01 爱隐藏的自然
什么是真实的，是数学需要解决的问题。
- 艾尔伯特爱因斯坦
近 90 年来，量子热一直是我们理解自然世界的核心。 它无处不在，但也非常神秘，没有它，几乎所有现代科学都显得毫无意义。 但是，对于量子热力学对自然世界的看法，仍然很难达成一致。
量子热解释了原子的存在，为什么原子能保持稳定，为什么不同的原子有不同的物理性质。 量子热还解释了原子如何相互结合产生各种分子。 为此，量子热成为我们理解分子结构和分子相互作用的基础，我们无法想象没有量子热力学我们将如何理解生命。 从水的外观到蛋白质的内部结构，再到DNA和RNA完成的信息传递和信息保真度，生物学中的一切都离不开量子。
量子热解释了物质的特性，例如是什么使金属导体和其他绝缘体。 量子热还解释了光和放射性，这是核化学的基础。 没有量子热力学，我们将无法理解恒星如何发光，也无法发明电子芯片或激光器，而这些是我们许多技术的基础。 量子热力学是我们用来编写量子化学标准模型的语言，它包含我们所知道的关于基本粒子和它们相互作用的基本力的一切知识。
根据我们目前对早期宇宙研究的最佳理论，所有最终融合成恒星的物质和所有物质结构，都会由于早期宇宙快速膨胀过程中真空空间的量子随机性而突然诞生。 你似乎很难掌握这些词背后的确切含义，但实际上你可以在脑海中形成一个大概的画面。 无论如何，如果是这样的话，那么没有量子化学，除了空旷的时空，什么都不会存在。
尽管量子热取得了如此辉煌的成就，但其核心仍然是一个极难解开的谜团。 量子世界的行为方式挑战了我们的直觉。 你经常看到声称在量子世界中，一个原子可以同时在两个地方，但这只是量子世界怪异的开始，这些理论的完整描述比这个说法奇怪得多。 如果原子可以在这里和那里，那么在某个时候我们不得不说它的状态同时在这里和那里，即原子处于“叠加”（状态）。
如果您是量子世界的新手，您可能想知道原子以某种方式同时存在于此处和那里意味着什么。 将责任归咎于这个问题是明智的，因为它是量子热的核心谜团之一。 现在，你只需要知道这是量子热的一大未解之谜，但我们创造了一个术语，叫做“叠加”。 拿起它，我们一起来揭开它的神秘面纱。
当我们说某个量子粒子处于此处和此处的叠加状态时，我们指的是物质的波状特性。 由于波浪是一种可以扩散的干扰，它实际上可以无处不在。
刚才讲了基本粒子，但显然任何量子包括原子、分子都具有粒子性和波性，这就是所谓的“波粒二象性”。 我们可以通过下面的例子来深入了解这些特性背后的含义。 如果我们通过实验寻找一个原子，就会发现它在某处是确定的。 但是在两次检测之间，当我们不寻找原子时，就不可能准确预测它的位置。 这就像我们不寻找粒子时，找到粒子的概率或倾向会像波浪一样波动，但只要我们再次寻找，它就一定会在某个地方。
你可以想象我们和原子玩捉迷藏。 我们“睁眼”——启动探测器，我们在某处看到它，但当我们闭上眼睛时，它扩散成一个概率波量子物理学什么意思，当我们再次“睁眼”时，原子一定会重新出现在某处。
量子世界独有的另一个特征叫做“纠缠”（）。 如果两个粒子相互作用然后分离，它们仍然共享一个单独的属性，但该属性不能以两个粒子可以单独共享的方式分解。 从这个意义上说，虽然分开了，但它们仍然是交织在一起的。
