量子江湖风雨录
量子江湖风雨录凯文西
&&& 上次写了《年轻的科学，古老的文化》引言，本来准备下来就写关于中国文化的思考，然而事情却有了一些变化。
&&& 原以为科学昌明的今天，大家对科学的了解应该比较多了，但后来我惊讶的发现事实并不是这样。这源自于我的那篇小文被意外地转出了豆腐庄，被贴在了一个高知云集的论坛，而引起了一场不大不小的骚动。我在那篇小文中简短地述说了精神意识在量子力学研究中的出现，因果律和客观实在在量子力学研究中受到的冲击，这使得有些同学不舒服，个别同学则非常愤怒，而个同学还是学物理的，并在学校里给学生讲授物理。他或者他们好象不知道这些问题在80年前就在量子物理的争论中被提了出来，是正宗的哥本哈根的观点解释或者推论。
&&& 这就使我想到了，现在仍需要科普，特别是量子力学这门革命性的深刻科学。但要写一个关于量子力学革命的深入浅出的科普不容易，因为它提出的思想太颠覆我们的传统思维。我们显然需要一个简单易懂的量子革命发展史，但要写却比较困难，虽然我们有不少的科普著作论述量子力学的思想。倒是有一本书《上帝掷骰子吗？》把量子革命写的很好，不过那是一本巨著，我想可能大家没有那么多的时间和兴趣去啃它。这里正好我有兴趣，我便按照这本书的脉络，把量子革命怎样发展的故事介绍给大家，希望能在数篇文章的篇幅内让大家能够领略量子革命的精髓，算对我前面那篇小文的补充和辩护。
&&& 好，言归正传。
《量子江湖风雨录》 - 引子&
&&& 量子革命或许是迄今为止科学史上最伟大的革命，相对论可能都有所不及。它的很多观念、思想太颠覆我们的传统，以至于令很多人困惑。其实不光是一般人困惑，科学界的很多顶尖高手也很困惑，爱因斯坦便是其中著名的一位。量子力学正统学派的精神领袖，哥本哈根的玻尔曾说过一句名言：“假如一个人不为量子论感到困惑的话，那他就是没有明白量子力学” 。&
&&& 十九世纪末，历经300年的风雨之后，经典物理学形成了一个庞大而严密的系统，最后一统天下。那时物理学界一片歌舞升平，喜气洋洋，普遍认为物理学到达了她光辉的顶点，而我们所处的物质世界也能够用当时的物理理论很精确地描述。也就是说，只要你能给出某时刻宇宙中所有粒子的运动信息，人们就可把宇宙的过去、现在和将来的历史用方程准确地描述出来。这就是科学上的决定论。&
&&& 似乎物理学不再会出现惊喜。&
&&& 但在不经意间，有两个并不起眼的物理学难题摆在了物理学家的面前，当时被称为“十九世纪末物理学大厦上的两朵乌云” 。由于这两朵乌云不合时宜地出现在了经典物理学大厦落成之际，所以并未引起物理学界的高度重视，人们乐观地认为这两朵乌云会在当时已有的理论体系内得以化解。&
&&& 然而，令人没有想到的是，正是这两片小小的的乌云，在很短时间内便演化成了漫天乌云，继而天空便电闪雷鸣，风雨交加，最终把经典物理学的大厦吹的是七零八落。而物理学界也卷入了一场扑朔迷离的长期混战之中，至今没有完全突围出来。&
&&& 一片乌云导致了相对论的产生，迫使人们考虑时空物之间的纠葛；另外一片乌云导致了量子革命，迫使人们考虑我们所处物理世界的本质是什么，有无客观的物理实在性，以及我们传统的因果率是否可以被打破。更有甚者，将精神意识引进了物理学的殿堂。&
&&& 量子革命在20世纪的第一年就爆发了，是以具有反叛精神的物理学家普朗克对黑体辐射难题的研究为开端，第一次提出能量的离散化量子概念，后来他由此得到了诺贝尔奖。但在当时，他被自己的量子化假设带来的对经典物理学的冲击而惊讶、而震撼、而吓得魂不附体。他终于背叛自己，放弃了量子化假设。&
&&& 然而，普朗克一旦放出了“ 量子化”这个幽灵，他就再也收不回去了，也就注定了 “ 量子化 ” 这个幽灵要将经典的物理世界搅个天昏地暗。&
&&& 这个幽灵落到了同样具有对传统有极大反叛精神的爱因斯坦手里。正是这个爱因斯坦，用量子化的幽灵使得光线量子化，一举解决了著名的“光电效应”难题。爱因斯坦由此震惊了江湖，比他震惊江湖的相对论更甚。&
&&& 但是，量子化的幽灵确实不是那么好摆布的。当爱因斯坦还没有为自己的成果高兴的时候，却发现自己的成果把物理学界推向了了一场新“波-粒” 大战的销烟中。爱因斯坦也害怕了，象伟大的普朗克一样。最后爱因斯坦终于走到了量子化的反面，成了对抗量子革命的反对派精神领袖。&
&&& 但毕竟由于普朗克和爱因斯坦的巨大贡献，使得量子革命本身却以迅雷不及掩耳之势迅速发展，“彻底的革命者”，后来成为哥本哈根学派“教皇”的玻尔要粉墨登场了。这才演绎了一场惊心动魄的量子江湖世界大战，而玻尔集团和爱因斯坦集团为此展开的斗智斗勇更是前所未有，名动江湖而经久不息，堪称科学界的绝响。&
&&& 量子革命的思想很难理解，不加详述不能容易明白。其实，即使详述也很难明白。为了同学们对量子革命大概有个了解，本同学花了不少时间，根据一本描述量子革命发展的著作《上帝掷骰子吗？》的脉络，简述整理写成这个《量子江湖风雨录》，希望能在相对短小的篇幅内，使得大家对量子革命所带来的震撼有些微的了解。&
&&& 如果你想从量子革命的爆发开始了解，就从头读起《量子江湖风雨录 – 1 》。
&&& 如果你想看量子革命的中期发展，看《量子江湖风雨录 – 2 》。&
&&& 如果你想看量子革命哥本哈根学派解释的成熟，看《量子江湖风雨录 – 3 》。
&&& 如果你想看量子革命对传统因果律、客观实在性的冲击，看《量子江湖风雨录 – 4 》。&
&&& 如果你想看量子革命中的华山论剑、撕裂我们理性的薛定谔的猫、精神意识被引入量子力学的解释、平行多世界理论引起的精神分裂，看《量子江湖风雨录 – 5 》。
&&& 如果你想看著名的EPR 佯谬、神秘的贝尔不等式，及其对玻尔-爱因斯坦世纪争论的实验大判决，看《量子江湖风雨录 – 大结局》。遗憾的是的《量子江湖风雨录 – 大结局》还没总结呢，过段时间再说。&
&&& 最后，祝同学们有个清凉舒适的夏天！呵呵。
量子江湖风雨录 (1)
&&& 就象江湖上那经典的一幕，历经三百多年风霜雪剑的恩怨情仇，一个超级的武林门派傲然出世。这个门派汇集了无数身经百战的超一流好手，群英汇萃，气象不凡，所向披靡。它最后终于一统江山，名震江湖，成为唯一的超级霸主。任何其它的个人或者势力在这个超级霸主面前都显得那么的脆弱，那么的不堪一击，也更凸显出这个超级霸主的威严、辉煌与骄傲。&
&&& 这个超级霸主，不是别人，就是 19 世纪末的物理学大厦，金碧辉煌、雄伟壮观、不可一世，以惟我独尊的气派统治着物理学界。&
&&& 那时，牛顿力学控制着天上的行星和地上的石头；波动理论在光学领域独霸一方，后来又被新的电磁理论扩大到整个电磁世界；热力学三大定律也亦基本建立；分子运动论和统计热力学也在一帮天才的努力下获得成功。而最重要的是，这一切理论都是相互包容的，彼此没有任何冲突和矛盾，最终形成了一个庞大的经典物理学大同盟。
&&& 这时，最能表达物理学骄傲的应该是拉普拉斯的那句著名语录，就是在 1799 年他的著作《天体力学》发表后，拿破仑问拉普拉斯：“在您宇宙体系的大作中，为什么没有提宇宙的创造者？”而拉普拉斯的回答是：“陛下，我不需要上帝这个假设。”因为在拉普拉斯眼力，他的理论是那样的完美，以至于在某一时刻，只要给定宇宙所有粒子的初始条件，人们就可以把宇宙的过去、现在和将来都清楚地用方程描述出来，展现在世人的面前。
&&& 在经典物理学的大厦里，因果律支配着一切，一个与精神意识无关的客观实在不以任何精神意志为转移地存在着，而在物理学家的眼里，19 世纪末的物理定律已足以完整地描述这个客观世界。科学界普遍认为，物理学到达了她辉煌的终点，不再会出现新的惊喜，而伟大的科学家开尔文勋爵甚至说：“物理学的未来，将只有在小数点第六位后面去寻找”。
&&& 一片歌舞升平，一片喜气洋洋，物理学界一片金色辉煌。但是，人们不禁要问 , 真的是那样吗？
&&& 当然不是那样，后来物理学的发展无情地摧毁了这种理性的傲慢。在人们还没有来得及充分享受那个物理学大厦的辉煌的时候,20 世纪初，两场摧枯拉朽的革命在物理学的领域里粹然而至，不可思议。第一场革命改变了人们传统的绝对时空观念, 那就是爱因斯坦的相对论 , 而第二场革命就是由以玻尔为领袖的哥本哈根学派创立的量子力学，直接冲击着经典物理学赖以为基础的因果律和不以精神意识为转移的客观物理实在性。
&&& 作为对传统的反叛，爱因斯坛的相对论一出现就震动了整个学术界，他的反叛理论那么的不可思议，那么的革命，令整个学术界都目瞪口呆，难以接受。然而在理论和实验面前，学术界不得不接受了他的相对论，尽管不那么令人舒服。&
&&& 然而，量子力学的反叛却远远超过了爱因斯坦的相对论。如果说相对论使得经典物理学大厦发生剧烈的震动和摇晃的话，那么量子力学则是从根本上要摧毁经典物理学的辉煌。也正因为如此，量子力学的出现才引起了物理学界的世界大战。
&&& 当量子力学刚出现的时候，她的反叛思想深深地吸引了具有非凡反叛精神的爱因斯坦，爱因斯坦为量子力学的初期发展做出了不可磨灭的贡献。然而，随着量子力学的理论向纵深发展，她所表现出来的反叛令爱因斯坦也深为震惊，终于使得爱因斯坦走向了量子力学的反面，成为反对量子力学阵营的精神领袖。
&&& 那么，量子力学是怎样出现和发展的？她又是怎样反叛经典物理学的？何以能引起世界如此的震撼？
&&& 那就让我们大概地领略一下量子力学的诡秘与迷茫，神奇与沮丧，以及成就与混乱。大家一定要记住创立量子力学的哥本哈根学派的精神领袖波尔的一句名言：
&&& “假如一个人不为量子论感到困惑的话，那他就是没有明白量子力学。”
&&& 上面说到，19 世纪末，宏伟壮观的经典物理学大厦落成，金碧辉煌，天空一片湛蓝，这使得物理学的大厦更加光彩夺目。然而，不知何时，却有两朵小小的乌云在不经意间，慢慢地出现在了瓦蓝的天边。因为人们还沉浸于刚刚落成的经典物理学大厦，所以没有太多的人注意这两片小小的乌云。
&&& 然而，这两朵乌云却被德高望重的物理学家开尔文注意到了，那年他 76 岁，是 1900 年的 4 月 27 日，他发表了著名的演讲《在热和光动力理论上空的 19 世纪乌云》。他白发苍苍，以这句话开头：“动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了”。
