原子是真的吗?当然是。每个人都相信原子,即使是不相信进化或气候变化的人。如果我们没有原子,我们怎么能有原子弹?但是你不能直接看到一个原子。尽管原子最初是由古希腊人设想和命名的,但直到上个世纪,他们才获​​得了真实物理实体的地位 - 像苹果一样真实,像月亮一样真实。

原子的第一个证明来自1905年的26岁的阿尔伯特爱因斯坦,同年他提出了他的狭义相对论。在此之前,原子是一个越来越有用的假设结构。与此同时,爱因斯坦定义了一个新的实体:一个光粒子,即“光量子”,现在称为光子。在此之前,每个人都认为光是一种浪潮。它没有打扰爱因斯坦,没有人能观察到这个新事物。“这是决定我们可以观察到什么的理论,”他说。

这给我们带来了量子理论。原子的物理学以及它们越来越小的成分和堂兄弟,正如亚当贝克尔在他的新书“不朽的东西”中提醒我们的那样,“这是所有科学中最成功的理论”。它的预言惊人地准确,它掌握看不见的超微世界的力量给我们带来了现代的奇迹。但是存在一个问题:量子理论在很深的方面很奇怪。它无视我们对什么是事物和他们能做什么的常识性直觉。

贝克尔说:“弄清楚量子物理学对世界的看法是很难的,而且这种轻描淡写的动机激发了他的书,对现代科学中引发的最重大的争论进行了彻底的,有启发性的探索。

量子物理学告诉我们关于世界的什么?-量子客
信贷塔克尼科尔斯

关于现实性质的辩论已经持续了半个多世纪,它会产生会议和研讨会,并有足够的论证来填补整个期刊。在他去世之前,理解量子理论以及其他人的理查德费曼说:“我仍然对它感到紧张......我无法确定真正的问题,因此我怀疑没有真正的问题,但我不确定是否存在没有真正的问题“。问题不在于使用理论 - 进行计算,将其应用于工程任务 - 而是理解其意义。它告诉我们关于这个世界的是什么?

从一个角度来看,量子物理只是一套形式主义,一个有用的工具包。想要制造更好的激光器或晶体管或电视机?薛定谔方程是你的朋友。只有当你退后一步,询问方程式暗示的实体是否真的存在时,麻烦才会开始。那么你遇到的问题可以用几种熟悉的方式来描述:

波粒二象性。所有的东西 - 所有的物质和能量,所有已知的力量 - 有时表现得像波浪,光滑而连续,有时像粒子,老鼠一样。电流像流体一样流过电线,或者像个别电子的凌空一样飞过真空。它能同时成为事物吗?

不确定性原理。Werner Heisenberg着名地发现,当你尽可能精确地测量电子的位置(比方说)时,你会发现自己越来越处于黑暗中。反之亦然。你可以固定其中一个而不是两个。

测量问题。大多数量子力学涉及概率而不是确定性。粒子有可能出现在某个地方。不稳定的原子在某个瞬间有可能衰减。但是当物理学家进入实验室进行实验时,会有一个确定的结果。衡量行为 - 通过某人或某物观察 - 成为理论中不可分割的一部分。

奇怪的含义是量子世界的现实在科学家开始测量之前一直是无定形或无限的。正如你可能听说过的,薛定谔的猫正处于一种恐怖的徘徊状态,既没有活着也没有死亡,直到有人打开箱子看。事实上,海森堡说量子粒子“不是真实的; 他们形成了一个充满潜力或可能性的世界,而不是事物或事实。​​“

这令哲学家和物理学家感到不安。它引导爱因斯坦在1952年说:“这个理论让我想起了一个极其聪明的妄想狂的妄想系统。”

所以量子物理 - 与任何其他科学领域都不一样 - 已经获得了自己的形而上学,一种像彗星尾巴一样的影子学科。你可以把它看作是一个“意识形态的上层建筑”(海森堡的话)。这个领域被称为量子基础,它无意中具有讽刺意味,因为关键在于,恰恰你所期望的基础在哪里,而不是找到流沙。

对量子基础的竞争方法被称为“解释”,现在有很多。第一个也是最重要的是所谓的哥本哈根解释。“哥本哈根”是尼尔斯玻尔的缩写,其着名研究所从20世纪20年代起就成为量子理论的非官方世界总部。某种程度上,哥本哈根是一种反解释。波尔说:“认为物理学的任务就是要弄清楚自然是如何是错误的。“物理学关注我们对自然的看法。”

除非有人注意到,否则在玻尔的量子世界中没有什么是确定的。物理学可以帮助我们订购经验,但不应期望能够提供完整的现实情况。哥本哈根口译的流行四字摘要是:“闭嘴并计算!”

在20世纪的大部分时间里,当量子物理学家在固态和高能物理学领域取得巨大飞跃时,他们中很少有人对基金会产生过很多困扰。但哲学上的困难总是在那里,令那些担心他们的人感到困扰。

贝克尔面临着担忧。他引导我们深入了解竞争性解释的兴起,将他们置于人类故事中,这些故事自然是凌乱不堪,充满了偶然性。他提出了一个令人信服的例子,把哥本哈根的解释想象成一个单一的官方甚至连贯的声明是错误的。他认为,这是一个“奇怪的索赔集合”。

美国物理学家大卫·博姆在上世纪中叶设计了一种激进的替代方案,将引导每个粒子的“导波”想象成可视化的,试图消除波粒二象性。很长一段时间,他主要是被斥责或被忽略,但是今天,Bohmian的解释变体有支持者。其他解释依赖于“隐藏变量”来解释幕后推测存在的量。最近最受欢迎的 - 也许是最受欢迎的 - 最受欢迎的 - 就是“多元世界的解释”:每一次量子事件都是一把双刃剑,而逃避困难的一种方法是从数学角度来想象,新的宇宙。

因此,在这个观点中,薛定谔的猫在一个宇宙中活得很好,而在另一个宇宙中,她走向厄运。我们也应该想象我们自己的无数版本。所有可能发生的事情都发生在一个宇宙或另一个宇宙中。理论家Bryce DeWitt说:“宇宙不断分裂成为数量惊人的分支,”每一颗恒星上,每个星系中,每个宇宙中每个偏远角落发生的每一次量子过渡都将我们当地的世界分裂成无数的副本。“

当然这很荒谬。“形而上学负担的沉重负担,”约翰惠勒称。我们怎么能证明或反驳这样的理论?但是如果你认为这个多世界的想法很容易被忽略,那么许多物理学家会不同意。例如,他们会告诉你,这可以解释为什么量子计算机(它确实还不存在)可能如此强大:他们会将工作委托给其他宇宙中的另一个自我。

这是真的吗?冒着破坏悬念的风险,我会告诉你,这本书没有对其题目问题提出明确的答案。你不是指望一个,是吗?这个故事远未结束。

当科学家在量子物理中寻找意义时,他们可能会陷入哲学与宗教之间的无人地带。但他们不能自救。他们只是人。“如果你白天要看我,你会看到我坐在办公桌前解决薛定谔的方程式......和我的同事一模一样,”诺贝尔奖获得者,超流性先驱Anthony Leggett爵士说道。“但是偶尔在晚上,当满月很亮的时候,我在物理学界做了什么才能变成狼人的知识分子:我质疑量子力学是否是关于物质宇宙的完整和终极真理。”