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爱因斯坦、海森堡和玻尔,对不确定性有着怎样的激烈辨论?

曾梦龙2018-12-03 19:00:32

本书绝对惊心动魄……作者捕捉到了围绕最具革命性的现代物理学原则所展开的科学与人性的斗争。——沃尔特·艾萨克森,《乔布斯传》《爱因斯坦传》作者

作者简介:

戴维·林德利(David Lindley):美国理论物理学家、科普作家,剑桥大学博士后。曾是费米国家加速器实验室研究员,后在《自然》和《科学》《科学通讯》等权威杂志任编辑, 1996 年获斐陶荣誉学会(Phi Beta Kappa)科学写作奖, 2000 年后成为自由科普作家。擅长用生动的语言,将深奥的物理学以富有戏剧性的历史事件的形式呈现给读者。著述颇丰,影响甚广,本书是他最受好评的著作之一。

书籍摘录:

前言

如果说科学是人们从混乱中提取有序的尝试,那么, 1927 年年初,它转向的是一条让人始料未及的道路。是年 3 月,年仅 25 岁但已蜚声国际的知名青年物理学家维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)提出了一项科学推理,这项推理简洁、微妙而又发人深省。就连海森堡本人几乎也无法宣称他确切地知道自己到底发现了什么。他绞尽脑汁,试图找到一个能够概括这项推理的含义的词。在大多数情况下,他都使用一个德语词,我们可以将之翻译成“不准确性”(inexactness)。出于一种略微有些不同的目的,他在有些地方尝试用“无法决定性”(indeterminacy)这一术语。但在他的导师、有时身兼老板的尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)无法抗拒的压力下,海森堡不情不愿地加上了一个尾注,让一个新词粉墨登场,这就是“不确定性”(uncertainty)。于是,海森堡的发现也就此被人称为“不确定性”原理。

但这并不是最贴切的表述。对于 1927 年的科学界来说,不确定性几乎没有什么新的含义。实验结果本身多少都有些不精确,理论的预测也只能根据这些带有缺陷的数据做出。当科学家在实验与理论之间进行无数次的反复校对之后,正是不确定性告诉他们下一步应该如何继续。实验能够检测出越来越精确的细节,理论也不断地就此做出调整和修正。当科学家在一个层次上解决了理论与实验不相符合的问题之后,他们又向下一个层次挺进。在任何活跃的科学领域中,不确定性、偏差和相互矛盾都是常态。

因此,海森堡并没有将不确定性引进科学,而是深刻地改变了这个词的本质和意义。过去人们总是认为,不确定性这个敌人是可以征服的。从哥白尼(Copernicus)和伽利略(Galileo)开始,经过开普勒(Kepler)和牛顿(Newton)的努力,现代科学通过将逻辑推理运用于可证实的事实和数据而发展起来。人们认为,用严格的数学语言表述的理论在逻辑上是必然的、准确的。这些理论提供了一种体系和框架,一种有关事物的彻底阐述,它将用理性和因果律取代神秘性和偶然性。在科学的世界中,从来没有无缘无故发生的事件。不存在自发性,也没有不可解的离奇现象。自然现象或许极其复杂,但科学必须揭示其秩序和可预测性。事实就是事实,定律就是定律。不会有例外发生。与科学曾经替代过的那些老旧的理念一样,在科学轮盘的碾压下,人们会将事物分析得愈益细致,愈益完善。

在一两百年间,这一梦想看上去似乎是可以实现的。尽管站在前一代科学家肩膀上的一代又一代科学家看到自己的理想尚未实现,但他们相信,他们的后辈终将完成未竟的事业。理性的力量让人们认定,科学的进步是必然会发生的。科学的潮流将越来越波澜壮阔,其规模将席卷一切,但同时也会越来越向微观发展,越来越精细复杂。自然是可以认识的——既然如此,有一天人们就必然能认识自然。

这种经典观点发源于物理学,并在 19 世纪成为各种科学的主流模式。地质学家、生物学家,甚至第一代心理学家都把整个自然世界勾画为一个错综复杂但又正确无误的机器。一切科学分支都在追求物理学设立的理想。实现这一理想的诀窍就是,依据具有精确描述性(即简化为数字)的观察结果和现象定义自己的学科领域,然后找到将这些数字并入一个无法逃脱的系统中的数学定律。