&&& 其实，这两夺乌云在当时看来并不起眼，是物理学中在 19 世纪末遇到的难以理解的两个问题。
&&& 一个是物理学家迈克尔逊和莫雷心血来潮，于 1886 年安排了更精确的实验，想测量“以太”相对于地球的相对速度，而这个以太当时被认为是一个绝对静止的参考系，地球穿过以太运动。他们的设想是，地球在以太中运动，如果在不同的运动方向上测量两束光在以太中的速度，从它们的差别中就可算出以太相对与地球的速度。
&&& 大家没有必要去考虑他们到底是怎么计算的，而关键是当他们完成了多次的实验后，他们惊异的发现，以太似乎对穿越于其中的光线速度毫无影响。他们认为这是一个“失败的实验”，因为这个实验似乎在否定以太作为绝对静止参照系的存在，而以太这个绝对静止的参照系是经典时空观在经典物理学的一个基石，谁吃了熊心豹子胆敢动这个基石？
&&& 第二朵乌云来自黑体的辐射问题。19 世纪末，人们开始对黑体辐射发生了浓厚的兴趣，发现黑体辐射的能量与温度有明确的函数关系。但究竟这个关系在理论上应该是什么呢？
&&& 德国帝国技术研究所的物理学家维恩从从经典热力学的思想出发，假设黑体辐射是由一些服从麦克斯韦速率分布的分子发射出来的，然后通过推演在 1893 年提出了一个辐射能量与温度的分布公式。但这个公式却只在短波范围内与实验数据吻合很好，在长波范围就出现很大偏差。
&&& 后来英国的物理学家瑞利和意大利物理学家金斯共同努力从类波的角度出发推导出了另外一个公式，计算黑体辐射的公式。遗憾的是，这个公式与维恩的公式正好相反，只在长波范围内与实验数据吻合很好，在短波范围会出现很大偏差。
&&& 大家可以不理会这朵乌云具体是什么，只要知道物理学家从经典物理学里推导出了两个公式来描述同一物理现象 – 黑体辐射，一个从经典粒子的角度出发去推导，另一个从类波的角度去推导，得到的公式只分别适用于短波或者长波，不能通用，很难解决。这就是个问题，说明经典物理学缺了些什么。
&&& 尽管这两朵乌云令人百思不解，但由于它们不合时宜地出现在了经典物理学辉煌大厦的落成之时，物理学界还是充满了乐观，认为必定能在当时已有的理论框架内得以解决，不必担心。
&&& 然而，令人料想不到的是，正是这出现在 19 世纪末的两朵不起眼的乌云，在短短 20 多年的时间内，先是在经典物理学大厦上空形成了满天乌云，继而电闪雷鸣，很快便刮起了狂风暴雨，将经典物理学的宏伟大厦连根拔起，摔得七零八落，同时也使得理论物理学走进了迷宫，至今没有完全突围出来。
&&& 第一朵乌云导致了相对论的诞生，把人们拉入了时空物质相互纠缠的玄妙世界，迫使我们思考从没有时间、没有空间、没有物质的状况怎样幻化出时间、空间和物质，并形成我们所处的这个丰富多彩的的世界，当然还包括我们人类的生命和精神意识。
&&& 第二朵乌云导致了量子力学的诞生，由哥本哈根学派创立，在他们的解释里，它冲击我们原有的因果律，否定我们身外存在一个客观的物理实在，在其推论中更将精神意识引入了物理学的领域里面来。这个理论倔强地与相对论发生冲突，倔强地与很多其它解释争夺在物理学中的霸主地位。
&&& 限于篇幅，我们不去关注第一朵乌云，就让我们只关注第二朵乌云吧，看它怎样演变成了满天乌云，怎样演变成了狂风暴雨，怎样冲击经典物理学的根基。
&&& 对大学物理有些概念的人肯定都会记得大名鼎鼎的普朗克。普朗克当时是德国柏林大学 ( 柏林一所大学？) 的物理学教授，他对黑体辐射问题发生了兴趣，他想一举解决这个难题。虽然他当时只知道维恩的公式 ( 适合短波 ) ，但他也知道黑体辐射在长波时的关系，虽然他不知道瑞利 - 金斯公式。&
&&& 然而，经过了六年的艰苦努力，他没有成功，这很令他沮丧。那时他已从朋友那儿知道了在长波时的瑞利 - 金斯公式。后来普朗克想，要不我先玩个小聪明，利用数学的内差法，先凑一个通用的公式出来，在短波时变成维恩公式，在长波时变成瑞利 - 金斯公式，其它以后再说。当然，这个不用有物理理论支持，细心凑就行了。&
&&& 很快普朗克就凑了一个公式出来，他把新鲜出炉的公式发表在 1900 年 10 月在柏林召开的德国物理学会的一个会议上。令人惊讶的是，他的公式很快就被证实与实验数据十分精确的符合。普朗克自己也很惊讶，没想到他侥幸凑的公式竟然有这么大的威力。&
&&& 虽然普朗克不知道这个凑出来的公式背后到底隐藏着什么样的秘密 , 但普朗克通过六年的探索已经敏锐地感觉到那是个惊人的大秘密，会对整个热力学和电磁学至关重要。他决定背水一战，破釜沉舟，除了热力学的两个基本定律不能动外，他决定什么都可以去挑战。但他万万没有想到的是，当他找到了那个秘密后，他自己先给吓得魂不附体。&
&&& 经过了一段时间的艰苦奋战，普朗克终于找到了那个他后来得诺贝尔奖时说的 “ 意想不到 ” 的东西，就是：&
&&& “仅仅引入分子运动理论还是不够的，在处理熵和几率的关系时，如果要使得我们的新方程成立，就必须做一个假定，假设能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。”&
&&& 大家可能觉得这并没有什么了不起的，就“假设能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的”不就行了吗？但当你真正了解了这句话的含义后，你也就会胆战心惊了。&
&&& 大家要特别注意普朗克假设中的“不连续性”，因为连续性和平滑性假设是数学微积分的坚实基础，而经典物理学的庞大体系就是建立在这个数学体系之上。在经典物理学中，有了任何难以解决的问题，你动什么都可以，唯独这个基础你连要碰的想法都不能有。就象普朗克最后想的那样，他豁出去了，拼命了，他除了热力学中的两个基本定律不能动外，他在热力学中什么都愿意去挑战。但那只是热力学啊，他连那个基础都不敢动。现在，他发现自己被迫要动整个经典物理学大厦的根基，他能不吓坏吗？&
&&& 最后，普朗克还是在 1900 年 12 月 14 日在德国物理学会的学术会议上发表了他的论文，提出了自己的假设。&
&&& 他的假设令所有听到这个假设的物理学家都震惊不已。但人们没有想到的是，正是普朗克的假设启动了量子力学的革命，而更多更大的震惊便接踵而来，一发而不可收拾。&
&&& 量子力学革命在 20 世纪的第一年的最后一个月就爆发了，而能量的不连续性就是后来讲的能量的量子化。&
&&& 如果能量真是量子化的，那么首当其冲受到质疑的就应该是麦克斯韦尔的电磁理论，在普朗克看来，这是不可能的。他宁愿相信能量的量子化只是数学上为了方便引入的一个假设而已，不是物理上的真实。&
&&& 但很快，普朗克的量子化假设便被广泛传播，具有反叛精神的物理学家们开始把普朗克开创的量子化领域不断推向前进，十几年就出现了一个个意想不到反传统的结果。普朗克则越来越害怕，终于抛弃了自己开创的量子化领域，并一再提醒大家，不到万不得已，不要在量子化领域胡思乱想。&
&&& 然而，普朗克一旦放出了”量子化“这个幽灵，他就再也收不回去了，也就注定了“量子化”这个幽灵要将经典的物理世界搅个天昏地暗。
&&& 量子化的幽灵被伟大的普朗克放了出来，他自己被这个幽灵所展现的魔力所吓倒，而想千方百计赶走这个幽灵。但为时已晚，这个幽灵落在了极具反叛精神的爱因斯坦手里，爱因斯坦如获至宝，要借着“量子化” 的幽灵给江湖一个震惊，比他震惊江湖的相对论更甚。&
&&& 这要从一个著名实验的附属品说起。&
&&& 1887年到1888年间，德国卡斯鲁尔大学的物理学家赫兹做了一系列著名的光电实验，证明了电磁波的存在，从而证实了买克斯韦的电磁理论，光也作为一种电磁波很好地纳入了电磁理论的解释范围，为经典物理学的成功写上了重重的一笔。这时，光的波动说凭借着电磁理论的强大威力，很快就统治了物理学界，老老年前光的粒子说不得不销声匿迹。&
&&& 然而，正是赫兹的实验也打下了挑战麦克斯韦电磁理论的伏笔，只是他当时没有意识到罢了。&
&&& 因为，当时赫兹的实验主要是观察电火花以验证电磁理论，但偶然间他却观察到了一种怪现象，当有一定的光线照射到金属表面电火花的发生处时，电火花的出现就更容易一些，就会产生更多的电火花。赫兹把这个附带的发现写在了论文中，但没人注意，大家都沉浸于麦克斯韦电磁理论成功被验证的喜悦之中。&
&&& 到了1897年，电子被发现了。&
&&& 人们也很快发现当年赫兹不可理解的附带现象是有由于光线照射到金属表面时，打出了金属表面的电子，产生了电火花。后来很多实验室对此现象进行了深入研究，发现不同种类的光线打到给定的金属表面上时，有些能打出能量很高的电子，有些甚至打不出任何电子。也就是说，光能否打出电子，与光的频率有关。这就是著名的“光电效应”。&
&&& 这时，经典的电磁理论解释不了这个现象了。照理说电子是被束缚在金属表面上的，要它脱离金属表面，外部就要给予电子足够的能量让它逃出。而光这时被公认为是波，那么增强光的强度，就有更多的能量，为什么有些光再增强它的强度也打不出电子，而对能打出电子的光来说，即使强度很弱也能打出电子？&
&&& 没人知道为什么，伟大的麦克斯韦电磁理论不灵光了，这令物理学家很沮丧。一个小小的电子和光竟然不顺服电磁理论！&
&&& 该当量子理论要横空出世，这时就是显伸手的时候，给物理学界一个震动的时候到了。爱因斯坦来了，他要以反叛的面目给世人一个惊人的亮相，把量子革命的浪潮推向前进。
&&& 爱因斯坦认真研究了那个令物理学家们沮丧的光电效应问题，1905年他在《物理学纪事》杂志上发表了一篇划时代的论文，题目叫做《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，这篇论文一举解决了令电磁理论失色的光电效应难题。&
&&& 爱因斯坦正是借助了前面说的普朗克放出来的“量子化”的幽灵，这个量子化是把能量看成不连续的，分成一份一份的，能量子就是能量的最小单位，叫量子。爱因斯坦深深地理解了普朗克量子化的精义，认为光电效应是个瞬间的过程，某种量子化的东西在起作用，而麦克斯韦的电磁理论是描述平均现象的，不能适用于瞬间过程。爱因斯坦决定反叛电磁理论。&
