为什么量子力学是如此难以理解

本文转自：北京日报

量子论是现今科学的有力心脏，而量子论的奇怪之处令人迷惑不解——

为什么量子力学是如此难以理解

卡洛·罗韦利

《量子物理如何改变世界》卡洛·罗韦利 著 磨铁·文治图书

从电子计算机到核电等

最新科技的根基也是量子论

我和卡斯拉夫坐在离海几步之遥的沙滩上。我们热烈地交谈了数个小时。一次研讨会的下午休息期间，我们来到了香港的南丫岛。卡斯拉夫是量子力学领域的知名专家。他在研讨会上展示了对一个复杂思想实验的分析。从密林边缘的小径到沙滩，随后再到海边，我们就此实验进行了反复讨论。最后我们的想法基本达成了一致。在沙滩上，我们看着大海，沉默良久。真是难以置信，卡斯拉夫喃喃道，人们如何能够相信？就好像现实……从未存在过一样……

在量子领域，我们已经走到了这一步。一个世纪以来，这一领域不断涌现出举世轰动的科学成果，还赠予了我们当代科技，为整个20世纪物理学提供了根基。认真回顾这一科学史上最为成功的理论，我们会不由得感到惊诧、困惑、难以置信。

曾有过那样一个时刻，世界运行的基本原理似乎非常清楚：形形色色的事物归根结底好像都是由物质微粒构成的，并只受寥寥几种力的驱动。人类曾一度认为“摩耶”的面纱已被揭开：认为自己彻底看透了现实的本质。但这一状况未能长久，因为许多事实与理论不符。

直到1925年夏天，一位23岁的德国青年来到北海上一座多风的岛屿——“圣岛”黑尔戈兰岛，度过了一段坐立不安的孤单日子。在这座岛屿上，他发现了一种能解释所有棘手事实的想法，并构建了量子力学的数学结构——“量子论”。这一理论的发明也许是有史以来最伟大的科学革命。这位青年的名字是沃纳·海森堡（1901-1976）。这本书要讲的故事，便是由他开启的。

量子论澄清了化学的根基，解释了原子、固体、等离子体的运作方式，解释了天空的颜色、大脑内部神经元的构造、恒星的运动、星系的起源……世界上成千上万个方面的问题。从电子计算机到核电等最新科技的根基也是量子论。工程师、天体物理学家、化学家和生物学家每天都在运用量子论。量子论的基础知识已经成了高中课堂的必修知识点。量子论从未出错。它是现今科学的有力心脏。但它神秘莫测，还有些许令人不安。

量子论的奇怪之处

令人迷惑不解

量子论打破了世界是由沿固定轨道运动的微粒组成的这一我们原有的现实图景，却没有说明，若非如此，我们又该如何认知这个世界。量子论的数学计算并不描述事实，它不会告诉我们“何物存在”。在量子理论的视角下，相距甚远的物体之间似乎有着魔法般的联系。物质被奇诡的概率波替代。

任何一个停下来问自己，量子论究竟告诉了我们关于真实世界的什么事情的人，都仍然满怀迷惑。尽管爱因斯坦预见的一些想法将海森堡引到了正确的道路上，但他最终也没能完全消化理解它们；20世纪后半叶伟大的理论物理学家理查德·费曼也称没有人理解量子。

然而，科学就是如此：科学是探索全新的思考世界的方式，是不断推敲质询我们现有的概念的能力，是那股敢于反抗权威的、批判性的前瞻性力量，这力量有能力改变其本身的概念根基，从零开始重新描绘世界。

量子论的奇怪之处令人迷惑不解，但同时，它也为我们开辟了全新的认知现实的视角，让我们得以窥见一种比从单纯的物质主义视角看到的、由空间中的粒子构成的现实更加深刻微妙的现实。这是一种由关系而非物体构成的现实。

量子论为我们提供了全新的思路来重新思考宏大问题，比如现实的结构、经验的本质、形而上学，或许甚至还有意识的本质。上述问题都是科学家和哲学家们热烈探讨的，也是我在本书中要谈论的话题。

在荒芜、偏僻、北风肆虐的黑尔戈兰岛上，沃纳·海森堡揭开了挡在我们与真相之间的那道帷幕，而帷幕之后却现出了一道深渊。本书要讲的故事，就从海森堡萌生想法的这座岛屿开始，随后将从现实的量子结构的发现逐渐扩展到探讨范围更宽广、更为开放的问题。

量子力学是什么、意味着什么

我的作品面向的，首先是不了解量子力学，但有兴趣尽自己所能去理解量子力学是什么、意味着什么的读者。我要尽可能地做到叙述简洁，因此一切对把握问题核心并非不可或缺的细节，我都略而不谈。我要尽可能地做到清晰易懂，因为我探讨的是科学中最晦涩难懂的理论。与其说我讲的是如何理解量子力学，不如说我只是解释了为什么量子力学是如此难以理解。

但这本书也是为那些越是深入研究量子论，就越是感到疑惑的同僚——科学家和哲学家——而写；为的是能够让正在进行中的、关于这个持续让我们感到惊奇的物理理论的意义的探讨继续开展，也为了能够获得一个更为整体化地看待它的角度。本书为那些对量子力学已有所了解的读者附加了许多注释。同时，为使内文更具可读性，更加精确的描述将在注释的部分进行。

我在理论物理学领域的主要研究对象是理解空间和时间的量子性质，使量子论与爱因斯坦有关空间和时间的发现更加融贯一致。我发现自己在持续不断地思考关于量子的事情。本书是我思考至今得到的成果。它并未忽视不同的观点与意见，但也有它自己坚定的倾向性；它专注于介绍我认为最有效力，同时也为我们打开了最广阔而有趣的前景的一种视角，即对量子论的“关系性”解读。

在开始阅读前，有一事需读者悉知。未知的深渊永远对人具有吸引力，也总是令人目眩神迷。认真思考量子力学，反思它给我们带来的启示的过程几乎是一种近似迷幻体验的经历：它总是变着花样要求我们放弃自己对世界的认识中被认为是坚不可摧、无懈可击的东西，它要求我们接受现实与我们的想象有着深刻差异这一事实，要求我们不要惧怕深不可测的未知之物，要敢于将目光投入深渊。