從量子先驅到量子反對者

20世紀早期，經典物理學遭遇了有史以來最嚴重的挑戰，物理學從此進入劇烈的動蕩時期。

上期《為什麼有個相對論？》一文中說到，邁克耳遜的以太實驗導致了相對論的出現，引發了一場人類時空觀的革命；而對黑體輻射實驗的探索則導致了量子革命的爆發，這是一場聲勢浩大的革命，在整個20世紀頭30年，物理學革命的浪潮一浪高過一浪，其間湧現了一大批20世紀最優秀的物理學家。

兩場革命刷新了物理學的圖景，現代物理學從此奠基。此後的一個世紀中，相對論和量子理論成為現代物理學兩大支柱。相對論是宏大範圍內的物理規律，在恆星和星系這樣的宇宙尺度上起作用，它研究的是這樣的問題：宇宙有開端和結束嗎？宇宙最遠的地方在哪裡？與之相反，量子理論則專註於微小世界，諸如夸克、電子等基本粒子，它研究的問題是：物質能夠被分割得越來越小嗎？如果能，最小的物體是什麼？它們的運動規律又怎樣？

不過奇怪的是，現代物理學的這兩大支柱似乎在各唱各的調，互不買帳，最小的世界和最大的世界竟然無從統一，它們之間的深層矛盾一直在困擾著從愛因斯坦到今天的物理學家。

自然不能無限分割

大家都知道，一個物體之所以看上去是白色的，那是因為它反射所有頻率的光波；反之，如果看上去是黑色的，那是因為它吸收了所有頻率的光波的緣故。物理上定義的「黑體」，指的是那些可以吸收全部外來輻射的物體，比如一個空心的球體，內壁塗上吸收輻射的塗料，外壁上開一個小孔。那麼，因為從小孔射進球體的光線無法反射出來，這個小孔看上去就是絕對黑色的，即是我們定義的「黑體」。

19世紀末，物理學家們在研究「黑體」內部空間中的輻射狀態時，發現他們研究出的公式總能導出黑體的輻射強度無止境地增大，這些公式因在波長較短的紫外區中出現了如此荒謬的結論，因此被稱為「紫外災難」。由於這些公式是根據經典物理學理論推導出來的，因此，「紫外災難」實際上也是整個經典物理學的災難。這就是開爾文提到的「兩朵小小的令人不安的烏雲」中的一朵。

1900年，普朗克在研究這個問題的過程中發現，必須假設在光波的發射和吸收過程中，物體的能量變化是不連續的，即能量可以劃分成n個相等的小份，每個小份叫能量子，這樣才能消除經典物理學中的「紫外災難」。

在那之前，人們一直認為自然過程是連續不斷的，可以永遠細分下去，永不斷絕。經典物理學也一向認為能量是連續的、無限可分的，這種連續性的觀念還是微積分的根本基礎，牛頓、麥克斯韋那龐大的運動學、電磁學體系，便建築在這個地基之上，度過了數百年的風雨。而現在，能量不能無限連續的假設使經典物理學所賴以建立的根本基礎開始動搖了，一場通向物理學新世界的革命開始了。

古希臘數學家芝諾曾提出過一個著名悖論：阿基里斯悖論。阿基里斯是希臘神話中善跑的英雄，但芝諾提出，阿基里斯在賽跑中不可能追上起步稍微領先於他的烏龜。芝諾把阿基里斯追上烏龜決定性的一步劃分成無限等分，經無限等分後的阿基里斯，永遠離烏龜差那麼一小格，因此他老人家永遠追不上烏龜。自從量子理論提出以後，這個悖論可以如此解釋了：空間和時間其實不能這樣無限分割下去（我們現在已經知道，最小的空間長度是普朗克長度，為10-33厘米；最短的時間是普朗克時間，為10-43秒），所以連續無限次分割的假設並不成立。這樣一來，芝諾悖論便不攻自破了。量子理論告訴我們，「無限分割」的概念是一種數學上的理想，而不可能在現實中實現。一切都是不連續的，連續性的美好藍圖，其實不過是我們的一種想像。

最早的量子擁護者

由於量子理論與經典理論是如此之格格不入，當時物理學界對它的反應極為冷淡，人們接受普朗克的公式，但不接受據此公式推導出的能量子假說。連普朗克都不願意相信這個假說，一直想取消它，以維護經典理論，這種徒勞無益的做法持續了許多年。

而這時愛因斯坦成了第一個為量子理論吶喊的人。同樣是在《物理學年鑒》雜誌上，同樣是在1905年，但比狹義相對論那篇論文更早些，愛因斯坦發表了一篇名叫《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》的論文。在這篇論文中，他首先把普朗克的量子假設應用到對「光電效應」的解釋中。

