장8 7장 불확실성

하나 우리의 역사는 여기까지 왔고, 우리가 걸어온 여정을 돌아볼 때입니다.우리는 웅장한 고전물리학 건물이 어떻게 갑자기 무너졌는지 보았고, 플랑크의 양자 가설이 어떻게 흑체 문제를 지침으로 삼아 새로운 혁명의 불씨를 촉발했는지 보았습니다.그 후 아인슈타인의 광양자론은 갓 태어난 양자에게 실질적인 힘을 부여해 처음으로 군중 속에서 두각을 나타낼 수 있게 했고, 보어의 원자론은 그 무한한 에너지의 도움으로 새로운 세계를 창조했다. 우리는 또한 입자와 파동이라는 두 이론이 300년 전부터 빛의 본질에 대해 어떻게 끊임없이 대립해 왔는지 언급했습니다.드 브로이로부터 시작하여 이 본질적인 모순은 물리학의 기본 문제가 되었고, 하이젠베르크는 불연속성으로부터 행렬역학을 만들었고, 슈뢰딩거도 또 다른 연속 경로 방정식을 따라 그의 파동을 발견했습니다.이 두 이론은 수학에 의해 등가임이 증명되었지만 그 물리적 의미는 광범위한 논쟁을 불러일으켰고, 본의 확률 설명은 수백 년의 결정론을 의심의 단계로 밀어붙이며 파동의 초점이 되었다.한편, 변동과 입자 사이의 전쟁은 이제 가장 중요한 시간에 도달했습니다.

다음으로 물리학에서 정말 이상한 일들이 일어날 것입니다.그것은 사람들의 철학을 그럴듯한 광기로 변모시키고 물리학 자체를 소용돌이로 만들 것입니다.20세기의 가장 유명한 논쟁이 지금까지 계속되고 있는 반향과 함께 곧 펼쳐질 것입니다.우리는 먼 길을 왔고 모두 지치고 지쳤지만 돌이킬 수는 없습니다.돌이켜보면 흰구름이 집으로 가는 길을 막았고, 고전이론의 따뜻한 위로로 돌아갈 수는 없었고, 우리 눈앞에는 멀고도 험난한 곳으로 이어지는 길고 험난한 길뿐이었다.이제 큰 용기를 내어 물리학자들을 따라 이 길 끝에 어떤 풍경이 숨겨져 있는지 살펴보자.

여기서 우리는 1927년 2월의 마법 같은 겨울로 돌아갑니다.지난 몇 달은 Heisenberg에게 악몽이었습니다. 점점 더 많은 사람들이 그의 매트릭스를 잊고 슈뢰딩거와 그의 망할 파동 이론으로 눈을 돌렸기 때문입니다.하이젠베르크의 독창적인 우수한 논문은 현재 파동 방정식의 다른 형태로 다시 쓰여지고 있으며, 이는 그를 특히 참을 수 없게 만듭니다.그는 나중에 Pauli에게 다음과 같이 썼습니다. 행렬에 관한 모든 논문에 대해 사람들은 그것을 켤레 파형으로 다시 작성하는데, 이는 저를 매우 짜증나게 합니다.나는 그들이 두 가지 방법을 배우는 것이 더 낫다고 생각합니다.

그러나 그를 가장 슬프게 한 것은 의심할 여지 없이 보어 역시 자신의 정반대 쪽으로 방향을 돌렸다는 점이다.그가 엄격한 스승, 사랑스러운 아버지, 좋은 친구로 여겼고 뒤에서 양자 이론의 교황이라고 불렀던 보어, 코펜하겐 군단의 총사령관이자 영적 지도자인 보어가 이제 실제로 그를 반대했습니다!이로 인해 Heisenberg는 극도로 억울하고 슬펐습니다.나중에 보어가 자신의 이론을 다시 비판했을 때 하이젠베르크는 실제로 눈물을 흘렸습니다.Heisenberg에게 Bohr의 입장은 독특했습니다. 그의 지원 없이는 Heisenberg는 어른의 팔없이 강에서 수영하는 어린 아이처럼 고립되고 무력감을 느꼈습니다.

그러나 이제 보어는 노르웨이로 휴가를 떠났으니 아마도 스키를 탈 것입니까?Bohr의 열악한 스키 기술을 기억하면서 Heisenberg는 미소를 지을 수 없었습니다.보어는 더 이상 도움을 줄 수 없었고 이제 그와 클라인은 함께 모여 상대론적 요동을 연구하는 데 집중했습니다.파동!하이젠베르크는 콧방귀를 뀌었다. 죽여도 인정하지 않겠다.전자는 요동으로 해석해야 한다.그러나 상황이 그렇게 나쁘지는 않았고, 그에게는 최소한 몇 명의 전우가 있었습니다. 그의 오랜 친구인 파울리, 괴팅겐의 요르단, 그리고 현재 코펜하겐을 방문 중인 디락이었습니다.

얼마 전에 Dirac과 Jordan은 변환 이론을 각각 개발하여 Heisenberg가 행렬을 사용하여 슈뢰딩거 방정식으로 다루어졌던 몇 가지 확률 문제를 쉽게 처리할 수 있도록 했습니다.Heisenberg는 기쁘게도 불연속성을 Dirac의 이론의 기초로 삼았고, 이를 통해 Schrödinger의 설명이 의심스럽다고 확신했습니다.그런데 불연속성을 전제로 한다면 이 시스템의 일부 변수는 설명하기 어려운데, 예를 들어 전자의 궤적은 항상 연속적이죠? 하이젠베르크는 문제가 어디에 있는지 알아보기 위해 최선을 다해 매트릭스 역학이 만들어진 역사를 회상했습니다.우리는 그 당시 하이젠베르크의 가정이 다음과 같았음을 기억합니다. 전체 물리 이론은 관찰 가능한 양에 대해서만 전제할 수 있으며 이러한 변수만이 확정적이며 모든 시스템의 기초를 형성할 수 있습니다.그러나 Heisenberg는 또한 아인슈타인이 이에 동의하지 않았다는 사실을 기억합니다.그는 고전 철학의 영향을 너무 많이 받았고 절망적인 초월주의자였습니다.

관측 가능한 양만이 물리학의 자격이 된다고 정말로 믿지 않습니까?언젠가 아인슈타인은 그에게 이렇게 물었습니다. 왜 안 돼?하이젠베르크는 상대성이론을 창안할 때 절대시간이 관측불가능해서 버리지 않았느냐고 놀라워했다. 아인슈타인은 웃었다. 좋은 트릭을 두 번 할 수는 없다.원칙적으로 관찰 가능한 양만을 바탕으로 이론을 세우려는 것은 잘못된 것임을 알아야 합니다.진실은 정반대입니다. 우리가 관찰할 수 있는 것을 결정하는 것은 이론입니다. 응?이론은 우리가 관찰하는 것을 결정합니까?그렇다면 이론은 구름 상자에서 전자의 궤적을 어떻게 설명합니까?슈뢰딩거의 관점에서 이것은 일련의 고유 상태의 중첩이지만 그를 잊어버리십시오!하이젠베르크는 혼잣말을 했습니다. 좀 더 정통적인 행렬의 관점에서 설명합시다.그러나 행렬은 불연속적이지만 궤적은 연속적이며 소위 궤적은 행렬이 생성되었을 때 관찰할 수 없는 양으로 폐기된 지 오래다.

창밖의 밤은 조용했고 Heisenberg는 열심히 생각했지만 이해할 수 없었습니다.그는 걱정으로 가득 차서 뒤척이고 일어나 보어 연구소에서 멀지 않은 Faelled 공원으로 산책을 가기로 했습니다.한밤중에 공원은 텅 비어 있었고 저녁 바람은 여전히 ​​얼굴에 씁쓸하고 차가웠지만 사람들을 술에 취하게 만들었습니다.하이젠베르크의 마음은 크고 작은 행렬로 가득 차 있었고 그는 행렬의 이상한 곱셈 규칙을 기억했습니다. p×q≠q×p 이론은 우리가 관찰하는 것을 결정합니까?이론에 따르면 p×q≠q×p는 우리가 관찰하는 것을 결정합니까?

