本文为清华－康奈尔双学位金融MBA2017级“自然辨证法”课程的优秀作业，作者是2017级学生王海桑，授课教师为雷毅（清华大学社会科学学院科技与社会研究所副所长 、副教授）。


　　不是我想学扎克伯格，只是因为量子力学比较抽象晦涩，我也缺少大学物理的教育，只能选了这样一本科普类的量子力学书籍来研究。虽然这也许只是一本启蒙读物，但是也许是我近几年来读完后最醍醐灌顶的一本书籍，解决了我一直以来不曾想明白的许多困惑。想趁着听完雷毅老师自然辩证法课程的余兴，从三个特别困扰我的问题出发简单说说量子力学的那些东西是怎么和我自身的经验、知识还有逻辑最后辩证统一的。


　　学过一些物理的同学基本都知道经典力学理论在微观世界里并不适用，但是到底为什么不适用其实很少有人明白，读完这本书前我也不曾明白。

　　首先我想先从牛顿说起。科学史上天才宛如满天星河，小时候我就常常好奇在这么多天才里谁才是最聪明的那一个。长大后，我常会在互联网看看不同“专家”给出的人类历史天才排行榜，虽然名单各不相同，但是唯有第一名永远都是同样的那个名字——艾萨克·牛顿。牛顿爵士提出的牛顿三大定律以及万有引力定律奠定了经典力学的基础，用它们我们可以知道太阳何时升起、月亮什么时候有阴晴圆缺。在我们日常生活的世界里，大到日月星辰，小到柴米油盐，全都可以用牛顿发现的这几条定律来描述。由于牛顿力学的巨大成功，20世纪前的科学家普遍相信三大定律以及万有引力定律是主宰整个宇宙的终极真理。法国著名物理学家、数学家拉普拉斯也是牛顿的忠实信徒，他提出了著名的《决定论》：“如果有一个智者能够知道某一时刻所有物体所有的力的全部状态，那么他可以知道宇宙的过去与未来。”

　　而经典力学在微观世界里的“失效”我认为离不开量子化、光电效应及海森堡不确定原理这三个关键词。早在19世纪，科学家其实已经发现光的本质是一种以光速传播的波，但直到1900年普朗克才发现物体热辐射所发出的光所传递的能量居然不是连续的而是一份份的，能量大小约等于光的频率乘以普朗克常数，而这种物质量不连续，总是一份份分布的特性就是所谓的“量子化”；而爱因斯坦提出的光电效应相对好理解一些：用光照射金属时，由于光是量子化的（非累积），每一个光子都携带能量，只要光达到一定的频率，就可以使金属原子中的电子获得足够能量从而脱离原子核的束缚从而从金属中飞出；最后，海森堡不确定原理指的是在微观世界中物体的位置与动量（质量乘以速度）无法同时测出，而之所以位置与动量无法同时测出是由于测出的前提是看得见，而看得见需要用波长小于物体尺寸的光去照射，波长越短能量越高，当我们用高能量光子打到较小的物体就会干扰物体的原有运动方式，因此如果用波长短的光，我们可以精确地测出位置但是动量会测不准，反之则是动量测的准但位置测不准，总之是鱼和熊掌不可兼得也。

　　所以，现在我们再回头看拉普拉斯的决定论，不难发现在之所以经典力学以及决定论在微观世界下“水土不服”，主要是因为其应用的前提其实错了，因为经典力学中所说的物体的状态其实不外乎于物体的位置与动量（速度），而根据海森堡不确定原理，位置与动量在微观世界下又无法同时测出，所以这也就是牛顿力学无法在微观世界适用的根本原因。

　　第二个问题也许许多人会觉得莫名其妙，觉得这有什么好问的，因为无论是水、空气、泥土甚至钻石都有自己的密度和硬度，会觉得就和苹果熟了会掉下来一样是理所当然的。在我们这个时代，相信有点物理基础的人都会知道物质都是由原子构成，而每种物质的原子排列组合中各个原子之间的空隙其实很大，大到不可思议，因此物质大部分是中空的，那么大家有没有想过既然是中空的为什么我们把水杯放在桌上，水杯不会掉下去？一百多年前，就是这么一个一般人平时不会去深思的问题难倒了无数学者，直到玻尔、海森堡还有泡利三位物理学家通过各自的发现及假设最终解决了这个难题。

　　物质为什么是稳定的？第一个回答这个问题的玻尔，玻尔根据卢瑟福发现原子核的实验提出了著名的氢原子模型，认为氢原子核外仅有的一个电子始终在固定轨道上运动，而当电子活动到非轨道区域时是不稳定的。然而氢原子模型只是解密物质稳定性的第一步，并没有很好解释为什么物与物接触时能碰到一起而不是穿过去这个问题。