&&& 爱因思坦顺着普朗克的思路，把光也看成不连续的，其能量的最小单位就是“光量子”，正是这些单个的光量子与电子进行能量交换，从而打出电子。光量子强的光线就能打出能量高的电子，而光量子弱的光线甚至不能打出电子。这就是为什么能否打出电子跟光的频率有关，因为从普朗克的能量分布的公式出发，一个光量子的能量与光的频率有关。由此，爱因斯坦推导出了一系列光电效应的公式。&
&&& 爱因斯坦的这个假设把光电效应一下解释得清清楚楚，他的光量子概念后来叫做“光子”。&
&&& 爱因斯坦解决了这个难题，可能大家都很高兴，心想一个难题终于解决了。然而大家可能没有想到，爱因斯坦在这里捅了一个天大的篓子，他把光线量子化后成为一个一个不连续的光子，分明是在说光是“粒子”。&
&&& 但在经典物理学里，不是才刚刚由麦克斯韦理论和赫兹的实验把光定性为波了吗？怎么又由赫兹的附带实验结果和量子化概念搞出光是“粒子”呢？&
&&& 爱因斯坦的光量子假设虽然提出来，但不被物理学界接受，光是一种电磁波已经被实验证明，并有伟大的电磁理论作后盾，想轻易挑战这些谈何容易。人们要实验证实爱因斯坦的假设。&
&&& 到了1915年，美国物理学家密立根想要用实验证明爱因斯坦的光量子假设是错误的，但他的实验偏偏证明爱因斯坦的假设是对的。到了1923年，物理学家康普顿才由X射线实验证明了光子象小球一样不但有能量，还有冲量，这样光子和电子相撞才能发生能量交换，打出金属表面的电子。&
&&& 看来，麻烦大了！后来爱因斯坦用“非常革命”的字眼来描述他的光量子概念，而对他的革命性成果相对论他也没有用这些字眼。&
&&& 一方面，光作为一种电磁波有实验支持，有电磁波理论支持；另外一方面，光作为粒子现在也有实验支持，也有量子化的理论支持。新一轮的“波-粒”大战开始了。这次大战与以往不同，它从光的领域开始慢慢延伸到一切微观粒子的领域，最后演变成了物理学界一场惨烈的混战。而爱因斯坦自己最后也害怕了，象伟大的普朗克一样，终于走到了量子化的反面，成了对抗量子革命的反对派精神领袖。但量子革命本身却以迅雷不及掩耳之势迅速发展，“彻底的革命者”，后来成为哥本哈根学派“教皇”的玻尔要粉墨登场了。&
&&& 后事如何，下回分解
&&& 1897年，英国剑桥的物理学家汤姆逊在研究阴极射线的时候，发现了原子中电子的存在。汤姆逊就假设了一个原子的结构模型。后来到了1910年姆汤逊的门生卢瑟福在曼彻斯特做教授，由于实验中的新发现，不满意恩师的模型而提出了自己的新原子模型，既“行星系统原子模型”。&
&&& 这个新模型，他假设，有一个占据了绝大部分质量的“原子核”在原子的中心。而在这原子核的四周，带负电的电子则沿着特定的轨道绕着它运行，像一个行星系统（比如太阳系），原子核就像是我们的太阳，而电子则是围绕太阳运行的行星们。&
&&& 但其他物理学很快就发现这个新模型有致命的缺陷。因为如果他的模型是正确的话，那么他要面对一个不可能的结果，那就是，“带负电的电子绕着带正电的原子核运转，这个体系是不 稳定的。两者之间会放射出强烈的电磁辐射，从而导致电子一点点地失去自己的能量。作为代价，它便不得不逐渐缩小运行半径，直到最终‘坠毁’在原子核上为止，整个过程用时不过一眨眼的工夫。换句话说，就算世界如同卢瑟福描述的那样，也会在转瞬之间因为原子自身的坍缩而毁于一旦。原子核和电子将不可避免地放出辐射并互相中和，然后把卢瑟福和他的实验室，乃至整个英格兰，整个地球，整个宇宙都变成一团混沌”。&
&&& 但我们的世界并没有坍缩，是卢瑟福的原子结构模型有大问题，却不能解决。这时年轻的丹麦籍留学生玻尔，来到了卢瑟福的实验室，对这个原子模型难题产生了很大兴趣。正是以这个问题为契机，玻尔走上了量子革命的不归路。&
&&& 作为年轻的革命青年，玻尔从一开始就把目标定在了量子假设这一目标上，他要用快速发展起来的量子观念研究原子模型。到1912年他就发表了自己的第一篇关于原子结构方面的论文，虽然后来证明这篇论文并不那么有意义，但量子革命的火种从此在玻尔的心里扎下了根。&
&&& 他在同年完成了学业，回到了丹麦的哥本哈根，在那里他开始创造哥本哈根学派在量子革命中辉煌。
&&& 玻尔在原子模型上遇到的困境和爱因斯坦在光电效应难题上遇到的困境在思想方法上有非常相似的地方，那就是是否要放弃伟大的麦克斯韦和他的伟大理论 – 电磁理论。玻尔毅然决然地选择了放弃电磁理论和他的创立者。&
&&& 年轻的玻尔很有直觉和敏锐的洞察力，他非常善于捕捉那些在别人看来不起眼但却真正有价值的东西。&
&&& 一次偶然的机会，玻尔认识的一个人与玻尔谈起了原子光谱的问题，那人说原子光谱虽然繁多，但有一定规律可循，瑞士的一位数学教师巴尔末就从中总结出了一个简单明了的公式，其中有一个至关重要的数N是大于2的正整数。&
&&& 这是一个经验公式，从来没有人知道这个公式背后隐藏的含义，也不知道用什么理论才能推导出这个公式。但当玻尔看到这个公式后，他一下惊呆了，他马上就把巴尔末公式与普朗克提出的能量的量子化公式联系了起来。很快他就形成了一个革命性的想法：“原子内部只能释放特定量的能量，说明电子只能在特定的‘势能位置’之间转换。也就是说，电子只能按照某些‘确定的’轨道运行，这些轨道，必须符合一定的势能条件，从而使得电子在这些轨道间跃迁时，只能释放出符合巴耳末公式的能量来” ，而这些能级是离散的，量子化的，被神秘的规律控制着。&
&&& 随后他把这种量子化的大胆设想转化成了理论推导和数学方程，一举发表了三篇论文论原子结构的量子化解释，于1913年发表在了《哲学杂志》上。玻尔完成了量子革命的第三部曲，使得量子革命走到了青年时期，尽管还没有完全摆脱旧的经典体系，但她已经显示了震惊世界的力量。&
&&& 玻尔推导的公式完全符合巴尔末经验公式描述的原子谱线，其跟实验误差仅为千分之一。玻尔的公式更预测了一些新的谱线，后来都得到了实验的证实。而且，玻尔的理论描述的更多，解释力达到了空前的程度。他后来在1922年以他的量子化原子理论获得了诺贝尔奖。&
&&& 但在当时，这个理论却不被正统的物理学界接受，有物理学家公开表示“如果这些要用量子力学才能解释的话，那么我情愿不予解释。”另有人声称，要是量子模型是真实的话，他们宁愿退出物理学界。因为，他们觉得玻尔的理论有推翻传统电磁理论的企图。但玻尔的量子化原子理论是那样的成功，两年后就被大家普遍接受了。&
&&& 玻尔的理论虽然很成功，却仍然不能完全取代麦克斯韦的电磁理论。在被迫无奈的情况下，玻尔企图调和他的量子理论与经典的电磁理论，提出了一个折衷的“对应”模型。他折衷的对应模型注定是短命的，因为量子革命的大潮不能容许这种妥协。&
&&& 从根本思想上，量子化的离散性与传统的连续性是对立的，而且，玻尔的量子化原子结构理论体系已经蕴藏了“随机性”这个不见容于经典力学的重大思想。在玻尔的量子化体系中，我们不能判断一个电子何时何地会发生跃迁，从一个能级到另外一个能级，它是自发的，它表现为一种理论上不可能描述的随机过程，而这个过程不同于一般的随机过程。一般的随机过程，是有原因的，只是我们没有足够的信息描述这种原因，但理论上不排除描述的可能性。而玻尔量子化原子结构中电子的跃迁的随机性是无因之果，是自发的，至少从理论上没有计算电子跃迁条件的可能性。这实际上是在冲击传统的因果律，是相当严重的问题。&
&&& 据说1919年，当时量子物理的三大巨头，玻尔，普朗克和爱因斯坦，聚集柏林就这个问题进行了探讨。爱因斯坦对玻尔理论中冲击因果律的反叛思想大为不满，也埋下了玻尔与爱因斯坦这两位科学巨匠长达几十年大辩论的种子。&
&&& 正因为这样，玻尔折衷理论的短命就是是不可避免的，而玻尔也最终跨过了他那个折衷理论的尸体，领导他的团队创立了量子革命正宗的“哥本哈根”学派。1921年哥本哈根物理研究所成立，36岁的玻尔任所长。那些在量子力学中赫赫有名的大师们，就要正式登场了，他们将演绎一场惊心动魄的量子江湖战争。
&&& 首先登场的叫德布罗意，一个法国物理学家曾经师从鼎鼎大名的朗之万。就是这个德布落意，在玻尔量子化原子结构理论遇到困境时，提出了一个革命性的设想，把电子也纳入了波动的范畴，后来成为爱因斯坦阵营的一员猛将，与玻尔的哥本哈根阵营拼死角斗。&
&&& 前面说到玻尔的量子化原子结构模型虽然取得了巨大的成功，为量子革命立下了汗马功劳，但他的理论还不足以替代经典的麦克斯韦电磁理论，迫使玻尔走与电磁理论的折衷路线。&
&&& 正是在这种困境中，德布罗意剑走偏锋，力图完全甩开麦克斯韦的电磁理论，考虑如何能够在玻尔的原子模型里面自然地引进一个周期的概念，以符合观测到的数据。而这个条件在玻尔的模型里是被是强加在电子的量子化模式里的，不是理论的推导。&
&&& 德布罗意的思想很奇特。他从爱因斯坦的相对论出发，开始推论：把爱因斯坦的相对论用到电子身上，爱因斯坦相对论的著名公式把电子的能量与电子的质量和光速连接了起来，而普朗克著名的能量量子化公式又把能量和频率连接了起来，这样把两者一合并，用公式一推导，对一个电子来说，就有一个内禀的频率与之相随相伴。&
&&& 这样就不得了！德布罗意继续推算，电子有一个内禀的频率，可以换算成电子在运行时必定伴随一个波！&
&&& 结果便开始令人震惊了。&
&&& 在此之前，无论是经典力学还是玻尔的量子化原子理论，都把电子看作是一个粒子，天经地义。但到了德布罗意这里，怎么七拐八拐把电子跟波扯到一块去了？这不麻烦大了吗？在前面，我们看到爱因斯坦反叛传统，用量子化思想挑战传统认定的光的波动性，引出了光的粒子性，使得光的波 - 粒对决空前火热，气氛相当火爆。而在光特性上的大战硝烟正浓的时候，德布罗意却在电子上把电子引向了波动的特性上来。&
&&& 如果说光的波-粒大战已经够麻烦的了，那么电子的波-粒大战一定是不可收拾的烂摊子，因为电子是构成我们整个实实在在的宏观物质的一种微观粒子啊！当然，在后面我们可以看到，量子革命把构成实在物质的所有微观粒子都拉入了这一范畴，发动了名符其实的世界大战。&
&&& 伴随电子的这种波，后来被成为“德布罗意波”，尽管它的速度可以比光速快很多，但据说由于这种波被德布罗证明不携带能量和信息，所以不违背爱因斯坦相对论。
