?關(guān)于作者

曹天元，科普作家。本人不愿意透露具體身份。

關(guān)于本書

《上帝擲骰子嗎？》是中國(guó)非常出名的科普作品之一。曾獲“吳大猷科普獎(jiǎng)”，文津圖書獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)，被譽(yù)為中國(guó)版的《時(shí)間簡(jiǎn)史》。

核心內(nèi)容

作者梳理了量子力學(xué)百余年來的發(fā)展史，對(duì)量子力學(xué)的基本原理，發(fā)展歷程中的重要事件以及多位頂尖科學(xué)家之間的觀點(diǎn)爭(zhēng)執(zhí)做了梳理，并詳細(xì)論述了量子力學(xué)對(duì)人類認(rèn)知的顛覆性影響。

前言

你好，歡迎每天聽本書。本期音頻為你解讀的是《上帝擲骰子嗎》，副標(biāo)題是“量子物理史話”。這本書的中文版大約56萬字，我會(huì)用大約27分鐘的時(shí)間，為你講述書中精髓：量子論是怎么顛覆了人類的認(rèn)知？

如果要評(píng)選20世紀(jì)人類社會(huì)最重要的事件，那么既不是兩次世界大戰(zhàn)，也不是人類登上了太空，而是量子力學(xué)的出現(xiàn)和發(fā)展。這不是我說的，而是《上帝擲骰子嗎》這本書里的觀點(diǎn)。為什么這么說呢？因?yàn)榱孔恿W(xué)的誕生，引發(fā)了一系列的技術(shù)革命，包括核能、計(jì)算機(jī)、材料學(xué)、信息技術(shù)等等領(lǐng)域，完全深入了我們生活的每一個(gè)角落。

從實(shí)用性上來說，量子力學(xué)可以說是最成功的理論。但問題是，至今為止，我們也不能完全理解量子力學(xué)。因?yàn)樗鼘?shí)在是太違反常識(shí)了，完全顛覆了傳統(tǒng)的世界觀，有時(shí)甚至?xí)屓烁械娇膳隆Ｋ约词故呛芏囗敿獾目茖W(xué)家，甚至是量子力學(xué)開山鼻祖級(jí)的人物，都可能會(huì)不敢相信量子力學(xué)的結(jié)論，最終站到了量子力學(xué)的對(duì)立面。

《上帝擲骰子嗎》這本書的書名，就來源于愛因斯坦對(duì)于量子力學(xué)的批評(píng)。愛因斯坦和另一位頂尖科學(xué)家玻爾的論戰(zhàn)，是20世紀(jì)最出名的科學(xué)爭(zhēng)論。愛因斯坦在這場(chǎng)圍繞量子力學(xué)的對(duì)戰(zhàn)中說“上帝是不會(huì)玩擲骰子游戲的”，他就是在說，量子力學(xué)的理論，一定是有問題的，世界不是按照量子力學(xué)那套理論來運(yùn)行的。但事實(shí)證明，愛因斯坦錯(cuò)了，上帝真的就是在擲骰子，量子力學(xué)徹底顛覆了我們對(duì)世界的認(rèn)知。

這本書的作者是曹天元，他本人就像量子一樣神秘，不愿意透露自己的身份。跟作者本人的低調(diào)不同，《上帝擲骰子嗎》這本書可以說是大名鼎鼎，被譽(yù)為中國(guó)的《時(shí)間簡(jiǎn)史》。這本書屬于通俗的科學(xué)史讀物，通過一個(gè)歷時(shí)性的縱向視角，介紹了整個(gè)量子力學(xué)的發(fā)展史。量子力學(xué)發(fā)展過程中的各位代表人物，從普朗克到玻爾到薛定諤再到愛因斯坦，在書中都有出場(chǎng)。量子力學(xué)發(fā)展過程中的重要事件、各類思想交鋒，以及對(duì)人類認(rèn)知所產(chǎn)生的決定性影響，這本書都用非常形象的方式給予了概括。只要有中學(xué)物理基礎(chǔ)的人，基本都能看懂書中所介紹的量子論原理。在我看來，如果這世界上只有一本書能讓你明白量子力學(xué)，那就是這本書了。

