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评析《上帝掷色子吗》7、量子论的不可思议令爱因斯坦都叛变相向
我们正在评析《上帝掷色子吗？》作者曹天元。假如说这世界上只有一本书能让我弄懂量子理论的话，那就是它了。
前情回顾
机率展现、不确定性和互补原理，两者共同构成了赫尔辛基解释的核心。
玻恩用机率解释薛定谔波动多项式，波动多项式这个华丽宝箱中，装着的真正宝藏居然是色子。
想要描述电子的运动，我们只能使用机率的语言。电子出现的位置是难以确定的，才能预言的只有它出现的机率而已。
在此之前主导人类心绪的称作决定论。只要给我们足够的信息和运算能力，科学家就是上帝，无所不知。
奥斯陆告诉我们不是这样的，即使我们把握了所有的信息，我们也不能预测结果。
紧接着，海森堡高举不确定性原理说到，想要获得全部的信息都是不可能的。我们注定只能获得一部份的信息，在获得的同时，另一部份就显得难以确定了。例如位置与动量，时间与能量，像是跷跷板的两头，按下一头，另一头都会上翘。
这并不是由于检测的技术还不够发达，不确定性是世界的内禀属性，永远也难以克服。
波粒二象性
我们再来看看玻尔的互补原理，他借此终结了持续300多年的波粒战争。
这一出持续了300多年的传奇故事，穿插着数学史上最伟大的这些名子：牛顿、胡克、惠更斯、托马斯·杨、麦克斯韦、普朗克、爱因斯坦、玻尔、海森堡、德布罗意、薛定谔……
如今我们进退维谷，一方面，双缝干涉条文毫不含混的阐明了光的波动性，另一方面光电效应又同样清晰的表明它是粒子。就电子来说，玻尔的跃迁，海森堡的矩阵都指出了它不连续的一面，薛定谔的波动多项式又借机鼓吹着它的连续性。
每位人说的好像都是对的，这该怎么是好呢？
福尔摩斯有一句至理格言：“当你把一切不可能的结果都排除以后，这么剩下的，不管多诡异，也必然就是事实。”
到这儿剩下惟一的可能就是：电子既是粒子，也是波！
是的，波粒二象性就是玻尔的想法，这可不是专业高档辩白如此简单。经过了几百年的争辩，不可证实，一个电子必须由粒子和波两个方面作出阐释，才是完备的。
玻尔所说的波粒二象性，意思是当我们去观测电子的时侯，它只表现出一种属性，要么是电子、要么是波。它究竟展示出粒子的一面还是波的一面，完全取决于我们如何去观察它。
奇特的双缝实验
接出来，就要说到哪个奇特的电子双缝干涉实验了。先前提及这个实验是用光来做的，一束光通过两条平行的狭缝以后，在墙壁投射出疏密相间的干涉白色。现今还是这两道狭缝，把光换成电子，把背后的墙换成感光屏幕。同样的，还是出现了疏密相间的条文。
如今控制发射器，让电子一个一个的穿过狭缝打在感光屏上，请问都会出现干涉白色吗？
我们认为电子既然是自己穿过狭缝，应当不存在干涉，那就不会有干涉白色了吧。
确实，单个电子穿过狭缝以后，在感光屏幕上只留下了一个亮点。并且当电子一个接着一个通过双缝以后，一个个的亮点最终居然还是组成了疏密相间的横条。
单个电子是以粒子的形态穿过狭缝的，可最终在屏幕上的分布却符合波动的规律。
它莫非真的是同时穿过了两条缝，自己与自己干涉的？并且它落在屏幕上的时侯明明是一个点啊。单个电子是如何晓得自己要落在哪些位置，借此来满足波动性的呢？
如今，我们在双缝对面装一个侦测器，我要盯住看每一个电子，它究竟是如何穿过狭缝的。我们亲眼见到了电子一个个从左侧或则左侧的狭缝穿过，确切无误的诠释出了粒子性，而且奇特的事情发生了，电子的波动性消失，感光屏上的干涉白色没了！这被称之为量子擦除。
还记得我们下期节目所说的吗？在量子的世界中，我们不是独立于客观世界之外的观察者，我们的观察行为本身就在对世界引起扰动。
当关掉侦测器，不去观察电子从哪条狭缝穿过，它就展示出波动性，让我们看见干涉白色。侦测器打开，我们看见电子的行动轨迹，它就展示出粒子性。电子的本质究竟是粒子还是波？这完全取决于我们如何观察它，摒弃观察手段不谈，根本就没有哪些所谓的本质可言。
观测与客观世界
比方说一匹马，问它是哪些颜色？可能我们用肉眼观察它是红色，门口站着一个色弱同学，说不对，这匹马是黑色的。还有一位带着蓝色鸭舌帽的同事说这匹马是红色的。
