《上帝掷骰子吗？》| 柴知道解读

​关于作者

曹天元，科普作家。本人不愿意透露具体身份。

关于本书

《上帝掷骰子吗？》是中国非常出名的科普作品之一。曾获“吴大猷科普奖”，文津图书奖等奖项，被誉为中国版的《时间简史》。

核心内容

作者梳理了量子力学百余年来的发展史，对量子力学的基本原理，发展历程中的重要事件以及多位顶尖科学家之间的观点争执做了梳理，并详细论述了量子力学对人类认知的颠覆性影响。

前言

你好，欢迎每天听本书。本期音频为你解读的是《上帝掷骰子吗》，副标题是“量子物理史话”。这本书的中文版大约56万字，我会用大约27分钟的时间，为你讲述书中精髓：量子论是怎么颠覆了人类的认知？

如果要评选20世纪人类社会最重要的事件，那么既不是两次世界大战，也不是人类登上了太空，而是量子力学的出现和发展。这不是我说的，而是《上帝掷骰子吗》这本书里的观点。为什么这么说呢？因为量子力学的诞生，引发了一系列的技术革命，包括核能、计算机、材料学、信息技术等等领域，完全深入了我们生活的每一个角落。

从实用性上来说，量子力学可以说是最成功的理论。但问题是，至今为止，我们也不能完全理解量子力学。因为它实在是太违反常识了，完全颠覆了传统的世界观，有时甚至会让人感到可怕。所以即使是很多顶尖的科学家，甚至是量子力学开山鼻祖级的人物，都可能会不敢相信量子力学的结论，最终站到了量子力学的对立面。

《上帝掷骰子吗》这本书的书名，就来源于爱因斯坦对于量子力学的批评。爱因斯坦和另一位顶尖科学家玻尔的论战，是20世纪最出名的科学争论。爱因斯坦在这场围绕量子力学的对战中说“上帝是不会玩掷骰子游戏的”，他就是在说，量子力学的理论，一定是有问题的，世界不是按照量子力学那套理论来运行的。但事实证明，爱因斯坦错了，上帝真的就是在掷骰子，量子力学彻底颠覆了我们对世界的认知。

这本书的作者是曹天元，他本人就像量子一样神秘，不愿意透露自己的身份。跟作者本人的低调不同，《上帝掷骰子吗》这本书可以说是大名鼎鼎，被誉为中国的《时间简史》。这本书属于通俗的科学史读物，通过一个历时性的纵向视角，介绍了整个量子力学的发展史。量子力学发展过程中的各位代表人物，从普朗克到玻尔到薛定谔再到爱因斯坦，在书中都有出场。量子力学发展过程中的重要事件、各类思想交锋，以及对人类认知所产生的决定性影响，这本书都用非常形象的方式给予了概括。只要有中学物理基础的人，基本都能看懂书中所介绍的量子论原理。在我看来，如果这世界上只有一本书能让你明白量子力学，那就是这本书了。

接下来，我从三个角度，来为你讲述本书精髓，量子力学如何颠覆了我们的认知？要明白这个问题，首先要从量子论的起源说起，看看量子论在最初是怎么冲击经典物理学的？然后再来看看，为什么说量子力学是在“掷骰子”，“骰子”是如何彻底摧毁经典物理学体系的？最后来了解一下，“不确定性”到底意味着什么，为什么说它不光影响了物理学，还影响了哲学？

第一部分

先从量子力学诞生时的情况说起。来看第一个问题，量子论是如何冲击经典物理学的？在19世纪末的时候，经典物理学已经发展到了一个巅峰。当时牛顿力学体系经历了几个世纪的考验，屹立不倒，从天上的星星到地上的石头，统统都遵照着牛顿订下的规则在运动；在电磁学方面，英国物理学家麦克斯韦发表了三篇关于电磁理论的论文，提出光也是一种电磁波，后人从他的理论中总结出了名垂千古的麦克斯韦方程组，这一成就决不在牛顿之下；在热力学方面呢，热力学三大定律也已经基本确定了。更厉害的是，经典力学、经典电动力学、经典热力学，这三大体系是和谐统一的，成为了经典物理学的三大支柱，牢不可破。

