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程曜:量子力学告诉我们什么

(2014-07-25 09:39:26)
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杂谈

程曜:量子力学告诉我们什么

今天不是要告诉大家,没有量子力学无法想象现代科技,而是要阐述,为什么量子力学这么难以理解,它告诉我们人类语言的有限性,接受新事实有多么困难。

程曜(清华大学教授)

也许很多人能够由数学公式理解量子力学,但我不能。我相信不止我有困难,多年的教学经验也告诉我,大部分学生也有困难。虽然我用一本经典光学教科书,但上课的时候会加入一些二十世纪的光学新进展。一谈到新进展,当然脱离不了量子力学。可是学过量子力学的学生却对量子力学现象陌生,迫使我要花四分之一的教学时间,重新举例说明量子力学。

今天不是要告诉大家,没有量子力学无法想象现代科技,而是要阐述,为什么量子力学这么难以理解,它告诉我们人类语言的有限性,接受新事实有多么困难。

庄子说“至大无外,至小无内”,点的概念起码在两千多年前就出现了。当卢瑟福的实验告诉我们,金原子的质量只占空间非常小的一部分时,我们很容易接受。当德布罗意说粒子是波时,一个粒子不单独占有一点,而是分布在一块空间之内,大家也许还不能警觉,点的概念已经受到了挑战。随后的发展,不论奇人爱因斯坦如何辩证,所有的物理实验都指向相同的事实,量子力学的语言带来新的时空观念。

拿一个爱因斯坦的论证作例子,他想尽方法证明波尔的哥本哈根学派错误。他说,人类不须要实验探测验证也知道事实,当我们不看月亮时难道月亮就不存在?于是他提出了一个想法,如果一个原子发射了纠缠的两个光子,这两个光子的状态被原子的激发态和退激态所决定,不需要量测每一个光子,检测双光子其中的一个光子,立马由守恒定律知道另一个光子的态,不需要实际量测。

打个比方,现在有一对孪生兄弟或姊妹相距一公里,当其中一个举起右手,假设守恒律规定另一个必定举起左手,实验告诉我们难以置信的事实,量测的一霎那才同时突然决定谁举右手谁举左手,好像两个人彼此超越光速极限有了心灵感应,颠覆了事件发生的局域性概念。

超距的同时性让我们想起超验,好像超距的心灵感应确实存在。我个人虽然不能通灵、无心电感应,且不反对超验存在,但还是要说说物理和天启的差别。

牛顿提出万有引力时,虽然大家并不知道引力如何能穿越空间,却不影响每一个人去做实验,发现磁铁的力量也可以穿越空间。超验或天启则不同了,不是任何一个人在任何一个时空都可以重复。商朝一开始只有王拥有占卜的权力,后来贵族也可以占卜,到了周朝几乎人人可以占卜。现代科学不属于特定阶层,每一个人都有权利去探索,而且得到相同的答案。

“至大无外,至小无内”,看似一种东方的诡辩,避免讨论无穷大和无穷小的概念。我们若说是东方的智慧早已认识到无穷的虚妄,道士早已坐在山上等待,又显得俗不可耐。

二十世纪的量子物理还有一个重大的结果,重整作用力后仔细地铲除了无穷大和无穷小。谈到这里我们又得回到量子力学的物质波概念,粒子不是一个点却分布在一定空间之内。如果每一块空间区域连续,必定由无穷多个点组成,因此区域性连续分布的每一个粒子会含有无穷多变量。这样一来又和我们观察到的物理现象不同,必须拿橡皮擦小心翼翼的把无穷大由公式中抹去。

我不得不怀念美国哲学家理查罗蒂,他说哲学家只是想把话说清楚,并不能指导其他人思想,让大家如释重负得到充分的自由。相同的,数理逻辑也只是想把话说清楚,无意指导物理的发展,倾听大自然才是我们的责任。人类八千年前开始定居发展农牧业,不但改变了饮食习惯,也把过去猎杀的对象驯化作为生活伙伴。姑且不论通灵是否属实,起码农牧业改变了通灵的内容,神的改变就像镜中像,随着我们自己的容貌而变。

三百年前的理性告诉我们,既然天上的星星的路径能够按照数学公式被预测,还有什么事情不能按照数理逻辑被预测?但上个世纪中发现了混沌理论,显然我们的能力被夸大了,大部分天体的运行我们都不能预测。一百年来我们相信电荷量子不变,现在我们又发现在一维或二维的低维度里,电荷可以有不同的单位。

当我们坐在电脑前面,还没打完一串字时,电脑就抛出一串我们不想要的词组。对于一个有创造力的人而言,这是一种困扰而不是一种便利。语言图像又有什么差别?当大自然告诉我们新的事实,改变语言需要几百年的时间,教起量子力学才显得困难重重。

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