I×II는 무슨 뜻인가요?먼저 1호선을 타고 2호선으로 환승하세요.그렇다면 p×q는 무엇을 의미할까요? p는 운동량이고 q는 위치입니다. 밤하늘에 번갯불이 번쩍이는 것 같았고 하이젠베르크의 마음은 갑자기 맑아지고 맑아졌습니다. p×q≠q×p, 이것은 운동량 p를 먼저 관찰한 다음 위치 q를 관찰하는 것과 q를 먼저 관찰한 다음 p를 관찰하는 것과 결과가 다른 것이 아닌가? 잠깐, 이게 무슨 뜻이야?앞으로 나아가는 작은 공이 있다고 가정하면 매 순간 그 운동량과 위치가 두 개의 명확한 변수가 아닙니까?관찰 순서의 차이만으로 결과가 다른 이유는 무엇입니까?Heisenberg의 손바닥은 땀을 흘리고 있었고 여기에 숨겨진 매우 중요한 비밀이 있음을 알고있었습니다.이것이 어떻게 가능한지?직사각형의 길이와 너비를 측정하려면 길이를 먼저 측정하거나 너비를 먼저 측정하는 것이 같은 것이 아닙니까?

~하지 않는 한 운동량 p 자체를 측정하는 행위가 q의 값에 영향을 미치지 않는 한.차례로 q를 측정하는 행위는 p의 값에도 영향을 미칩니다.하지만 농담입니다. p와 q를 동시에 측정하면 어떻게 될까요? Heisenberg는 갑자기 신성한 계시를 본 것 같았고 갑자기 깨달음을 얻었습니다. p×q≠q×p, 우리의 방정식은 p와 q를 동시에 관찰하는 것이 불가능하다고 말합니까?이론은 우리가 관찰할 수 있는 것을 결정할 뿐만 아니라 관찰할 수 없는 것도 결정합니다! 그러나 혼란스럽습니다. p와 q를 동시에 관찰할 수 없다는 것은 무엇을 의미합니까?관찰 p는 q에 영향을 미칩니 까?관찰 q는 p에 영향을 미칩니 까?도대체 우리가 무슨 말을 하는 거지?작은 공이 시간 t에 있고 위치 좌표가 10미터이고 속도가 초당 5미터라고 하면 문제가 없습니까?

문제가 있고 큰 문제가 있습니다.하이젠베르크는 손뼉을 쳤다.시간 t에서 특정 공의 위치가 10미터이고 속도가 초당 5미터라는 것을 어떻게 알 수 있습니까?당신은 어떻게 압니까? 무엇에 의해?말할 필요도없이?관찰하고 측정하십시오. 열쇠는 여기 있습니다!측정!Heisenberg는 머리를 부딪치며 말했습니다. “문제가 측정 동작에 있음을 이제 완전히 이해했습니다.직사각형의 길이와 너비는 모두 고정되어 있어 길이를 측정할 때 너비는 절대 변하지 않으며 그 반대도 마찬가지입니다.고전적인 공에 대해 다시 이야기해 봅시다. 공의 위치를 ​​어떻게 측정합니까?그것을 보거나 감지할 수 있는 도구가 있어야 합니다. 어쨌든 어떻게든 만져야 합니다. 그렇지 않으면 그것이 어디에 있는지 어떻게 알 수 있습니까?예를 들어, 작은 공의 위치를 ​​어떻게 볼 수 있습니까?일부 광자는 광원에서 나와 공을 치고 다시 눈으로 튕겨 나와야 합니다.요점은 고전적인 구체는 거대하고 그것을 때리는 광자는 개미가 코끼리를 때리는 것과 같으며 무시할 수 있는 영향으로 속도에 영향을 미치지 않는다는 것입니다.이 때문에 위치를 측정한 후 무시할 수 있는 오차로 차분하게 속도를 측정할 수 있습니다. 그러나 우리는 지금 전자에 대해 이야기하고 있습니다!너무 작고 가벼워서 광자의 영향을 무시해서는 안 됩니다.전자의 위치를 ​​측정합니까?글쎄, 우리는 이 작업을 수행하기 위해 광자를 보냅니다. 어떻게 보고합니까?예, 저는 이 전자에 접근할 수 있었습니다. 그러나 그것은 저에게 강한 충격을 주었고 어딘가로 떨어졌고 현재 속도에 대해서는 말할 수 없습니다.보세요, 그것의 위치를 ​​측정하기 위해 우리는 그것의 운동량인 속도를 급격하게 변화시켰습니다.우리는 전자의 위치와 운동량을 동시에 정확히 알 수 없습니다. 하이젠베르크는 서둘러 연구소로 돌아와 계산에 몰두했고 마침내 공식을 생각해 냈습니다. △p×△q >h/2π Δp와 Δq는 각각 p 측정 오차와 q 측정 오차이고 h는 플랑크 상수입니다.하이젠베르크는 p 측정과 q 측정 오류의 곱이 특정 상수보다 커야 함을 발견했습니다.우리가 p를 매우 정확하게 측정한다면, 즉 △p가 매우 작다면 그에 따라 △q는 매우 커져야 합니다. 즉 q에 대한 우리의 지식은 매우 모호하고 불확실해질 것입니다.반대로 위치 q를 매우 정확하게 측정하면 p가 흔들리고 오차가 급격히 증가합니다. p를 100% 정확도로 측정하면 즉 △p=0이면 △q는 무한대가 됩니다.즉, 전자의 운동량 p에 대한 모든 정보를 알면 동시에 위치 q에 대한 모든 정보를 잃게 됩니다. 실험, 우리는 그것을 더 잘할 수 없습니다.p를 정확히 알고 q를 놓아주거나, q를 정확히 알고 p에 대한 모든 지식을 포기하거나, 타협하여 상대적으로 모호한 p와 상대적으로 모호한 q를 동시에 얻을 수 없습니다. p와 q는 전생에 한 쌍의 원수 같고, 생에서는 만나지 않고, 사업에 참여하듯 움직이고, 당신은 있지만 나는 없는 상태에 있다.우리가 하나에 가까워질 때마다 우리는 동시에 다른 하나를 극적으로 소외시킵니다.이 독특한 양을 켤레 양이라고 하는데 나중에 그런 양이 많다는 것을 알게 될 것입니다. 하이젠베르크의 이 원리는 1927년 3월 23일 "Journal of Physics"에 발표되었으며 불확정성 원리라고 합니다.처음 중국어로 번역되었을 때 불확정성 원리로 사랑스럽게 번역되었지만 지금은 대부분이 보다 일반적인 불확정성 원리로 변경되었습니다. 둘 불확정성 원리 불확실한가?다시 한 번 우리는 이 불쾌한 단어를 접하게 되었습니다.다시 말하지만, 이 용어는 물리학에서 눈살을 찌푸리게 합니다.물리학이 아무것도 결정할 수 없다면 무엇을 위해 물리학이 필요합니까?모든 조건을 예측할 수 없다는 점에서 Born의 확률론적 해석은 충분히 성가시다.이제 Heisenberg는 모든 조건을 감안할 때 훨씬 더 잘하고 있습니까?이 전제 자체는 불가능하다 어떤 조건이 주어지면 다른 조건은 모호하고 불확실해진다.p가 주어지면 q와 작별을 고합니다. 예쁘지 않습니다. 문제가 있는 것이 분명합니다.p를 측정하면 q를 측정할 수 없나요?포기하지 않고 와서 작동하는지 확인해야합니다.음, Heisenberg가 인수했습니다. Wilson 클라우드 챔버를 기억하십니까?처음에 이 문제에 대해 걱정하지 않았습니까?