所以那个时候人们认为，物理学差不多已经到头了。所有的物体，一切的现象，都在遵照着经典物理学的基本原理在运行。大自然中的力、热、光、电、磁，所有的现象，都已经被物理学无死角全覆盖。人类已经完全掌握了大自然的运行规律，可以把握世界上的一切事物。当时的热力学泰斗开尔文男爵就说，“物理学的未来，只能在小数点第六位之后去寻找”。意思就是说，物理学以后的发展，无非就是小修小补，小打小闹，比如更精确地测量了一些常数什么的。至于各个领域的基础原理，都已经定型了。

但同样是这位开尔文男爵，他在1900年发表了一个著名的演讲，说物理学这座大厦虽然雄伟，但它的上空却飘浮着两朵“乌云”，也就是两个物理学上的难题还没有解决。第一个难题，是人们猜想宇宙中有一种叫“以太”的物质，但无论怎么做实验，都探测不到这种物质。第二个难题，是关于黑体辐射实验的，这个实验的结果，总和理论预测不一致。在当时看起来，这两朵乌云似乎不算是大问题，但如果你今天回过头来看就会发现，这两朵乌云，第一朵导致了相对论革命的爆发，第二朵导致了量子论革命的爆发。整个辉煌灿烂的经典物理学大厦，就在这两次革命中轰然倒塌。

先简单地说一下，导致相对论革命的这朵乌云是怎么回事。19世纪的时候，科学家们认为，电磁波的传播需要一种介质，这种假想中的介质就叫以太。以太充满整个宇宙，没有质量，而且是绝对静止的。光速也是相对于以太这个绝对静止的参照系来说的，如果换个参照系，光速的大小也就变了。如果你和光在以太中顺着同一个方向奔跑，那光速在你看来就变慢了一点，如果你和光相对着奔跑，那光速在你看来就快了一点。

所以说，当时整个经典物理学的时空体系，都建立在以太的基础之上。为了观测以太，有两位科学家设计了一个极其精密的实验，来探测以太对于光线传播的影响。结果发现，无论是顺着光跑还是逆着光跑，观察到的光速都是完全一样的，根本没有任何变化。这让整个物理学界大受震动。这次实验的结果，等于是否定了以太的存在，也否定了经典物理学和经典时空观的基础。爱因斯坦最终提出，在任何参照系中，光速都是不变的，并且以此为基础，掀起了一场轰轰烈烈的相对论革命。

当然了，我们今天的重点是第二朵乌云。所以接下来我们着重来看一下，导致量子论革命的这朵乌云是怎么回事。

在19世纪末的时候，很多科学家都在研究黑体辐射问题，简单来讲，就是研究物体的温度和辐射能量之间有着怎样的关系。经过科学家前仆后继的努力，终于得到了两套公式，但问题是，其中一套公式只对电磁波的短波有效，另一套公式只对长波有效，所以这中间肯定是有问题的。

这个时候，量子论历史上最最重要的人物之一，普朗克，就登场了。普朗克这个人多才多艺，文学、音乐、自然科学，样样精通。普朗克的大学导师还劝他说物理学体系已经非常成熟了，不会再有什么大的发现了，你不如去搞搞其他的。还好当时普朗克没听他的话，否则量子力学能不能发展起来还真不好说。

1900年的时候，普朗克已经研究黑体辐射好几年了，但也没搞出什么头绪来。一天下午，他就想换个思路，先不管各种各样的假设啊推导啊，不管怎样，先用数学方法把这两套公式拼起来再说。结果几天之后，普朗克还真把这两套公式给凑成了一个，也就是著名的“普朗克黑体公式”。在普朗克黑体公式公布之后，大家发现这个公式非常管用。但问题是，大家都是知其然，不知其所以然，只知道这个公式好用，但不知道它为什么好用，也并不知道这个公式究竟隐藏着怎样的物理意义。