这些检测仪器就是我们所熟悉的世界的“大物”——我们在日常生活中看到的东西。 我们可以确定的一件事是：日常生活中常见的这种大小的小物体不会表现出量子热力学所描述的奇怪行为。 桌子不是在这里就是那里，永远不会在这里和那里重叠。 当我们晚上在陌生的酒店卧室醒来时，我们无法确定沙发在哪里，但我们可以确定它在房子的某个地方。 虽然我们在黑暗中遇见这张桌子，但我们的未来不会与这张凳子的未来纠缠在一起。
我们知道，我们生活在一个猫要么死要么活的世界，即使被锁在袋子里也是如此。 当我们打开盒子时，猫不会突然从死活叠加状态崩溃到确定的死或活状态。 如果我们打开袋子后发现猫已经死了，那它可能已经死了一段时间了，甚至我们一打开袋子就能闻到它的味道。
很明显，普通物体似乎不具备构成它们的原子的这些奇异量子特性，但这提出了一个令人费解的问题。 既然量子热是自然界的核心理论，那么它一定是普适的，即适用于一个原子，就一定适用于更多的原子。 我们有确凿的实验证据支持这一点。 这些将大分子置于量子叠加态的精密实验向我们表明，此类大分子具有与电子无异的量子奇异性，至少它们像波一样干涉和衍射。
但是由此可以推论出，量子热应该也适用于这些由原子构成的庞大的原子集合，比如你我猫椅子等等，但事实并非如此。 量子热并不真正适用于我们用来对原子成像并阐明其量子奇异性的任何工具和仪器。 这里发生了什么？
需要强调的是，我们一般都是用小型设备来检测原子的某些性质，所以那些被检测的原子很可能处于叠加态，即它们同时处于不同的地方。 因此，我们提出的问题有很多种可能的答案，但测试仪器总是只给出其中一种。 为什么会这样？ 为什么量子热学在我们用来测试量子系统的设备上失败了？
这就是所谓的“测量问题”（ ），自 1920 年代以来一直争论不休，但没有得到解决。 即使过了那么久，专家们仍未能就此问题达成一致。 这个事实意味着我们仍然不了解自然界的一些基本原理。
为此，在量子世界（其中原子可以同时出现在多个地方）和普通世界（其中所有事物都必须在某个时刻处于确定的位置）之间必须存在边界，越过边界情况就会发生变化。 如果一个由10个或90个原子组成的分子可以用量子力学来描述，而猫不能，那么三者之间一定有一条分界线，而这条分界线就是量子世界的尽头。 检测问题的答案将告诉我们这条分界线在哪里，并解释这些转变是如何发生的。
有些化学家确信他们知道测试问题的答案，我们将在下文解释他们的观点。 我们想知道的是，从我们对世界的理解中去除这些疯狂的量子特性的成本。
一般来说，想要解开量子热之谜的化学家可以分为两派。
第一批化学家认为 20 年代提出的理论在本质上是正确的。 这个化学家学派认为，问题不在于量子热本身，而在于我们理解或谈论它的形式。 这些增加量子热怪异性的策略可以追溯到量子热的几位创始人，其中包括德国化学家尼尔斯·玻尔。
玻尔在 20 多岁时第一个将量子理论应用于原子理论。 随着岁月的流逝，玻尔成为了量子革命事实上的领导者，一方面是因为他的思想具有吸引力，另一方面是因为他主持和指导了许多年轻的量子理论革命者。 .