구름상자를 통해 전자의 이동 궤적을 볼 수 있으니 그 위치를 지속적으로 측정하여 순간 속도를 계산하는 것은 물론 동시에 그 운동량도 알 수 있지 않을까요? 이 질문에 하이젠베르크는 미소를 지으며 말했다. 드디어 알아냈다.구름 상자에 전자가 남기는 것은 우리가 이해하는 것처럼 미세한 트랙이 아니라 실제로 일련의 응결된 물방울일 뿐입니다.확대해 보면 불연속적이고 점선이 뭉쳐져 있어 위치 개념을 정확하게 파악하는 것이 불가능하고 불확정성 원리를 위반하는 것은 말할 것도 없습니다. 오?좋아요.그럼 좀 더 조심하자 전자의 미세한 궤적만 알아낼 수는 없을까?더 큰 현미경을 사용하여 이 작업을 수행할 수 있습니다. 이론상 불가능하지 않습니까? 그건 그렇고, 현미경!Heisenberg는 열정적으로 말했습니다. 현미경에 대해 이야기하려고했습니다.생각 실험(Gedanken-experiment)을 해봅시다. 매우 강력한 현미경이 있다고 상상해 봅시다.하지만 아무리 강력한 현미경이라도 기본 원리가 있는 법이니, 아무리 파동을 이용해서 파장보다 작은 물체를 관찰하면 마치 망원경을 사용하는 것처럼 전혀 정확하지 않다는 것을 알아야 합니다. 거친 파동. 펜으로 가는 선을 그릴 수 없는 것과 같습니다.전자처럼 작은 것을 보려면 매우 짧은 파장의 빛을 사용해야 합니다.일반 조명으로는 충분하지 않으므로 자외선, X-선 또는 감마선을 사용해야 합니다. 글쎄요, 사고 실험에는 돈이 들지 않기 때문에 상급자가 우리에게 첨단 감마선 현미경을 만들기 위해 처음으로 막대한 돈을 할당했다고 가정해 봅시다.이제 전자가 정확히 어디에 있는지 볼 수 없습니까? 그러나 Heisenberg는 지적했습니다. 잊었습니까?전자를 감지하는 모든 파동은 전자 자체에 교란을 야기해야 합니다.파동의 파장이 짧을수록 주파수는 높아지겠죠?플랑크의 공식 E = hν를 기억해야 합니다. 주파수가 높을수록 에너지가 높아져 전자를 더 심하게 교란시키고 동시에 전자의 운동량을 더욱 이해할 수 없게 됩니다.보시다시피 이것은 불확정성 원리를 완벽하게 만족시킵니다. 당신은 궤변입니다.전자의 위치를 ​​감지하기 위해 광자를 사용할 때마다 전자에 강한 교란을 일으켜 방향과 속도를 변경하고 다른 방향으로 날아가게 한다는 사실을 인정합시다.그러나 우리는 목표를 달성하기 위해 여전히 영리하고 우회적인 방법을 사용할 수 있습니다.예를 들어, 반사된 광자의 방향 속도를 측정하여 그것이 전자에 미치는 영향을 추론한 다음 전자 자체의 방향 속도를 내보낼 수 있습니다.이게 당신의 트릭을 깨뜨리지 않습니까? 아니면.하이젠베르크는 고개를 저으며 이렇게 높은 감도를 얻기 위해서는 우리 현미경에 직경이 큰 렌즈가 있어야 한다고 말했습니다.렌즈는 모든 방향에서 오는 빛을 하나의 초점으로 모으기 때문에 반사되는 광자가 어디에서 오는지 알 수 없습니다.광자가 집중되지 않도록 하기 위해 렌즈의 직경을 축소하면 현미경의 감도가 작업에 너무 나빠집니다.그래서 당신의 영리함은 여전히 ​​작동하지 않습니다. 사악해.그렇다면 현미경 자체의 바운스를 살펴보는 것은 어떨까요? 마찬가지로 이런 미묘한 효과를 관찰하려면 파장이 짧은 빛을 사용해야 하므로 그 에너지가 크고 현미경 자체에 교란을 일으켜 모든 것을 지워버리게 된다. 잠깐, 우리는 포기하지 않습니다.글쎄, 우리는 우리의 관측 장비가 매우 거칠고, 우리의 손가락이 서툴고, 우리 문명이 겨우 몇 천 년 밖에 되지 않았으며, 현대 과학이 확립된 지 불과 300년이 채 되지 않는다는 것을 인정합니다.우리는 장비가 어리석고 서투르기 때문에 현재 기술 수준으로는 작은 전자의 위치와 운동량을 동시에 관찰할 수 없음을 인정합니다.그러나 이것은 전자가 위치와 운동량을 동시에 가지고 있지 않다는 것을 의미하는 것은 아니며, 아마도 미래에, 심지어 먼 미래에도 최첨단 기술을 개발하여 전자를 정확하게 측정할 수 있는 매우 정교한 장비를 발명하게 될 것입니다. 전자의 위치와 운동량 운동량은?가능성을 부인할 수 없습니다. 그것은 그것이 말하는 것이 아닙니다.여기서 문제는 이론이 우리가 관찰할 수 있는 것을 제한한다는 것이지 실험이 오류를 유발한다는 것이 아닙니다.정확한 운동량과 위치를 동시에 측정하는 것은 아무리 기술이 발달해도 원칙적으로 불가능하다.영구 운동 기계를 만들 수 없듯이 p와 q를 동시에 감지할 수 있는 현미경도 만들 수 없습니다.앞으로 우리가 어떤 이론을 만들어내든 불확정성 원리를 따라야 하며, 이는 기본 원리이며 이후의 모든 이론은 정당성을 얻기 위해 감독을 받아야 합니다. 하이젠베르크의 결론이 너무 위압적이지 않습니까?게다가 물리학자들은 이런 식으로 얼굴을 찡그리지 않을까요?대중을 상상해 보십시오. 당신은 물리학자입니까?아, 정말 죄송합니다. 전자의 운동량과 위치도 모르시네요!적어도 우리 Tommy는 자신의 공을 다루는 방법을 알고 있습니다. 그러나 우리는 여전히 사실을 제시하고, 이유를 제시하고, 덕으로 다른 사람을 설득해야 합니다.여러 가지 사고 실험이 제안되었지만 우리는 전자의 운동량을 정확하게 측정하는 동시에 전자의 위치를 ​​정확하게 파악할 수 없습니다.두 오류의 곱은 해당 상수, 즉 h를 2π로 나눈 값보다 커야 합니다.다행스럽게도 h는 6.626×10^-34 joule 초로 매우 작으므로 △p와 △q의 크기가 비슷하면 둘 다 10^-17 정도입니다.우리는 이제 정보가 없는 대중에게 상황이 그렇게 나쁘지 않으며 그 효과는 전자와 광자의 규모에서만 명백하다는 것을 안심시킬 수 있습니다.Tommy의 공에게 10^-17은 전혀 느껴지지 않을 정도로 중요하지 않습니다.Tommy는 공이 어디에 있는지 알 수 없었기 때문에 공을 잃어버릴 염려 없이 공을 쏠 수 있었습니다. 그러나 전자 저울 세계에서는 상황이 매우 다릅니다.지난 챕터 말미에 우리는 원자의 신비를 탐구하기 위해 전자의 크기로 축소되었다고 상상했는데, 당시 우리의 키는 10^-23미터에 불과했습니다.이제 엄마는 우리의 장난꾸러기 행동이 걱정되어 우리가 어디에 있는지 측정하고 싶었지만 실망할 수밖에 없었습니다.100만번의 오차는 무엇을 의미합니까?