又经过了一段时间的研究，普朗克终于发现，如果要让这个公式成立，就必须做一个假设，那就是：能量在发射或者吸收的时候，不是连续不断的，而是必须分成一小份一小份的。也就是说，能量不是可以无限分割的，而是有一个最小单位，这个基本单位，后来就被命名为“量子”。就是这个量子的假定，最终推翻了整个经典物理学的大厦，也彻彻底底地改变了人类对世界的认识。

为什么这么说呢？在经典物理学看来，一切自然过程都是连续不断的，如果气温从20度上升到30度，那中间肯定经过了25度，如果一个化学反应释放了50焦耳的能量，那中间肯定有一个时刻，它刚好释放出了，比如30.134焦耳的能量。但量子的假设就不是这样，量子论相当于在说，能量的发射和吸收，就像是我们花钱一样，你一次最少也要花1分钱，因为没有比1分钱更小的面值了。你不能说我买个东西花0.3分钱，不可能的。能量也一样，它有个最小单位，是不连续的。

关于连续性和平滑性的假设，是微积分的基础。而无论是牛顿的力学还是麦克斯韦的电磁学，都建立在微积分的基础之上。而量子论的诞生，直接动摇了连续性的假设，相当于经典物理学的大厦一下子被移走了地基。

那量子论到底对不对呢？是对的。举个例子，大名鼎鼎的光电效应。科学家发现，如果用光来照射金属，就有可能从金属的表面打击出电子来。但很奇怪的是，光能不能打出电子，跟光的强度无关，只跟光的频率有关。比如频率高的紫外线，就可以打击出电子。频率低的红光、黄光，就一个电子都打不出来，而且无论这个红光和黄光有多强都不行。这个当时科学家都不能解释的现象，就是“光电效应”。之后爱因斯坦用量子理论成功地解释了光电效应：频率更高的光线，比如紫外线，它的单个量子所蕴含的能量比较高，而频率低的光线，单个量子蕴含的能量低。对于低频率的光来说，它的量子能量不足，根本就激发不出电子，无论这个光多强都不行。也就是说，光也是以量子的形式来吸收能量的，没有连续性，也不能积累。

凭借着对光电效应的解释，爱因斯坦最终获得了诺贝尔奖。这里顺便提一句，爱因斯坦对自己的世界观有着非常坚定的信仰，所以他在后期不愿意接受量子力学中种种违反常识、颠覆认知的现象，甚至站到了量子力学的对立面，但尽管如此，他对光电效应的研究，以及对量子力学的种种质疑，仍然在客观上推动了量子论的发展。

刚才讲的就是第一个问题，量子论是如何冲击经典物理学的？经典物理学建立在微积分的基础之上，认为一切的自然过程都是连续不断的，可以无限切分。但普朗克却发现，能量的传输并不是连续的，而是有一个最小单位，就是量子，爱因斯坦对光电效应的研究等也证实了这一结论。整个经典物理学的大厦因此摇摇欲坠。

如果说量子论对“连续性”的冲击，是让经典物理学的大厦摇摇欲坠的话，那接下来我们要讨论的话题等于是彻底摧毁了这座大厦。就来看看科学家为什么说量子力学是在“掷骰子”？为什么一个小小的“骰子”会摧毁经典物理学呢？

第二部分

随着量子论的不断发展，这门学科展现出了越来越多让人匪夷所思的性质。而且跟以前不同的是，很多物理性质，都是通过数学推导才发现的。我们一般认为，只有先掌握了物理量的定义，然后才能在这些物理量之间建立数学关系。比如我们先知道了什么是力，什么是质量和加速度，然后才发现，力等于质量乘以加速度。但在量子力学，包括现代物理学的其他领域里，经常是科学家们用数学方法算出一个函数或者方程，然后才去寻找这个函数究竟是什么意思。就像是你在不知道什么是力的情况下，就先通过计算得出了一个数据，然后才发现原来这个数据代表了力的大小。

