量子力学——极致的理论之美
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发布时间：2023-01-06 20:41
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热心网友
时间：2023-10-19 03:28
我花了整整两个月的闲暇时间看完了这本书，逐字逐句，依依不舍，看到精彩之处会扔下手机闭目沉思。可惜要用文本语言讲清楚这本书估计有些难度，毕竟“上帝是数学家，唯一能够描述宇宙的语言是数学”。我会先尽我所能把整篇“故事线”讲清楚：
可能所有探索的源头来自那一个问题的提出：光究竟是什么呢？赫兹用实验证明光是电磁波波的一种，由此引出波动说；而牛顿却以其经典力学为基础力推光的“微粒说”。对于实验现象来说，光的反射和折射可以更好的由微粒说来解释，而衍射和干涉却更符合波动学说。更著名的实验双缝干涉实验更是说明光同时具有波粒二象性。对此书中有一段非常有趣的描述：“物理学家们不得不在星期一、星期三、星期五把世界看成是粒子，在星期二、星期四、星期六则把世界看成波。到了星期天，他们不知如何是好，干脆就待在家里祈祷上帝保佑。”其实对于此问题到目前为止科学界也没有给出一个定论，只有一系列精彩的理论被提出：
首当其冲的必然是量子力学（这里简单的解释一下：光子也是量子的一种）的奠基人：普朗克。“黑体实验”作为物理学大厦上的两朵乌云之一，最终引出了量子力学这座大山。而普朗克的突出贡献简单来说，就是证明了能量是不连续的，即这个世界是由间断的能量体（量子）组成的。
然后就是波尔及波尔的伙伴们（哥本哈根学派，海森堡，波恩，泡利必须留名），波尔是提出了电子跃迁模型，也就是我们高中化学书上看到的那种行星模型。泡利在此基础上提出了“泡利不相容原理”，简单的说就是每个能级能包含的电子数是固定而有限的，所有电子的数量也是不等同的状态。而海森堡前后的两大突出理论一是提出矩阵力学并引入量子理论，二是从矩阵力学中得出“测不准原理”。测不准原理秒在用数学的方法严谨的解释了量子匪夷所思的无法测量的性质。到这里不得不引出海森堡的死对头，薛定谔。著名物理实验“薛定谔的猫”大家都知道，是一个将宏观世界和微观世界联系起来的经典实验。而他更大的贡献，却是从海森堡不同的角度出发，引入波动方程同样完美的契合了量子理论。美妙的在于，不同的现实角度切入（一个代表微粒说，一个代表波动说），其在数学层面上居然是等价的，也就是说，矩阵力学与波动力学可以在数学上相互推导。所以说，物理世界固然是难以理解的，谁也无法想象光既是微粒又是波。我们只能像书中说的那样：“我们要学会依赖数学，而不是日常语言，因为只有数学才具有唯一的意义，才能告诉我们唯一的真实。我们必须认识到这一点：数学说什么，我们就得接受什么。此后”波恩是第一个将“骰子”带入量子世界的人。现在的我们聊起量子力学很自然的就能想到概率，可要知道这给当时的科学家带来的是对么大的震撼！构成整个世界最基础的东西居然是不确定的，是完全随机的，是你无论如何也不能测量而无从得知的。
量子世界有太多超出经典世界的现象让人们无从解释，但这并不妨碍许多优秀理论的提出。在这之前，我想先讲一下经典实验——双缝干涉实验，方便大家在读后面的理论时可以有所对应。实验现象简单来说，就是一束光子束照射在有间隔的两条缝隙上（宽度只能通过单量子），当我们不去观测光的路径时，光会在后面的幕上形成明暗交错的干涉条纹（对应波动说），一经观测，就会坍缩成缝隙对应的两条光斑（对应微粒说）。这里着重介绍“多世界解释”（MWI），又被叫做“平行宇宙理论”，因为这是我最喜欢的一个理论，也是很多人认为对量子世界最优美的解释。这个理论非常容易直观的被理解为有很多个三维空间世界（这样给人一种非常浪费的感觉，然而宇宙一直以来给人的印象却是精确的美），其实上这只是高维“世界”和低维“世界”间的对应关系。三维世界的圆锥在二维世界的投影状态是不同的，而对应到薛定谔的猫实验中，在不同的低维世界猫的生存状态是确定的死或者活，不经观测时它是一个叠加的状态，一旦观测，我们就会随机进入一个“世界”，这时候的猫就只有一个特定状态了。退相干理论就是在这个理论基础上提出的，依旧是图2，当两个低维世界彼此正交之后，两个世界就失去了联系，一个世界无从得到另外一个世界的任何消息，整个过程就叫退相干。想想我们的双缝干涉实验，微观粒子相对我们宏观世界来说是超低维世界，以宏观世界的角度去观察他们，必然导致这两个原本相干的世界退相干。原理很简单，引入的维度越多，正交的可能性越大。这样一来我们从宏观世界要追寻一个粒子的运动轨迹，就导致它从一个叠加状态变成了某一特定“世界”的确定状态。个人认为这一理论精彩在于，巧妙的避免掉了引入“意识”这种主观性的东西来解释观测带来的量子状态变化，从而避免了与我们普遍认可的唯物论起正面冲突。但这又引出了一个有趣的“量子自杀”实验，大致描述是说，人无论怎么自杀都不会死掉，只会在所处的世界里死掉而在另外一个世界继续活着，只是这两个世界再无关联，其他人也无从得证这个人到底是不是去了另外一个世界。更值得深究的是，另外一个世界的“你”还是不是“你”？这里无可避免的又要谈及“意识”，终究陷入唯心。
当然这本书精彩的地方还有很多很多，比如爱因斯坦和波恩的数次大战，惊鸿一瞥的电磁学和热力学原理，贝尔不等式的通俗解释，量子理论的发展应用简述等，篇幅原因不能过多展开。最后附上我对这本书的初读映像：“继三体之后的第二部五星书，读了整整两个月，从哥本哈根->多世界->隐变量->系综->退相干历史->超弦->M理论，每一个理论，每一次猜想，我只能想到‘惊艳’这个词来形容，对这个真实的世界，我只能用‘玄妙’来描绘。一个好的科幻作家，一定要做到自己对知识足够的理解，又要懂读者的所处的谜团，最后给这两种状态之间做出牵引、关联、投影。作者的处理精妙得让人每每感叹‘原来是这样’或者‘也可以这样解释啊’。总而言之，不管读内容还是读作者，这都不失为一本好书‘’。
我不知道有多少人会像我一样，抬头仰望夜空时候会激动得想哭，听到超出自己认知的定理的时候会害怕得发抖，当数学和理论完美的验证的时候会兴奋得失眠。无数次晚上的噩梦是星球万物不再遵循物理规律，惊醒后却又留恋于梦中世界惊人的美感。真理与艺术是唯二的能让人看到纯粹的美的东西。我对艺术的美向来是不够敏感的，但对真理的美的感知像是与生俱来的。这个世界摆在我们眼前而未知的东西实在太多，我们又怎么能任自己一直在已知的那片小小空间里寻求丁点的庇护与满足呢？
注：个人理解有限，也为使这篇书评更便于理解，可能运用了一些不严谨的表达，希望读者合理指出。