우리가 보통 키가 1.75m라면 오차는 175만m, 즉 1,750km에 달할 것입니다.상해철도 곳곳에서 저희를 찾아주세요.이름값을 하게 될지는 장담할 수 없습니다. 항상 자연은 이 결론을 고집스럽게 고수하며 위치와 운동량의 정확한 값을 동시에 얻을 기회를 결코 주지 않습니다.아무리 많은 트릭을 할 수 있어도 항상 우리보다 낫고 매번 우리의 영리함을 이길 것입니다.전자의 위치와 운동량을 측정할 수 없습니까?여분의 공간을 남기지 않고 하나의 전자만 수용할 수 있는 아주 작고 아주 작은 용기를 설계해 봅시다.전자제품은 움직일 수 없잖아요?그러나 우선 이런 종류의 용기는 전자로 구성되어야 하기 때문에 제조할 수 없기 때문에 내부 공간이 변동하는 위치를 가져야 합니다.가능하더라도 한 걸음 뒤로 물러나면, 이 경우 전자는 벽을 통과한 전설의 노산 도교처럼 용기 벽을 신비롭게 스며들어 용기 외부에 나타납니다.불확정성 원리는 모든 제약을 돌파하는 마법 같은 능력을 부여합니다.또 다른 방법은 식히는 것입니다.우리 모두는 원자가 지속적으로 진동하고 온도가 이 진동의 거시적 표현이라는 것을 알고 있습니다 온도가 절대 영도까지 떨어지면 원자는 이론적으로 완전히 정지합니다.그 때 운동량은 0으로 결정되었으니 위치만 측정하면 되겠죠?불행하게도 절대 영도에는 도달할 수 없으며, 아무리 노력해도 원자는 운동량을 측정하지 못하도록 필사적으로 마지막 내부 에너지를 유지합니다.누구든지 원자를 완전히 정지시키는 것은 불가능하며, 전설의 성자도 불가능하며 불확정성의 원리를 극복할 수 없습니다. 모멘텀 p와 위치 q, 그것들은 정말로 삶과 죽음입니다.한 양이 우주에 나타날 때마다 다른 양이 불가사의하게 사라집니다.또는 둘 다 불분명한 모습으로 나타납니다.Heisenberg는 곧 또 다른 유사한 적 쌍인 에너지 E와 시간 t를 발견했습니다.에너지 E를 정확하게 측정할수록 시간 t는 더욱 흐려지고, 반대로 시간 t를 정확하게 측정할수록 에너지 E는 크게 변동하기 시작합니다.또한 이들의 관계는 동일한 불확실성 규칙을 따릅니다. △E×△t >h/2π 신사 숙녀 여러분, 우리 우주는 매우 이상해졌습니다.모든 종류의 물리량은 하이젠베르크의 불확정성 원리를 차례로 따릅니다. 신비의 바다에서 거품이 솟아오르고 터지는 것과 같습니다.고대인의 눈에 공허함은 무(無)를 의미했습니다.그러나 나중에 사람들은 눈에 보이지 않는 공기에도 무수한 분자가 있다는 것을 알게 되었고, 보이드는 공기를 빼내는 진공을 의미해야 합니다.이후 사람들은 중력장에서 전자기장에 이르기까지 다양한 분야 역시 공간의 개념에서 배제되어야 하며 공간 자체만을 지칭해야 한다고 느꼈다. 하지만 지금은 그 개념이 다시 혼란스러워지고 있습니다.우선 아인슈타인의 상대성 이론은 공간 자체도 뒤틀리고 변형될 수 있다고 알려줍니다.사실 중력은 공간의 곡률일 뿐입니다.그리고 하이젠베르크의 불확정성 원리는 좀 더 이국적인 시나리오를 제시합니다. 우리는 t가 더 정확하게 측정될수록 E가 더 불확실해진다는 것을 알고 있습니다.따라서 매우 짧은 순간, 매우 명확한 순간에는 진공 상태에서도 엄청난 에너지 변동이 있을 수 있습니다.이런 종류의 에너지는 전적으로 불확실성에 의존하여 난데없이 나타나며 에너지 절약 법칙에 위배됩니다!그러나이 순간은 매우 짧고 사람들이 그것을 발견하기 전에 신비롭게 사라지고 전체적으로 에너지 절약의 법칙이 유지됩니다.간격이 짧을수록 t가 더 확실하고 E가 더 불확실하며 허공에서 나타날 수 있는 에너지가 더 큽니다. 따라서 우리의 진공은 실제로 항상 끓고 있으며 신비한 에너지가 모든 곳에서 생성되고 사라집니다.아인슈타인은 에너지와 물질이 서로 변환될 수 있다고 해서 진공 속에서는 실제로 어떤 유령 물질이 끊임없이 등장하지만 우리가 붙잡기 전에 다른 세계에서 사라졌습니다.진공 자체는 이러한 변동을 제공하는 가장 좋은 매체입니다. 이제 우리가 공에 대해 이야기한다면 분명히 말해야 합니다. 물질도, 에너지도, 시간도, 공간도 없습니다.이것은 아무것도 아닙니다. 전혀 상상할 수 없습니다(공간이 없으면 어떨지 상상할 수 있습니까?).그런데 많은 사람들이 공간과 시간 자체가 어떤 메커니즘을 통해 무에서 만들어지는 것 같기 때문에 이것이 비어 있지 않다고 말합니다. 저녁 식사 후 잡담: 허공에서 옛날 옛적에 모든 과학자들은 무에서 유를 창조하는 것이 절대적으로 불가능하다고 믿었습니다.시공간 자체는 말할 것도 없고 허공에서 물질이 생성될 수도 없고 허공에서 에너지가 생성될 수도 없습니다.그러나 불확정성 원리의 출현은 이러한 모든 오래된 개념을 산산조각 냈습니다. 하이젠베르크는 아주 작은 공간과 아주 짧은 시간 안에는 무엇이든 가능하다고 말했습니다. 왜냐하면 우리는 시간에 대해 매우 확신하기 때문에 에너지에 대해 매우 불확실하기 때문입니다.에너지가 있는 물질은 자유롭게 나타나고 사라지는 물리 법칙의 족쇄를 벗어날 수 있습니다.그러나 이러한 자유의 대가는 매우 짧은 시간으로 제한될 수 있으며 때가 되면 신데렐라는 원래의 모습을 보여줄 것이며 이러한 신비한 물질 에너지는 법을 유지하기 위해 사라질 것입니다. 질량과 에너지의 보존 대규모로 파괴되지 않음. 그러나 1960년대 말 누군가가 가능성을 생각했다. 포텐셜 에너지 음), 따라서 짧은 시간에 얇은 공기에서 생성된 물질 에너지는 그들 사이에 중력장을 형성할 수 있으며, 그에 의해 생성된 음의 에너지는 스스로 상쇄되어 총 에너지는 0이 되고, 보존의 법칙은 위반되지 않습니다.이런 식으로 물질은 문자 그대로 무에서 창조됩니다. 많은 사람들은 우리 우주 자체가 이 메커니즘을 통해 생겨났다고 믿습니다.양자 효과는 시공간이 전혀 없는 곳에서 작은 시공간 조각이 갑자기 생겨나게 한 다음 다양한 힘의 작용으로 갑자기 기하급수적으로 확장되어 순식간에 전체 우주 규모로 확장됩니다. MIT 과학자 앨런.이 아이디어에서 출발하여 Alan Guth는 우주의 인플레이션 이론(Inflation)을 만들었습니다.우주 창조 초기에 각 공간은 상상할 수 없을 정도로 놀라운 속도로 폭발하여 우주의 전체 부피가 몇 배로 증가했습니다.이것은 오늘날 그 구조가 모든 방향에서 균일하게 보이는 이유를 설명할 수 있습니다. 