第6章 量子力学:充满不确定性的微观世界
也许你会问自己,
我对了?……还是我错了?
艾克在纳闷,不知到底是因为阿西娜让他看了太多的电影,还是因为迪特尔对他讲了太多的物理,不管什么原因吧,总之艾克昨晚梦到了一个量子侦探。那侦探穿着军式大衣,一脸木然。在梦中,侦探说:
“除了名字之外,我对她一无所知,而她就站在我面前,但从看到伊莱克特拉[6]的第一眼起,我就知道她是个大麻烦。
我问她从哪儿来,她拒绝回答。这屋子有两个门,她肯定是从其中某一个进来的。但伊莱克特拉沙哑着嗓子低声说:‘先生,别问了。我是不会告诉你从哪个门进来的。’”“看到她在发抖,我努力想让她镇静下来。但当我走近她时,伊莱克特拉却疯了似的后退一大步,她恳求我不要再靠近了。见她那么不安,我只好离她远远的。跟不确定的人打交道我并不陌生,但这次我却束手无策了,看来这会儿要跟不确定耗上了。”
量子力学尽管有悖于直觉,还是从根本上改变了科学家对世界的看法。大多数的现代科学都起源于量子力学:统计力学、粒子物理学、化学、宇宙学、分子生物学、进化生物学、地质学(通过放射性元素推定年代),所有这些无一不是这一进步的结果,它们要么由此创立,要么由此得到改进。如果没有半导体和现代电子,则根本不可能有电脑、DVD播放机、数码相机等现代世界的诸多便利设施,它们的发展全都仰仗于量子现象。
我不太确信在大学里初学时,是否真正理解了量子力学的奇妙。我学会了它的基本原理,也能够在不同场合应用它们。但是直到多年以后我开始讲授量子力学并仔细研究了量子力学的逻辑时,才发现它竟是这么神奇。尽管我们现在只是把量子力学作为物理课程的一部分,但它真是令人称奇的。
科学应该怎样发展,量子力学的故事可谓是一个非常完美的范例。早期量子力学是以模型构建理念开始的——不等任何人形成任何理论,它就开始探索一些令人费解的现象,实验和理论进步同时蓬勃迅速地发展着。物理学家创立了量子理论,来解释经典物理学不能解释的实验结果;反过来,量子理论又提出了更进一步的实验来验证假设。
科学家们花了很长时间才理清这些实验观察的所有含义,量子力学的意义实在是太激进了,大多数的科学家并不能立即领悟它们。在接受量子力学的假设之前,科学家们只能暂时搁置心里的迷惑,因为它们与熟悉的传统观念有着太大的差异。甚至像马克斯·普朗克、欧文·薛定谔(Erwin Schrödinger)和阿尔伯特·爱因斯坦这样的理论先驱,也从未真正地接受量子力学的思考方式。“上帝不掷骰子。”爱因斯坦以此表达了他的反对,这句话也因此成了名言。大多数的科学家最终的确接受了这一真理(正如我们现在理解的这样),但这种接受并非一蹴而就。
20世纪早期科学进步的激进特征回荡在现代文化里:当时,文学和艺术的根本特征以及人们对心理学的理解都产生了翻天覆地的变化。尽管有人将这些进步归因于第一次世界大战带来的动荡和破坏,但艺术家如瓦西里·康丁斯基(Wassily Kandingsky)却说:既然原子能够穿透一切,说明任何事情都可以改变;因此,在艺术上,什么都有可能发生。康丁斯基这样描述了他对核原子的反应:“原子模型的坍塌给我心灵的影响无异于整个世界的坍塌,最坚固的城墙顷刻间轰然倒掉;如果一块石头出现在我面前,在空气里融化、消失,我一点都不会感到惊诧。”
康丁斯基的反应是有点极端,尽管量子力学的根本非常激进,但当用于非科学场合时,还是很容易被用过了头。我发现麻烦最大的例子是,不确定性原理常常被滥用,人们往往似是而非地误用它,把它作为不准确的借口。本章我们将看到,不确定性原理实际上是对可观测量的一个极为精确的陈述。当然,这一陈述有着令人惊讶的内涵。
现在我们来介绍量子力学和它的基本原理,这些原理使它有别于之前旧的经典物理。我们将讲到的离奇的新概念包括量子化、波函数、波粒二象性和不确定性原理,本章概括了这些主要观点,并简要回顾了它们的发展历史。
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