「光電效應」是指當光照射到金屬上的時候會從它的表面打出電子的現象。科學家們在實驗中發現：對於某種特定的金屬來說，光是否能夠從它的表面打擊出電子來，只和光的頻率有關，頻率高的光線(比如紫外線)便能夠打出能量較高的電子，而頻率低的光(比如紅光、黃光)則一個電子也打不出來。而能否打出更多電子卻只與光的強度有關，增加光線的強度，就能夠增加打擊出電子的數量。比如強烈的紫外光比相對微弱的紫外光能夠從金屬表面打擊出更多的電子來。

總而言之，對於特定的金屬，能不能打出電子，由光的頻率說了算；而打出多少電子，則由光的強度說了算。

按照光的波動說來理解，光的能量取決于波的振幅，振幅越大，能量越大，光的強度也就越大，但低頻率的光為什麼強度再大也打不出電子呢？

愛因斯坦把光假設為由一個個能量子組成，一切變得非常簡明易懂了。頻率高的光線，比如紫外光，它的單個能量子要比頻率低的光線含有更高的能量，因此它就有足夠的能力打出電子來。而強光只不過包含了更多數量的光量子而已，所以能夠打出更多數量的電子來。但是對於低頻光（比如紅外光）來說，它的每一個量子都不足以激發出電子，那麼，含有再多的光量子也無濟於事。

愛因斯坦對量子理論的貢獻是巨大的，他第一次提出了光既是波又是粒子，提出了光量子（後來被簡稱為「光子」）的概念，他的工作給了後來者巨大的啟發，並因此獲得了1921年諾貝爾獎。1923年，法國物理學家德布羅意在愛因斯坦光量子思想的基礎上，更進一步提出所有的基本粒子都具有波的特性，這就是所謂的微觀粒子的「波粒二象性」，這個概念隨後成為量子理論的基礎性概念。

但很快，隨著量子理論的迅猛發展，愛因斯坦卻與它分道揚鑣了，而且，在其科學生涯的後半生，愛因斯坦一直與量子「幽靈」孤身作戰。

瘋狂的量子理論

當量子理論以勢不可擋的步伐向前發展時，愛因斯坦很快痛苦地發現，量子理論所蘊涵的思想遠遠超出了他所理解的範圍。正是鬼魅般的「波粒二象性」，使人們對世界可以確切把握的信仰產生了動搖——在微觀粒子的世界，一切都充滿著令人迷惑的概率。1926年，海森堡提出「測不準原理」，它表明，一個微觀粒子的位置和動量兩者不可能同時準確測得，這並不是由於儀器粗糙的原因，而是一種自然規律。1935年，薛定諤提出一個著名的思想實驗——「薛定諤的貓」：箱子里的貓被打開之前處於「死—活」疊加態，只有在打開箱子後，疊加態才會消失，貓的死活才被確定下來。這兩個令人匪夷所思的古怪原理和思想讓當時的人們感覺這不像是科學，而更像是某些幻想家的胡思亂想。

量子力學的領軍人物、丹麥著名物理學家玻爾更是從哲學高度認識到事物的本質就是不確定的，他宣稱：在對一個電子進行測量之前，我們對它的狀態事實上一無所知，我們甚至無法肯定它是否存在。

海森堡提出「測不準原理」後，玻爾接著提出了著名的「互補原理」，引起學術界很大震動。互補原理認為：微粒和波的概念是互相矛盾的，同時又是互相補充的，它們是運動過程中的互補圖像，只有把這兩個圖像綜合到一起才能得到對粒子的完全認識。玻爾特別指出，由於觀察微觀現象的特殊性，因此微觀客體和測量儀器之間的相互作用是不能忽略的，這種相互作用在原則上是不可控制的，是量子現象不可分割的組成部分。這種不可控制的相互作用的數學表示就是「測不準原理」，這決定了量子力學的規律只能是概率性的。為了描述微觀客體，必須拋棄事物必有因果關係的傳統觀念。

玻爾特彆強調，一個微觀物體的物理量或特徵，不是本身即存在，而是由我們觀測或度量時才有意義。打個比喻就是：當我們不看月亮的時候，月亮是不存在的！

量子理論的瘋狂特質使持傳統觀點的科學家目瞪口呆，愛因斯坦就是其中之一。

最堅定的量子反對者

可以說，愛因斯坦對量子不確定性概念極其厭煩，他不相信投機式的概率能夠成為一個理論的牢靠基礎，因此他認為量子理論是不完備的，只是一個暫時的權宜之計。愛因斯坦曾在給一個朋友的信中提到：「量子力學確實給人深刻的印象，但一個內在的聲音告訴我，它仍然不算貨真價實……無論如何，我深信上帝是不會玩擲骰子遊戲的。」他堅信不確定的浪花之下仍有一個堅實的客觀世界。