&&& 当德布罗意宣布他的理论说明电子是个波的时候，几乎没人相信。德高望重的物理学大师们，为年轻一辈的反叛精神而大摇其头，直呼“人心不古，世道乱了”。据说德布罗意的恩师朗之万也对弟子的出格很伤脑筋，但还是把弟子的论文转交给爱因斯坦。令人没想到的是，爱因斯坦对德布罗意的理论却给予了高度评价。&
&&& 有爱因斯坦撑腰，电子的波动性才得到学术界的重视。现在需要是实验证据，证明电子是波。&
&&& 该当德布罗意成名，后来在1925年美国纽约的贝尔电话实验室的一个失败实验，却奇迹般地证明了电子的波动性，电子能够象光波一样发生衍射图案，其波动性数据与德布罗意的理论符合的非常好。&
&&& 德布罗意成功了，理论和实验都证明了电子是波。但物理学麻烦了，光到底是波还是粒子？电子到底是波还是粒子？它们都有实验做自己的后盾，都有理论做自己的后盾。各路人马一起加入了这场的火热的大战，战局正酣。但问题是，这场战争怎么收场？&
&&& 就在这个时候，玻尔哥本哈根阵营的一员猛将，海森保，要扬名立万，威震江湖了。由于海森堡的加入，使得战局更加混乱，更扑朔迷离。
&&& 那是1925年，哥本哈根，慕尼黑和哥廷根成为量子革命的“金三角”。无疑哥本哈根是龙头老大，由德高望重的玻尔执掌，聚集了一批精英天才。&
&&& 当时，海森堡在哥廷根，但跟哥本哈根的玻尔有很深的渊源，并在哥本哈根访问工作过，深受玻尔的赏识，他们关系很密切。&
&&& 年轻而天才的海森堡决定对量子物理动大手术，彻底改变玻尔量子化原子结构理论的困境。他对当时玻尔的理论提出两方面的革命性思想。&
&&& 一个是不能把不能观察的想象图像引入到理论中来，其实这也是当时哥本哈根学派内部慢慢出现的一种学术思想倾向。例如在玻尔的量子化原子模型中，就假定电子沿着不同的“轨道”以不同的频率绕原子核运转，而不同“轨道”有不同的能级，电子可以在这些不同能级的“轨道”间随机跃迁。这里海森堡要问的问题，谁证实过电子绕原子核运转的“轨道”？谁证实过电子绕原子核运转的“频率”？&
&&& 海森堡的第二个革命性思想是，量子力学不同于经典力学，量子力学根本上要从数学来着手建立，而暂时不管其物理图像是什么，在这里，数学说了算。这个思想那是相当地革命。因为我们知道，在经典力学中，我们都是先从物理意义出发，寻求相关物理量之间的关系。例如，我们知道物体的运行速度(假设匀速运动)，再知道物体的运行时间，然后我们寻求物体运行的距离等于速度乘以时间来获得距离的关系式。而在量子力学中，海森堡要先把数学描述引进来，然后再去寻求各个变量的物理意义。&
&&& 这个革命性思想是一个双刃剑，可以给量子革命打开广阔的前景，也会给量子革命带来巨大的困惑。而这里的问题是，不采用这些革命性的思想，量子力学就不能有突破。与其停滞不前，还是先突破为好。&
&&& 当时海森堡要找出原子结构中能量体系的基本原理，他认为的突破口还应该是研究原子的谱线问题，引入数学的虚振子方法。但当他把电子辐射按照虚振子的代数方法展开时，遇到了数学上几乎难以突破的困难，最后他不得不放弃了这个方向。&
&&& 被逼无奈，海森堡把眼光放到了电子的运动上，他要通过数学来建立电子在原子中的运动方程，这就是后来称为量子力学的新体系，是相对于玻尔的老理论而言。&
&&& 作为一个年轻的物理学家，海森堡开始摆弄一种奇怪而神秘的数学形式 - 矩阵。在当时的物理学界，真正懂得矩阵的人并不多，实际上听说过这种数学形式的人都不多。海森堡自己对矩阵也不熟，也在摸索。&
&&& 无疑，矩阵这种数学形式是艰涩的，令人望而生畏的，至少对当时的物理学家来说。但是，矩阵最大特点是离散化，正好特别适合量子化的思维模式。所以当海森堡将矩阵这种数学形式应用到描述电子在原子内的运动方程时，很快就获得了巨大的成功。&
&&& 他把所有物理规则都按照矩阵形式书写，把已有的经典动力学方程和许多传统的物理量都按照矩阵数学来处理。在玻尔的量子化原子模型里，已经有了电子的运动方程和量子化条件。原来是用傅立叶变换化作一系列简谐运动的叠加，展开式的每项都代表了特定的频率。现在，海森堡把它们彻底地改变成了矩阵形式。&
&&& 这样，描述原子中电子的运动就有了一套矩阵数学形式的坚实基础。从海森堡建立的量子力学体系里，可以很自然地推导出量子化的原子能级和辐射频率，不需要象玻尔的模型要强加进去这些东西。更重要的是，量子力学的基本形式已经在海森堡这里得到了突破性的进展，为量子革命的气势磅礴奠定了坚实的数学基础。海森堡建立的量子论基础后来被成为“矩阵力学”，海森堡后来去剑桥讲学，他的革命性工作由他的前辈波恩于1925年寄给了《物理学杂志》得以发表，标志着量子力学体系首次公开亮相。那年海森堡才24岁！&
&&& 然而，海森堡的“矩阵力学”导致的一个奇特现象令人百思不解，那就是把传统的动量P和位置Q这两个变量写成矩阵形式后相乘所得到的奇妙结果。&
&&& 在经典力学里，如果要把两个量相乘，就是简单的乘法，与这两个量在乘法中的次序没有关系，这就是乘法的交换律。例如，牛顿第二定律：f = am 和f = ma 是等同的。但在海森堡的矩阵力学里，动量P与位置Q相乘的次序却对结果有很大影响，也就是说，P X Q 不等于 Q X P，不遵守乘法交换律。&
&&& 这给海森堡提出了很大的挑战，质疑矩阵力学的人以此来发起攻击。而海森堡的回答是，量子力学不同于经典力学，在量子力学里，数学压倒一切。既然计算表明动量和位置的乘积与次序有很大关系，我们就应当相信。至于其背后隐藏的意义，再慢慢寻找。也就是说，在量子力学里游戏规则变了，数学前行，物理意义在后。&
&&& 但人们没想到的是，这个P与Q相乘不遵守乘法交换律的数学背后隐藏着一个惊天大秘密，后来才被证明它就是大名鼎鼎的“测不准原理”。“测不准原理”这个中文翻译有误，容易引起误导，准确地翻译应该是“不确定性原理”(UNCERTAINTY PRINCIPLE)。这是后话。&
&&& 海森堡离开哥廷根一段时间, 去剑桥讲学。海森堡不在哥廷根的日子里，海森堡的矩阵力学迷住了前辈波恩，波恩很快就找到了与他一起工作的年轻的数学天才约尔当一起合作发表了另一篇论文，《论量子力学》，用大量篇幅来阐明矩阵运算的基本规则，并把经典力学的哈密顿变换统统改造成为矩阵的形式。他们也算出了P X Q 和 Q X P 之间的差值。后来，海森堡回来后，他们三人又合作在1925年年底发表了《论量子力学II》，从而彻底建立了新量子力学的主体。&
&&& “在这种新力学体系的魔法下，普朗克常数和量子化从我们的基本力学方程中自然而然地跳了出来，成为自然界的内在禀性。如果认真地对这种力学形式做一下探讨， 人们会惊奇地发现，牛顿体系里的种种结论，比如能量守恒，从新理论中也可以得到。这就是说，新力学其实是牛顿理论的一个扩展，老的经典力学其实被‘包含’ 在我们的新力学中，成为一种特殊情况下的表现形式。”&
&&& 新生的矩阵力学一出世，就有雷霆万钧之力，很快就解决了电子自旋的难题，解决有着两个电子的原子——氦原子的问题，其威力很快扩大了前所未知的领域中。注定了要在物理学的历史上留下色彩斑斓的一页。&
&&& 如果说海森堡将成为玻尔哥本哈根学派的一员猛将的话，那么爱因斯坦阵营也将出现另一员猛将，他就是赫赫有名的薛定谔。薛定谔要推出他的波动方程与海森堡的矩阵理论相抗衡，其威力很快就盖过了海森堡的矩阵理论，而他后来他驯养的“薛定谔的猫”更是令量子江湖中人闻“猫”丧胆，谈“猫”色变。
&&& 哥本哈根阵营推出了矩阵力学建立了量子力学的基本体系，威震江湖。爱因斯坦阵营也不是吃干饭，薛定谔出场了。
&&& 那时，薛定谔已经是瑞士苏黎世大学的一位知名教授。他不在原子结构里折腾，而是另辟蹊径，很自然地从本阵营的德布罗意“相波”为出发点，建立理论。薛定谔在1925年底对爱因斯坦表达了他对德布罗意工作的极大兴趣和信任，决心创立他伟大的波动力学来与海森堡等创立的矩阵力学一较高下。&
&&& 薛定谔仔细研究了德布罗意的思想，然后比较了玻尔当年的量子化原子理论和海森堡的矩阵理论。他意识到，玻尔当年是强加一个“电子分立能级”的假设，而海森堡用复杂的矩阵力学推出这一结果。海森堡想，老夫不走你们的路，也不用引入外部假设，只要把电子看成本门的德布罗意波来建立方程，就可大功告成。&
&&& 薛定谔最后从经典力学的哈密顿-亚可比方程出发，利用数学的变分法和德布罗意方程，求出了一个非相对论的波动方程。后来这个方程成了20世纪威震整部物理学史的薛定谔波函数。&
&&& 在薛定谔波函数方程里包含波函数，普朗克常数，体系的总能量，势能，等等。该方程的解是不连续的，依赖于整数N，其结果很精确地与实验结果吻合。这样，原子的光谱也同样可以从薛定谔的波动方程里被推导出来。&
&&& 到1926年6月，薛定谔连续发表四篇重要论文，彻底建立了一种全新的量子力学体系 --- 波动力学，与海森堡等的矩阵力学争霸龙头老大。&
&&& 薛定谔的波动力学体系，从它一出世，就赢得了物理学界的一片赞扬，守旧的老夫子们，似乎看到了薛定谔的波动力学体系能够回归传统，而其他物理学家则喜欢其体系的形式 – 微分方程，比起矩真力学的艰涩要可爱多了。爱因斯坦更是称赞薛定谔的体系是“源自于真正的天才”。&
&&& 也正因为薛定谔的成功，把波-粒大战的战火烧的更加猛烈。因为现在量子力学有了两套完整的理论体系，一个是海森堡等的矩阵力学，它明显地拥抱电子的粒子性；另外一个就是薛定谔的波动力学，它明显地拥抱电子的波动性。在这两种理论的支持下，波-粒大战分外惨烈，大有鱼死网破之势。&
&&& 尽管矩阵力学和波动力学彼此仇视，互不买账，但似乎它们有一个共同点，就是从数学出发建立理论体系，完全区别于传统的从物理意义出发建立理论(只是波动力学方面更愿意谈论物理图像)。这就给它们带来了一个共同的尴尬，有时不知道自己的理论表达的是什么意思。&
&&& 在海森堡的矩阵力学里，我们不知道动量P与位置Q不遵从乘法交换律蕴藏着什么稀世珍宝。同样在薛定谔的波动力学里，也没人知道其波动函数隐藏什么惊天秘密。这就导致这轮波-粒大战既惨烈又神秘，而令人惊奇的是，薛定谔用来对抗敌手的波函数最后却成了地方阵营大厦的基石之一。&