在这里，著名的奥地利科学家薛定谔要登场了。薛定谔在研究原子的过程中，得到了一个名震物理学史的著名方程，叫薛定谔波动方程。这个方程里有一个用希腊字母ψ命名的函数，它代表电子在空间中的分布，但人们并不知道它明确的物理意义到底是什么。

薛定谔本人认为，ψ函数的物理意义，是电子在空间中的实际分布。什么意思呢？就是说，如果我们把电子或者光子这些微观粒子放大来看的话，就会发现，它们不是一个个小点，而是在空间中融化开来了，就好像是涂在面包上的黄油那样。这个ψ，就是代表电子的这种实际的位置分布。但另一位诺贝尔奖获得者波恩却认为，薛定谔的这个解释是错的。他提出了一个惊世骇俗的预言，说ψ函数代表的不是电子的实际分布，而是代表着一种随机分布，也就是电子在某个地点出现的概率。

到底谁是对的呢？来看个著名的实验，电子的双缝干涉实验。假如我们有一台仪器和一个感光屏，两者之间还有一块有两条缝的板子。如果现在这个仪器发射出一个电子，那么这个电子到底会出现在感光屏上的什么位置呢？答案是，无法确定。我们不知道这个电子会出现在哪里，完全摸不到头绪，因为它根本就是一个随机过程。

但如果我们进行大量观察的话就会发现，电子的出现也不是完全没有规律的，感光板上有些位置出现电子的可能性高，有些位置可能性低。这个概率是完全符合概率计算的。所以，如果我们大量发射电子，就会发现，感光板上有些地方亮一些，有些地方暗一些，亮的地方就是电子出现概率高的地方，暗的地方就是电子出现概率低的地方，而且每次的明暗分布都是有规律的。所以，虽然我们没法儿确定单个电子的位置，但却可以计算出大量电子会组成怎样的图案，因为电子的随机分布符合数学规律。

听到这里你肯定明白了，在这个问题上，薛定谔错了，波恩才是对的：我们根本无法预言电子的实际位置，而是只能预言电子的出现概率。这个结论意味着，量子论彻彻底底地从最根本的因果关系上颠覆了整个物理学。

伽利略、牛顿这样的伟人，建立起了物理学的恢弘大厦，向人们解释了世间万物的运行规律，并且预言了未来。在这个基础上，人们可以完美地预言几时几分几秒会出现日食，掌握所有运动的来龙去脉。总之，一切事物之间都是有因果联系的，宇宙就像是一台精密的机器，所有零件都按照规则运行。只要我们掌握了足够多的规律，拥有足够强的计算能力，那么整个宇宙里所有事物的过去和未来，都应该尽在掌握。人类之所以还没做到这一点，只是因为我们目前知道的信息还不够多而已。这种观点，在哲学上叫做“决定论”，自古以来，人们对世界的理解方式都是这样的。

但量子力学对微观粒子的研究却发现，世界的运行规则，跟我们想象的完全不同。即使我们掌握了电子的初始状态，拥有最强大的计算工具，考虑了所有可能的影响，也不可能准确预言电子的位置。更重要的是，这不是因为我们的能力不足，而是大自然从根本性质上就是不可预测的。这不是推翻某一条规律的问题，而是要完完全全地推翻整个决定论系统，推翻当时所有科学的根本基础。在量子力学中，概率是深藏在世界底层的根本性质，一切的事情，都是靠掷骰子来决定的。

这个堪称诡异的结论，对很多科学家来说是完全不可接受的。爱因斯坦在写给量子力学奠基人之一马克斯·波恩的信中明确表示，自己完全不能容忍这样的想法，绝不愿意放弃因果性，他坚信量子论的基础一定有问题，一定能挑出毛病。他在信中说，“我毫无保留地相信，上帝是不会掷骰子的！”

之后，以爱因斯坦和玻尔为代表，薛定谔、波恩、海森堡、德布罗意，这些物理史上金光闪闪的天才伟人，全都投入到了量子力学的大战中。爱因斯坦给玻尔出了许多看似不可解决的难题，但玻尔都给出了非常精妙的解答。不过直到临终之前，爱因斯坦也仍然没有被说服，他一直在为自己的信仰辩护。回过头来看，这场关于量子论的争战的结果很明确：爱因斯坦错了，量子力学是正确的，上帝的确掷骰子。