接下來，我從三個(gè)角度，來為你講述本書精髓，量子力學(xué)如何顛覆了我們的認(rèn)知？要明白這個(gè)問題，首先要從量子論的起源說起，看看量子論在最初是怎么沖擊經(jīng)典物理學(xué)的？然后再來看看，為什么說量子力學(xué)是在“擲骰子”，“骰子”是如何徹底摧毀經(jīng)典物理學(xué)體系的？最后來了解一下，“不確定性”到底意味著什么，為什么說它不光影響了物理學(xué)，還影響了哲學(xué)？

第一部分

先從量子力學(xué)誕生時(shí)的情況說起。來看第一個(gè)問題，量子論是如何沖擊經(jīng)典物理學(xué)的？在19世紀(jì)末的時(shí)候，經(jīng)典物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)巔峰。當(dāng)時(shí)牛頓力學(xué)體系經(jīng)歷了幾個(gè)世紀(jì)的考驗(yàn)，屹立不倒，從天上的星星到地上的石頭，統(tǒng)統(tǒng)都遵照著牛頓訂下的規(guī)則在運(yùn)動(dòng)；在電磁學(xué)方面，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋發(fā)表了三篇關(guān)于電磁理論的論文，提出光也是一種電磁波，后人從他的理論中總結(jié)出了名垂千古的麥克斯韋方程組，這一成就決不在牛頓之下；在熱力學(xué)方面呢，熱力學(xué)三大定律也已經(jīng)基本確定了。更厲害的是，經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)、經(jīng)典熱力學(xué)，這三大體系是和諧統(tǒng)一的，成為了經(jīng)典物理學(xué)的三大支柱，牢不可破。

所以那個(gè)時(shí)候人們認(rèn)為，物理學(xué)差不多已經(jīng)到頭了。所有的物體，一切的現(xiàn)象，都在遵照著經(jīng)典物理學(xué)的基本原理在運(yùn)行。大自然中的力、熱、光、電、磁，所有的現(xiàn)象，都已經(jīng)被物理學(xué)無死角全覆蓋。人類已經(jīng)完全掌握了大自然的運(yùn)行規(guī)律，可以把握世界上的一切事物。當(dāng)時(shí)的熱力學(xué)泰斗開爾文男爵就說，“物理學(xué)的未來，只能在小數(shù)點(diǎn)第六位之后去尋找”。意思就是說，物理學(xué)以后的發(fā)展，無非就是小修小補(bǔ)，小打小鬧，比如更精確地測(cè)量了一些常數(shù)什么的。至于各個(gè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)原理，都已經(jīng)定型了。

但同樣是這位開爾文男爵，他在1900年發(fā)表了一個(gè)著名的演講，說物理學(xué)這座大廈雖然雄偉，但它的上空卻飄浮著兩朵“烏云”，也就是兩個(gè)物理學(xué)上的難題還沒有解決。第一個(gè)難題，是人們猜想宇宙中有一種叫“以太”的物質(zhì)，但無論怎么做實(shí)驗(yàn)，都探測(cè)不到這種物質(zhì)。第二個(gè)難題，是關(guān)于黑體輻射實(shí)驗(yàn)的，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，總和理論預(yù)測(cè)不一致。在當(dāng)時(shí)看起來，這兩朵烏云似乎不算是大問題，但如果你今天回過頭來看就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這兩朵烏云，第一朵導(dǎo)致了相對(duì)論革命的爆發(fā)，第二朵導(dǎo)致了量子論革命的爆發(fā)。整個(gè)輝煌燦爛的經(jīng)典物理學(xué)大廈，就在這兩次革命中轟然倒塌。

先簡(jiǎn)單地說一下，導(dǎo)致相對(duì)論革命的這朵烏云是怎么回事。19世紀(jì)的時(shí)候，科學(xué)家們認(rèn)為，電磁波的傳播需要一種介質(zhì)，這種假想中的介質(zhì)就叫以太。以太充滿整個(gè)宇宙，沒有質(zhì)量，而且是絕對(duì)靜止的。光速也是相對(duì)于以太這個(gè)絕對(duì)靜止的參照系來說的，如果換個(gè)參照系，光速的大小也就變了。如果你和光在以太中順著同一個(gè)方向奔跑，那光速在你看來就變慢了一點(diǎn)，如果你和光相對(duì)著奔跑，那光速在你看來就快了一點(diǎn)。