&&& 后事如何，下回分解
&&& “回顾一下量子论在发展过程中所经历的两条迥异的道路是饶有趣味的。第一种办法的思路是直接从观测到的原子谱线出发，引入矩阵的数学工具，用 这种奇异的方块去建立起整个新力学的大厦来。它强调观测到的分立性，跳跃性，同时又坚持以数学为唯一导向，不为日常生活的直观经验所迷 惑。但是，如果追究根本的话，它所强调的光谱线及其非连续性的一面，始终可以看到微粒势力那隐约的身影。这个理论的核心人物自然是海森堡，波恩，约 尔当，而他们背后的精神力量，那位幕后的‘教皇’，则无疑是哥本哈根的那位伟大的尼尔斯·玻尔。这些关系密切的科学家们集中资源和火力，组成一个 坚强的战斗集体，在短时间内取得突破，从而建立起矩阵力学这一壮观的堡垒来。&
&&& 而沿着另一条道路前进的人们在组织上显然松散许多。大 致说来，这是以德布罗意的理论为切入点，以薛定谔为主将的一个派别。而在波动力学的创建过程中起到关键的指导作用的爱因斯坦，则是他们背 后的精神领袖。但是这个理论的政治观点也是很明确的：它强调电子作为波的连续性一面，以波动方程来描述它的行为。它热情地拥抱直观的解释，试图恢 复经典力学那种形象化的优良传统，有一种强烈的复古倾向，但革命情绪不如对手那样高涨。打个不太恰当的比方，矩阵方面提倡彻底的激进的改革，摒弃 旧理论的直观性，以数学为唯一基础，是革命的左派。而波动方面相对保守，它强调继承性和古典观念，重视理论的形象化和物理意义，是革命的 右派。这两派的大战将交织在之后量子论发展的每一步中，从而为人类的整个自然哲学带来极为深远的影响。”&
&&& 作为创立矩阵力学和波动力学的两位中心人物的海森堡和薛定谔互相极其厌恶对方的理论体系。哥本哈根学派的精神领袖玻尔为了消除矛盾，特意把薛定谔邀请到丹麦去进行讨论，但直到由于双方争论过于激烈，把薛定谔累病倒了，也没能消除隔阂。&
&&& 到了1926年4月，两派的天才们如薛定谔，泡利，约尔当，都各自证明了虽然矩阵力学和波动力学看起来在形式上差异很大，但在数学本质上却是完全等价的，实际上它们都从经典的哈密顿方程而来，只是一个从粒子的运动方程为起点，一个从波动方程为起点。这样，两种力学实际上是可以互换的。&
&&& 这虽然在表面上缓和了两派的矛盾，但对这些数学的诠释却难统一，而且隔阂越来越深。首先，他们的较量就从波动方程中神秘的“波函数” 展开。&
&&& “波函数” 是薛定谔建立自己理论体系时从数学上引进的一个函数形式，他自己根本不直到这个函数在物理上代表什么。实际上，大家谁也不知道这个波函数到底是什么东西，虽然大家都同意它是一件无价之宝。&
&&& 这些物理学的天才们只有靠猜谜来探究这个神秘而无价的宝物“波函数”到底是什么了 (很好玩哈，物理学家竟然不知道自己发现的东西是什么，要靠猜谜来解决)。&
&&& 他们大概只知道这个神秘的“波函数”一些特性；&
&&& (1)。不知其名，强曰之“波函数”。&
&&& (2)。它连续不断。&
&&& (3)。它没有量纲，却与电子的位置有联系。对于每一个电子来说，它都在一个虚拟的三维空间里扩展开去。&
&&& 就是说，这个神秘的波函数如影随形地伴随着每一个电子，在电子所处的位置上如同一团云彩般地扩散开来。这云彩时而浓厚时而稀薄，但却是按照某种确定的方式演化。而且，这种扩散及其演化都是经典的，连续的，确定的。&
&&& 这些特性神秘莫测，扑朔迷离，使得当时的物理学家们如坠云里雾里。&
&&& 薛定谔自然猜自己发现的波函数是电子作为波在空间中的分布，因为把这个神秘的波函数与电子的电荷相乘，就代表了电荷在空间的分布。薛定谔把电子(或者不管什么微观粒子)看成是一团波，象云彩一样在空间中扩展开来。而波函数就是描述这种电子云彩在空间的分布的。很明显，薛定谔要强调一种传统的连续，他很不喜欢自己对手倡导的不连续性，诸如，光谱，跃迁，能级，矩阵，等这些概念。&
&&& 几个月后薛定谔在慕尼黑大学演讲时提出了自己的猜测。薛定谔把电子和其它亚原子都说成是云彩一样的波，这很骇人听闻的。试想，那些组成我们的物质的“子们”都是云彩一样的波，那我们的物质世界是什么？是由波组成的？&
&&& 尽管薛定谔说法很骇人听闻，但被哥本哈根学派的观点却要那么不骇人听闻，所以薛定谔的解释博得了台下听众的热烈掌声。&
&&& 但就在这些掌声还没有平息的时候，哥本哈根学派的波恩教授(也就是海森堡的老师)站了起来，和蔼可亲地问薛定谔，你能肯定你发现的希世珍宝“波函数”就是彩云般电子波的空间分布吗？&
&&& 这样的问话令薛定谔很是尴尬，他只能犹犹豫豫地说，不确定。听众便觉得惊异。薛定谔便反问波恩教授，那您说那“波函数”是什么？&
&&& 波恩便说出了他的猜测，他的猜测令所有的物理学家都大吃一惊，他的猜测成了哥本哈根学派的基石之一，他的猜测在28年后才获得了诺贝尔奖。&
&&& 波恩的猜测是：那个神秘的波函数是“骰子”！
&&& 波恩说薛定谔发现的神秘“波函数”是骰子，是说它并不是象薛定谔猜测的，电子是象彩云般在空间分布的波，而这个波按“波函数”分布。波恩认为这个神秘的波函数是电子出现在空间某个位置上的概率分布(严格说这个波函数的平方是概率分布)，也就是说一个电子出现在空间某个位置上完全是随机的，不确定，不可预测的。我们从理论上只能知道电子在某个给定位置上出现的概率是多少。&
&&& 同学们可能觉得不以为然，说我们在现实中遇见的概率分布多了，就说掷骰子，每次掷出来几点就是个概率分布的问题。但是波恩说的概率分布却是真正比掷骰子要离奇的多得多。&
&&& 从理论上讲，既是对于真正的掷骰子，只要我们知道骰子的大小，质量，质地，初速度，高度，角度，空气阻力，桌子的质地，摩擦系数，等等一切所需要的信息，并且假定我们拥有足够的运算能力，理论上我们就可 以预计这个骰子将会掷出几点来。&
&&& 但波恩说的电子出现的概率分布和随机性，不是象上面所说的真正掷骰子的概率，而是说，从理论上无论我们的计算能力多么强大，无论我们有多少必须的信息，我们都不能准确预测一个电子出现的位置，只能由这个神秘的概率分布来控制电子的出现。&
&&& 波恩的这个概率解释是个非常严重的问题，他在这里宣布了一个令人绝望的思想，那就是，从理论上讲我们的物理学在精细的结构里面不能准确地预测这个世界。当然，这不是说，我们不能发展高精尖的技术。就技术层面来讲，我们可以用各种理论获得我们想要的东西。但在对世界的深刻理解方面，我们从理论上有不可逾越的障碍。&
&&& 波恩当年自己在论文中就指出了这一点，说波函数的概率解释是关于科学上“整个决定论”问题。也就是说对传统的认为随着科学的发展，世界在深层次上是可以预测的，宇宙的走向也是可以预测的这样的决定论的挑战。当然，后来其它科学领域挑战决定论的还有例如混沌理论里面著名的“蝴蝶效应”，是说哪怕一只蝴蝶轻微地扇动它的翅膀，也能给整个天气系统造成戏剧性的变化。所以，现在的天气预报已经普遍改用概率性的说法.&
&&& 波恩的概率解释当然不能被当时的对手，也就是爱因斯坦阵营所接受。在爱因斯坦看来，如果接受波恩的概率解释，就等于放弃了传统的因果率，因为电子出现的严格位置从理论上是不可预测的，也就是说没有一个紧紧相连的原因可以让你去追寻，是这个原因造成了电子出现在那个位置。这种不遵循因果律的解释，是绝对不能被爱因斯坦接受的。所以，爱因斯坦的那句名言“上帝不掷骰子”就是针对哥本哈根学派打破因果律的解释提出来的。&
&&& 然而，爱因斯坦错了。波恩28年后由于他的概率解释获得了诺贝尔奖，而这个概率解释构成了哥本哈根学说的三大支柱之一。&
&&& 我们怎么知道波恩的解释是对的呢？&
&&& 这里让我们考虑那个著名的电子或者光子的双缝干涉实验。这个实验是说，当大量电子穿过两道狭狭缝后，便在感应屏上组成了一个明暗相间的图案，展示了波峰和波谷的相互增强和抵消。尽管这个实验是电子具有波动性的最好证明，但它却不是象薛定谔解释的那样，说每个电子本身是云彩般的波。&
&&& 如果薛定谔是对的，那我们就可以做一个思维实验，想象我们有一台仪器，它每次只发射出一个电子。由于这个电子是在整个空间分布的波(当然强度按波函数分布) ，这个电子穿过双缝，打到感光屏上，感光屏上应该出现一团模糊不清的图像，其强度按波函数分布。&
&&& 而实际情况不是这样，实际情况是每个穿过狭缝的电子只在感光屏上出现一个点，而这个点的位置却是按波函数的平方形成的概率分布的，也就是我们看到的干涉图案。&
&&& 这样，我们是否就能说电子就只是一个粒子呢？也不能，如果电子只是一个粒子，那么问题也就来了。假设单个的电子穿过狭缝后，它怎么知道它的行动要按照波函数的概率控制，在某些地方出现的机率大，而在某些地方出现的机率小，还形成干涉条纹呢？&
&&& 这些难题需要解释，哥本哈根学派还需要更多的理论支柱。下个出现的就是更加令人惊奇的“不确定性原理”，它的发现者就是矩阵力学的创始人，哥本哈根学派的虎狼之将海森堡。
&&& 哥本哈根学派的海森堡，波恩和约尔当共同建立了量子理论的矩阵力学体系，爱因斯坦阵营的薛定谔另辟蹊径也建立了量子力学的波动力学体系，两派互相对峙，争夺霸主。&
&&& 幸好，从数学上证明这两个系统在本质上是一致的，只是两种不同的表达形式，可以互相转换，原来他们本是一家人。但数学本质上的一致并没有使得他们两派言归于好，而真正的困难是对数学表达的解释，这才是量子论不同于经典理论的最具区别的地方。正因为对数学解释的不同，他们才打得天翻地覆，日月变色。&
&&& 海森堡在哥廷根创立了矩阵力学后，有幸来到哥本哈根“教皇”玻尔的身边工作，成了他的得力助手。&
&&& 科学家也和我们一般人一样，比较喜欢简单明了，明快易懂的数学表达形式。薛定谔的波动力学体系就是这样讨人喜欢的理论，它用了科学家们喜欢并熟悉的微分方程的形式，就被艰涩难懂的矩阵力学体系占尽了优势，反正大家觉得数学本质上他们是一样的，何不采用简单易懂的形式呢。&
&&& 这使得矩阵力学的创始者海森堡很是生气，他就是看不惯对手的理论。后来，自己阵营(哥本哈根学派)的波恩和玻尔也都开始喜欢薛定谔的理论形式，这使得海森堡更加郁闷，他对自己精神领袖们对自己引以为骄傲的矩阵力学的“背叛”感到很伤心。&