刚才讲的就是第二个问题：为什么说量子力学是在“掷骰子”？因为对微观粒子的研究发现，粒子的分布并不是确定的，而是一个随机事件。我们不能确定粒子的位置，只能掌握粒子出现的概率。所以，严格的因果关系荡然无存，统治科学界几百年的决定论被打破了。人们发现，概率深藏在宇宙的底层，上帝的确掷骰子。

讲到这里，你应该已经感受到了量子力学对人类认知的重大颠覆。但接下来的最后一个问题，可能还会再颠覆一次你的三观。这个问题就是，量子论里的“不确定性”意味着什么？

第三部分

刚才讲到，即使我们完全确定了一个电子的初始状态，也无法预测电子出现的位置。不光如此，另一位科学巨人海森堡还发现，我们连完全确定电子的初始状态这一点，也是做不到的。

海森堡在研究量子力学的过程中，使用到了一种很不常见的数学方法，通过推导之后，发现了一个奇怪的方程：简单点来说的话，就是如果用英文字母P来代表电子的速度，Q来代表电子的位置的话，那么P乘以Q却不等于Q乘以P，相当于不符合乘法交换律。

海森堡被这个方程困扰了很长一段时间，一直不明白这背后究竟有什么物理意义。直到某一天，海森堡突然醍醐灌顶，做出了一个特别大胆的猜测，他觉得这代表着，如果我们先观测电子的速度，就会影响电子的位置；反过来，如果先观测电子的位置，也会影响电子的速度。

之后通过数学计算，海森堡终于确认了自己的猜想：测量速度的误差，和测量位置的误差，二者的乘积一定大于某个常数。意思就是说，如果对速度的测量越精确，那么对位置的测量就越不精确；反过来也一样，对位置的测量越精确，对速度的测量就越不精确。所以，电子的位置和速度，是一种互补关系，就像跷跷板一样，按下这头就翘起那头，我们永远也无法同时确定一个电子的速度和位置。这个原理，就是大名鼎鼎的“海森堡测不准原理”，更准确地说，应该叫“不确定性原理”。

科学家们进一步研究发现，能量和时间，也存在着这种不确定性的互补关系。如果能量测量得越精确，时间就越模糊；如果时间测量得越精确，能量就会开始起伏不定。各种物理量都遵循着海森堡的不确定性原理，此起彼伏，难以捉摸。

在“电子双缝实验”中，波恩的概率解释证明了即使给出全部的条件，我们也不能预测结果。而海森堡的不确定性原理证明了，我们连给出所有条件都做不到。这里需要解释一下，不能同时确定电子的位置和速度，并不是因为我们的测量技术不够强，而是因为根本就不存在一个位置和速度完全确定的电子。这个道理就相当于，我们造不出永动机，不是因为我们技术不够好，而是永动机本身就是不可能存在的。

不确定性原理其实告诉了我们这样一个现实：就是我们的观测行为本身，会影响我们的观测结果。采取不同的观测方式，会观测到不同的结果。举个例子。很多年以来，科学家们一直为电子到底是什么而争论，有些科学家说它是一种粒子，有些说它是一种波，而且双方都可以举出各种各样的证据支撑自己的理论，所以，我们说电子是具有“波-粒二象性”的，因为根据我们的观测方法不同，它既可以表现出波的性质，又可以表现出粒子的性质。

那你肯定想问，道理我都懂，那说到底，电子本质上究竟是个什么东西呢？关键就在这里了。在量子力学看来，我们根本不知道电子的本来面目是什么，只能说我们采用某种观察方式时，所看到的电子是什么样的。

举个例子。假如你现在看到了一匹棕色的马，那如果你戴上墨镜，那这匹马的颜色在你眼中就变了，而如果你是一位色盲患者，那马在你眼中又会是另外一种颜色。我们其实并不知道马在本质上是什么颜色的，只能说马在我们的观察中是什么颜色的，甚至可以说，马根本就没有什么“本来的颜色”。