所以說，當(dāng)時(shí)整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)的時(shí)空體系，都建立在以太的基礎(chǔ)之上。為了觀測(cè)以太，有兩位科學(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)極其精密的實(shí)驗(yàn)，來探測(cè)以太對(duì)于光線傳播的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論是順著光跑還是逆著光跑，觀察到的光速都是完全一樣的，根本沒有任何變化。這讓整個(gè)物理學(xué)界大受震動(dòng)。這次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，等于是否定了以太的存在，也否定了經(jīng)典物理學(xué)和經(jīng)典時(shí)空觀的基礎(chǔ)。愛因斯坦最終提出，在任何參照系中，光速都是不變的，并且以此為基礎(chǔ)，掀起了一場(chǎng)轟轟烈烈的相對(duì)論革命。

當(dāng)然了，我們今天的重點(diǎn)是第二朵烏云。所以接下來我們著重來看一下，導(dǎo)致量子論革命的這朵烏云是怎么回事。

在19世紀(jì)末的時(shí)候，很多科學(xué)家都在研究黑體輻射問題，簡(jiǎn)單來講，就是研究物體的溫度和輻射能量之間有著怎樣的關(guān)系。經(jīng)過科學(xué)家前仆后繼的努力，終于得到了兩套公式，但問題是，其中一套公式只對(duì)電磁波的短波有效，另一套公式只對(duì)長(zhǎng)波有效，所以這中間肯定是有問題的。

這個(gè)時(shí)候，量子論歷史上最最重要的人物之一，普朗克，就登場(chǎng)了。普朗克這個(gè)人多才多藝，文學(xué)、音樂、自然科學(xué)，樣樣精通。普朗克的大學(xué)導(dǎo)師還勸他說物理學(xué)體系已經(jīng)非常成熟了，不會(huì)再有什么大的發(fā)現(xiàn)了，你不如去搞搞其他的。還好當(dāng)時(shí)普朗克沒聽他的話，否則量子力學(xué)能不能發(fā)展起來還真不好說。

1900年的時(shí)候，普朗克已經(jīng)研究黑體輻射好幾年了，但也沒搞出什么頭緒來。一天下午，他就想換個(gè)思路，先不管各種各樣的假設(shè)啊推導(dǎo)啊，不管怎樣，先用數(shù)學(xué)方法把這兩套公式拼起來再說。結(jié)果幾天之后，普朗克還真把這兩套公式給湊成了一個(gè)，也就是著名的“普朗克黑體公式”。在普朗克黑體公式公布之后，大家發(fā)現(xiàn)這個(gè)公式非常管用。但問題是，大家都是知其然，不知其所以然，只知道這個(gè)公式好用，但不知道它為什么好用，也并不知道這個(gè)公式究竟隱藏著怎樣的物理意義。

又經(jīng)過了一段時(shí)間的研究，普朗克終于發(fā)現(xiàn)，如果要讓這個(gè)公式成立，就必須做一個(gè)假設(shè)，那就是：能量在發(fā)射或者吸收的時(shí)候，不是連續(xù)不斷的，而是必須分成一小份一小份的。也就是說，能量不是可以無限分割的，而是有一個(gè)最小單位，這個(gè)基本單位，后來就被命名為“量子”。就是這個(gè)量子的假定，最終推翻了整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)的大廈，也徹徹底底地改變了人類對(duì)世界的認(rèn)識(shí)。

為什么這么說呢？在經(jīng)典物理學(xué)看來，一切自然過程都是連續(xù)不斷的，如果氣溫從20度上升到30度，那中間肯定經(jīng)過了25度，如果一個(gè)化學(xué)反應(yīng)釋放了50焦耳的能量，那中間肯定有一個(gè)時(shí)刻，它剛好釋放出了，比如30.134焦耳的能量。但量子的假設(shè)就不是這樣，量子論相當(dāng)于在說，能量的發(fā)射和吸收，就像是我們花錢一樣，你一次最少也要花1分錢，因?yàn)闆]有比1分錢更小的面值了。你不能說我買個(gè)東西花0.3分錢，不可能的。能量也一樣，它有個(gè)最小單位，是不連續(xù)的。