&&& 然而，海森堡大可不必过份伤心，因为虽然自己的精神导师们喜欢薛定谔的理论形式，但不代表他们接受薛定谔的解释，象波恩对波函数的概率解释就是例子。但海森堡可能当时还没有深刻意识到这点，所以他很伤心。&
&&& 1927年2月，玻尔出外度假去了，海森堡怀着复杂的心情反思自己的矩阵力学，他感觉矩阵力学在某些方面的优点是对手薛定谔那“该死”的波动力学所不能取代的。他慢慢地想到了那个令人难以理解的不遵守乘法交换率的难题，也就是在矩阵力学里面，动量P和位置Q相乘的次序不同会带来不同的结果。&
&&& 这时，爱因斯坦的一句话反复在海森堡的脑海回荡，那就是：“理论决定了我们能够观察到的东西。”正是爱因斯坦的这句话，使其对方阵营的海森堡发现了一个惊天大秘密。&
&&& 海森堡顺着这个思路想下去。&
&&& 理论说，P X Q 不等于Q X P，这是想要我们观察什么呢？他的脑海一亮，滑过了一道闪电。难道理论是在告诉我们先观测动量P后再观测位置Q，和先观测位置Q后再观测动量P，两者的结果是不一样的？&
&&& 当这个念头一出现，他就大吃一惊。在宏观世界里，对一个物体来讲，你无论是先观测其动量P或者其位置Q，不都是一样的吗？因为P和Q都是确定的，跟你先观测哪个没关系。难道，这在微观世界里不成立？难道说在微观世界里，动量P和位置Q不能同时确定和观测吗？也就是说先确定了P，Q就不能确定了，或者先确定了Q，而后P就不能确定了？&
&&& 对这一不可思议的理论结果，海森堡首先能想到的就是测量本身对测量对象的干扰，他用思维实验设计了各种情况，都证明同时准确测量微观例子的动量P和位置Q是不可能的。这更坚信了他对理论的解释。最后，他更是从理论上推导出了观测P和观测Q的误差，其乘积必定大于一个常数，与著名的普朗克常数有关。也就是说随着对动量P或者位置Q中任何一个变量知道的越精确，另外一个就越模糊，其模糊程度急剧曾大。当100%地确定其中某一个量时，另一个就无穷大的模糊，也就是完全不知道怎么回事了。&
&&& 这就是后来名震整个科学界的“不确定性原理”，其表述是：我们没法同时既准确知道一个微观粒子的位置，同时又准确知道其动量，反之亦然。这是继波恩对波函数的概率解释之后，哥本哈根学派的第二个基本支柱。&
&&& 象薛定谔发现了波函数却对波函数的解释错误一样，海森堡发现了“不确定性原理”也对该原理的解释存在很大的偏差。&
&&& 在海森堡那里，他一直钟爱他的矩阵力学系统，在他的脑海里一直有一个传统的“粒子”形象，所以他起初对“不确定性原理”的解释就停留在“测量的干扰”这个层次。他认为微观粒子是有确定的动量P和确定的位置Q的，只是我们的任何测量手段都会对微观粒子本身造成很大的干扰，所以，测量结果就存在不确定性。&
&&& 然而，哥本哈根学派的精神领袖波尔对海森堡的这种错误理解给予了严厉的批评。玻尔敏锐地指出，海森堡应该放弃传统粒子的观念，“不确定性原理”告诉我们的是更深层次的东西。也就是说，理论告诉我们不能同时准确知道电子的动量P和位置Q，就象理论告诉我们没有永动机一样，而实验观测的不可能性只是验证了理论，而不是实验误差造成的。在任何时候，大自然都固执地坚守这一底线，绝不让我们有任何的花招得逞，同时准确知道电子的动量和位置。&
&&& 更进一步，玻尔认为：没有确定动量P同时有确定位置Q的粒子，我们要么看一个有确定动量P的粒子，要么看一个确定位置Q的粒子，鱼与熊掌不可兼得。&
&&& 玻尔的思想不容易理解，我们在介绍玻尔天才而伟大的的“互补原理”时再详细讨论，而这个“互补原理”与“波函数的概率解释”和“不确定性原理”共同构成哥本哈根学派量子论的正宗解释，一直出于霸主地位。&
&&& 当然，在“不确定性原理”的解释上，海森堡最后接受了玻尔的思想，他的论文发表在1927年3月份的《物理学杂志》上。&
&&& 后来我们知道，在物理上这种奇特的鱼与熊掌不可兼得的物理量叫“共轭量”，有不少，海森堡很快就发现了微观世界的能量E与时间T，也是一对冤家，也不共戴天，同样遵守“不确定性原理”。&
&&& 这个“不确定性原理”给我们深刻理解宇宙带来的问题不是很严重，而是相当相当的严重。&
&&& 首先，波恩对波函数的概率解释将传统理论的“决定论”拉下了马，也就是说，即使我们知道目前宇宙中所有粒子的信息，并且我们拥有无限能力的计算机系统，从理论上我们也不能准确预测宇宙的行为，只能有个概率可能性。然而，到了海森堡的“不确定性原理”这儿，事情干的更绝，这个原理告诉我们，我们宇宙中粒子的目前状况的准确信息从理论上你也永远都没有，那你想要准确预测宇宙的将来，不是痴人说梦吗？&
&&& 第二，海森堡的这个“不确定性原理”和波恩对波函数的概率解释，共同对传统的因果律提出挑战。波恩对波函数的概率解释是说，一个电子出现的位置是真正随机的，概率性的，没有原因可以追踪，可以描述，所以就“电子出现的位置”这一事件来说就成了无因之果。如果有原因，理论上那我们就可以追踪，只要我们的信息慢慢增多，我们就可以了解这些原因。而这里说的是，理论上无因可寻。&
&&& 同学们，我这里要提醒大家一句，我们的描述会越来越不可思议，大家要做好思想准备，时刻记住玻尔的名言：“谁要不对量子论感到困惑，谁就是没有真正理解量子力学”。&
&&& 我们再看海森堡的“不确定性原理”带来的对因果律的挑战，以能量E与时间T这对冤家为例。&
&&& 我们平时理解的“空”就是空无一物，但我们后来知道空无一物的空气并不“空”，有大量的空气分子。那我们就说真空是“空”，把空气抽走。这也不行，因为真空中有各种“场”，什么电磁场啊，引力场啊，等等。那我们干脆说，就只有空间是“空”，也不行，爱因斯坦的相对论说空间是个东西，它能弯曲变形，引力就是空间的弯曲变形。这些好像都是有原因可以追寻的东西。&
&&& 到了海森堡不确定性原理这儿，我们才真正有了没有原因的生成物，有了真正的“无中生有”。能量E与时间T是一对冤家，遵守不确定性原理。当时间T控制在极其小的一刹那间时，能量就极其不稳定，会发生巨大的能量起伏，而这些瞬时出现的能量起伏并不是从我们这个世界现有的能量来的，而是完全靠不确定性原理凭空出现的，在瞬间这个能量起伏是违背能量守恒原理的。这些巨大的能量起伏会瞬时有消失的无影无踪，但在平均上维持能量守恒原理不被打破。这称为“量子态能量起伏”。&
&&& 然而，这种量子太的能量起伏就是一个无因之果，违背传统的因果律。也就是说微观世界一直在沸腾着，到处都有神秘的能量产生来到我们的空间里，很快又消失。由于爱因斯坦的相对论告诉了我们能量与物质的转换关系，所以在微观世界里不断有“幽灵”般的物质出现又很快消失。&
&&& 这种巨大的量子态能量起伏在物理上被称为“涨落”，著名的宇宙暴涨理论就是根据这种量子太的能量涨落原理提出来的，以解释宇宙的“从无到有”和宇宙发展的“各向同性”。他们的出发点是，宇宙起源时，没有时间，没有空间，没有物质，当然也没有能量，只有数学控制的“不确定性原理”。在时间开始的一刹那间，产生能量极其巨大的涨落，也可以说是产生物质的巨大涨落。由于物质，时间，空间和引力那扯不断的关系，量子效应使得瞬间从“无”产生的宇宙迅速暴涨，然后就一切都发生了。所以，从根本上说，我们的宇宙就是违背因果律的，是从“无”中来的，物理上没有原因。&
&&& 实际上，如果我们承认这种宇宙从无到有的生成论，我们看到的是不确定性原理产生了我们的宇宙，而不确定性原理只是一个原理，一个数学表达，一个数学思维。难道是数学思维产生了我们的物质世界？&
&&& 这里我们还只看到的是不确定性原理和波函数的概率解释对因果律的冲击，不确定性原理还会引起更不可思议的结果，它将与后来的“互补原理”对我们传统理解的客观物理实在构成巨大的威胁。下面我们就要讨论玻尔的天才思想 – 互补原理，看看它是怎样更把这个世界搅的天昏地暗。&
&&& 后事如何，下回分解
&&& 光是波还是粒子，牵动了量子力学出现前从牛顿开始的物理学界几乎所有的牛派泰斗，到出现量子力学时，更是火上加油，连电子和一切微观粒子都被拉下了水，都成了波-粒大战的对象。&
&&& 这很可怕！&
&&& 当只是争论光时，我们还好受些，那就去争论光吧。但当把所有的微观粒子拉下水后，我们的处境就极其不妙了。我们这个世界的一切物质包括我们自己都是这些微粒组成的，如果组成我们的粒子是波，我们是什么？&
&&& 我们就以电子为例。玻尔的电子跃迁，原子里的光谱，海森堡的矩阵力学的不连续性，更有电子通过狭缝打到感光屏幕上的小点，都说明电子是个粒子。但薛定谔的波动力学的连续性，还有电子在双缝实验中形成的干涉条纹，又都说明电子是波。&
&&& 那么，电子到底是粒子还是波？你怎么看，电子都没法不是个粒子；你怎么看，电子都没法不是波。在这里，我们陷入了绝境。而波-粒大战又打得不可开交。&
&&& 这时，天才的玻尔出手了。&
&&& 他认为，既然电子没法不是个粒子，既然电子没法不是波，那么只有一种可能性，那就是：电子既是粒子，同时又是波！很简单，这就是玻尔提出的微观粒子的“互补原理”。&
&&& 问题是，你不认为玻尔的说法过分吗？你能理解电子既是粒子，同时又是波这样的图像吗？粒子是硬棒棒的实体，波是一片难以琢磨的彩云般的幽灵，这能统一吗？&
&&& 实际上波尔是在海森堡发现了微观粒子的不确定性原理后，逐渐发现了了这个惊世骇俗的互补原理。玻尔敏锐地意识到海森堡的不确定性原理，不光是在讨论不能同时确定粒子的动量和位置的问题，其背后隐藏着更加秘密，更加深远的意义。也就是说不确定性原理是个根本的普适的原理，在电子的动量和位置那里，一个量出现的越清晰，另外一个量就越模糊，此消彼长，不共戴天，又不可分离。在电子的波-粒两种特性方面，也是遵循不确定性原理，电子的粒子性越清晰，电子的波特性就越模糊，反之亦然，他们不共戴天，又不可分离，互补互存使得电子的特性成为完整。&
&&& 继续，玻尔的思想是：电子在没有观察时是处于粒子性和波动性的一个混合叠加状态,而电子要表现出粒子性还是波动性，完全取决于我们想看到什么，也就是我们的测量方式。你要看到粒子性，就把电子打到荧光屏上，你就看到一个小点，你看到了粒子。如果你要看电子是波，也成，让电子通过双缝，你就看到了干涉图样，你看到了波。&