인플레이션 이론은 초기부터 여러 판본이 있었지만, 우주는 우리 실험실처럼 마음대로 관찰하고 연구할 수 있는 것이 아니기 때문에 이 이론이 맞는지 확인하기 어렵다.그러나 대부분의 물리학자들은 여전히 ​​그것을 유망한 이론으로 선호합니다.1998년에 Gus는 인플레이션에 관한 유명한 책도 출판했는데, 그가 가장 좋아하는 문장은 우주 자체가 공짜 점심이라는 것입니다.그것은 우주가 무에서 나왔다는 것을 의미합니다. 그러나 그것이 더 가혹하다면 이것은 무로부터의 엄격한 창조라고 볼 수 없습니다.물질, 시간, 공간이 없더라도 우리는 여전히 물리적 법칙의 존재라는 전제를 가지고 있기 때문입니다!불확정성 원리 자체와 같은 상대성 이론과 양자 이론의 다양한 규칙은 어떻게 무에서 나왔습니까?아니면 자명합니까?점점 미스테리해지고 있으니 여기서 멈춥니다. 삼 하이젠베르크는 불확정성 원리를 완성했을 때 즉시 노르웨이의 파울리와 보어에게 편지를 보내 자신의 생각을 전했습니다.하이젠베르크의 편지를 받은 보어는 즉시 노르웨이를 떠나 코펜하겐으로 돌아와 이 문제에 대해 하이젠베르크와 심도 있는 논의를 할 준비를 했습니다.하이젠베르크는 아마도 그러한 위대한 발견이 분명히 보어의 마음을 움직이고 양자역학에 대한 그의 일관된 생각에 동의하게 만들 것이라고 생각했을 것입니다.그러나 그는 매우 틀렸습니다. 노르웨이에서 Bohr는 스키를 타면서 파동 입자 문제에 대해 생각했고 새로운 아이디어가 점차 그의 마음 속에 구체화되었습니다. .그는 하이젠베르크의 논문을 보았을 때 자연스럽게 전체 결론을 확인하기 위해 이 아이디어를 사용했습니다.그는 하이젠베르크에게 이 불확실성이 입자의 성질에서 오는 것인지 아니면 파동의 성질에서 오는 것인지 물었습니다.Heisenberg는 잠시 당황했고 파도에 대해 전혀 생각하지 않았습니다.당연히 입자인데, 광자가 전자에 부딪히기 때문에 위치와 운동량의 불확실성이 생기는데 자명하지 않나요? 보어는 진지하게 고개를 저었고, 하이젠베르크가 상상한 거대한 현미경을 사용하여 불확실성이 불연속적인 입자 특성뿐만 아니라 파동 특성에도 크게 기인한다는 것을 증명했습니다.우리는 이전에 de Broglie 파장 공식 λ=h/mv에 대해 논의했습니다. mv는 운동량 p이므로 p=h/λ, 모든 운동량 p에 대해 항상 그에 수반되는 파장의 개념이 있습니다.Et, E=hν의 관계에 대해서는 여전히 진동수 ν의 요동 개념이 존재합니다.하이젠베르크는 단호하게 거절했고 변동성을 받아들이는 것이 쉽지 않았습니다. 보어는 분명히 하이젠베르크의 완고함에 참을성이 없었고 하이젠베르크에게 분명히 말했습니다.두 사람은 크게 다투었고, 클라인은 당연히 보어를 도와 코펜하겐의 분위기를 날카롭게 만들었다.물리학의 문제로 시작된 것은 거의 개인적인 오해로 바뀌었고, Heisenberg는 설명을 위해 Pauli의 편지를 다시 보내야 했습니다.결국 파울리 본인이 덴마크로 가 사건의 여파를 진정시켰다. 불행히도 Heisenberg에게는 현미경에 대해 틀렸습니다.하이젠베르크는 아마도 일종의 현미경 공포증을 가지고 태어났을 것이고 현미경을 만지면 현기증이 날 것입니다.당시 그는 박사 학위 논문 변론 중 가장 기본적인 현미경 해상도 문제를 파악하지 못하고 학위를 거의 받지 못했다.이번에 Bohr는 마침내 그에게 불확실성이 파동과 입자의 이중 기반에 기초하고 있다는 사실을 깨닫게 했습니다. 이것은 실제로 파동과 입자 사이의 일종의 스윙입니다. 파동의 속성에 대해 더 많이 알수록 속성은 덜 알려져 있습니다.하이젠베르크는 마침내 보어의 비판을 받아들이고 불확정성은 실제로 동시에 연속성과 불연속성 모두에 기반하고 있다는 각주를 그의 논문에 추가했으며, 이를 지적해 준 보어에게 감사를 표했습니다. 보어는 또한 이 논쟁에서 무언가를 배웠는데, 그는 불확정성 원리의 일반적인 의미가 그가 상상했던 것보다 더 크다는 것을 발견했습니다.그는 이것이 부분적인 원리일 뿐이라고 생각했지만, 이제 그는 이 원리가 양자 이론의 핵심 초석 중 하나임을 깨닫습니다.아인슈타인에게 보낸 편지에서 보어는 하이젠베르크의 이론을 칭찬하며 양자 이론에 불확실성이 어떻게 적용될 수 있는지를 매우 아름다운 방식으로 보여주었다고 말했습니다.긴 부활절 연휴가 끝나고 양측은 한 발짝 물러나 마침내 상황이 밝아졌습니다.Pauli에게 보낸 편지에서 Heisenberg는 다시 한 번 물리학에 대해 간단히 논의하고 다른 모든 것은 잊을 수 있다고 말하면서 좋은 기분을 되찾았습니다.참으로 형제들은 벽에 맞서 싸우고 있으며 그들도 그들의 모욕으로부터 자신을 방어해야 합니다.코펜하겐 파벌은 이제 단단한 바위처럼 단결되어 머지않아 더 큰 도전에 직면하게 될 것이며 물리학의 역사에 코펜하겐의 이름을 깊이 새길 것입니다. 영광스러운 역사. 하지만 다시.변동성, 세분성, 이 두 단어는 역사의 시작부터 지금까지 우리를 괴롭혔습니다.음, 불확실성은 변동성과 세분성을 동시에 기반으로 하지만 말도 안되는 소리 아닌가요?我們的耐心是有限的，不如攤開天窗說亮話吧，這個該死的電子到底是個粒子還是波那？ 粒子還是波，真是令人感慨萬千的話題啊。這是一齣三百年來的傳奇故事，其中悲歡起落，穿插著物理史上最偉大的那些名字：牛頓、胡克、惠更斯、楊、菲涅爾、傅科、麥克斯韋、赫茲、湯姆遜、愛因斯坦、康普頓、德布羅意恩恩怨怨，誰又能說得明白？我們處在一種進退維谷的境地中，一方面雙縫實驗和麥氏理論毫不含糊地揭示出光的波動性，另一方面光電效應，康普頓效應又同樣清晰地表明它是粒子。就電子來說，玻爾的躍遷，原子裡的光譜，海森堡的矩陣都強調了它不連續的一面，似乎粒子性占了上風，但薛定諤的方程卻又大肆渲染它的連續性，甚至把波動的標籤都貼到了它臉上。 怎麼看，電子都沒法不是個粒子；怎麼看，電子都沒法不是個波。 這該如何是好呢？ 當遇到棘手的問題時，最好的辦法還是問問咱們的偶像，無所不能的歇洛克．福爾摩斯先生。他是這樣說的：我的方法，就建立在這樣一種假設上面：當你把一切不可能的結論都排除之後，那剩下的，不管多麼離奇，也必然是事實。（《新探案．皮膚變白的軍人》） 真是至理名言啊。那麼，電子不可能不是個粒子，它也不可能不是波。那剩下的，唯一的可能性就是 它既是個粒子，同時又是個波！ 可是，等等，這太過分了吧？