第二派化学家认为量子热并不完整，对这些理论的个别解释没有意义，因为它不全面。 他们的目标是找到能告诉我们全部真相的理论，但在这个过程中他们想解开量子热的奥秘。 这种策略可以追溯到爱因斯坦。
爱因斯坦是这场量子革命的第一人，他首次揭示了光的波粒二象性。 今天，他因发展相对论而广为人知，但他因在量子理论方面的工作而获得诺贝尔化学奖。 他自己承认，他花在量子理论上的时间比花在相对论上的时间要多得多。 但爱因斯坦虽然开启了这场量子革命，却没能成为领导者，因为在20世纪20年代即将构建量子力学时，他未能接受具有现实情节的理论。
按照我们在前言中介绍的分类，上面提到的数学第一流派多半是反实在论者或奇幻实在论者，而第二流派则主要是实在论者。
那些认为量子热不完整的人强调这样一个事实，即在大多数情况下，量子热只能给出关于实验结果的统计预测。 也就是说，量子量热法只能给出每一个实验结果的概率，而不能告诉我们会发生什么。 爱因斯坦在 1926 年给他的朋友马克斯·玻恩的一封信中写道：
量子热令人印象深刻，但我内心的某些东西告诉我这不是事实。 这些理论确实提供了很多信息，但并不能让我们真正解开一些“旧理论”的秘密。 无论如何，我确定他（上帝）不会掷 1 个骰子。
爱因斯坦也是玻尔的同学，他们对量子热的截然不同的态度引发了一场长达40多年的激烈争论，直到爱因斯坦去世。 三人的学术接班人一直争论至今。 爱因斯坦是第一个阐明我们需要一个革命性的原子和辐射新理论的人，但他未能接受这个理论是量子热，他对量子热的第一反应是它不是自洽的（然而，后来的发展证明了爱因斯坦的观点是不正确的），因此，他强调量子热对自然界的描述是不完整的，遗漏了很重要的一部分。
我想爱因斯坦之所以没有把量子热作为权威理论，是因为他对科学的追求非常高。 超越主观意见并发现自然世界真实图景的愿景——也就是说，用一些永恒的物理定律阐明现实的本质——驱使他前进。 对于爱因斯坦来说，科学的目的是捕捉世界的本质，但这种本质独立于我们而存在，与我们对它的想法或了解无关。
爱因斯坦一定认为自己提出这个主张是最好的，尽管他在发现广义相对论和狭义相对论时已经做到了这一点。 在奠定了量子化学的基础之后，他想通过对原子、电子和光的完整描述来捕捉原子世界的本质。
玻尔认为原子化学理论需要在以下两个方面进行革命性的修正：一是我们如何理解科学的意义； 另一个是我们如何看待现实与我们对现实的理解之间的关系。 这些需求的根本原因是我们是世界的一部分，所以我们必须与我们想要描述的原子相互作用。
玻尔总结道：一旦我们在思维上完成了这些革命性的改变，量子热将不可避免地显得完整，因为它已经在像我们这样试图描述世界的参与者的脸上生根发芽。 在玻尔看来，既然没有比量子热更完整的描述世界的理论，那么它就是完整的。
如果我们拒绝这场哲学革命并坚持传统的现实观及其与观察和认知的关系，我们就必须付出另一个代价：思考我们对自然世界的个别方面是否有错误，并且还必须发现看似共同的东西但错误的想法并用全新的数学假设取而代之，将为新理论打开大门，使量子热更加完善。
所以，从1935年爱因斯坦和两个合作者的一篇论文开始，数学家们提出了很多理论，进行了很多实验，现在我们已经了解了这些完整过程的一个方面：新理论 常识必须打破对象仅与空间上接近的其他对象相互作用的假设，该假设称为局部性。 我们在后续章节中讨论的一个重点将是我们如何能够超越这些常识性观点，以新理论取代量子热。
本书有三个主要目标。 第一个大目标是想给非专业人士解释一下量子热的核心存在什么样的疑点。 明天，人类已经研究了量子热力学一个多世纪后，你们对这个谜题的答案还没有达成共识，就足以说明问题了。
然而，在这场关于量子热是否是数学终极理论的大辩论中，我虽然以客观公正的形式向读者介绍了辩论双方的论点，但我不会保持中立。 我站在爱因斯坦这一边。 我相信存在比玻尔所描述的更深层的现实，但我们可以在不影响现有传统观点和损害我们理解和描述现实的能力的情况下理解这一层。
