量子力学学习的自我回顾与反思
2012-12-21
PS其实这是我们量子力学课的一个大作业，读书报告……因为是要给老师看的，有些话不能说得太明……其实这篇东西里就两个意思：1.量子力学毁三观；2.因为我数学功底和物理基础不够好，所以三观目前被毁得还不够彻底OJZ
OK上正文。
近日读了约翰格里宾的《寻找薛定谔的猫》一书，算是这学期在系统地学习量子力学之余做的一点人文方面的补充。读毕颇有感触。
如果真要严谨、深刻和细致地阐述量子力学是什么，恐怕非朗道、费曼等人所著之大部头则不能及。作为一位科普作家，《寻找》一书中，格里宾并未涉及到太多具体而繁杂的公式方程，而主要还是从量子力学的发展史入手，并且着重探讨了量子力学给现实世界所带来的冲击与改变，以及量子力学中所蕴含的宇宙观、世界观等更贴近于形而上学的内涵。
这本书让我忍不住去回顾数年来自己对物理的学习与理解。
相信上了大学之后，感到大学中所接触到的数学和物理，无论是学习内容、学习方法还是思维方式都与初中高中时大相径庭甚至大有推倒重建之感的人，绝对不止我一个。我甚至深觉即便初中和高中时的物理都学得惨不忍睹，也几乎不影响大学的学习。中学时的我，还只是一个单纯粗浅的天文爱好者，更宁愿从人文情怀的角度去了解物理，会在课外时间里如饥似渴地阅读各类科技杂志，以及涉及到天文、宇宙、理论物理甚至是量子力学这类关键词的科普读物——却视课堂上的物理如下山猛虎，避犹不及；虽然文理分科的时候选择了理科类，抱着的念头却是走出了中学校园就再也不要碰物理。没想到阴差阳错，上大学还是进了物理学的大门。
入学物理系两年有余，诸多基础的物理学课程都已有所涉及，该掌握的公式定理、基本常识也都学到，但比起从历史的角度去了解物理学的发展或是从哲学的角度去理解这些科目，我们更多地是在和抽象的公式、方程打交道，很少回头来问自己：“对于这个定理，你怎么理解其中的涵义；对于这一方程中所包含的实际现象，你怎么去描述；分析力学为我们提供了一个怎样的工具去描述这个世界；数学物理方程又是怎么运用到解决各类物理问题中去的？”
不得不深感惭愧。在借助《寻找》一书回顾和完善自己所了解的近代物理发展史时，我发现自己对一直被老师不断提及的玻尔、海森堡、普朗克、狄拉克甚至爱因斯坦等人的物理贡献其实并不了解。而作为一个学习物理的学生，自己的世界观也并没有比从前有所进步——原来自己对于原子核外电子运动的认识，还一直停留在类太阳系行星轨道的程度；原来原子物理学完了那么久，还一直不知道自旋并不是真的类比于地球的自转。这几年，比起好奇而主动地去了解建筑在数学语言之上的深奥物理世界，恐怕我更多地是茫然地跟着课程走，上课做笔记，下课看课本、做题、准备考试——我不知道，这是大学生中的普遍现象，还是只我一人如此。
量子力学极大地影响了这个世界。诚哉斯言。学期伊始，井孝功老师所著《量子力学》中的一句话，给了我极深的印象：“在认识论上，经典物理学犯了两个错误，一是把事物的属性当做事物本身，二是非此即彼的观点将事物绝对化。”可以说，这句话概括了量子力学与经典力学之间的决裂，同时也告诉我，学习量子力学，不再只是对诸多希腊字母其数学定义的记忆和对无数方程的推演；学习量子力学，应该在熟练掌握数学技巧的同时，学着去用量子观去重新看待这个我们已经司空见惯的世界。如格里宾在《寻找》一书中所说，当我们探讨量子力学时在不熟悉的情境中发现了熟悉的词汇，我们应当将这一词汇的固有意义完全抽离，以一个全新的角度去看待它。
大学里我们对于物理的学习与物理观的推倒重建事实上并没有一个严格清晰的顺序，但大二的时候学习原子物理学，了解原子结构、氢原子光谱和原子谱线分裂等；在光学中又学习了光的波动和干涉，对被反复提及的波粒二象性习以为常；在热力学与统计物理中接触费米-狄拉克统计、玻色-爱因斯坦统计，这些都为我们大三时真正学习量子力学作了铺垫，但同时，司空见惯的东西，反而可能阻碍我们进行深层次的思考。这大概也就是为什么我在读《寻找》这本书时，在跟着作者的思路梳理回顾近代物理发展历程的同时，惊讶又惭愧地意识到自己几乎从来没有思考过那些被反复提及的原理和现象实际上意味着什么。
在经典物理学的认识论中，粒子就是粒子，波就是波，而辐射的连续，看起来是再顺理成章不过的事情。但是卢瑟福原子模型的提出却使得科学家们无法对辐射为连续的情况下电子最终坠落原子表面这一谬论进行解释。玻尔擅长于将不同理论拼在一起以期解释实验现象这一才能，并提出了所谓的“玻尔模型”——当然，我们都学过，只不过却没有意识到，量子力学中波函数的引入，已经告诉我们这一模型只不过是一个过渡，而并不是真正的原子世界的样子。我并且没有意识到，薛定谔使用波动方程去描述量子的行为，试图将对量子的描述还原至与现实的宏观世界一致。虽然态函数的这一概念相当实用也易于理解，但是如果将态函数的适用范围推广到平常人所熟稔的宏观世界，意味着我们身边的事物也可以用“它有一定的概率出现在这，但也有一定的概率出现在那，除非我们进行观察，否则无法确定”这一方式来看待。我也没有想过，光的波粒二象性，推而广之是实物粒子同样具有波动性，意味着宏观物质同样符合微观层面的理论，只不过因为尺度太大而不得以体现；甚至是光的干涉叠加，告诉我们的远大于1+1=2——叠加的结果符合平方和的计算结果，意味着满足波函数的计算方式，也告诉我们人们无法通过实验来确定一个粒子“本来”是什么样子的，它可能从这一狭缝通过，也可能从另一狭缝通过，没有观察的时候我们根本不能确定它在做什么，因为观察就意味着观察者对于被观察物的相互作用，被观察物受到扰动后波函数坍缩，我们才能观察到它。
