發現新奇的量子世界

在量子物理誕生之前，科學家們對物體不同狀態之間的因果關系非常確定，他們可以精確地得到物體在一條確定的軌跡上是怎樣運動的，這些都取決于物體受到各種外力。然而在迷霧般的歷史中發展起來的經典科學，在19世紀末的時候卻總涉及對大量原子團聚而成的這類物質的描述，比方說一顆沙子里包含著億萬個原子。

量子時代之前的觀察者觀察大量原子團聚的物質，就好比外星文明從很遠的地方觀察大片大片聚集起來的人類，它只能看到成群結隊的人，每個人群可能有幾千個、幾萬個甚至更多的人。它們眼中的人類可能是正在行進中的游行隊伍，也可能突然掌聲雷鳴，也可能急匆匆地前去上班，也可能處于各種其他的狀態。這些遙遠的外星人對近距離觀察一個獨立的地球人卻完全沒有任何心理準備。距離拉近后，這些外星人將會看到，地球人有新的行為，他們可以表達幽默和愛慕，表達同情心和創造力。如果它們只是之前從很遙遠的距離觀察過地球人的話，那么這些特性是它們完全沒有預料過的。假如這些外星人是昆蟲或者機器人的話，當近距離觀察人類的時候，它們甚至在自己的詞匯表里都找不到形容我們的詞匯。事實上，從古至今人類創造的所有的詩歌和文學作品，例如從古希臘的埃斯庫羅斯到美國作家托馬斯·品欽（Thomas Pynchon），這些文字的總和甚至都還不能涵蓋一個個體的人生經歷。

同樣來說，早先的物理可以準確描述由大量形形色色的原子組成的物體的行為，而在20世紀初，這樣一個精致的物理學大廈卻轟然崩塌了。通過新的、更為精確的和高度復雜的實驗，單個原子，甚至組成原子的更小的粒子如今登上了舞臺，它們有的在獨奏，有的三三兩兩地組成樂隊。這些單個原子的行為震驚了當時一批頂尖的科學家，將他們從舊有的經典世界中喚醒。這群新世界的探險家，是現代物理學中前衛的“詩人”“藝術家”和“作曲家”，其中閃耀著巨星光芒的科學家有海因里希·赫茲、歐內斯特·盧瑟福、J.J.湯姆遜、尼爾斯·玻爾、瑪麗·居里、維爾納·海森堡、埃爾溫·薛定諤、保羅·狄拉克、路易-維克多·德布羅意、阿爾伯特·愛因斯坦、馬克斯·玻恩、馬克斯·普朗克、沃爾夫岡·泡利等。這群探險家被原子內部的各種新發現完全震住了，仿佛“進取”號太空飛船的船員在無盡浩瀚的宇宙中發現了新的外星文明。科學家漸漸地從早期觀測數據引起的困惑中走出來，他們正不遺余力地給這個新世界重建秩序和邏輯。直到20世紀20年代末，所有化學過程和日常物質的理論基礎——原子性質的基本邏輯——才最終建成。人類已經開始理解這個嶄新而奇異的量子世界。

然而，不同于《星際迷航》中的探險家，他們最終還可以通過“嗶”的一下回到沒有那么危險的空間，而20世紀初的物理學家們卻不能，因為他們清楚地知道，這種奇怪的量子規則統治著原子世界，它是宇宙中所有一切的原始而基本的法則。想一想，我們人類就全部由原子構成，所以我們無法逃避原子域內蘊含的事實。我們已經看到了這個“外星世界”，而它不就正是我們自己嗎！

量子世界的新發現有著令人震撼的意義，這使發現它的科學家感到心神不安。這有點像政治革命，量子理論在精神上考驗著這場“革命”中最早的一批“領袖”。而讓他們如此不快的并不是政治革命中的各種陰謀詭計，卻是更深層次的、關乎實在性的讓人不安的哲學問題。就在20世紀20年代，這次觀念變革大潮的最高峰來臨之時，很多量子理論的發起者卻掉轉方向，開始抵制那些他們曾做出過巨大貢獻的理論，其中不乏愛因斯坦這樣的科學家。即便我們一下子再跳到21世紀，量子理論已廣泛被應用于諸多領域，給我們帶來了晶體管、激光、核能以及其他數不勝數的發明創造，但仍然有許多卓越的物理學家試圖用一種更為“平易近人”的方式來闡釋量子理論，以盡可能少地去沖擊人們直覺中比較習以為常的部分。盡管如此，我們仍必須坐下來去解決科學性問題，而不是費盡心思去想著如何通俗化。

在量子理論出現之前，廣為流傳的科學理論已經很好地解釋了我們的宏觀世界：在這個世界里梯子安全地靠在墻上，箭和炮彈在飛行，行星在自轉和公轉，彗星也在周期性地運動；這個世界里還有功能強大又實用的蒸汽機、電報、電動馬達、發電機和無線電廣播。總而言之，經典物理學已經成功地解釋了1900年以前科學家能夠輕易觀察和測量到的所有現象。讓人們嘗試去接納原子尺度的怪異行為是十分困難的，在哲學層面也難以調和，可見這個新生的量子理論是完全有悖于直覺的。