这个道理听起来很玄乎，但事实的确就是这样。无论是电子还是光子，这些量子力学中的测量对象都是非常微小的，我们的观测会对它们造成致命的干扰，而且是不可能被克服的，观测的结果并不是客观确定的。在量子力学看来，除非我们先确定了测量这个物理量的方式，否则谈论任何物理量都是没有意义的。

这么一来，就造成了一个非常诡异的结论：在量子世界里，没有一个绝对客观的实体或者外部世界。比如一个电子或者光子，它根本就没有一个客观的速度，我们所能把握的，只是测量得到的速度，而且这个测量速度还跟我们的测量方式有关。甚至可以说，如果我们不进行测量的话，这个电子的速度根本就没有意义！只有可以被测量的物理量，才是有意义的。

在经典物理学中，我们认为有一个客观实在的世界，即使我们还没有对这个世界有清晰的认识，那也是我们自己的问题，世界本身肯定是客观实在的，不以我们的意志为转移。这是人类一直以来认识世界的方式，叫“客观实在论”。

但在量子力学中，情况就完全不同了，一切都跟测量行为挂上了钩：观测对象和被观测对象融为一体，相互影响，主客体之间的界限消失了。也就是说，物理学或者其他科学，都没法去研究一个所谓的“客观实在”的世界，人类并不知道宇宙的客观本质是什么，只知道我们观测到的宇宙是什么样的，任何事物都只有在被观测的时候才有意义。

听到这里，你应该可以感受到，量子力学给整个物理学界和哲学界带来了多大的冲击。概率解释颠覆了因果关系，“不确定性原理”颠覆了客观实在论，这简直可以说是颠覆了人类对世界的一切认知，而且由此引申出的种种结论，比如著名的处于生死叠加态的“薛定谔的猫”、或者是经常在科幻小说中出现的“平行宇宙理论”等等，对一般人来说简直是天方夜谭，甚至是让很多科学家都感到难以接受。只能说，人类至今为止，还是没有完全明白量子力学背后究竟隐藏着怎样的物理意义和哲学意义。玻尔曾说过，“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。”另一位大物理学家费曼说得更直接，他说“没人能够理解量子力学”。

刚才讲的就是最后一个问题，量子力学中的“不确定性”意味着什么？不确定性原理意味着，我们无法同时精确地测量电子或其他微观粒子的位置和速度，并且，我们的观测行为本身，会对测量结果造成干扰。所以，我们不能说世界的本质是什么样的，只能说我们观测到的世界是什么样的，甚至可以说，根本就不存在一个客观实在的世界。人们一直以来坚持的“客观实在论”受到了严重的挑战。

总结

讲到这里，《上帝掷骰子吗》这本书的内容就聊得差不多了，我再来为你回顾一下这本书的精华内容，量子论如何颠覆了人类的认知？

首先讲到了量子论是如何冲击经典物理学的？经典物理学依赖于微积分，认为一切的自然过程都是连续不断的。但量子力学发现，能量的传输是有一个最小单位的，这个单位就是“量子”，许多自然过程都不是连续的。这种非连续性的概念，让经典物理学的大厦摇摇欲坠。

然后讲到了，为什么说量子力学是在“掷骰子”？因为对微观粒子的研究发现，我们不能确定粒子的位置，只能掌握粒子出现的概率，粒子的分布是一个概率事件。这么一来，强调严格因果关系的“决定论”就被打破了。人们发现，概率深藏在宇宙的底层，上帝的确是以掷骰子的方式在维持着宇宙的运行。

最后讲到了量子力学中的“不确定性”。不确定性原理的意思是，我们无法同时准确地测量电子的位置和速度，位置越精确，速度就越不精确，反过来也一样。而且，我们的观测行为本身，会对测量结果造成干扰。这么一来，观测者和观测对象的界限就被打破了，我们发现自己无法把握世界的本质，甚至根本就不存在一个客观实在的世界。“客观实在论”受到了严重的挑战。