“哈哈哈,我可不敢这么说。”朱伏心回头笑道。
“为什么?”
“人类科技发展史上已经产生过若干次这样的错觉了,就是感觉人类科技已经掌握了宇宙真理,天底下没有人类不知道的事情、没有人类做不到的事情了。我再次借用一下海森堡在他著名论文中的那句话:‘在因果律的陈述中,即‘若确切地知道现在,就能预见未来’,错误的并不是结论,而是前提。我们不能知道现在的所有细节,是一种原则性的事情。’海森堡在这句话里反对的因果律陈述的‘前提’,就来自人类的一次著名的自我膨胀。”
“你说到人类的自我膨胀,让我想到了阿基米德那句名言:‘给我一个支点,我就能撬起大地。’”司空有为说道。
“跟我要说的这个自我膨胀比起来,阿基米德的这句话简直太谦虚了。”
“哦?还有比这个更膨胀的话?”
“是的。吹牛的这位先生叫拉普拉斯,他是拿破仑时代的法国人,牛顿的追随者和崇拜者。他自己也作出了一系列重大的科学发现:1773年,他把牛顿的万有引力定律应用到整个太阳系,解决了当时著名的土星轨道难题,拉普拉斯用数学方法证明行星的轨道大小具有周期性变化,这就是著名的拉普拉斯定理;1786年,他证明了行星轨道的偏心率和倾角总保持很小和恒定,能自动调整,即摄动效应是守恒和周期性的,既不会积累也不会消解;1787年,他发现月球的加速度同地球轨道的偏心率有关,从理论上解决了太阳系动态中观测到的最后一个反常问题;他还在概率理论、分析理论、数学、化学诸多领域作出了很多贡献。也许是基于牛顿力学和他自己科学工作的巨大成功,拉普拉斯坚信决定论,认为当时物理学的成就已经把宇宙全都弄得明明白白了。于是他在他的概述论(Essai philosophique sur les probabilités)导论部分写道:‘我们可以把宇宙现在的状态视为其过去的果以及未来的因。如果一个智者能知道某一刻所有自然运动的力和所有自然构成的物件的位置,假如他也能够对这些数据进行分析,那宇宙里最大的物体到最小的粒子的运动都会包含在一条简单公式中。对于这智者来说没有事物会是含糊的,而未来只会像过去般出现在他面前。’”
“‘未来只会像过去般出现在他面前’!这句话太燃了!这就是那个有名的物理学四大神兽[1]之一‘拉普拉斯妖’吧?”司空有为说道。
“是的,就是‘拉普拉斯妖’,也有人管它叫‘拉普拉斯兽’。不管是妖还是兽,牢不可破的宇宙真理似乎只有这一条:装逼越炫,打脸越狠。”
“怎么打脸了?”
“前面提过多次的海森堡不确定性原理就是狠狠的一次打脸吧。爱因斯坦的相对论出来以后,牛顿力学更是被限定到了只适用于低速的、宏观物体领域——这脸打得有多狠啊?你吹嘘说你的肌肉是一个效率非常高的‘原动机’,采用一种特殊的燃料——这种“燃料”并不燃烧,却同样能够把潜藏的能量释放出来转变为机械能,效率比航空发动机还要高好几倍,为了证明你不是在吹牛,你抓起一块重量是你体重五十倍的石块,轻轻松松扔了出去……结果镜头拉高,原来你是一只小蚂蚁!”
“哈哈哈……你说得太有趣了。”
“这个打脸链没完呢,就像因果链一样的,子子孙孙无穷尽也。到牛顿和拉普拉斯的时代,科学家们已经打了几千年。托勒密的‘地心说’被哥白尼的‘日心说’打脸;哥白尼的‘日心说’又被宇宙大爆炸理论打脸……”
“那爱因斯坦呢?爱因斯坦的广义相对论完全改变了现代人的世界观,被认为是近现代物理学中神一般的存在,应该没有被打过脸吧?”司空有为不太相信他的科学男神也被打过脸。
“嘿嘿嘿……不好意思,让你失望了。不但被打过,而且还不止一次。”
“什么?有很多次?”司空有为不太敢相信。
“例如爱因斯坦生前自己都承认的一个错误就是他在广义相对论的方程中引入了一个‘宇宙学常数’的量。[2]但我这里想讲另一个故事,就是爱因斯坦与玻尔的世纪辩论,被人称为物理学史上的‘巅峰对决’。”
“玻尔,就是那位提出玻尔模型来解释氢原子光谱的玻尔么?”
“没错,就是他。他还提出互补原理和哥本哈根诠释来解释量子力学,他同时也是哥本哈根学派的创始人,对二十世纪物理学的发展有深远的影响。”
“这么说他在当时的物理学界也享有很高的地位和声誉。他和爱因斯坦应该代表了当时物理学界的最高水平吧?”