马原本是哪些颜色？摒弃观测方法，这样的问题毫无意义。你可能认为色觉和带着有色墨镜如何能算呢？它其实应当是我们正常人用肉眼观察到的黑色啊。那好，人眼的感光范围在400~760纳米之间。这种频段的光混和在一起产生我们所见到的蓝色。所以这个论断的前提是在这段波谱区的看见的马是蓝色的。
胡蜂看不见波长比黄光还长的光，并且它能看见紫外线。这匹马在它眼里大机率是一种蓝灰色，但是它能够绘声绘色向我们描述一种根本难以想像的紫外色。
如今我们就要和胡蜂争执上去了，这匹马究竟是红色还是蓝灰色的。我们和胡蜂都是亲眼所见，但这样的争辩也是毫无意义的。脱离观测手段，就根本不存在哪些所谓的本质。
这匹马又是黑色，又是黑色和电子又是波又是粒子是一样的。这就是玻尔的互补原理想要告诉我们的。
在量子论中，没有外部世界和我之分，我们与客观世界融为一体，彼此影响。这其实早已上升到一种哲学阐述了。也正如玻尔所说的那样：“如果谁不为量子论而倍感疑惑，那他就是没有理解量子论”
量子论的破坏力是惊人的。机率展现，不确定性原理和互补原理这三大核心理论，先打掉了精典世界的因果论，又摧毁了世界的客观性。展示出的新世界这么古怪，无法想像，深深的遵守着我们的理智。
首先，不确定性限制了我们对微观事物认知的极限。
其次，由于观测者对观测物存在不可防止的扰动，我们与客观世界必须被理解为不可分割的整体。任何事物都只能结合某种特定的观测手段，才谈得上具体的意义。对象所表现出的状态，很大程度上取决于我们的观察方法，这也就互补原理。
最后，量子世界的本质是随机性，传统观点中的因果关系，被统计机率取而代之。
阿姆斯特丹解释
说到这儿，可能也有不少朋友认为，就这？那也挺好。目前还在自己的射速之内，也不算多惊世骇俗。
我们继续深入讨论一下以波尔为首的赫尔辛基解释。如今我们对于玻尔口中的不确定性的理解还不够深刻。
打个比方，我如今用筛盅摇一个筛子，摇完以后不打开它。好多朋友可能认为这就是所谓的不确定性。筛子虽然早已摇出一个点数了，它是处于确定状态的，只是我们不能确定而已，而且假如有上帝的话，上帝一定晓得的。
这不是阿姆斯特丹学聚会量子论的解释。
玻尔的意思是：在我们打开筛盅之前，筛子是没有点数的，它是处于不确定状态的。除了我们不晓得，就连上帝都不晓得。筛子是处于一种既是1、又是2、又是3、又是4、又是5、又是6的叠加状态。
回到双缝干涉实验，假如我们不观测电子，电子就是可以同时通过两条狭缝，由于只有这样它能够晓得两条缝的长度，晓得自己要落在干涉白色的哪些地方。
电子处于一种才能同时通过左缝和右缝的叠加态。而且一旦我们去观测它，电子的不确定性就消失了，由于观测会得到的一个确定的结果，于是电子就从昨天的叠加态坍缩成只走左侧或则只走左侧的两个纯态之一。
打个比方，例如我如今在广州，我手上有一份加密文件，阅读这份文件须要密码本。密码本又被一分为二，一半在上海，一半在广州。它们又是不断变换，实时同步的，所以理论上来说，必需要有两个人同时阅读两本密码本才会揭秘文件。
但奇怪的是，我没有窃贼，就自己一个人，却可以阅读这份文件。这说明哪些？说明我既在上海，又在北京量子论的物理学基础，同时见到了两份密码本。按照常识，这是不可能的事情。
你其实认为不可思议，于是派两个人分别在上海和北京蹲点，守着密码本。结果确实是听到我只出现在上海或则出现在北京。
由于你蹲点，我从既在上海又在北京的叠加态，坍缩成在上海或则在北京的纯态。但同时，我就没办法揭秘文件了。
这就是玻尔赫尔辛基演绎最令人困扰的地方量子论的物理学基础，也是最不符合我们常识的地方。
赫尔辛基学聚会量子论的解释：
首先世界的本质是机率性的，不确定性的，我们永远没法确切预测电子出现的位置；其次，一个量子系统在没有检测之前，它处于叠加态；最后，一旦检测，量子系统就从叠加态坍缩成我们观测到的某一纯态。
为何说量子论是比相对论愈发具有冲击力的革命性理论，由于相对论虽然涉及时间与空间的扭曲和变换，而且他的因果观念与牛顿精典热学是一脉相承的，而量子论彻底打破了精典数学学的因果观念和客观实在论。