關(guān)于連續(xù)性和平滑性的假設(shè)，是微積分的基礎(chǔ)。而無論是牛頓的力學(xué)還是麥克斯韋的電磁學(xué)，都建立在微積分的基礎(chǔ)之上。而量子論的誕生，直接動(dòng)搖了連續(xù)性的假設(shè)，相當(dāng)于經(jīng)典物理學(xué)的大廈一下子被移走了地基。

那量子論到底對(duì)不對(duì)呢？是對(duì)的。舉個(gè)例子，大名鼎鼎的光電效應(yīng)?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果用光來照射金屬，就有可能從金屬的表面打擊出電子來。但很奇怪的是，光能不能打出電子，跟光的強(qiáng)度無關(guān)，只跟光的頻率有關(guān)。比如頻率高的紫外線，就可以打擊出電子。頻率低的紅光、黃光，就一個(gè)電子都打不出來，而且無論這個(gè)紅光和黃光有多強(qiáng)都不行。這個(gè)當(dāng)時(shí)科學(xué)家都不能解釋的現(xiàn)象，就是“光電效應(yīng)”。之后愛因斯坦用量子理論成功地解釋了光電效應(yīng)：頻率更高的光線，比如紫外線，它的單個(gè)量子所蘊(yùn)含的能量比較高，而頻率低的光線，單個(gè)量子蘊(yùn)含的能量低。對(duì)于低頻率的光來說，它的量子能量不足，根本就激發(fā)不出電子，無論這個(gè)光多強(qiáng)都不行。也就是說，光也是以量子的形式來吸收能量的，沒有連續(xù)性，也不能積累。

憑借著對(duì)光電效應(yīng)的解釋，愛因斯坦最終獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。這里順便提一句，愛因斯坦對(duì)自己的世界觀有著非常堅(jiān)定的信仰，所以他在后期不愿意接受量子力學(xué)中種種違反常識(shí)、顛覆認(rèn)知的現(xiàn)象，甚至站到了量子力學(xué)的對(duì)立面，但盡管如此，他對(duì)光電效應(yīng)的研究，以及對(duì)量子力學(xué)的種種質(zhì)疑，仍然在客觀上推動(dòng)了量子論的發(fā)展。

剛才講的就是第一個(gè)問題，量子論是如何沖擊經(jīng)典物理學(xué)的？經(jīng)典物理學(xué)建立在微積分的基礎(chǔ)之上，認(rèn)為一切的自然過程都是連續(xù)不斷的，可以無限切分。但普朗克卻發(fā)現(xiàn)，能量的傳輸并不是連續(xù)的，而是有一個(gè)最小單位，就是量子，愛因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的研究等也證實(shí)了這一結(jié)論。整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)的大廈因此搖搖欲墜。

如果說量子論對(duì)“連續(xù)性”的沖擊，是讓經(jīng)典物理學(xué)的大廈搖搖欲墜的話，那接下來我們要討論的話題等于是徹底摧毀了這座大廈。就來看看科學(xué)家為什么說量子力學(xué)是在“擲骰子”？為什么一個(gè)小小的“骰子”會(huì)摧毀經(jīng)典物理學(xué)呢？

第二部分

隨著量子論的不斷發(fā)展，這門學(xué)科展現(xiàn)出了越來越多讓人匪夷所思的性質(zhì)。而且跟以前不同的是，很多物理性質(zhì)，都是通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)才發(fā)現(xiàn)的。我們一般認(rèn)為，只有先掌握了物理量的定義，然后才能在這些物理量之間建立數(shù)學(xué)關(guān)系。比如我們先知道了什么是力，什么是質(zhì)量和加速度，然后才發(fā)現(xiàn)，力等于質(zhì)量乘以加速度。但在量子力學(xué)，包括現(xiàn)代物理學(xué)的其他領(lǐng)域里，經(jīng)常是科學(xué)家們用數(shù)學(xué)方法算出一個(gè)函數(shù)或者方程，然后才去尋找這個(gè)函數(shù)究竟是什么意思。就像是你在不知道什么是力的情況下，就先通過計(jì)算得出了一個(gè)數(shù)據(jù)，然后才發(fā)現(xiàn)原來這個(gè)數(shù)據(jù)代表了力的大小。

