科普小文：上帝掷骰子吗

今天，我们邀请到一位美貌与智慧并存的男神，给我们带来一篇关于物理学的科普美文，请看……

“上帝不掷骰子”——这也许是爱因斯坦的名言中被引用最多的一句话。那么这句话到底是什么意思呢？今天我将为大家带来一本名为《上帝掷骰子吗》的科普书籍。如果我提前告诉你，这是一部关于量子物理学的科普书，很多人也许会大呼“看不懂看不懂”，而这本书恰恰是以一个普通人的视角，您只需要动用一点点高中的物理知识，就可以了解现代物理最前沿的基础科学——量子物理学。下面就请跟随我的脚步，花几分钟了解一下，最前沿的科学，到底离我们生活有多近。

“光是什么”？这个问题是如此简单，以至于我们几乎张口就能回答。但真正想要脱口而出的时候，又不知为何却会卡壳。光是什么？是一种波？那为什么它绕不开障碍物？是一种粒子？那当我们点亮一个光源之前，这些粒子原来在哪呢？

早在1672年，一个即将举世闻名的天才——牛顿，就已经发现，当光通过三棱镜折射的时候，会映射出一条7种颜色的色带，从而知晓了光是由7种颜色构成的。1702年，已经成为物理学神话人物的牛顿出版了赫赫有名的著作《光学》，通过“牛顿环”等实验一举奠定了光的微粒说的基础。

那么光就真的是种微粒吗？用一个我们每个人在中学就做过的实验——双缝干涉就能发现，点光源在通过两条平行的狭缝后，会形成一系列明暗交替的条纹。我们知道，普通物质是具有叠加性的，一滴水加上一滴水，一定是两滴水的总量，而不会凭空消失。但波完全不同，当一个波的波峰和另一个波的波谷相遇时，他们会互相抵消。所以，无论微粒说如何努力，可他就是无法说明，两道光叠加在一起，怎么会变暗呢？

光的微粒说受到了威胁，而伟大的麦克斯韦则用自己的方程彻底摧毁了它。随着电磁波的发现，麦克斯韦方程预言，光只是电磁波的一种，是包含在微波、X射线等等电磁波中的一员。而在赫兹用实验证明了其正确性后，光是什么的问题似乎再无争论，没有人能质疑伟大的麦克斯韦理论，然而科学的事实，却总是会无情的打击人们的认知。

是什么让爱因斯坦获得了诺贝尔奖？不是那伟大的，超越当时人们认知的相对论，而是一个和光有关的有趣现象——光电效应。人们发现，当光照射到金属上的时候，会从它的表面打出电子来。人们很快发现，对于特定的金属，能不能打出电子，由光的频率说了算。而打出多少电子，则由光的强度说了算。

可是，不要忘记，光是一种波啊，波的强度便代表了它的能量。而被某种力量束缚在金属里，需要能量激发的电子，不是应该光的强度越大，才能被激发出来吗？为什么对于低频率的红外线，再高的强度也无法打出电子呢？

同样的，频率是什么，无非是波振动的频繁程度而已。那不是应该振动的越快，打出的电子越多吗？为什么强度低的紫外线，还不如强度高的红外线打出的电子多呢？为什么一切都是反的呢？

爱因斯坦在普朗克的基础上，提出了“光量子论”。即光传播的能量不是连续的，而是一份一份的。而电子需要特定的能量才能激发，紫外线的光量子能量高，超过了电子激发的临界值，所以决定了电子能否被激发。而光的强度，等同于光量子数量的多少，一个光量子可以打出一个电子，那么强度越大的光，则可以打出更多的电子。

（图看不懂没关系装装样子就行）

似乎一切都被完美的解释了。而且我知道，大家快要一头雾水了，因为大家还没有意识到能量的不连续性意味着什么。举个例子，你把一杯水从度加热到100度，你认定认为，在某一个时刻，水是50度的。现在爱因斯坦说，中间竟然不需要经过50度，50度就这样被跳过去了！这便是量子学的基础，世间万物，都是这种“量子”组成的！

（我家小宝从1m长到1.5m，竟然不需要经过1.2m！！）

如果我告诉大家，这仅仅只是量子物理学的前言，是不是大家又要再崩溃一次。但同样的，这是不是让你对量子的世界产生了一点点的兴趣？在《上帝掷骰子吗》这本书中，你会发现一个更加神奇的量子世界。然而，光到底是什么？如果我不回答这个问题，我想你们肯定不会甘心。下面我们回到最初的双缝实验，并由此带出两个“网红”问题。

（就是这些人在中学物理无情的虐待了我们）

还记得前面的“双缝干涉”的实验吗？如果光既是一种波，又是一种粒子（波粒二象性）的话，那么这一个光量子，在进行双缝干涉的时候，到底通过了其中哪一条缝呢？如果是粒子，它则只能选择一条缝通过，那怎么会形成干涉条纹的呢？如果是波，那么它会同时通过两条缝，但如果在两条缝上都加装检测器，却又只能观测到它从其中一条缝通过，这到底是什么情况？

目前一种比较权威的理论是“哥本哈根解释”。他说：当我们没有观测的时候，光确实同时通过了两条缝，但我们一观测，这个波就坍缩了，电子（科学家用电子束代替光进行实验）就会以一定概率选择一条缝通过。What？！！如此严谨的物理学，竟然会被我们这种观测者影响？我不看它，它就是波；我看了它，它就是粒子了？！！

薛定谔也是这么想的。于是他和世界开了一个大大的玩笑：他假设有一个密闭的盒子，里面有一个引发装置，如果有电子激发，则会释放出毒气，毒死盒子里的一只猫。既然只有在我们观测的时候光才会变成粒子，那我们打开盒子前，那只猫到底是死是活？

没有人能回答这个问题。“薛定谔的猫”直接把微观的粒子问题带入了宏观。不但我们无法接受一切的物理规律都会受到我们这样一种渺小的观测者的影响，就连伟大的爱因斯坦也无法相信，物理学的最终规律竟然只是一种随机的不确定性。所以他说出了题头的著名论断：上帝不掷骰子。他几乎花了后半生所有的时间去和波尔争论这个问题，很遗憾，事实往往就是那么残酷。

另一种被广泛采纳的理论是“多世界理论”。该理论说，当我们每次观测的时候，电子必然会做出选择通过其中的一条缝，但与此同时，在另一个时空，会有另一个你观测到电子通过了另一条缝。世界在你观测的一瞬间分成了两个，两个你同时生活在不同的时空里。什什什什么？？！！我相信你又一次张大了嘴巴，这不是科幻电影的情节吗？难道我是在看《蝴蝶效应》吗？我的每一次选择，难道就把世界分裂了？

我也知道你不相信，这里还有一个问题等着你们：你往后500代都生男孩（或女孩）的概率多大？0.5的500次方？是不是很小？但假设你是男孩，从你爸爸的爸爸的爸爸的爸爸往上推，是不是仍然是个爸爸？这个概率很小的事件，竟然就发生在你身上？你是不是是感到毛骨悚然，还有一个女版的你生活在另一个平行世界？

说到这里，相信有耐心看完的小伙伴们，一定对量子物理学产生了无限的兴趣，那么，去读一下这本由曹天元编写的《上帝掷骰子吗》，书中除了上述内容，书中对霍金先生的著名科普《时间简史》以及现代前沿物理“超弦理论”均有介绍。作者用更加浅显有趣的语言，详尽的阐述了量子物理学给我们展现的全新世界。