1927年10月24日至29日在比利時布魯塞爾召開了第五屆索爾威會議，玻爾在會上闡述了他的互補原理。但是在會上，互補原理卻遭到了愛因斯坦、薛定諤等人的強烈反對，由此開始了物理學史上前所未有的長達幾十年之久的愛因斯坦—玻爾大論戰，這場論戰一直持續到1955年愛因斯坦去世為止。在論戰中，愛因斯坦設計了一個又一個思想實驗，試圖從根本上消除量子理論中不確定性的幽靈，而玻爾則一遍又一遍奮起反駁，以證明不確定性和模糊性是量子世界所固有的本性，而不僅是我們對它的不完全感知的結果。

這是一場物理學史上持續時間最長、鬥爭最激烈、最富有哲學意義的偉大論戰。爭論的背後隱含著一個古老而複雜的哲學命題：我們所認識到的自然界的規律性是否就是自然界本身所固有的規律性？事實上，直到今天，仍然沒有人能回答這個問題。

但具有諷刺意味的是，論戰卻使量子理論的地位越來越牢固。就算是偉大的愛因斯坦的質疑，無情的量子規則仍然風光無限，愛因斯坦幾乎是孤獨地站在反對者一邊。

就這樣，愛因斯坦選擇了一條與眾不同的道路艱難地跋涉著，這使他的同事們深感遺憾。1948年，德國理論物理學家、量子力學的奠基人之一玻恩在談到愛因斯坦時，概述了人們對他的看法：「在征服浩翰的量子現象的鬥爭中，他是一個先驅者，但量子理論向前發展時，他卻遠而疑之。我們許多人認為這是一個悲劇——因為他從此在孤獨中摸索前進，而我們則失去了一位領袖和旗手。」

然而愛因斯坦並不認為自己誤入歧途，他在1948年3月18日寫給玻恩的信中說：「我實在非常了解你為什麼要把我看作是一個頑固不化的老頭子。但是我相信你並沒有了解我是怎樣走過我這條孤獨道路的；即使沒有絲毫的可能性會使你贊同我的看法，也肯定會讓你覺得有趣。我要把你的實證論的哲學看法撕得粉碎，以此來自娛。但是看來，在我們活著的時候，這是不可能實現的。」

這裡必須說明的是，愛因斯坦對量子力學的方程是接受的，他只是堅信將會出現更完美的理論來解釋量子力學中的不確定效應。他曾談到，牛頓力學在其不完備性暴露之前的兩個多世紀里一直是成功的，因此，量子理論總有一天也會暴露出自己的不完備性，被新的更堅實的理論所代替。在他的後半生，他一直嘗試著把相對論和量子理論統一到同一個數學框架中，但這個努力幾乎白白耗費了他後半生的心血，最終歸於失敗。

兩大理論勢同水火

相對論和量子理論的哲學基礎如此不同，這預示著這兩大物理學理論極有可能互不相容。果然，在後來的數十年中，前沿物理學家費盡九牛二虎之力，仍沒有把它們合併成功——宏觀世界與微觀世界仍處於斷裂狀態之中。

這兩個理論在各自特定的領域裡所取得的成功都令人嘆為觀止。量子力學揭示了原子中的秘密，並解釋了從半導體到計算機到激光所有這些技術的原理。實際上，這個理論是如此強大，使得我們只要有足夠的時間，就可以利用計算機來預言所有化學元素的性質，甚至連實驗室也沒必要進。然而，儘管量子力學在解釋原子世界時取得了無可否認的成功，它在試圖描述引力時卻遭到了失敗，因為引力歸根結底是一種空間結構，而量子理論只能描述物質行為。

另一方面，廣義相對論在它自己的領域，即描述星系的宇宙學尺度時，也取得了輝煌的成功。黑洞就是廣義相對論的一個著名預言，物理學家們相信它們是擁有很大質量而瀕臨死亡的恆星的終極狀態。廣義相對論還預言了宇宙起源於一次大爆炸，使星系以巨大的速度飛散開來。然而，廣義相對論所描述的空間幾何卻無法解釋原子和分子的行為。

因此，物理學家們面對的是兩個不同的理論，各自使用一套不同的數學，各自在自己的領域中做出驚人準確的預言，卻相互隔離且極為不同。這就好像是大自然造出了一個有兩隻手的人，右手與左手看起來完全不同而且其功能也各不相干。對於相信大自然終究應該是簡潔而優雅的物理學家們來說，這是一個謎；他們無法相信大自然會以這樣一種奇怪的方式運轉。

在這樣的背景下，我們需要一個新的、包羅萬象的理論，在更根本的層面上把現代物理學的兩大支柱——量子理論和相對論統一起來，這也許將是一個物理學終極之夢。

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