&&& 这时候你可能要说，玻尔同学，你别给我这样胡搅蛮缠，照你说的，电子就是个幽灵，一会是粒子，一会儿又是波，完全取决于我们的观察方式，没有一个客观实在。你倒是告诉我，电子到底根本是什么吧，我不想跟你泡蘑菇。&
&&& 玻尔的回答会使得你很愤怒，很想发疯。&
&&& 玻尔的观点是：电子本来就没有一个客观实在，就是个幽灵，就是粒子性和波动性叠加起来的一个混合态幽灵。那种特性出现就是取决于我们的观察，而“电子真正的客观实在是什么”这样的提法根本就没有意义，我们的观察决定了电子是粒子还是波。&
&&& 或许你认为玻尔这家伙肯定是疯了，这样的思维怎么能搞科学。但是，且慢下这样的结论，我来举个简单的例子，我们来看看玻尔的理论是否有道理。&
&&& 著名的艺术家风满楼同学(绿岛掌柜)画过一幅白马图，曾经名动江湖。如果我要问大家，风同学画的那匹马颜色是什么？大家肯定异口同声回答：白色，如果你不是色盲的话。&
&&& 但问题恰好就出在这里。&
&&& 我们一般人，如果不是色盲，我们在普通光线下，也就是我们能感受的可见光波长在400 到760纳米左右，在这个范围内，我们看到那匹马是“白色”。也就是说，我们首先选定了一个感受400到760纳米左右波长范围的仪器(我们的眼睛)来观察那匹马是“白色”。&
&&& 现在我们把观察那匹马的观察者换了，换成了蜜蜂。蜜蜂的眼睛感受的光谱与我们正常人差别很大，它看不见比黄光波长还长的光，但对紫外线很敏感。蜜蜂看了半天那匹马，看到的是一匹“蓝紫色”的马。这时，如果蜜蜂会说话，我们就和蜜蜂争论了。我们说马是“白色”，蜜蜂说马是“蓝紫色”。我们说我们明明看是“白色”，蜜蜂说它明明看是“蓝紫色”。这样，从科学的角度讲，我们并没有比蜜蜂有优先权决定马是什么颜色，我们确实看到的“白色”，蜜蜂确实看到的是“蓝紫色”。&
&&& 这儿的关键问题是，当选取了不同的观察仪器(我们的眼睛和蜜蜂的眼睛)，就得到了不同的颜色“白色”和“蓝紫色”。而马的颜色则完全取决于我们怎样观察马。当然，如果改变仪器的感光波长范围，我们就会得到其它不同的颜色。&
&&& 这里，一个深刻的问题是，你已经不能说那匹马的“本来”颜色是什么了，它没有本来颜色。你说是“白色”，前提是在人类眼睛的正常感光波长范围；而蜜蜂说是“蓝紫色”，前提是在蜜蜂眼睛的感光波长范围；在其它感光波长范围的仪器观察下，马呈现不同颜色。所以，马“本来是什么颜色”这样的客观描述是不存在的，是没有意义的，马的颜色完全取决于观察方式。&
&&& 这个思想又是一个很可怕！&
&&& 当玻尔说电子(其实包括所有的微观粒子)是呈现粒子性或者波动性取决于我们想看到什么时，他是在告诉我们微观粒子根本就没有原本的客观存在，而微观粒子存在的表现形式完全取决于我们的观察方式。这种天才的思维在量子力学里会推广到我们整个的外部世界，都与我们的观察方式有关, 我们看看玻尔具体是怎么说的:&
&&& “电子的‘真身’？或者换几个词，电子的原型？电子的本来面目？电子的终极理念？这些都是毫无意义的单词，对于我们来说，唯一知道的只是每次我们看到的电子是什么。我们看到电子呈现出粒子性，又看到电子呈现出波动性，那么当然我们就假设它是粒子和波的混合体。我一点都不关心电子‘本来’是什么，我觉得那是没 有意义的。事实上我也不关心大自然‘本来’是什么，我只关心我们能够‘观测’到大自然是什么。电子又是个粒子又是个波，但每次我们观察它，它只展现出其中的一面，这里的关键是我们‘如何’观察它，而不是它‘究竟’是什么。”&
&&& 一旦我们的观察方式确定了, 电子就必须做出选择, 表现一种特性, 再也不能处以混合叠加特性的幽灵方式了。但究竟怎样定义这个“观察方式” ，大有学问, 是另外一个难缠的问题, 它会把“精神意识”引进物理学中来, 这个我们以后再论述。&
&&& 玻尔的思想很难理解，很难被接受。你大可不必为自己的不能理解它而生气，而愤怒。实际上，比我们更愤怒的大有人在，他们的脑袋瓜比我们要聪明不知多少倍，他们就是以爱因斯坦为精神领袖的反对派阵营。&
&&& 到此为止我们介绍了哥本哈根学派创立的正统量子力学的三大支柱：波恩对波函数的概率解释，海森堡的不确定性原理，以及玻尔的互补原理。前两个支柱挑战传统的因果律，后两个支柱挑战我们外部世界的客观实在性。&
&&& 而以爱因斯坦为精神领袖的反对派阵营要为“因果律”和“外部世界的客观实在性”做“强有力的辩护”，要与哥本哈根的正统量子力学阵营决一死战。一场震惊量子江湖的大决战即将拉开战幕，就是那个传说中的超一流“华山论剑”。
&&& 哥本哈根学派以三大原理为根基,构筑了量子力学的坚实堡垒. 这三大根基是: 波恩的波函数的概率解释, 海森堡的不确定性原理, 和玻尔的互补原理. 前两个根基挑战传统的因果律, 后两个根基挑战物理世界的客观实在性. 正宗量子力学的解释就围绕这三大根基展开.&
&&& 让我们看看哥本哈根学派对电子通过双缝的行为解释.&
&&& 一个电子在双缝前受不确定性原理和互补原理控制,它没有行踪, 没有轨迹,是叠加态的”幽灵”. 我们可以选择不同的观察方式让电子显出不同的特性来.&
&&& 首先,我们选择任其通过双缝, 则电子的波动性占上风,它以某种方式同时通过了左狭缝和右狭缝,完全按照波动方程的波函数在空间,自我发生干涉.&
&&& 然后,我们在双缝后放一个感应屏幕, 改变了观察方式, 这也就迫使以波为形式的电子转换它的特性, 因为我们要看电子的位置, 粒子性必须接管电子的特性. 这时在一刹那间, 电子突然从波动的分布状态凝聚成一个点出现在了屏幕的一个确定的位置上, 我们看到了粒子性. 这个位置遵守波恩的概率分布. 而电子从波动的空间分布突然凝聚成一点, 叫波函数的”坍缩”&
&&& 实际上,上面我们只是电子为例, 一切微观粒子都遵守这个规则. 由于我们的物质世界是由微观粒子组成的,那么我们的物质世界也是去取决于观察测量吗? 也没有客观实在性吗?&
&&& 哥本哈根创立的量子力学对这些问题的回答是肯定的, 也就是说我们的物质世界也是去取决于观察测量, 没有客观实在性.&
&&& 可想而知,这些革命性的思想受到人们巨大的反击是百分之一万二千肯定的.
&&& 哥本哈根学派提出了他们的三大理论支柱, 完成了量子力学的解释框架. 其反对派阵营也积极地集聚力量, 要与哥本哈根学派决战. 对于反对派阵营的精神领袖爱因斯坦来说, 一个没有严格因果律的物理世界是不可想象的. 爱因斯坦认为, 物理规律应该统治一切, 物理学的简单明确性不可置疑: A导致了B, B导致了C, 而C又导致了D, 等等, 应该构成一个严格的链条. 他不能接受一个没有明晰原因的”随机性”, 象哥本哈根学派的什么”概率解释”就没有原因, 什么”不确定性原理”就从理论上排出你同时准确知道微观粒子的动量和位置的可能性, 完全没有原因可寻. 令爱因斯坦更不能接受的是什么”不确定性原理”和”互补原理”联合起来否定物理世界的”客观实在”性, 而要依赖于什么”观察测量方式”.&
&&& 当年玻尔的原子模型提出电子在不同能级间的跃迁就是这种可恶的”随机性”而不遵守因果律, 爱因斯坦就非常反感, 他在1924年给波恩写信严厉地声言: “我决不愿意被迫放弃严格的因果性，并将对其进行强有力的辩护。我觉得完全不能容忍这样的想法，即认为电子受到辐射的照射，不仅它的跃迁时刻，而且它的跃 迁方向，都由它自己的‘自由意志’来选择。” 现在以玻尔为首的哥本哈根学派创立的量子力学以三大理论支柱为堡垒, 更加疯狂, 竟然要否定物理世界的客观实在性, “是可忍, 孰不可忍”!&
&&& 哥本哈根学派门前遇到的挑战从此便层出不穷，永无宁日，谁叫他们要与这些超一流的高手为敌呢？&
&&& 以电子为例。哥本哈根学派不是说电子在屏幕上打出一点是完全随机的，是完全概率分布的吗？这说明什么？这说明电子在屏幕上出现之前是没有连续轨迹的，如果有连续轨迹，我们就可以追寻这个轨迹，那么电子出现在屏幕上的点就是可以往前追寻原因的，那就不是完全随机的，是有连续原因的。如果可以追寻这个连续的原因，那么哥本哈根学派的纯粹“概率解释”理论上就不成立。而且，我们通过电子的这个连续轨迹，就可以既不但可以精确知道电子的瞬间位置，通过经过的时间记录我们也可以计算电子的精确速度(即动量)。这样，哥本哈根学派的第二大支柱“不确定性原理”也就跟着破产。&
&&& 这可真是一箭双雕的高招阿！而现成的实验就有，反对派大喜过望，“真是天助我们也！”&
&&& 那是在1911年，英国的科学家威尔逊发明了一种仪器，叫云室。它的工作原理是让微观粒子通过水蒸汽，当微观粒子过后，会以它们为中心凝结成一串水珠，而形成一条清晰可辩的轨迹，就象天空中的喷气式飞机在天空中留下一条白雾带一样。&
&&& 反对派很高兴说，看，在威尔逊云室实验中，电子有连续的轨迹可寻，哥本哈根的解释宣告破产。然而当人们兴致勃勃地深入研究这种水珠的电子轨迹时，才发现大谬不然。原来宏观清晰可见的水珠式电子轨迹到了微观放大后不但变的模糊不清，而且再也不是连续的了，成了间断跳跃的虚线。这样不但没有打倒哥本哈根学派的理论，反而从某种意义上证明了人家的观点。&
&&& 一计不成，再来一计。反对派这下就从电子通过双缝的实验着手。&
&&& 哥本哈根学派不是说了吗？一个电子在双缝前受不确定性原理和互补原理控制,它没有行踪, 没有轨迹,是叠加态的”幽灵”. 如果我们任其通过双缝, 则电子的波动性占上风,它以某种方式同时通过了左狭缝和右狭缝,完全按照波动方程的波函数在空间,自我发生干涉. 现在我们就不信这个邪，不信电子以某种方式“同时”通过了左狭缝和右狭缝，我们要用实验揭穿这个谎言。
&&& 实验是这样，在两个狭缝的任意一个上面安装仪器, 我们来测量电子通过了哪一个狭缝，看是否一个电子同时通过了双缝，就可以很容易揭穿哥本哈根学派的谎言。当然，这样的实验你肯定确实发现电子只通过了一个狭缝。反对派很高兴说, 看, 电子并没有同时通过两个狭缝，而是只通过了一个狭缝。&
