大家好，這里是小播讀書(shū)，今天我們繼續(xù)講最前沿的科普暢銷書(shū)《宇宙的琴弦》。前面我們講了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論和狹義相對(duì)論，接下來(lái)今天我們講：量子力學(xué)。

愛(ài)因斯坦為了我們帶來(lái)了解釋宇宙的宏觀世界的一套堅(jiān)貞不破的定律廣義相對(duì)論，而德國(guó)物理學(xué)家普朗克給我們帶來(lái)了宇宙另外一套微觀世界的理論：量子力學(xué)。量子力學(xué)是我們認(rèn)識(shí)微觀宇宙的概念框架。當(dāng)我們考察原子及亞原子的世界時(shí)，量子力學(xué)將揭示也許更為驚人的微觀世界的特性。接下來(lái)，就讓我們一起進(jìn)入宇宙的微觀世界吧。

1928年，量子力學(xué)的許多公式就已經(jīng)確立了，到現(xiàn)在已經(jīng)將近100年歷史，它是科學(xué)史上最精確和最成功的數(shù)字預(yù)言。愛(ài)因斯坦的廣義和狹義相對(duì)論改變了我們對(duì)宇宙世界空間、時(shí)間和運(yùn)動(dòng)速度的觀念。而量子力學(xué)向我們展示了宇宙另外一個(gè)完全不同的微觀世界的自然規(guī)律。它們是兩個(gè)當(dāng)代物理學(xué)的理論支柱，但是愛(ài)因斯坦是完全拒絕量子力學(xué)的，甚至量子力學(xué)的核心人物玻爾曾說(shuō)過(guò)：

誰(shuí)如果在思路量子力學(xué)時(shí)不曾有過(guò)迷惑，他就沒(méi)有真正懂得它?？梢?jiàn)量子力學(xué)并不那么容易接受。

很早我們就知道，地球上萬(wàn)物生命的能量來(lái)自太陽(yáng)，電磁波將太陽(yáng)能帶到地球。根據(jù)19世紀(jì)的熱力學(xué)，我們知道即便在一個(gè)烤爐中，有數(shù)個(gè)完整的電磁波峰和波谷，而每一列波都被賦予了相同的能量。這樣會(huì)推導(dǎo)出一個(gè)結(jié)論，當(dāng)烤爐內(nèi)有無(wú)限的波時(shí)，這個(gè)烤爐內(nèi)具有無(wú)限的能量，當(dāng)然我們知道這是不可能的，和我們的常識(shí)相違背。

1900年，普朗克提出了一個(gè)激動(dòng)人心的猜想，消除了無(wú)限能量的煩惱，他假設(shè)一列波具有的最小能量正比于波的頻率，高頻波意味著大能力，低頻波意味著小能量。就像海上洶涌的波濤都是短波，而平靜的湖面都是長(zhǎng)波一樣。

普朗克認(rèn)為，波的最小能量正比于波的頻率，而有的波不會(huì)對(duì)整體貢獻(xiàn)能量的。在一個(gè)烤爐內(nèi)，只有有限的波能對(duì)烤爐里的總體能量有所貢獻(xiàn)。普朗克在計(jì)算能量的方程式中增加了一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，從而能準(zhǔn)確地預(yù)言任何溫度下測(cè)量烤爐的能量，這個(gè)參數(shù)被我們稱之為：普朗克常數(shù)，大約是平常單位的千億億億分之一。普朗克常數(shù)非常小，說(shuō)明每個(gè)能量包的尺度也非常小，按照普朗克的觀點(diǎn)，波的能量實(shí)際上是一點(diǎn)點(diǎn)傳播的，但是那個(gè)小點(diǎn)太小了，以至于我們看起來(lái)是連續(xù)不斷的。

愛(ài)因斯坦認(rèn)為一束光其實(shí)可以認(rèn)為是一股光粒子流，化學(xué)家劉易斯將這個(gè)粒子流稱之為：光子。根據(jù)光的粒子觀，一只普通的100瓦的燈泡每秒鐘大概會(huì)發(fā)出1萬(wàn)億億億多個(gè)光子，愛(ài)因斯坦用這個(gè)新概念提出了光電效應(yīng)背后的微觀機(jī)制。他指出：當(dāng)一個(gè)電子被足夠能量的一個(gè)光子擊中時(shí)，它會(huì)從金屬的表面逃逸出來(lái)。那么是什么決定每個(gè)光子的能量呢？愛(ài)因斯坦根據(jù)普朗克的引導(dǎo)，提出了每個(gè)光子的能量正比于光波的頻率。因此愛(ài)因斯坦證明了，普朗克的能量包的猜想實(shí)際上反映了電磁波的一個(gè)基本特性：電磁波由粒子即光子組成，是一束光的量子。這是一個(gè)巨大的發(fā)現(xiàn)。