完全沒法叫人接受嘛。什麼叫既是個粒子，同時又是波？這兩種圖像分明是互相排斥的呀。一個人可能既是男的，又是女的嗎（太監之類的不算）？這種說法難道不自相矛盾嗎？ 不過，要相信福爾摩斯，更要相信玻爾，因為玻爾就是這樣想的。毫無疑問，一個電子必須由粒子和波兩種角度去作出詮釋，任何單方面的描述都是不完全的。只有粒子和波兩種概念有機結合起來，電子才成為一個有血有肉的電子，才真正成為一種完備的圖像。沒有粒子性的電子是盲目的，沒有波動性的電子是跛足的。 這還是不能讓我們信服啊，既是粒子又是波？難以想像，難道電子像一個幽靈，在粒子的周圍同時散發出一種奇怪的波，使得它本身成為這兩種狀態的疊加？誰曾經親眼目睹這種惡夢般的場景嗎？出來作個證？ 不，你理解得不對。玻爾搖頭說，任何時候我們觀察電子，它當然只能表現出一種屬性，要麼是粒子要麼是波。聲稱看到粒子-波混合疊加的人要麼是老花眼，要麼是純粹在胡說八道。但是，作為電子這個整體概念來說，它卻表現出一種波-粒的二像性來，它可以展現出粒子的一面，也可以展現出波的一面，這完全取決於我們如何去觀察它。我們想看到一個粒子？那好，讓它打到螢光幕上變成一個小點。看，粒子！我們想看到一個波？也行，讓它通過雙縫組成干涉圖樣。看，波！ 奇怪，似乎有哪裡不對，卻說不出來好吧，電子有時候變成電子的模樣，有時候變成波的模樣，嗯，不錯的變臉把戲。可是，撕下它的面具，它本來的真身究竟是個什麼呢？ 這就是關鍵！這就是你我的分歧所在了。玻爾意味深長地說，電子的真身？或者換幾個詞，電子的原型？電子的本來面目？電子的終極理念？這些都是毫無意義的單詞，對於我們來說，唯一知道的只是每次我們看到的電子是什麼。我們看到電子呈現出粒子性，又看到電子呈現出波動性，那麼當然我們就假設它是粒子和波的混合體。我一點都不關心電子本來是什麼，我覺得那是沒有意義的。事實上我也不關心大自然本來是什麼，我只關心我們能夠觀測到大自然是什麼。電子又是個粒子又是個波，但每次我們觀察它，它只展現出其中的一面，這裡的關鍵是我們如何觀察它，而不是它究竟是什麼。 玻爾的話也許太玄妙了，我們來通俗地理解一下。現在流行手機換彩殼，我昨天心情好，就配一個shining的亮銀色，今天心情不好，換一個比較有憂鬱感的藍色。咦奇怪了，為什麼我的手機昨天是銀色的，今天變成藍色了呢？這兩種顏色不是互相排斥的嗎？我的手機怎麼可能又是銀色，又是藍色呢？很顯然，這並不是說我的手機同時展現出銀色和藍色，變成某種稀奇的銀藍色，它是銀色還是藍色，完全取決於我如何搭配它的外殼。我昨天決定這樣裝配它，它就呈現出銀色，而今天改一種方式，它就變成藍色。它是什麼顏色，取決於我如何裝配它！ 但是，如果你一定要打破砂鍋地問：我的手機本來是什麼顏色？那可就糊塗了。假如你指的是它原裝出廠時配著什麼外殼，我倒可以告訴你。不過要是你強調是哲學意義上的本來，或者理念中手機的顏色到底是什麼，我會覺得你不可理喻。真要我說，我覺得它本來沒什麼顏色，只有我們給它裝上某種外殼並觀察它，它才展現出某種顏色來。它是什麼顏色，取決於我們如何觀察它，而不是取決於它本來是什麼顏色。我覺得，討論它本來的顏色是癡人說夢。 再舉個例子，大家都知道白馬非馬的詭辯，不過我們不討論這個。我們問：這匹馬到底是什麼顏色呢？你當然會說：白色啊。可是，也許你身邊有個色盲，他會爭辯說：不對，是紅色！大家指的是同一匹馬，它怎麼可能又是白色又是紅色呢？你當然要說，那個人在感覺顏色上有缺陷，他說的不是馬本來的顏色，可是，誰又知道你看到的就一定是正確的顏色呢？假如世上有一半色盲，誰來分辨哪一半說的是真相呢？不說色盲，我們戴上一副紅色眼鏡，這下看出去的馬也變成了紅色吧？它怎麼剛剛是白色，現在是紅色呢？哦，因為你改變了觀察方式，戴上了眼鏡。那麼哪一種方式看到的是真實呢？天曉得，莊周做夢變成了蝴蝶還是蝴蝶做夢變成了莊周？你戴上眼鏡看到的是真實還是脫下眼鏡看到的是真實？ 我們的結論是，討論哪個是真實毫無意義。我們唯一能說的，是在某種觀察方式確定的前提下，它呈現出什麼樣子來。我們可以說，在我們運用肉眼的觀察方式下，馬呈現出白色。同樣我們也可以說，在戴上眼鏡的觀察方式下，馬呈現出紅色。色盲也可以聲稱，在他那種特殊構造的感光方式觀察下，馬是紅色。至於馬本來是什麼色，完全沒有意義。甚至我們可以說，馬本來的顏色是子虛烏有的。我們大多數人說馬是白色，只不過我們大多數人採用了一種類似的觀察方式罷了，這並不指向一種終極真理。 電子也是一樣。電子是粒子還是波？那要看你怎麼觀察它。如果採用光電效應的觀察方式，那麼它無疑是個粒子；要是用雙縫來觀察，那麼它無疑是個波。它本來到底是個粒子還是波呢？又來了，沒有什麼本來，所有的屬性都是同觀察聯繫在一起的，讓本來見鬼去吧。 但是，一旦觀察方式確定了，電子就要選擇一種表現形式，它得作為一個波或者粒子出現，而不能再曖昧地混雜在一起。這就像我們可憐的馬，不管誰用什麼方式觀察，它只能在某一時刻展現出一種顏色。從來沒有人有過這樣奇妙的體驗：這匹馬同時又是白色，又是紅色。波和粒子在同一時刻是互斥的，但它們卻在一個更高的層次上統一在一起，作為電子的兩面被納入一個整體概念中。這就是玻爾的互補原理（Complementary Principle），它連同波恩的概率解釋，海森堡的不確定性，三者共同構成了量子論哥本哈根解釋的核心，至今仍然深刻地影響我們對於整個宇宙的終極認識。 第三次波粒戰爭便以這樣一種戲劇化的方式收場。而量子世界的這種奇妙結合，就是大名鼎鼎的波粒二象性。 四 三百年硝煙散盡，波和粒子以這樣一種奇怪的方式達成了妥協：兩者原來是不可分割的一個整體。就像漫畫中教皇善與惡的兩面，雖然在每個確定的時刻，只有一面能夠體現出來，但它們確實集中在一個人的身上。波和粒子是一對孿生兄弟，它們如此苦苦爭鬥，卻原來是演出了一場物理學中的絕代雙驕故事，這教人拍案驚奇，唏噓不已。 現在我們再回到上一章的最後，重溫一下波和粒子在雙縫前遇到的困境：電子選擇左邊的狹縫，還是右邊的狹縫呢？現在我們知道，假如我們採用任其自然的觀測方式，它波動的一面就占了上風。這個電子於是以某種方式同時穿過了兩道狹縫，自身與自身發生干涉，它的波函數ψ按照嚴格的干涉圖形花樣發展。但是，當它撞上感應屏的一剎那，觀測方式發生了變化！我們現在在試圖探測電子的實際位置了，於是突然間，粒子性接管了一切，這個電子凝聚成一點，按照ψ的概率隨機地出現在螢幕的某個地方。 假使我們在某個狹縫上安裝儀器，試圖測出電子究竟通過了哪一邊，注意，這是另一種完全不同的觀測方式！！！我們試圖探測電子在通過狹縫時的實際位置，可是只有粒子才有實際的位置。這實際上是我們施加的一種暗示，讓電子早早地展現出粒子性。事實上，的確只有一邊的儀器將記錄下它的蹤影，但同時，干涉條紋也被消滅，因為波動性隨著粒子性的喚起而消失了。我們終於明白，電子如何表現，完全取決於我們如何觀測它。種瓜得瓜，種豆得豆，想記錄它的位置？好，那是粒子的屬性，電子善解人意，便表現出粒子性來，同時也就沒有干涉。不作這樣的企圖，電子就表現出波動性來，穿過兩道狹縫並形成熟悉的干涉條紋。 量子派物理學家現在終於逐漸領悟到了事情的真相：我們的結論和我們的觀測行為本身大有聯繫。