在這里，著名的奧地利科學(xué)家薛定諤要登場(chǎng)了。薛定諤在研究原子的過程中，得到了一個(gè)名震物理學(xué)史的著名方程，叫薛定諤波動(dòng)方程。這個(gè)方程里有一個(gè)用希臘字母ψ命名的函數(shù)，它代表電子在空間中的分布，但人們并不知道它明確的物理意義到底是什么。

薛定諤本人認(rèn)為，ψ函數(shù)的物理意義，是電子在空間中的實(shí)際分布。什么意思呢？就是說，如果我們把電子或者光子這些微觀粒子放大來看的話，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它們不是一個(gè)個(gè)小點(diǎn)，而是在空間中融化開來了，就好像是涂在面包上的黃油那樣。這個(gè)ψ，就是代表電子的這種實(shí)際的位置分布。但另一位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者波恩卻認(rèn)為，薛定諤的這個(gè)解釋是錯(cuò)的。他提出了一個(gè)驚世駭俗的預(yù)言，說ψ函數(shù)代表的不是電子的實(shí)際分布，而是代表著一種隨機(jī)分布，也就是電子在某個(gè)地點(diǎn)出現(xiàn)的概率。

到底誰是對(duì)的呢？來看個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)，電子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。假如我們有一臺(tái)儀器和一個(gè)感光屏，兩者之間還有一塊有兩條縫的板子。如果現(xiàn)在這個(gè)儀器發(fā)射出一個(gè)電子，那么這個(gè)電子到底會(huì)出現(xiàn)在感光屏上的什么位置呢？答案是，無法確定。我們不知道這個(gè)電子會(huì)出現(xiàn)在哪里，完全摸不到頭緒，因?yàn)樗揪褪且粋€(gè)隨機(jī)過程。

但如果我們進(jìn)行大量觀察的話就會(huì)發(fā)現(xiàn)，電子的出現(xiàn)也不是完全沒有規(guī)律的，感光板上有些位置出現(xiàn)電子的可能性高，有些位置可能性低。這個(gè)概率是完全符合概率計(jì)算的。所以，如果我們大量發(fā)射電子，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，感光板上有些地方亮一些，有些地方暗一些，亮的地方就是電子出現(xiàn)概率高的地方，暗的地方就是電子出現(xiàn)概率低的地方，而且每次的明暗分布都是有規(guī)律的。所以，雖然我們沒法兒確定單個(gè)電子的位置，但卻可以計(jì)算出大量電子會(huì)組成怎樣的圖案，因?yàn)殡娮拥碾S機(jī)分布符合數(shù)學(xué)規(guī)律。

聽到這里你肯定明白了，在這個(gè)問題上，薛定諤錯(cuò)了，波恩才是對(duì)的：我們根本無法預(yù)言電子的實(shí)際位置，而是只能預(yù)言電子的出現(xiàn)概率。這個(gè)結(jié)論意味著，量子論徹徹底底地從最根本的因果關(guān)系上顛覆了整個(gè)物理學(xué)。

伽利略、牛頓這樣的偉人，建立起了物理學(xué)的恢弘大廈，向人們解釋了世間萬物的運(yùn)行規(guī)律，并且預(yù)言了未來。在這個(gè)基礎(chǔ)上，人們可以完美地預(yù)言幾時(shí)幾分幾秒會(huì)出現(xiàn)日食，掌握所有運(yùn)動(dòng)的來龍去脈?？傊?，一切事物之間都是有因果聯(lián)系的，宇宙就像是一臺(tái)精密的機(jī)器，所有零件都按照規(guī)則運(yùn)行。只要我們掌握了足夠多的規(guī)律，擁有足夠強(qiáng)的計(jì)算能力，那么整個(gè)宇宙里所有事物的過去和未來，都應(yīng)該盡在掌握。人類之所以還沒做到這一點(diǎn)，只是因?yàn)槲覀兡壳爸赖男畔⑦€不夠多而已。這種觀點(diǎn)，在哲學(xué)上叫做“決定論”，自古以來，人們對(duì)世界的理解方式都是這樣的。