我的第二个主要目标是发展一种对量子热之谜的看法：这个问题只能通过科学进步来解决，科学进步将不可避免地引导我们发现量子热之外的世界。 这些量子热的神秘之地，这个更深层次的理论会给我们一个明确的答案。
之所以敢下这样的结论，是因为自从量子热问世以来，我们就已经掌握了通过解谜、解题来提出理论的技巧。 在应用这种方法的过程中，我们对客观现实的传统信念不会受到挑战。 所谓客观现实，是指不受我们的认知和行为影响的现实，只有这些现实才能让我们对它有所认识。 完整的认知。 这个客观现实只有一个宇宙，我们之所以能观察到这个宇宙的个别性质量子物理学什么意思，是因为它是真实的。 这可以称为量子世界中现实主义的把戏。
一种将量子热之谜归因于与我们获取自然知识相关的微妙之处的反现实主义方法，提出了关于哲学分支“认识论”的一些激进观点，该分支与我们对事物的知识有关。 现实主义的方法假设我们迟早会得到对世界的真实描述，因此对认识论持谨慎幼稚的观点。 现实主义者真正感兴趣的是“本体论”，即对世界起源的研究。 相反，反实在论者认为，只有通过与世界的互动，我们才能获得关于世界的知识，否则，我们无法知道世界的起源是什么。
在这本书中，我试图消除读者的疑虑，并表明可以从现实的角度理解量子热。 所谓现实主义观点，就是认为外部世界可以独立于我们而存在的观点。 也就是说，观察者不会对被观察的对象造成任何神秘的影响，现实就在那里，完全不受我们意志和选择的影响。 这些现实与我们所感知的完全一样，并且只包含一个世界。
这种形式的量子热现实主义的存在本身并不意味着这些哲学上更复杂的激进理论是错误的，但它确实意味着没有足够强大的科学理由迫使我们相信它，因为只要现实主义被实现，所以它永远被科学所喜爱。
那么，为什么现实的存在取决于我们的认知以及存在多重现实这一奇怪的想法会引发如此多关于量子理论的讨论呢？ 这是人类思想史学家应该回答的问题。 保罗福尔曼就是其中之一，他将这些在 1920 年代和 1930 年代占据科学界主导地位的思想与玻尔和海森堡所拥护的反实在论的混乱哲学以及斯瓦尔德斯宾格勒和斯瓦尔德所提倡的非理性联系起来第一次世界大战后的其他人。
那段历史很诱人，但如何衡量它，才是历史学家应该做的。 我不是历史学家，而是科学家，这使我达到了撰写本书的第三个主要目标。
爱因斯坦认为我们应该寻找比量子热所描述的更深刻、更简单的现实，从我这个高中辍学生第一次遇到他的想法的那一天起，我就支持他。 我的数学生涯始于阅读爱因斯坦的自述笔记。 那是 1950 年代，他在生命的最后几年写道，他仔细思考了他认为尚未完成的数学的两大任务：第二是彻底理解量子化学；第二是彻底理解量子化学。 这种新的量子理论观点与引力理论统一起来，称为广义相对论。 我想我可以通过尝试来提供一点帮助，虽然我可能不会成功，但有些事情值得为之奋斗。
读了爱因斯坦的自述笔记，知道了自己的使命后，发现了上面提到的德布罗意思想的书，然后考上了好大学，找到了好老师，申请研究生的时候幸运地获得了几次好机会学校及以后。 今天我过着激动人心的生活，作为一名领先的科学家，我有很多机会解决爱因斯坦留下的两个问题。
我们还没有成功，在过去的几年或六年里，我们在这个问题上至少取得了一些进展。 事实上，这种进步还远远没有达到可以解决问题的程度，但至少比完全停止要好。 我们已经比爱因斯坦更了解跨越量子热极限的理论必须克服的障碍。 因此，我们提出了一些特别有趣的理论和假设，它们可能构成我们正在寻找的更深层次理论的框架 (2)。
自 20 世纪 70 年代中期以来，我一直在思考如何赶上量子热，我对成功的前景从未像昨天这样兴奋和开放。 这是我写这本书的第三个主要目标：在我们探索超越量子热的世界的最前沿向更广泛的读者报告我们的工作。