子理论“测不准原理”所表述的“不确定世界”图景，他们与坚持着“一切事物都是因果相应的，没有什么偶然发生的事件”，并提出“上帝不掷骰子”的爱因斯坦之间展开了长期的论争；中心辩题是：宇宙有没有根本的（确定性）基础。或者是“一个单一的清晰的实在”。

量子世界实在太怪异了，谁也无法接受量子世界中这些不可思议的现象和规则。爱因斯坦接受不了，其他人就更不用说了。

面对如此重大的认识困惑，爱因斯坦指出，量子力学并非是一个完备的理论，因为量子力学显然不能够全面解读出这个世界的“真实图景”，即每时每刻真正存在于我们面前的所有一切。

虽然量子纠缠是一个无可争议的事实。但是爱因斯坦总觉得量子纠缠中有些东西不止奇怪，而且大有问题，这让他毛骨悚然。确切地说，日常确定性的事物其存在基础怎么可以是量子纠缠非定域的？

于是，爱因斯坦与他的两个伙伴通过被称为EPR佯谬的理想实验，试图证明量子理论的

不完备性。

紧接着，玻尔针对这个著名实验，回复了一封似乎晦涩玄妙的信，信中针对“真实”(reality)一词的使用和“物理真实的要素”如何定义提出了不同观点。他详细阐述了主体与客体之间的区别，阐述了什么条件下提出的问题才有意义，还阐述了人类语言的本质。用玻尔的原话来说，科学需要的是“彻底修正我们对于物理真实的看法”。①

真实的量子世界确实是非定域的!这个结论似乎颠覆了一切。但是完整的世界图像，日常宏观世界和量子世界所形成的整体却显然成为了“既是非定域的，又是定域的”，这真让人摸不着头脑。

量子力学带给人们的真正困惑，正来自于爱因斯坦与玻尔的这场对决。爱因斯坦的基本思想是建立在日常宏观物理现象的绝对意义上的（就连相对论也是建立在绝对不变的光速参照值之上，爱因斯坦从根本上讲是一位绝对论者）。而玻尔则不同，它坚持从量子论的不确定性出发，指出这个世界的基础是随机概率的。根据他提出的“互补性原理”，更深入地说，微观世界的量子是跟宏观世界包括观察者纠缠在一起的关系。

两位伟人已经把大家搞糊涂了，正所谓“神仙打仗，百姓遭殃”！

    爱因斯坦有错吗？看来没有。如果不是他所说的那样，我们日常真实的生活又是怎么样确定性呈现出来的呢？

    玻尔有错吗？看来也没有。微观世界的量子现象，明明白白、不可辩驳的摆在那里。

    这个问题后来进一步演变成为了物理学的一个最大难题：广义相对论与量子力学之间的矛盾冲突。

后来的物理学家出于对爱因斯坦和玻尔两位科学大师的景仰，特别是两人在各自的理论领域所取得高度成就，追随他们自当必然。一方面量子世界不确定性以测不准原理和著名的光栅干涉图像显示波粒二象性，并加上量子纠缠、非定域性、激光、超导现象、玻色凝结等后来的一系列实验证据，不可辩驳地实践着玻尔近乎专横的训诫；另一方面则是伟人爱因斯坦超常直觉的预感，它建立在无以数计的常规事物和现象的观测与思辨之上，这是人类不可能放弃的一种源于经验累积的抽象直觉本能：万物总应该有一个最终的确定性原因！

真是难为大家，量子世界的不确定性真实与日常事件（以及直觉）的确定性真实，撞迸出火星，物理学迷茫而尴尬。

在理论前沿的壕沟中，多数物理学家选择遵从量子理论实验结果的戒条，不随便吭声，默默操劳着各自手中的事情。他们用量子叠加、隧穿、相干性、退相干等实验进一步巩固理论坝基；但是，源自于人类心中对于事物终极解析的本能渴求，以及内心直觉预判与爱因斯坦思路的契合，仍然期待着爱因斯坦超常直觉预感的那个“远离我们的巨大世界”被揭示的那一刻。上述写照，真实的描述了一些物理学家学术人格的两重背离，有趣而深刻。

后来，各种不同类型的包含了古典物理学、相对论和量子力学的“万物终极理论”被相继提了出来，但是各种理论都进展缓慢。这代表着多少人的梦想，从数千年以来古代哲学的本体论到当代物理学对物质本原的探求解析，这是生活在日常确定性世界中的人类的内在精神需求，因为我们总是本能的渴望着永恒与定在。

但是，人类距离实现这样的梦想究竟还有多远路程，科学仍在惶惑中踱步。概率论与决定论的对决还在延续，结论尚未明断，那么多聪明的大脑仍在积极地运作，有人为此感叹：破晓的晨光，何时才能升起？