但量子力學(xué)對(duì)微觀粒子的研究卻發(fā)現(xiàn)，世界的運(yùn)行規(guī)則，跟我們想象的完全不同。即使我們掌握了電子的初始狀態(tài)，擁有最強(qiáng)大的計(jì)算工具，考慮了所有可能的影響，也不可能準(zhǔn)確預(yù)言電子的位置。更重要的是，這不是因?yàn)槲覀兊哪芰Σ蛔?，而是大自然從根本性質(zhì)上就是不可預(yù)測(cè)的。這不是推翻某一條規(guī)律的問題，而是要完完全全地推翻整個(gè)決定論系統(tǒng)，推翻當(dāng)時(shí)所有科學(xué)的根本基礎(chǔ)。在量子力學(xué)中，概率是深藏在世界底層的根本性質(zhì)，一切的事情，都是靠擲骰子來決定的。

這個(gè)堪稱詭異的結(jié)論，對(duì)很多科學(xué)家來說是完全不可接受的。愛因斯坦在寫給量子力學(xué)奠基人之一馬克斯·波恩的信中明確表示，自己完全不能容忍這樣的想法，絕不愿意放棄因果性，他堅(jiān)信量子論的基礎(chǔ)一定有問題，一定能挑出毛病。他在信中說，“我毫無保留地相信，上帝是不會(huì)擲骰子的！”

之后，以愛因斯坦和玻爾為代表，薛定諤、波恩、海森堡、德布羅意，這些物理史上金光閃閃的天才偉人，全都投入到了量子力學(xué)的大戰(zhàn)中。愛因斯坦給玻爾出了許多看似不可解決的難題，但玻爾都給出了非常精妙的解答。不過直到臨終之前，愛因斯坦也仍然沒有被說服，他一直在為自己的信仰辯護(hù)?；剡^頭來看，這場(chǎng)關(guān)于量子論的爭(zhēng)戰(zhàn)的結(jié)果很明確：愛因斯坦錯(cuò)了，量子力學(xué)是正確的，上帝的確擲骰子。

剛才講的就是第二個(gè)問題：為什么說量子力學(xué)是在“擲骰子”？因?yàn)閷?duì)微觀粒子的研究發(fā)現(xiàn)，粒子的分布并不是確定的，而是一個(gè)隨機(jī)事件。我們不能確定粒子的位置，只能掌握粒子出現(xiàn)的概率。所以，嚴(yán)格的因果關(guān)系蕩然無存，統(tǒng)治科學(xué)界幾百年的決定論被打破了。人們發(fā)現(xiàn)，概率深藏在宇宙的底層，上帝的確擲骰子。

講到這里，你應(yīng)該已經(jīng)感受到了量子力學(xué)對(duì)人類認(rèn)知的重大顛覆。但接下來的最后一個(gè)問題，可能還會(huì)再顛覆一次你的三觀。這個(gè)問題就是，量子論里的“不確定性”意味著什么？

第三部分

剛才講到，即使我們完全確定了一個(gè)電子的初始狀態(tài)，也無法預(yù)測(cè)電子出現(xiàn)的位置。不光如此，另一位科學(xué)巨人海森堡還發(fā)現(xiàn)，我們連完全確定電子的初始狀態(tài)這一點(diǎn)，也是做不到的。

海森堡在研究量子力學(xué)的過程中，使用到了一種很不常見的數(shù)學(xué)方法，通過推導(dǎo)之后，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的方程：簡(jiǎn)單點(diǎn)來說的話，就是如果用英文字母P來代表電子的速度，Q來代表電子的位置的話，那么P乘以Q卻不等于Q乘以P，相當(dāng)于不符合乘法交換律。

海森堡被這個(gè)方程困擾了很長(zhǎng)一段時(shí)間，一直不明白這背后究竟有什么物理意義。直到某一天，海森堡突然醍醐灌頂，做出了一個(gè)特別大膽的猜測(cè)，他覺得這代表著，如果我們先觀測(cè)電子的速度，就會(huì)影響電子的位置；反過來，如果先觀測(cè)電子的位置，也會(huì)影響電子的速度。

之后通過數(shù)學(xué)計(jì)算，海森堡終于確認(rèn)了自己的猜想：測(cè)量速度的誤差，和測(cè)量位置的誤差，二者的乘積一定大于某個(gè)常數(shù)。意思就是說，如果對(duì)速度的測(cè)量越精確，那么對(duì)位置的測(cè)量就越不精確；反過來也一樣，對(duì)位置的測(cè)量越精確，對(duì)速度的測(cè)量就越不精確。所以，電子的位置和速度，是一種互補(bǔ)關(guān)系，就像蹺蹺板一樣，按下這頭就翹起那頭，我們永遠(yuǎn)也無法同時(shí)確定一個(gè)電子的速度和位置。這個(gè)原理，就是大名鼎鼎的“海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理”，更準(zhǔn)確地說，應(yīng)該叫“不確定性原理”。