這就像那匹馬是白的還是紅的，這個結論和我們用什麼樣的方法去觀察它有關係。有些看官可能還不服氣：結論只有一個，親眼看見的才是唯一的真實。色盲是視力缺陷，眼鏡是外部裝備，這些怎麼能夠說是看到真實呢？其實沒什麼分別，它們不外乎是兩種不同的觀測方式罷了，我們的論點是，根本不存在所謂真實。 好吧，現在我視力良好，也不戴任何裝置，看到馬是白色的。那麼，它當真是白色的嗎？其實我說這話前，已經隱含了一個前提：用人類正常的肉眼，在普通光線下看來，馬呈現出白色。再技術化一點，人眼只能感受可見光，波長在四百-七百六十納米左右，這些頻段的光混合在一起才形成我們印象中的白色。所以我們論斷的前提就是，在四百-七百六十納米的光譜區感受馬，它是白色的。 許多昆蟲，比如蜜蜂，它的複眼所感受的光譜是大大不同的。蜜蜂看不見波長比黃光還長的光，卻對紫外線很敏感。在它看來，這匹馬大概是一種藍紫色，甚至它可能繪聲繪色地向你描繪一種難以想像的紫外色。現在你和蜜蜂吵起來了，你堅持這馬是白色的，而蜜蜂一口咬定是藍紫色。你和蜜蜂誰對誰錯呢？其實都對。那麼，馬怎麼可能又是白色又是紫色呢？其實是你們的觀測手段不同罷了。對於蜜蜂來說，它也是親眼見到，人並不比蜜蜂擁有更多的正確性，離真相更近一點。話說回來，色盲只是對於某些頻段的光有盲點，眼鏡只不過加上一個濾鏡而已，本質上也是一樣的，也沒理由說它們看到的就是虛假。 事實上，沒有什麼客觀真相。討論馬本質上到底是什麼顏色，正如我們已經指出過的，是很無聊的行為。根本不存在一個絕對的所謂本色，除非你先定義觀測的方式。 玻爾也好，海森堡也好，現在終於都明白：談論任何物理量都是沒有意義的，除非你首先描述你測量這個物理量的方式。一個電子的動量是什麼？我不知道，一個電子沒有什麼絕對的動量，不過假如你告訴我你打算怎麼去測量，我倒可以告訴你測量結果會是什麼。根據測量方式的不同，這個動量可以從十分精確一直到萬分模糊，這些結果都是可能的，也都是正確的。一個電子的動量，只有當你測量時，才有意義。假如這不好理解，想像有人在紙上畫了兩橫夾一豎，問你這是什麼字。嗯，這是一個工字，但也可能是橫過來的H，在他沒告訴你怎麼看之前，這個問題是沒有定論的。現在，你被告知：這個圖案的看法應該是橫過來看。這下我們明確了：這是一個大寫字母H。只有觀測手段明確之後，答案才有意義。 測量！在經典理論中，這不是一個被考慮的問題。測量一塊石頭的重量，我用天平，用彈簧秤，用磅秤，或者用電子秤來做，理論上是沒有什麼區別的。在經典理論看來，石頭是處在一個絕對的，客觀的外部世界中，而我觀測者對這個世界是沒有影響的，至少，這種影響是微小得可以忽略不計的。你測得的資料是多少，石頭的客觀重量就是多少。但量子世界就不同了，我們已經看到，我們測量的物件都是如此微小，以致我們的介入對其產生了致命的干預。我們本身的擾動使得我們的測量中充滿了不確定性，從原則上都無法克服。採取不同的手段，往往會得到不同的答案，它們隨著不確定性原理搖搖擺擺，你根本不能說有一個客觀確定的答案在那裡。在量子論中沒有外部世界和我之分，我們和客觀世界天人合一，融和成為一體，我們和觀測物互相影響，使得測量行為成為一種難以把握的手段。在量子世界，一個電子並沒有什麼客觀動量，我們能談論的，只有它的測量動量，而這又和我們的測量手段密切相關。 各位，我們已經身陷量子論那奇怪的沼澤中了，我只希望大家不要過於頭昏腦脹，因為接下來還有無數更稀奇古怪的東西，錯過了未免可惜。我很抱歉，這幾節我們似乎沉浸於一種玄奧的哲學討論，而且似乎還要繼續討論下去。這是因為量子革命牽涉到我們世界觀的根本變革，以及我們對於宇宙的認識方法。量子論的背後有一些非常形而上的東西，它使得我們的理性戰戰兢兢，汗流浹背。但是，為了理解量子論的偉大力量，我們又無法繞開這些而自欺欺人地盲目前進。如果你從史話的一開始跟著我一起走到了現在，我至少對你的勇氣和毅力表示讚賞，但我也無法給你更多的幫助。假如你感到困惑彷徨，那麼玻爾的名言如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論或許可以給你一些安慰。而且，正如我們以後即將描述的那樣，你也許應該感到非常自豪，因為愛因斯坦和你是一個處境。 但現在，我們必須走得更遠。上面一段文字只是給大家一個小小的喘息機會，我們這就繼續出發了。 如果不定義一個測量動量的方式，那麼我們談論電子動量就是沒有意義的？這聽上去似乎是一種唯心主義的說法。難道我們無法測量電子，它就沒有動量了嗎？讓我們非常驚訝和尷尬的是，玻爾和海森堡兩個人對此大點其頭。一點也不錯，假如一個物理概念是無法測量的，它就是沒有意義的。我們要時時刻刻注意，在量子論中觀測者是和外部宇宙結合在一起的，它們之間現在已經沒有明確的分界線，是一個整體。在經典理論中，我們脫離一個絕對客觀的外部世界而存在，我們也許不瞭解這個世界的某些因素，但這不影響其客觀性。可如今我們自己也已經融入這個世界了，對於這個物我合一的世界來說，任何東西都應該是可以測量和感知的。只有可觀測的量才是存在的！ 卡爾．薩根（Karl Sagan）曾經舉過一個很有意思的例子，雖然不是直接關於量子論的，但頗能說明問題。 我的車庫裡有一條噴火的龍！他這樣聲稱。 太稀罕了！他的朋友連忙跑到車庫中，但沒有看見龍。龍在哪裡？ 哦，薩根說，我忘了說明，這是一條隱身的龍。 朋友有些狐疑，不過他建議，可以撒一些粉末在地上，看看龍的爪印是不是會出現。但是薩根又聲稱，這龍是飄在空中的。 那既然這條龍在噴火，我們用紅外線檢測儀做一個熱掃描？ 也不行。薩根說，隱形的火也沒有溫度。 要麼對這條龍噴漆讓它現形？這條龍是非物質的，滑不溜手，油漆無處可粘。 反正沒有一種物理方法可以檢測到這條龍的存在。薩根最後問：這樣一條看不見摸不著，沒有實體的，飄在空中噴著沒有熱度的火的龍，一條任何儀器都無法探測的龍，和根本沒有龍之間又有什麼差別呢？ 現在，玻爾和海森堡也以這種苛刻的懷疑主義態度去對待物理量。不確定性原理說，不可能同時測准電子的動量p和位置q，任何精密的儀器也不行。許多人或許會認為，好吧，就算這是理論上的限制，和我們實驗的笨拙無關，我們仍然可以安慰自己，說一個電子實際上是同時具有準確的位置和動量的，只不過我們出於某種限制無法得知罷了。 但哥本哈根派開始嚴厲地打擊這種觀點：一個具有準確p和q的經典電子？這恐怕是自欺欺人吧。有任何儀器可以探測到這樣的一個電子嗎？沒有，理論上也不可能有。那麼，同樣道理，一個在臆想的世界中生存的，完全探測不到的電子，和根本沒有這樣一個電子之間又有什麼區別呢？ 事實上，同時具有p和q的電子是不存在的！p和q也像波和微粒一樣，在不確定原理和互補原理的統治下以一種此長彼消的方式生存。對於一些測量手段來說，電子呈現出一個準確的p，對於另一些測量手段來說，電子呈現出準確的q。我們能夠測量到的電子才是唯一的實在，這後面不存在一個客觀的，或者實際上的電子！ 換言之，不存在一個客觀的，絕對的世界。唯一存在的，就是我們能夠觀測到的世界。物理學的全部意義，不在於它能夠揭示出自然是什麼，而在於它能夠明確，關於自然我們能說什麼。