薛定谔提出的这一猫和毒药的实验已经被讨论了50多年，被关在匣子里的那只猫“既是死的，又是活的，既不是活的，也不是死的”——不能被人类直接感知的电子可以同时既是波又是粒子，我们似乎能够很容易地（但又是半信半疑地）就接受它的波粒二象性，但是对于猫这样一个我们在常识的宏观世界里非常熟悉的事物，却很难想象它会处在这样一个既什么都是，又什么都不是的状态。对于匣子外的我们来说，除非我们对匣子里的事物进行观察，否则匣子中的事物就处在多个状态的叠加态下。
既然无数的事物都处在多个状态的叠加态下，每一个状态都有它所对应的发生概率，不观察就不知道它到底是什么样的，但观察就意味着相互作用。波函数坍塌了，于是在观察的时候，我们只能看到经我们影响后量子世界的样子，不观察的时候，量子世界是什么样，我们根本无从知道。从以上内容来说，我们对于量子力学的理解就该进入哲学层面了。哲学家长期以来都在探讨，是否除了按照现在所记载的这一切以外，历史是没有意义的，因为有无穷多个我们无法观察或者感知到的过去，过去实质上也就不存在。创造历史的其实是我们。借助观察这一活动，我们创造了我们所知道的历史。而无数事物同时并行存在的多个状态，也就构成了无数个所谓的“平行世界”。叠加态的各个分离元素都满足波动方程，都有一定的概率会发生而对其他元素的现实性漠不关心，另一个分支对另一个分支不存在影响，任何观察者都对每一分支下一时间所可能发生的状态劈裂一无所知，而只能看到“他看到的那个事件”。是的，上帝的确在掷骰子。
这也是我的困惑之一。思政课程教育我们用唯物的观点去看待这个世界。这个世界上的一切客观实在，都是“客观实在”的，即使你不去听不去看，它也是真正存在的，这个世界的实体性质，不会随着人类的意志变化而变化。但是，它们真的是存在的吗？又或者，你不去观察的时候，它真的处在你所确定的那个状态下吗？
扯远一些，朱清时先生在一篇科普文章中曾经谈到过弦论，毫无疑问是现代物理中最奇妙也最激动人心的一种理论。在这种理论中，世界的本质是一种以不同方式振动着的一维弦，不同的振动频率和波长对应不同的质量和能量，进而对应不同的粒子。也因此，如今人们所发现的数百种基本粒子，事实上并非组成这个世界的基本结构，而只不过是无数的弦以不同的方式所弹奏出来的音符。对于宇宙的基本规律应当至简至美这一原则，我深以为然，因而即使仍然算是个物理的门外汉，我还是认为，种类繁多的所谓基本粒子，并不是“基本的”粒子。大自然只需要一根弦，就可以弹出无限复杂而美妙的交响乐。而这一点，也在某种程度上否定了唯物主义：构成物质世界的基本单元是宇宙弦的各种可能的振动态，而不是宇宙弦自身，就像组成交响乐的单本单元 是乐器上发出的每一个音符，而不是乐器自身一样。由此看来，无论是相对论还是量子力学，还是如今的超弦理论，都在逐渐地改写着人们对于世界本质的认识。
《寻找》这一本书里，还提到了量子力学对于这个世界深刻的改变，是一些实实在在的事物，比如激光器，比如显微镜技术，比如超导体，甚至是对生命本身的了解以及未来终将改变这个世界的量子通信。诚然，基础研究旷日持久，消耗巨大，它的高深和脱产，让很多人看不到实际而直接的价值，因而望而却步。但是，也如丁肇中先生所说，基础科学研究需要花费漫长的时间，可是一旦有所突破，对于整个人类社会的发展的改变都是极其深远的。
若是要不留情面地自我判断的话，我确实属于杨绛先生所概括的一类年轻人：读书不多却想得太多。量子力学给人们的世界观所带来的冲击不言而喻，对这一切进行发散思考自然也是一个奇妙的过程。但是作为一个学习物理的人，单纯从感性的角度去看待量子力学显然是不足的。
真正的物理，是建立在数学语言之上的、严谨、理性的学科。没有无数基本公式、定理之砖瓦，没有一代又一代物理学前赴后继之建设，物理学的大厦就不可能被建立起来。没有无数在书山题海中埋头跋涉的日子，没有对数学物理涵义的具象和反思，我们就不可能从本质上去了解量子力学，乃至于所有的物理学知识。《寻找薛定谔的猫》一书，对于向非专业类人士介绍量子力学的发展过程及其涵义已然足够，但对于一个仍然在学习量子力学的物理系学生来说，还是应当回到课本中去，用无数大师们所留下的智慧结晶，充实自己无知的头脑。