科學(xué)家們進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，能量和時(shí)間，也存在著這種不確定性的互補(bǔ)關(guān)系。如果能量測(cè)量得越精確，時(shí)間就越模糊；如果時(shí)間測(cè)量得越精確，能量就會(huì)開始起伏不定。各種物理量都遵循著海森堡的不確定性原理，此起彼伏，難以捉摸。

在“電子雙縫實(shí)驗(yàn)”中，波恩的概率解釋證明了即使給出全部的條件，我們也不能預(yù)測(cè)結(jié)果。而海森堡的不確定性原理證明了，我們連給出所有條件都做不到。這里需要解釋一下，不能同時(shí)確定電子的位置和速度，并不是因?yàn)槲覀兊臏y(cè)量技術(shù)不夠強(qiáng)，而是因?yàn)楦揪筒淮嬖谝粋€(gè)位置和速度完全確定的電子。這個(gè)道理就相當(dāng)于，我們?cè)觳怀鲇绖?dòng)機(jī)，不是因?yàn)槲覀兗夹g(shù)不夠好，而是永動(dòng)機(jī)本身就是不可能存在的。

不確定性原理其實(shí)告訴了我們這樣一個(gè)現(xiàn)實(shí)：就是我們的觀測(cè)行為本身，會(huì)影響我們的觀測(cè)結(jié)果。采取不同的觀測(cè)方式，會(huì)觀測(cè)到不同的結(jié)果。舉個(gè)例子。很多年以來，科學(xué)家們一直為電子到底是什么而爭(zhēng)論，有些科學(xué)家說它是一種粒子，有些說它是一種波，而且雙方都可以舉出各種各樣的證據(jù)支撐自己的理論，所以，我們說電子是具有“波-粒二象性”的，因?yàn)楦鶕?jù)我們的觀測(cè)方法不同，它既可以表現(xiàn)出波的性質(zhì)，又可以表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)。

那你肯定想問，道理我都懂，那說到底，電子本質(zhì)上究竟是個(gè)什么東西呢？關(guān)鍵就在這里了。在量子力學(xué)看來，我們根本不知道電子的本來面目是什么，只能說我們采用某種觀察方式時(shí)，所看到的電子是什么樣的。

舉個(gè)例子。假如你現(xiàn)在看到了一匹棕色的馬，那如果你戴上墨鏡，那這匹馬的顏色在你眼中就變了，而如果你是一位色盲患者，那馬在你眼中又會(huì)是另外一種顏色。我們其實(shí)并不知道馬在本質(zhì)上是什么顏色的，只能說馬在我們的觀察中是什么顏色的，甚至可以說，馬根本就沒有什么“本來的顏色”。

這個(gè)道理聽起來很玄乎，但事實(shí)的確就是這樣。無論是電子還是光子，這些量子力學(xué)中的測(cè)量對(duì)象都是非常微小的，我們的觀測(cè)會(huì)對(duì)它們?cè)斐芍旅母蓴_，而且是不可能被克服的，觀測(cè)的結(jié)果并不是客觀確定的。在量子力學(xué)看來，除非我們先確定了測(cè)量這個(gè)物理量的方式，否則談?wù)撊魏挝锢砹慷际菦]有意義的。

這么一來，就造成了一個(gè)非常詭異的結(jié)論：在量子世界里，沒有一個(gè)絕對(duì)客觀的實(shí)體或者外部世界。比如一個(gè)電子或者光子，它根本就沒有一個(gè)客觀的速度，我們所能把握的，只是測(cè)量得到的速度，而且這個(gè)測(cè)量速度還跟我們的測(cè)量方式有關(guān)。甚至可以說，如果我們不進(jìn)行測(cè)量的話，這個(gè)電子的速度根本就沒有意義！只有可以被測(cè)量的物理量，才是有意義的。