現(xiàn)在我們知道水是由大量的水分子組成的，光波是由大量粒子（光子）組成。愛(ài)因斯坦通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)證明，光同時(shí)具有粒子性，也具有波動(dòng)性，也就是說(shuō)，剛即是粒子也是波。這就是我們說(shuō)的光的“波粒二象性”。1923年，法國(guó)物理學(xué)家德布洛意提出了波粒二象性不僅是光具有，也適用于其他物質(zhì)。1927年，量子力學(xué)發(fā)展得到了主流科學(xué)界的認(rèn)可，宇宙不再是一個(gè)精確的模型，按照量子力學(xué)的觀點(diǎn)，宇宙也遵照嚴(yán)格準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)形式演化，不過(guò)那些形式所決定的只是未來(lái)發(fā)生的幾率，不是不一定性。

換句話說(shuō)，量子力學(xué)給宇宙發(fā)展帶來(lái)了不確定性，打破了廣義相對(duì)論的宇宙確定性和規(guī)律性的認(rèn)知。當(dāng)然愛(ài)因斯坦是反對(duì)的，便有了那句名言：上帝從不擲骰子。

就像愛(ài)因斯坦一樣，物理學(xué)家對(duì)量子力學(xué)理論一直還存在爭(zhēng)議。物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼是繼愛(ài)因斯坦以來(lái)最偉大的物理學(xué)家之一，他完全接受了量子力學(xué)的核心理論。在1927年，物理學(xué)家海森堡發(fā)現(xiàn)了量子力學(xué)的另外一個(gè)核心特征：不確定性。隨時(shí)不斷有物理學(xué)家加入量子力學(xué)的陣營(yíng)，量子力學(xué)也更多地被物理學(xué)家所接受。

過(guò)去100年，廣義相對(duì)論和量子力學(xué)讓我們探索宇宙的尺度從最大一直到最小。人類取得了非常多了不起的成就。但是我們也意識(shí)到，量子力學(xué)和廣義相對(duì)論沒(méi)能達(dá)到最深層次的認(rèn)識(shí)。因?yàn)樗鼈兊倪m用范圍是不同的，在一些情況下還有沖突，比如在討論黑洞的中心、在大爆炸時(shí)刻的宇宙等方面這兩套理論存在對(duì)立矛盾面。

愛(ài)因斯坦的能量方程式告訴我們，能量和物質(zhì)是可以相互轉(zhuǎn)化，量子力學(xué)中，海森堡的不確定性告訴我們，能量和動(dòng)量在微觀世界中瘋狂漲落，宇宙在微觀尺度上類似一個(gè)鬧哄哄、混沌、瘋狂的世界。但是動(dòng)量和能量在微觀世界中可以相互抵消，因此在宏觀世界看來(lái)，一切都是寧?kù)o和太平的。

簡(jiǎn)而言之，微觀世界的混沌狀態(tài)和宏觀世界的規(guī)律性就是這兩個(gè)理論最大的矛盾點(diǎn)。

廣義相對(duì)論適用于巨大的天文學(xué)尺度。在那樣的距離，愛(ài)因斯坦的理論說(shuō)明，沒(méi)有物質(zhì)意味著空間是平直的。為了把廣義相對(duì)論與量子力學(xué)融合起來(lái)，我們現(xiàn)在必須轉(zhuǎn)移關(guān)注的焦點(diǎn)，去考察空間的微觀性質(zhì)。

我們說(shuō)明了如何一點(diǎn)點(diǎn)去暴露越來(lái)越小的空間結(jié)構(gòu)。開(kāi)始的時(shí)候，看不出什么來(lái)；看圖中底下的三層，空間結(jié)構(gòu)幾乎是一樣的形態(tài)。從純經(jīng)典的立場(chǎng)看，我們以為這樣平直穩(wěn)定的空間圖景會(huì)一直保持到任意的距離尺度。

但量子力學(xué)完全改變了這種想法。萬(wàn)物都擺脫不了不確定性原理所規(guī)定的量子漲落——引力場(chǎng)也不例外。雖然經(jīng)典理論認(rèn)為虛空間沒(méi)有引力場(chǎng)，但量子力學(xué)證明，引力場(chǎng)盡管在平均意義上等于零，實(shí)際上卻因量子漲落而波蕩起伏。另外，不確定性原理還告訴我們，關(guān)注的空間越小，看到的引力場(chǎng)起伏越大。量子力學(xué)展現(xiàn)了一個(gè)沒(méi)有絕望的世界，越是狹小的地方，越是浪花飛濺。

引力場(chǎng)通過(guò)空間的彎曲表現(xiàn)出來(lái)，而量子漲落通過(guò)空間周圍越來(lái)越強(qiáng)烈的扭曲表現(xiàn)自己。物理學(xué)家惠勒發(fā)明用“量子泡沫”來(lái)描述超微的空間和時(shí)間里表現(xiàn)出來(lái)的混沌狀態(tài)，在那個(gè)尺度上，空間和時(shí)間都失去了意義。在這個(gè)尺度上，正是量子力學(xué)和廣義相對(duì)論不相容的地方。

好了，今天的內(nèi)容就是這些，我們講了量子力學(xué)和愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，到底上帝會(huì)不會(huì)制篩子呢？到底什么是弦理論呢？我們講在下一篇文章開(kāi)啟更加精彩的內(nèi)容。