　　海森堡是第二个回答这个问题的人，他认为电子并不在固定的轨道上活动，而是像鬼影一样可能出现在任何区域；换句话说，电子的位置是不确定的，就像海森堡不确定原理阐述的那样，我们去看时才知道电子在哪里，不去看时电子可能在任何位置，因此电子围绕着原子核活动的图像可能就像一朵云彩一样是一片模糊。海森堡的量子思维及其理论让相距甚远的原子可以撞到一起，但是依然无法保证它们相撞后能互相弹开，因此物质稳定性之谜依然没有解开。

　　奥地利物理学家泡利是历史上出了名的天才，他生活中最大的爱好是跳舞，但是他正是用跳舞中获得的灵感最终解决了物质稳定性之谜，提出了不相容原理。泡利在舞会上发现男生与女生跳舞总是一对一对的，如果有第二名女生希望加入一对正在翩翩起舞的男女，那么正在跳舞的女生一定十分排斥这第二名企图加入的女生。于是泡利便突发奇想地认为男女舞伴的关系其实就像氢原子核和它的电子，正如一个男生只能和一个女生跳舞，一个“云朵”里也只能有一个电子，决不允许第二个电子的存在。换句话说，原子就是由原子核以及电子这一对“舞伴”组成的，它们不喜欢其他舞伴的靠近。正是这个原因，两个原子势必需要保持一定的距离，而不会碰撞到一起，而这也就解释了一开始为什么水杯不会掉下去的问题。
　　爱因斯坦曾经说过：“无论如何，我都确信，上帝不会掷骰子。”多年以来，许多人把这句话当成了爱因斯坦反对量子力学及其随机性的标志，虽然我认为这里有些误解，但是现在人们普遍用这句话来表明自己不认为随机性是物理世界的内禀性质的这一观点。

　　要深入研究上帝到底掷不掷骰子，首先不得不提一只全世界最著名的一只猫——薛定谔的猫。这是一个著名的实验，具体是这样的：在一个盒子里有一只猫，以及少量放射性物质。之后，有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫，同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。由于当盒子尚未开启时，没人知道毒气到底有没有释放，猫有没有死，因此猫被定义为处于一种既生又死的状态。不知道大家第一次知道这个实验时有没有一种无法认同或难以理解的感觉，因为从实证主义和正常思维逻辑角度出发，其实无论盒子开与不开都不会影响猫的生死，因为结果早已经注定。但是如果从量子论的角度出发的话，由于宇宙也是随机而不可预测的，这个实验中有着可以产生真正的“随机”的装置（装置机关由一个放射性原子所控制，由于放射性元素的半衰期不可预测，其裂变则触发机关不裂变则安然无恙；这个装置可以捕获“宇宙”所无法观察和计算到的随机数，并根据随机数的结果，有50%的概率将毒气释放），因此在盒子封闭起来时，其实连“宇宙”都不知道盒子里的猫是活着还是死亡，所以猫就会处于一种生死叠加的量子态。

　　其实上帝到底掷不掷骰子就是在问我们身处的这个宇宙这个世界究竟是像发条装置环环相扣还是掷骰子的桌子充满未知。其实在历史上关于这个问题的争论已经多得数不过来，因为这个问题关乎现代物理学的核心。在我看来，霍金说的一句话十分正确——“量子理论研究的是微观世界，相对论研究的是宏观世界”，我们对待量子理论还是应该从微观和宏观角度区分，科学的本质就是宇宙中寻找隐藏的简单原理，但是如果我们将微观世界的不确定论推广至宏观世界，那么有些事情就会无缘无故地随机发生，那也就意味着我们的理性探寻在这里达到了极限。

　　读完这本书，我其实感觉自己有许许多多感悟有说不完的话，但是有些内容我也不知道怎么表达比较好，只是感觉自己明白了。量子力学真的是一门十分前沿、“不可理喻”和“违背逻辑”的科学，但是当我试着设身处地以微观的角度、随机性的角度去去理解一个个问题时，一点一点回味过来这些“不可理喻”与“违背逻辑”其实还是暗合世界万物运行之理的。而在读完书中量子力学发展史后，我还隐隐约约有了点关于哲学和科学边界的感悟：一直以来，假设检验是提炼科学理论最主要的工具，对具体事物的认知进行总结，然后通过实验来证实。但是如果一个科学观点远超当时这个世界的科学水平，无法被有效验证或与普罗大众的经验或逻辑格格不入，那么很有可能这个科学观点并不会被视作科学，而是哲学理论，因为哲学观点是基于假设而不需要科学实践检验的。爱因斯坦也曾经说过恩格斯的《自然辨证法》是疯人之作，现在回头想想也许在当时《自然辨证法》未必不是过于超前了当时的科学水平，难以被人理解罢了。