直覺往往建立在人們的生活經驗之上，但即便從這個意義上來講，絕大多數早先的經典科學理論在其被發現的時代里也是違背當時人們的直覺的。如伽利略對物體在無摩擦情形下運動的觀點，在當時就非常違背一般人的直覺（幾乎沒有人經歷過或者去思考那種沒有摩擦力存在的世界）。[2]可是起源于伽利略的經典科學在1900年之前的300年里，重新定義了我們所謂的直覺，而且這套理論似乎在那些科技劇烈變化的年代中巋然不動，直到量子物理被發現之后，才由后者帶來了全新意義的反直覺和實實在在的震撼。

要理解原子，并且統一1900—1930年實驗室發現的一系列明顯自相矛盾的實驗現象，就意味著科學家們要有革命性的想法和態度。那些曾在很廣泛的意義上給事件演進帶來精準預言的物理學方程，現在卻只能計算出一個“概率”——一個事件發生的可能性。代表著精確性和必然性的牛頓方程（經典的決定論）被薛定諤的新方程和海森堡關于不確定性和概率的數學表達所取代。

那么在自然界中這種原子尺度的不確定性是如何展示的呢？其實可以在很多地方遇到這種情況，這里我們舉一個簡單的例子。在實驗室里我們知道，如果我們有一堆放射性原子，比如說鈾，那么在一段確定的時間內一半數量的原子會消失（其實我們的意思是“衰變成其他更小的原子”），這段時間就稱為這種元素的半衰期。再經過一個半衰期，剩下的原子又會減少一半的數量（所以兩個半衰期后我們原來擁有的放射性原子只剩1/4，三個半衰期后只剩1/8，以此類推）。原則上講，如果肯費力氣，我們可以用量子物理學計算鈾原子的半衰期。類似地，我們可以從基本粒子出發計算出其他種類原子的半衰期，這使得那些原子物理學家、核物理學家和粒子物理學家保住了鐵飯碗。但是，量子理論不能預測單獨的一個鈾原子什么時候消失（衰變）。

這是一個難以令人滿意的結果。也就是說，如果鈾原子符合牛頓的經典物理體系，那么只要給出足夠的前提細節，我們總可以預言一個特定的原子什么時候會衰變。量子物理卻與此不同，它只能夠告訴我們模糊的概率。可以說，量子理論已經斷言，衰變概率是我們能夠了解的關于一個特定原子衰變的全部信息。

讓我們再來看一個量子世界里的例子：如果有不多不少正好兩個可以分辨的光子（構成光的粒子）由相同的路徑射向一塊玻璃，它們可以直接穿透玻璃，也可能被反射回去。量子物理學無法預言具體哪一個光子穿透了，哪一個被反射了。從理論上說，我們根本無法知曉一個特定光子未來會怎樣，我們只能夠計算各種可能情形（透射或反射）的概率。我們有可能通過量子物理計算得到這樣一個結論：每一個光子有10%的可能性被玻璃反射回去，有90%的可能性透射過去。但是也就到此為止了。盡管量子物理有明顯的不確定性，但它為我們提供了一個正確的方法去認識這個世界是如何運轉的，事實上，這也是唯一正確的方法。量子物理同樣也為我們認識原子結構、原子演變、分子構造以及輻射（所有從原子發出來的光）提供了唯一方法。后來人們發現，在解釋原子核中質子和中子是如何緊緊地束縛在一起、太陽為什么可以產生如此巨大的能量輸出等原子核核內問題時，量子物理同樣很成功。

既然伽利略和牛頓的經典物理學無法描述原子行為，那它又怎能簡潔且精確地預言日食發生的時間、預言2061年一個周四的下午哈雷彗星會造訪地球以及求出宇宙飛船的軌道？我們生活中很多事情都是仰仗著牛頓物理學的出色表現，比如確保機翼是固定在飛機上且能使其在天上飛行，確保大橋和大樓在風中屹立不倒，確保外科手術的機械手精準無誤。如果量子力學最終十分確定這個世界并非按照經典物理學的方式運行，那后者又是怎樣在這些日常生活中正常發揮作用的呢？

當遇到大量原子聚集在一起的情形，比如剛才例子里的機翼、大橋甚至機械手，量子理論的那種詭異的反直覺行為——其理論中伴隨的概率和不確定性——經過平均后又變回了經典的牛頓力學的那種適當且精確的可預見性行為。簡而言之，是因為統計學。這就有點像根據統計學得出美國家庭平均成員數為2.637，雖然沒有任何一個家庭恰好有2.637人，但這確實是一種非常嚴格而精確的表達。

在如今21世紀的現代社會里，量子物理已經成為所有原子及亞原子研究領域的重頭戲，在材料學和宇宙學領域同樣舉足輕重。電子學及其他領域中和量子有關的成果，每年可以為美國經濟帶來數萬億美元的進賬。同時，因對量子力學的理解而帶來的生產效率的提高，每年又可以帶來數萬億美元的增收。然而，仍然有少數特立獨行的物理學家，他們在存在主義哲學家的鼓動下依然致力于這樣一些基本思想的研究工作，包括定義量子理論，從某種程度上嘗試徹底搞清量子力學，寄希望于量子理論存在某種更深層次的內在精確性，這種精確性此前只是在某種程度上被忽略了……總之，持這種想法的物理學家只是少數。