&&& 然而, 反对派又高兴的太早了。哥本哈根学派的解释给他们有力地回击出去。哥本哈根学派说，因为, 当你在一个狭缝上安装了仪器后, 你就是选择了另外一种观察方式, 暗示电子你要看电子的粒子性, 因为你要探测电子的位置是在哪个狭缝.。由于你想看电子的粒子性, 电子就显示其粒子性,只在一个狭缝出现。这时, 你会惊讶地发现, 由于你要看电子的粒子性, 电子就不会再显示波动性了, 你就看不到电子的干涉现象了。果然，电子不再形成干涉图案，而成了一个白条。反对派又输了一招。这个实验又从某种意义上说明了我们的测量意图规定了电子显示什么特性, 电子也善解人意, 就顺着我们的意图显示我们想看的。&
&&& 当然反对派的招数是层出不穷的，都让哥本哈根学派的解释给无情地反击了回去。反对派又在想，你们哥本哈根学派认为没有确定位置和动量的微观粒子，我们也好像是没有本领同时准确测量微观粒子的位置和动量(在花样繁多的各种尝试之后)，但或许微观粒子是同时具有确定的位置和动量的，只是我们没办法测量罢了。&
&&& 对反对派的这些意见，哥本哈根学派给予了有力的回击。他们认为，在物理上如果一个物理量不能被测量到，那么它就应该认为是不存在的，就象有人说他车库里有一条龙，但你摸不见，看不见，它也不留下任何痕迹，那我们就认为那条龙是不存在的。既然我们不能同时准确测量到微观粒子的位置和动量，我们就认为电子同时没有位置和动量。实际上，哥本哈根学派走的更远，他们把外界物理世界和我们的测量方式连接起来，连存在一个脱离我们的观察测量的客观外部世界都不承认。&
&&& 哥本哈根学派与反对派的不断冲突和局部战争终于酿成了一场面对面的激战，华山论剑的日子终于来临了。&
&&& 后事如何，下回分解。&
&&& 华山论剑的地方选在了美丽的欧洲名地布鲁塞尔，虽然不在西岳华山。时间是1927年，在那个载入史册的第五届索尔维会议上。&
&&& 哥本哈根学派出动了强大的阵容参战，以玻尔为领袖，波恩，海森堡，泡利等战将一同前往，剑桥的约尔当因故未能出席。反对派阵营也有同等强大的阵容，以爱因斯坦为领袖，赫赫有名的德布罗意和薛定谔为战将。初了这两派势不两立的势力外，当然还有其它各色门派，我们不去管他们了。这些量子物理学方面的重量级人物面对面较量，从一开始就注定了这场华山论剑必定震动江湖，也必定青史留名。据说后来江湖上一直流传的那张神秘的“物理学全明星梦之队”的照片就是这次华山论剑的见证。&
&&& 比剑从一开始气氛就很火爆，真是仇人相见，分开眼红。想想从前，都是打的笔墨官司，你来我往，总要借助学术杂志等媒体，费时费力，又多有误会，使人总觉得不那么痛快淋漓，不能过瘾。现在，同处一室，短兵相接，兵来将挡，水来土淹，沧海横流，方显英雄本色，好不畅快。
&&& 开始时，双方的主帅都在冷静观阵，任凭各自的战将互相撕杀。&
&&& 爱因斯坦阵营的战将德布罗意首先挺枪出马，来个精彩的阵前亮相。他狠狠地抨击哥本哈根学派的关于电子粒子性和波动性的互补解释，完全不同意这种放弃客观存在性的离经叛道思维。德布罗意亮出他多年的看家本领，认为电子本身就是一个波，而粒子性可以看作是波动方程的一个奇点，他提出一种“导波”的思想，正是这个紧紧围绕电子的“导波”在无限空间中随处分布，来指导电子的一切行为。&
&&& 德布罗意的思想受到了哥本哈根学派第一狙击手泡利的凌厉反击，泡利旁征博引，从理论从实验两方面对德布罗意猛烈轰击，德布罗意招架不住，一路败下阵来。&
&&& 爱因斯坦阵营的薛定谔眼看己方的德布罗意兄狼狈败北，急忙催马出阵来援。遗憾的是，哥本哈根的泡利火力太猛，又有波恩和海森堡在旁助阵，薛定谔对德布罗意兄也无力回天。薛定谔的助阵力度连德布罗意自己也不满意。&
&&& 随着战局的深入，哥本哈根学派逐渐占了绝对的上风，他们竟然扬言：“量子力学是一种完备的理论，它的基本假设和数学假设是不能进一步修改的。”在反对派的败相面前，哥本哈根学派更是乘胜追击，对薛定谔的“电子云”思想大加抨击。最后迫使薛定谔承认自己的“计算还不太令人满意”。&
&&& 对这场硝烟弥漫的混战中，爱因斯坦开初一直保持着可怕的沉默。但他最后忍不住了，便迅猛出击。
爱因斯坦不愧是个久经战阵的超一流好手，一出手便剑法凌厉，快捷，有力。他首先提出了一个模型：一个电子通过一个小孔得到衍射图像，对哥本哈根的电子概率分布解释进行无情的攻击。他指出，哥本哈根的随机性解释表明，“同一个过程会产生许多不同的结果，而且这样一来，感应屏上的许多区域就要同时对电子的观测作出反应，这似乎暗示了一种超距作用，从而违背相对论。”不光这些，爱因斯坦在后面几天的会议中不断地提出各种思想实验来证明量子理论有重大错误。&
&&& 在爱因斯坦的精纯剑法面前，哥本哈根阵营的波恩，海森堡和泡利基本都退居二线，爱因斯坦阵营的德布罗意和薛定谔也退居二线，只有哥本哈根阵营的主帅玻尔从幕后走向前台力敌敌方主帅，成了两大巨头的单挑决斗。一时间两大掌门龙虎相争，各出奇招，变幻莫测，打得是天昏地暗，月落星稀。&
&&& 然而，尽管爱因斯坦当年凭一己之力就提出了震惊江湖的相对论，在量子革命初期也是一招惊江湖，其内力其剑术已经是炉火纯青，如入化境，但敌方主帅玻尔总能在烟雾缭绕的险境中找到反击的招数，将爱因斯坦的攻击化为乌有。在这些思维较量中，爱因斯坦终于败下阵来，他输的很惨。&
&&& 但爱因斯坦并不服气，尽管从量子理论的自洽方面，他没能攻破敌方的阵营，但他认为量子力学是错的，他虔诚地坚信因果律，他不相信“上帝会掷骰子”，他不相信量子力学的概率解释，不确定性，和互补原理。在1926年写给波恩的信里，他说：“量子力学令人印象深刻，但是一种内在的声音告诉我它并不是真实的。这个理论产生了许多好的结果，可它并没有使我们更接近‘老头 子’的奥秘。我毫无保留地相信，‘老头子’是不掷骰子的。”&
&&& 夕阳西下，古道秋风，残阳如血。爱因斯坦和他的勇士们擦干了身上的血迹，提枪上马，他们要苦练神功，再战哥本哈根学派，与量子理论不共戴天，誓与经典理论共存亡。&
&&& 1930年，爱因斯坦在闭门苦练三年后，再度向哥本哈根学派的量子力学重拳出击。他用自己的独门绝技相对论，设计了一个电子箱思想实验，力图釜底抽薪从理论上重创量子力学的核心基础 – 不确定性原理。那成想，哥本哈根学派的掌门人玻尔，大智若愚，重剑无锋，大巧不工，以其人之道还治其人之身，硬生生地用爱因斯坦的独门绝技相对论把爱因斯坦给挡了回去，砸的爱因斯坦吐血。&
&&& 然而，爱因斯坦虽败犹荣，让我们见证了这位物理大师的精湛武功，精奇招数和横溢才气。也见证了玻尔这位量子力学开山鼻祖的致密思虑，深远视野和敏捷才智。他们两位旷世奇才的这次比拼实为江湖上所罕见。&
&&& 既生爱，何生玻？&
&&& 毕竟爱因斯坦不是周瑜，他不会给玻尔气死。爱因斯坦还要向哥本哈根学派的量子力学投掷出一个威力无比的手雷 – EPR 佯谬，薛定谔也趁机放出了他那驯养多年的“毒猫”，量力江湖不断地出现着高智慧的较量。有爱因斯坦在，哥本哈根学派就永无宁日，玻尔也永无宁日。直到爱因斯坛去世，他和玻尔的论战还没有结束。到上世纪八十年代，一系列精巧的实验才给玻尔和爱因斯坦的世纪之争，做出了最后的决定性裁决，才真正用实验解答了爱因斯坦的EPR 佯谬，爱因斯坦彻底地错了，但他却不能看到那个决定性的实验。这是后话，我们这里暂且按下不表，我们先看看令量子江湖“谈猫色变” 、“闻猫丧胆” 的薛定谔的“猫”。
&&& 华山论剑及之后的较量，都没能摧毁哥本哈根学派创立的量子力学及其解释，量子力学反而更被很多人普遍接受。爱因斯坦也无力回天，当他和同事们提出EPR佯谬时，不再提量子力学是错误的，而是改成量子力学是不完备的，存在解释的漏洞。这时，薛定谔非常高兴，趁机放出了他那驯养已久的“猫” ，要来撕裂哥本哈根学派的灵魂，其论文在1935年发表。&
&&& 薛定谔这样来建立他的挑战：根据哥本哈根学派的解释，一个微观粒子在没有被观察测量前，这个粒子是处于一个模棱两可的叠加态，象个幽灵。只有观察测量后，微观粒子才从幽灵的叠加混合状态坍缩成物理实在。很好，那我们就来设计一个实验来拆穿这个谎言。&
&&& 我们设计一个不透明的密闭箱子，箱子里放一个猫进去，再放一个放射性原子进去，还放一瓶巨毒的毒气。进一步，我们有一个非常巧妙的理想装置也在箱子里面(反正是思想实验，你想是什么装置都成) ，这个理想装置受放射性原子衰变出来的中子控制。如果放射性原子衰变出中子，这个中子就会启动那个理想装置，而理想装置就把毒气瓶打开，放出毒气，猫就一命呜呼，魂归西天。如果放射性原子不衰变，就不会有中子，理想装置也不启动，毒气就不放出来，猫就幸福地活着。&
&&& 现在我们用哥本哈根学派创立的量子力学来解释这个实验。放射性原子是微观粒子，符合哥本哈根学派的量子力学描述对象。那么在我们还没打开箱子观察测量之前，这个放射性原子处于幽灵状态，确切地说，它处于衰变与不衰变中子的叠加态，或者说两可态。正因为这样，那么理想装置也处于打开和不打开毒气瓶的两可混合态，进而，猫也就处于被毒死和活着的两可混合态。只有当我们打开箱子观察测量的那一瞬间，一切才从两可的混合态坍缩，或者看到死猫，或者看到活猫，两者比居其一。&
&&& 薛定谔这下高兴了。他要看哥本哈根学派的笑话，他说，我就不打开箱子观看，我就让那个可怜的猫处于要死要活、半死不活、又死又活的两可混合叠加态。要说这么折磨这个可怜的猫，那全是哥本哈根学派的功劳，谁让他们发明那些古怪的量子力学解释呢？&
&&& 同学们，你们大家能想象得出一个处于死和活的两可混合叠加状态猫吗？薛定谔真是够狠的，这种撕裂我们理性思维的绝活就他能干出来。&
&&& 在这个绝活面前，哥本哈根学派也没脾气，只能硬着脖子说：就是那样，谁让你用猫来做实验呢？&
&&& 其实，这不是用不用猫来做实验的问题。薛定谔的猫只是把哥本哈根学派的解释从微观粒子世界拉到了我们宏观世界而已。哥本哈根学派的三大解释，不确定性原理、互补原理和概率解释就以这样的形式影响到了我们所处的世界，影响到了我们的生活层面。也就是说，按照哥本哈根学派创立的量子力学及其解释，我们周围的一切，如果没有被观察测量时，都是处于一个叠加的混合幽灵状态，只有观察测量才使得这一切瞬