一、“量子”概念冲击了经典物理学大厦
“量子”概念中展现出的不连续性,对以连续性为基础的经典物理学提出了重大挑战。
1. 经典物理学在19世纪末发展到了巅峰
在19世纪末,经典力学、经典电动力学、经典热力学这三大体系和谐统一,牢不可破,共同构成了经典物理学的大厦。当时人们认为,物理学已经发展到了尽头,任何现象都在物理学的解释范围之内。
【案例】
热力学泰斗开尔文爵士曾说:“物理学的未来,只能在小数点第六位之后去寻找。”意思是说,物理学各个领域的基础原理都已经定型了。此外,普朗克的老师也曾劝说普朗克别再研究物理学,认为物理学体系已经成熟了。
2. “量子”概念的提出冲击了经典物理学的连续性基础
在经典物理学发展到顶峰之时,两朵看似无关紧要的“乌云”,却最终导致了经典物理学的覆灭:一朵引发了相对论革命,一朵引发了量子论革命。
普朗克发现,能量的发射和吸收是有一个最小单位的,并不能无限分割,是非连续的。而经典物理学建立在微积分之上,连续性是经典物理学的基础。量子论由此颠覆了经典物理学的大厦。
【案例】
在量子论中,能量的发射和吸收就像是花钱一样,你一次最少也要花1分钱,因为没有比1分钱更小的面值了。能量也一样,它有个最小单位,是不连续的。而在经典物理学中,一切都是平滑连续的。
二、量子力学是一场“掷骰子”的概率游戏
在经典物理学中,只要进行足够的计算,粒子的状态都是可以完全确定的。但量子力学认为,我们无法确定粒子的分布,只能掌握粒子出现的概率。
1. 粒子的分布位置不是一个确定事件,而是一个概率
薛定谔在研究原子的过程中得到了一个方程,其中的 ψ 函数代表了电子在空间中的分布。薛定谔一开始以为,ψ 代表了电子的实际分布位置。但波恩却指出,ψ 函数代表的是电子出现的概率,并不是实际位置。电子的分布是一种随机分布。
【案例】
在光的双缝干涉实验中,单个电子的出现位置是完全无法预测的,因为电子的位置是随机分布的。但如果我们加大电子的发射量,就能看到明显的干涉条纹。因为大量电子的随机分布是符合数学规律的,我们就可以预测电子在某一处出现的概率。
2. 量子力学颠覆了“决定论”
在经典物理学中,一切事物之间都是有因果联系的。只要掌握了足够多的规律,拥有足够强的计算能力,就可以掌握所有事物的过去和未来,这种观点被称为“决定论”。但量子力学提出,我们不可能预测一切事物,只能预测事物发生的概率,上帝是在玩“掷骰子”的概率游戏。这一观点从根本上否定了决定论。
【案例】
爱因斯坦不相信上帝会“掷骰子”,他在写给量子力学奠基人之一马克斯·波恩的信中明确表示,自己绝不愿意放弃因果性,他坚信量子论的基础一定有问题,一定能挑出毛病。他在信中说:“我毫无保留地相信,上帝是不会掷骰子的!”
三、量子力学中的“不确定性”推翻了“实在论”
“不确定性”原理指出,我们无法同时精确地测量电子或其他微观粒子的位置和速度,并且,我们的观测行为本身,会对测量结果造成干扰。所以,我们不能说世界的本质是什么样的,只能说我们观测到的世界是什么样的,甚至可以说,根本就不存在一个客观实在的世界。
1. 我们无法同时精确测量一个电子的位置和速度
海森堡在研究中发现,当我们在测量电子的速度和位置时,如果对速度的测量越精确,那么对位置的测量就越不精确;反过来也一样,对位置的测量越精确,对速度的测量就越不精确。这就是大名鼎鼎的“海森堡测不准原理”,也就是“不确定性原理”。
【案例】
科学家们进一步研究发现,能量和时间,也存在着这种不确定性的互补关系。如果能量测量的越精确,时间就越模糊;如果时间测量的越精确,能量就会开始起伏不定。许多物理量都遵循着海森堡的不确定性原理,此起彼伏,难以捉摸。
2. “不确定性”原理意味着“实在论”的破灭
“不确定性”原理意味着,我们的观测行为本身,会影响我们的观测结果。采取不同的观测方式,会观测到不同的结果。因此,我们无法把握事物的本质状态,甚至可以说,在量子世界中,根本就没有一个绝对客观的实体或者外部世界。
【案例】
假如你现在看到了一匹棕色的马,那如果你带上墨镜,那这匹马的颜色在你眼中就变了,而如果你是一位色盲患者,那马在你眼中又会是另外一种颜色。我们其实并不知道马在本质上是什么颜色的,只能说马在我们的观察中是什么颜色的,甚至可以说,马根本就没有什么“本来的颜色”。
《上帝掷骰子吗?》