“没错。这样两位物理学巨擘就当时物理学最前沿的问题进行了很长时间的辩论,这一情形很像《维摩诘所说经》中维摩诘居士与文殊菩萨之间就佛法展开的辩论——很可以期待辩论本身就会产生很深刻的物理学认识。结果也确实是这样。”
“愿闻其详。”
“爱因斯坦与玻尔在很长一段时间内就许多问题展开了论战,其中最有意思的一场是围绕EPR佯谬展开的。简单来说,EPR佯谬就是三位物理学家(E:爱因斯坦、P:波多尔斯基和R:罗森)在发表于1935年的一篇论文中提出的用于证明量子力学不完备性的一个思想实验:A和B两个粒子在瞬间接触后,沿相反方向离去。虽然测不准原理不允许同时得知每个粒子的位置与动量,但允许同时精确地测量A和B两个粒子的总动量,于是,如果我们只准确测量A粒子的动量,再根据动量守恒定律,就可以在B粒子不受干扰和影响的情况下,精确的得知B粒子的动量;然后再准确测量B粒子的位置,不就可以同时测量B粒子的位置和动量了嘛?这个思想实验直接挑战了海森堡不确定性原理。”
“这里有一个假定,就是A和B两个粒子分开后就不发生相互作用了。如果这个假定是真实的,那么爱因斯坦的结论就是对的。”司空有为想了一下,说道。
“非常正确!爱因斯坦派和玻尔的哥本哈根派为EPR佯谬争论了几十年,直到两人相继去世,都没有一个确切的结论。”
“为何争论这么久?”司空有为问道。
“因为这是一个思想实验啊,思想实验只能在脑子里做,无法拿到实验室进行验证啊。最终爱因斯坦和玻尔的争论就变成信仰之争了:爱因斯坦相信A和B粒子在分开之后就具有确定的自旋态了,因为这才符合他关于‘客观实在’的理解;可玻尔代表的哥本哈根学派则认为A和B粒子在分开之后的自旋态是叠加的,只有测量的时刻粒子的自旋态才确定下来。”
“那后来爱因斯坦怎么被打脸的呢?”司空有为问。
“1964年,一位名叫约翰·斯图尔特·贝尔(John Stewart Bell)的年轻科学家为了证明真理站在爱因斯坦一边——是的,他的初衷确实是这样的,他是爱因斯坦的忠实粉丝——提出了著名的贝尔不等式,其简化的数学形式是N(a,-b)+N(b,-c)≥N(a,-c)。这个不等式使得上述思想实验得以在实验室进行。也就是说,如果事实如爱因斯坦所设想的,电子自旋态是电子确定的客观实在的秉性,实验结果会符合贝尔不等式;如果事实如玻尔所料,即电子自旋是我们观测时才确定的,那么实验结果将不符合贝尔不等式。”
“这个……贝尔不等式的数学意义,可以说得浅显点儿么?我数学不好,嘿嘿……”司空有为笑道。
“那打一个粗浅的比方吧。人有很多固有的属性。比如说,成年人的属性是a,未成年人的属性是-a;男性的属性是b,女性的属性是-b;双眼皮的属性是c,单眼皮的属性是-c。贝尔不等式N(a,-b)+N(b,-c)≥N(a,-c)的意思就是说,一大屋子人,有男有女有老有少有单眼皮有双眼皮——某种属性的人数为0也可以啊——一定满足:成年女性的数目+单眼皮男性的数目≥单眼皮成年人的数目。”
“也就是说,如果电子自旋属性类似于男性、女性这样的固有属性,那么实验结果将满足贝尔不等式?”司空有为问道。
“非常正确。电子自旋在每一个维度上都有+和-两种自旋,那么在我们这个三维空间中,就有上、下、左、右、前、后一共六种自旋,对应上面说的a、-a、b、-b、c、-c。从1964年到现在,实验物理学家设计了若干种实验来验证贝尔不等式,实验精度越来越高、越来越接近EPR佯谬的理想状态,结果都是不满足贝尔不等式。”
“也就是说,电子自旋这种属性不同于男性女性这一类客观实在的属性?”
“是这样的。爱因斯坦想错了。实际上,两个粒子之间分开后还是有相互作用的。例如,如果测量一个电子的自旋为上自旋,那么电子对中另一个电子必然是下自旋——无论这两个电子被分开多远——这就是‘量子纠缠’。”两人都沉默了一会儿。朱伏心补充说道:“可以说,一部人类科技发展史,就是顶级科学家不断打脸前辈顶级科学家、然后又不断被后来的顶级科学家打脸的历史。”
注:
[1]物理学四大神兽分别是:芝诺的乌龟、拉普拉斯妖、麦克斯韦妖、薛定谔的猫。
[2]在爱因斯坦构筑完他有关空间、时间及引力的理论——广义相对论——之后,他于 1917 年转向了对整个宇宙时空结构的思考,并且遇到了一个问题。爱因斯坦当时假定,如果对许多星球作适当的平均,宇宙应该是均匀并且大体上静态的。但广义相对论的方程看来并不允许一个与时间无关的解来描述一个带有均匀物质分布的宇宙。因此爱因斯坦修改了他的方程,引进了一个新的项,其中带有一个被他称为宇宙学常数的量。但后来人们发现宇宙并不是静态的,爱因斯坦于是后悔自己不必要地引入了这个宇宙学常数。他或许也为自己错过了对宇宙膨胀的预言而遗憾。