在經(jīng)典物理學(xué)中，我們認(rèn)為有一個(gè)客觀實(shí)在的世界，即使我們還沒有對(duì)這個(gè)世界有清晰的認(rèn)識(shí)，那也是我們自己的問題，世界本身肯定是客觀實(shí)在的，不以我們的意志為轉(zhuǎn)移。這是人類一直以來認(rèn)識(shí)世界的方式，叫“客觀實(shí)在論”。

但在量子力學(xué)中，情況就完全不同了，一切都跟測(cè)量行為掛上了鉤：觀測(cè)對(duì)象和被觀測(cè)對(duì)象融為一體，相互影響，主客體之間的界限消失了。也就是說，物理學(xué)或者其他科學(xué)，都沒法去研究一個(gè)所謂的“客觀實(shí)在”的世界，人類并不知道宇宙的客觀本質(zhì)是什么，只知道我們觀測(cè)到的宇宙是什么樣的，任何事物都只有在被觀測(cè)的時(shí)候才有意義。

聽到這里，你應(yīng)該可以感受到，量子力學(xué)給整個(gè)物理學(xué)界和哲學(xué)界帶來了多大的沖擊。概率解釋顛覆了因果關(guān)系，“不確定性原理”顛覆了客觀實(shí)在論，這簡(jiǎn)直可以說是顛覆了人類對(duì)世界的一切認(rèn)知，而且由此引申出的種種結(jié)論，比如著名的處于生死疊加態(tài)的“薛定諤的貓”、或者是經(jīng)常在科幻小說中出現(xiàn)的“平行宇宙理論”等等，對(duì)一般人來說簡(jiǎn)直是天方夜譚，甚至是讓很多科學(xué)家都感到難以接受。只能說，人類至今為止，還是沒有完全明白量子力學(xué)背后究竟隱藏著怎樣的物理意義和哲學(xué)意義。玻爾曾說過，“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論?！绷硪晃淮笪锢韺W(xué)家費(fèi)曼說得更直接，他說“沒人能夠理解量子力學(xué)”。

剛才講的就是最后一個(gè)問題，量子力學(xué)中的“不確定性”意味著什么？不確定性原理意味著，我們無法同時(shí)精確地測(cè)量電子或其他微觀粒子的位置和速度，并且，我們的觀測(cè)行為本身，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成干擾。所以，我們不能說世界的本質(zhì)是什么樣的，只能說我們觀測(cè)到的世界是什么樣的，甚至可以說，根本就不存在一個(gè)客觀實(shí)在的世界。人們一直以來堅(jiān)持的“客觀實(shí)在論”受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

總結(jié)

講到這里，《上帝擲骰子嗎》這本書的內(nèi)容就聊得差不多了，我再來為你回顧一下這本書的精華內(nèi)容，量子論如何顛覆了人類的認(rèn)知？

首先講到了量子論是如何沖擊經(jīng)典物理學(xué)的？經(jīng)典物理學(xué)依賴于微積分，認(rèn)為一切的自然過程都是連續(xù)不斷的。但量子力學(xué)發(fā)現(xiàn)，能量的傳輸是有一個(gè)最小單位的，這個(gè)單位就是“量子”，許多自然過程都不是連續(xù)的。這種非連續(xù)性的概念，讓經(jīng)典物理學(xué)的大廈搖搖欲墜。

然后講到了，為什么說量子力學(xué)是在“擲骰子”？因?yàn)閷?duì)微觀粒子的研究發(fā)現(xiàn)，我們不能確定粒子的位置，只能掌握粒子出現(xiàn)的概率，粒子的分布是一個(gè)概率事件。這么一來，強(qiáng)調(diào)嚴(yán)格因果關(guān)系的“決定論”就被打破了。人們發(fā)現(xiàn)，概率深藏在宇宙的底層，上帝的確是以擲骰子的方式在維持著宇宙的運(yùn)行。

最后講到了量子力學(xué)中的“不確定性”。不確定性原理的意思是，我們無法同時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量電子的位置和速度，位置越精確，速度就越不精確，反過來也一樣。而且，我們的觀測(cè)行為本身，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成干擾。這么一來，觀測(cè)者和觀測(cè)對(duì)象的界限就被打破了，我們發(fā)現(xiàn)自己無法把握世界的本質(zhì)，甚至根本就不存在一個(gè)客觀實(shí)在的世界?！翱陀^實(shí)在論”受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。