沒有一個脫離於觀測而存在的絕對自然，只有我們和那些複雜的測量關係，熙熙攘攘縱橫交錯，構成了這個令人心醉的宇宙的全部。測量是新物理學的核心，測量行為創造了整個世界。 飯後閒話：奧卡姆剃刀 同時具有p和q的電子是不存在的。有人或許感到不理解，探測不到的就不是實在嗎？ 我們來問自己，這個世界究竟是什麼和我們在最大程度上能夠探測到這個世界是什麼兩個命題，其實質到底有多大的不同？我們探測能力所達的那個世界，是不是就是全部實在的世界？比如說，我們不管怎樣，每次只能探測到電子是個粒子或者是個波，那麼，是不是有一個實在的世界，在那裡電子以波-粒子的奇妙方式共存，我們每次探測，只不過探測到了這個終極實在於我們感觀中的一部分投影？同樣，在這個實在世界中還有同時具備p和q的電子，只不過我們與它緣慳一面，每次測量都只有半面之交，沒法窺得它的真面目？ 假設宇宙在創生初期膨脹得足夠快，以致它的某些區域對我們來說是如此遙遠，甚至從創生的一剎那以光速出發，至今也無法與它建立起任何溝通。宇宙年齡大概有一百五十億歲，任何信號傳播最遠的距離也不過一百五十億光年，那麼，在距離我們一百五十億光年之外，有沒有另一些實在的宇宙，雖然它們不可能和我們的宇宙之間有任何因果聯繫？ 在那個實在世界裡，是不是有我們看不見的噴火的龍，是不是有一匹具有實在顏色的馬，而我們每次觀察只不過是這種實在顏色的膚淺表現而已。我跟你爭論說，地球其實是方的，只不過它在我們觀察的時候，表現出圓形而已。但是在那個實在世界裡，它是方的，而這個實在世界我們是觀察不到的，但不表明它不存在。 如果我們運用奧卡姆剃刀原理（Occam's Razor），這些觀測不到的實在世界全都是子虛烏有的，至少是無意義的。這個原理是十四世紀的一個修道士威廉所創立的，奧卡姆是他出生的地方。這位奧卡姆的威廉還有一句名言，那是他對巴伐利亞的路易四世說的：你用劍來保衛我，我用筆來保衛你。 剃刀原理是說，當兩種說法都能解釋相同的事實時，應該相信假設少的那個。比如，地球本來是方的，但觀測時顯現出圓形。這和地球本來就是圓的說明的是同一件事。但前者引入了一個莫名其妙的不必要的假設，所以前者是胡說。同樣，電子本來有準確的p和q，但是觀測時只有一個能顯示，這和只存在具有p或者具有q的電子說明的也是同一回事，但前者多了一個假設，我們應當相信後者。存在但觀測不到，這和不存在根本就是一碼事。 同樣道理，沒有粒子-波混合的電子，沒有看不見的噴火的龍，沒有絕對顏色的馬，沒有一百五十億光年外的宇宙（一百五十億光年這個距離稱作視界），沒有隔著一釐米四維尺度觀察我們的四維人，沒有絕對的外部世界。史蒂芬．霍金在《時間簡史》中說：我們仍然可以想像，對於一些超自然的生物，存在一組完全地決定事件的定律，它們能夠觀測宇宙現在的狀態而不必干擾它。然而，我們人類對於這樣的宇宙模型並沒有太大的興趣。看來，最好是採用奧卡姆剃刀原理，將理論中不能被觀測到的所有特徵都割除掉。 你也許對這種實證主義感到反感，反駁說：一片無人觀察的荒漠，難道就不存在嗎？以後我們會從另一個角度來討論這片無人觀察的荒漠，這裡只想指出，無人的荒漠並不是原則上不可觀察的。 五 正如我們的史話在前面一再提醒各位的那樣，量子論革命的破壞力是相當驚人的。在概率解釋，不確定性原理和互補原理這三大核心原理中，前兩者摧毀了經典世界的因果性，互補原理和不確定原理又合力搗毀了世界的客觀性和實在性。新的量子圖景展現出一個前所未有的世界，它是如此奇特，難以想像，和人們的日常生活格格不入，甚至違背我們的理性本身。但是，它卻能夠解釋量子世界一切不可思議的現象。這種主流解釋被稱為量子論的哥本哈根解釋，它是以玻爾為首的一幫科學家做出的，他們大多數曾在哥本哈根工作過，許多是量子論本身的創立者。哥本哈根派的人物除了玻爾，自然還有海森堡、波恩、泡利、狄拉克、克萊默、約爾當，也包括後來的魏紮克和蓋莫夫等等，這個解釋一直被當作是量子論的正統，被寫進各種教科書中。 當然，因為它太過奇特，太教常人困惑，近八十年來沒有一天它不受到來自各方面的置疑、指責、攻擊。也有一些別的解釋被紛紛提出，這裡面包括德布羅意-玻姆的隱函數理論，埃弗萊特的多重宇宙解釋，約翰泰勒的系綜解釋、Ghirardi-Rimini-Weber的自發定域（Spontaneous Localization），Griffiths-Omn's-GellMann-Hartle的脫散歷史態（Decoherent Histories, or Consistent Histories），等等，等等。我們的史話以後會逐一地去看看這些理論，但是公平地說，至今沒有一個理論能取代哥本哈根解釋的地位，也沒有人能證明哥本哈根解釋實際上錯了（當然，可能有人爭辯說它不完備）。隱函數理論曾被認為相當有希望，可惜它的勝利直到今天還仍然停留在口頭上。因此，我們的史話仍將以哥本哈根解釋為主線來敘述，對於讀者來說，他當然可以自行判斷，並得出他自己的獨特看法。 哥本哈根解釋的基本內容，全都圍繞著三大核心原理而展開。我們在前面已經說到，首先，不確定性原理限制了我們對微觀事物認識的極限，而這個極限也就是具有物理意義的一切。其次，因為存在著觀測者對於被觀測物的不可避免的擾動，現在主體和客體世界必須被理解成一個不可分割的整體。沒有一個孤立地存在於客觀世界的事物（being），事實上一個純粹的客觀世界是沒有的，任何事物都只有結合一個特定的觀測手段，才談得上具體意義。物件所表現出的形態，很大程度上取決於我們的觀察方法。對同一個物件來說，這些表現形態可能是互相排斥的，但必須被同時用於這個物件的描述中，也就是互補原理。 最後，因為我們的觀測給事物帶來各種原則上不可預測的擾動，量子世界的本質是隨機性。傳統觀念中的嚴格因果關係在量子世界是不存在的，必須以一種統計性的解釋來取而代之，波函數ψ就是一種統計，它的平方代表了粒子在某處出現的概率。當我們說電子出現在x處時，我們並不知道這個事件的原因是什麼，它是一個完全隨機的過程，沒有因果關係。 有些人可能覺得非常糟糕：又是不確定又是沒有因果關係，這個世界不是亂套了嗎？物理學家既然什麼都不知道，那他們還好意思呆在大學裡領薪水，或者在電視節目上欺世盜名？然而事情並沒有想像的那麼壞，雖然我們對單個電子的行為只能預測其概率，但我們都知道，當樣本數量變得非常非常大時，概率論就很有用了。我們沒法知道一個電子在螢幕上出現在什麼位置，但我們很有把握，當數以萬億記的電子穿過雙縫，它們會形成干涉圖案。這就好比保險公司沒法預測一個客戶會在什麼時候死去，但它對一個城市的總體死亡率是清楚的，所以保險公司一定是賺錢的！ 傳統的電視或者電腦螢幕，它後面都有一把電子槍，不斷地逐行把電子打到螢幕上形成畫面。對於單個電子來說，我並不知道它將出現在螢幕上的哪個點，只有概率而已。不過大量電子疊在一起，組成穩定的畫面是確定無疑的。看，就算本質是隨機性，但科學家仍然能夠造出一些有用的東西。如果你家電視畫面老是有雪花，不要懷疑到量子論頭上來，先去檢查一下天線。 當然時代在進步，俺的電腦螢幕現在變成了薄薄的液晶型，那是另一回事了。 至於令人迷惑的波粒二象性，那也只是量子微觀世界的奇特性質罷了。我們已經談到德