无疑,这一任务十分艰巨。科学家在面对这些雄心壮志时会心生畏惧,因为他们在试图梳理这一机器时看到,这一机器竟然如此复杂、庞大。要么,自然的定律过于庞大,他们的头脑根本无法探测。要么,他们将会发现,虽然可以写下这些自然定律,但是缺少计算出结果所必需的分析工具和计算工具。如果绝对的科学理解无法实现,那是因为人类的思维尚无法胜任这一任务,而不是因为自然本身是顽冥不化或者浑然不可解的。

而这正是海森堡的论证事实上令人如此不安的原因。这一论证的目标是科学大厦上一个此前未受怀疑的弱点,即位于其底部构造上的一个弱点,或者说,是其基础中一个未经审查的部分,因为这一点过去看上去是如此不言自明、固若金汤。

海森堡并没有对自然定律的完备性进行攻击。相反,正是在自然事实中,他发现了奇特又令人惊恐的难题。他的不确定性原理涉及基本的科学行为:我们如何才能得到有关世界的知识,即那种可以用科学方法进行检验的知识?在海森堡举出的特定例子中,我们如何才能知道某一物体的位置及其运动速度呢?这是一个曾经让海森堡的前辈们备感困惑的问题。无论何时,某个运动物体都具有特定的速度和位置。人们可以用多种方法对它们进行测量或者观察。人们的观察做得越好,得到的结果就越准确。除此之外,还有别的什么可说的吗?

但海森堡发现,可说的东西着实不少。他的结论如此深奥,其革命性意义如此深刻,但用文字表述出来却让人觉得如同老生常谈。人们可以准确地测量某个粒子的速度,或者准确地测量其位置,但无法同时准确地测量二者。换言之,对粒子位置的测量越准确,对该粒子速度的测量便越不那么精确。或许可以更加委婉地说:观察的过程会改变被观察的对象。

说来说去,他的学说的概要不外是:观察到的事实其实并不像大家想象的那么简单,那么一目了然。在对自然世界的传统描述中,自然界这个庞大机器的所有工作部件理所当然地被认为可以在无限准确的程度下加以定义,而且它们之间的一切相互作用都可以被准确理解。每个物体都有其位置,人们可以确定它的所在地。这一点似乎是基础,也是至关重要的一点。要想理解宇宙,人们就必须首先假定,他们能够逐一确定组成宇宙的所有部件是什么,这些部件在做些什么。但海森堡似乎在说,人们无法弄清楚他们想要知道的情况,甚至就连他们描述自然世界的能力都是受到限制的。如果人们无法如他们希望的那样描述自然世界,又怎能希望推导出自然世界的定律呢?

海森堡的发现的意义令人难以捉摸。而在他推出这一发现两年前,他还发表了另一项同样引人注目、令人困惑的见解。在灵感萌动之间,他明白了应该如何建立一门后来被人称为量子力学的学科。当物理学界的其他人还在挣扎着努力跟上他的思路时,海森堡怀着一个青年科学工作者的纯洁愿望,锐意进取,以一种深奥晦涩的新理论语言重写了物理学的基本规则,而这种语言就连海森堡本人都声称尚无法完全掌握。然而,尽管尼尔斯·玻尔有着反应迟缓的名声,其深思熟虑往往令人恼火,他却敏锐地看出了融合新老体系的必要性。他发现,艰难而又至关重要的任务是在不抛弃过去来之不易的成果的同时弄懂新的量子物理。就如何才能最好地描述这门仍然存有争议的新学科,他与海森堡发生了激烈的争论。

另一个声音也加入了争论。海森堡公布他的原理的时候,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)已经年近五旬。他是科学界的老人,受人崇敬,但不再总是那么引人注目。更年轻一些的科学家正在进行重要的工作。爱因斯坦充当了高层评论员的角色。在其辉煌时代,他也曾经是位革命者。 1905 年对他来说是伟大的一年。在这一年,他以相对论推翻了牛顿有关绝对速度和绝对时间的旧有理念。在一个观察者看来是同时发生的事件,对于另一个观察者来说可能是依次相继发生的,而在第三个观察者看来,事件发生的次序可能又是相反的。海森堡随手援引了爱因斯坦的革命性原理来支持自己的原理:不同的观察者看到的世界是不同的。