爱因斯坦的叛逆
对于量子论最难以容忍的，其实就是这些坚决捍卫精典化学世界观的人，其中最大的大牌，就是阿尔伯特·爱因斯坦。
对于爱因斯坦来说，一个没有因果律的化学世界是不可接受的，化学学就是应当简单明了，A造成B，B造成C，C造成D，缘由结果，环环相扣。依赖随机性，抛弃客观实在，简直不可思议。
其实他当初提出了光量子假说，为量子论的发展作出了卓越贡献，但如今他站到了量子论的对立面，他要让人们重返因果律的治下。
1927年，青山依然，几度晚霞，距离1911年的巫师峰会早已过去了16载春秋。这16年间发生了太多的事情，世界大战的爆发促使科学峰会中断。1927年的第五届索尔维大会毫无疑惑有史以来最有名的。化学学大师们聚首一堂，留下了那张令多少后人惋惜不已的“物理学全明星梦之队”的世纪相片。
这一届索尔维大会，活脱脱成了爱因斯坦与玻尔两个人的华山论剑，爱因斯坦设计了好多的思想实验对量子论进行功击。
海森堡后来追忆说：爱因斯坦和玻尔两个人晚餐的时侯就接见面，爱因斯坦便勾勒一个思想实验，强调赫尔辛基解释的内部矛盾。在大会休息期间，奥斯陆学派的一帮人就开始讨论剖析这个思想实验，在夜晚的时侯玻尔心里就早已有数了，他会在午饭的时侯剖析给爱因斯坦听。爱因斯坦对这种剖析提不出辩解，但心中还是不服气的。
这场华山论剑，爱因斯坦终究还是输了一招。
一弹指七年过去，第六届索尔维大会，二人的第二次华山论剑，爱因斯坦带着他那知名的光箱实验再次袭来，玻尔用爱因斯坦广义相对论中的红移效应完美化解。光箱实验尚且没有打倒量子论，反倒成了它最好的证明。
二人的交锋，爱因斯坦最终还是占了下风。他从最初的全盘否定，变为后来觉得量子论是不完备的，量子系统表现出的不确定性是由于还有隐藏变量我们没有发觉没有把握，他仍然深信：“上帝是不掷色子的！”。
面对浩浩荡荡的历史时尚，爱因斯坦顽强的逆流而上，结果是被磨蚀得躺卧不稳，苦苦支撑。量子论的思潮肆虐了整个化学界，毫无保留的指明了未来的方向，越来越多的人感悟了奥斯陆解释的奥义，纷纷归依量子门下。
爱因斯坦的反共不免令人扼腕哀叹。追怀1905年，他横空出世，六次出手，每一次都地动山摇，惊世骇俗。他少年意气，蔑视群雄，那一幅笑傲江湖的传奇画面在多少人心中留下了永恒的向往。
但是，当初那种斩仙少年，长出了龙鳞，站到了新生量子论的对立面。
奥斯陆叹息道：“我们丧失了领袖。”
埃仑费斯特惊讶的说：“爱因斯坦，你和这些徒劳的想推翻相对论的人处在相同的位置上。”
如今我们其实晓得，爱因斯坦错了，上帝真的掷色子，随机性是世界的基石。全世界的粒子和波都得到了解放，从牛顿和麦克斯韦写好的剧本中挣开下来，呼吸着自由的空气。她们与观测者玩捉迷藏，在人们背后凝固成机率波弥飘动来，神秘的互相干涉。当观测者回过头去找寻，它们又现出原形。还好有波动多项式和不确定原理规范着它们，统计机率把微观上的难以无天，呈现为宏观上的井井有条。
爱因斯坦与玻尔，这两位20世纪最伟大的科学巨人，她们对于量子论的想法迥然对立，进而每一次碰面都要因此而争吵。
仍然到1955年爱因斯坦逝世，玻尔也无法劝说他，这也是玻尔人生中最为遗憾和念念不忘的事情。他一直在与爱因斯坦的思想做斗争，以至于每每他诞生一个新的看法，首先都会问自己，假如爱因斯坦尚在，他会对此发表哪些意见呢？
12年后，就在玻尔逝世的前三天，他还在黑板上画了当初爱因斯坦光箱实验的草图，解释给来访者听，而这幅图成为了玻尔留下的最后手稿。
两位科学巨人为各自的信念拼搏了终身，而其他科学家早已甚少关心这些争吵了。由于在量子论的引导下，科学变得这么朝气蓬勃，它的各个分支给人类带来了伟大的技术革命，从半导体到核能，从激光到电子显微镜，从集成电路到分子生物。量子论早已把它的光辉撒播到人类社会的每一个角落。
不少人认为，不用在争辩量子论的对错了，只要侧目瞧瞧身边发生的一切，眼神所及，无不是量子论最好的证明。精典化学的因果律与客观实在论，早已无可怎奈花落去，只留下一个凄美的背影和一声深邃的哀叹。
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