但在爱因斯坦看来,这是对他的最伟大成就的极大曲解。当然,人们可以从不同的角度看待相对论,但爱因斯坦理论的要点是,它以一种所有观察者都能接受的方式使表面上相悖的观察得到统一。根据爱因斯坦的理解,在海森堡的世界中,有关真正事实的想法似乎崩溃了,变成了各种互不相容的观点。而爱因斯坦认为,如果科学意味着任何可靠的事物,那么海森堡的那种看法就是无法接受的。这又是一次尖锐的思想交锋。这一次,海森堡与玻尔携手作战,对抗年长的大师。

从这次三方交替发言的辩论中,最终产生了一个对不确定性原理普遍可用的定义。大多数物理学家一直觉得这个定义相当方便,而且至少相对容易理解——只要他们不过多考虑那些由此产生的仍未解决的哲学或者形而上学的难题。爱因斯坦不情愿地承认,严格地说,海森堡和玻尔创建的这个学说体系是正确的。但他从来不肯接受这是最后的结论。直到去世那一天,他依旧认为,这一物理学的新分支无法令人满意,只不过是一种过渡,终将被某种以他珍爱的旧原理为基础的理论所代替。爱因斯坦坚持认为,海森堡的不确定性原理表明人类在理解物质世界方面有时确实无能为力,但不代表世界本身奇特或难以理解。

爱因斯坦极不喜欢玻尔和海森堡正在创建的这种物理学。这种状况持续发酵,最后形成了一场的确可以说是关于科学之魂的争论。现在这场会战已经结束,“会战”一词用得似乎有些夸张。然而, 20 世纪 20 年代这种新物理学刚刚崭露头角时,物理学的基础显然遭受了前所未有的审查。人们也确实从中找到了一些裂缝。但在玻尔的监督之下,基础重新被建立;或者,正如爱因斯坦可能会说的那样,被支撑起来,尽管其上层建筑或多或少保留了原样。这一引人注目的修复组成了这本书讲述的故事的核心。顶尖物理学家各自站队,没有谁保持中立。同样,争论双方也没有明显的划界。人们的效忠对象不断在变化,观点也在改变。甚至时至今日,爱因斯坦的怀疑精神仍旧徘徊不去,在玻尔及其拥护者声称已获得的胜利上投射着阴影。

这个核心故事还有一份后记和一份前言。

对于人们在寻求毫无瑕疵的知识的过程中遇到的一般困难来说,不确定性原理成了一个流行语,这一点不仅仅适用于科学领域。新闻工作者承认,他们自己的观点会影响他们所报道的事件;人类学家哀叹,他们的存在干扰了他们正在调查的文化的行为模式。这些情况都与海森堡的不确定性原理具有共通之处:观察者改变了被观察的事物。文艺理论家断言,根据不同读者的爱好和偏见,一段文字可以有各种不同的含义;这时,海森堡正静悄悄地躲在背景之中:观察行为本身决定了哪些事物将受到观察,而哪些事物不会。

这种现象与基础物理学之间存在什么关系吗?几乎不可能!既然如此,那为什么海森堡的原理会受到其他学科的专家们如此热情的推崇呢?我将在本书即将结束的时候提出,新闻工作者、人类学家、文学批评家以及其他人正在对某种专业理念进行兼并,他们这样做并不是因为他们希望为自己的主张寻找靠不住的科学上的正当性,而是因为不确定性原理不仅让科学知识本身变得不那么令非科学家望而生畏,而且还让它变得更像一种我们每天都在与之打交道的、比较难以捉摸的、不很明确的知识。

然而,要让我们的故事发展到那一步,首先必须明白海森堡的不确定性原理来自何方。与其他任何革命一样,科学上的革命并非来自虚无,它们有自己的根源和先驱。不确定性原理代表着量子力学的一个高潮。而到了 1927 年,量子力学已经推翻了 19 世纪物理学中的许多经典陈旧观念。但量子力学本身是对更早期的物理学无法处理的一些问题的回应。在科学中,确定性一直是个令人担心的问题,尽管量子理论和海森堡的不确定性原理无疑是20世纪的产物,但它们的最早曙光差不多在一百年前就已经出现了。因此,让我们把故事的开端放在 19 世纪的头十年。


题图来自:flickr

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