星辰大海，永不止步

1925年夏天，在荒蕪、偏僻、北風(fēng)肆虐的黑爾戈蘭島上，23 歲的德國青年沃納·海森堡在此構(gòu)建了“量子論”，揭開了擋在我們與真相之間的那道帷幕。這一偉大的科學(xué)革命，在人類的精神世界投下炸彈。當(dāng)原本堅(jiān)不可摧的事物受到質(zhì)疑，就會(huì)打開新的道路，讓我們能夠看得更遠(yuǎn)。

繼《七堂極簡物理課》后，意大利理論物理學(xué)家卡洛·羅韋利繼續(xù)帶來《量子物理如何改變世界》，今天夜讀，從作者詩意的語言中，走進(jìn)量子理論的奇妙世界。

[意] 卡洛·羅韋利 著｜王子昂 譯

磨鐵·文治圖書｜浙江科學(xué)技術(shù)出版社

我和卡斯拉夫坐在離海幾步之遙的沙灘上。我們熱烈地交談了數(shù)個(gè)小時(shí)。一次研討會(huì)的下午休息期間，我們來到了香港的南丫島。卡斯拉夫是量子力學(xué)領(lǐng)域的知名專家。他在研討會(huì)上展示了對一個(gè)復(fù)雜思想實(shí)驗(yàn)的分析。從密林邊緣的小徑到沙灘，隨后再到海邊，我們就此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了反復(fù)討論。最后我們的想法基本達(dá)成了一致。在沙灘上，我們看著大海，沉默良久。真是難以置信，卡斯拉夫喃喃道，人們?nèi)绾文軌蛳嘈牛烤秃孟瘳F(xiàn)實(shí)……從未存在過一樣……

▲ 卡洛·羅韋利與演員本尼迪克特·康伯巴奇，后者演繹電影《奇異博士》而對量子物理充滿興趣

在量子領(lǐng)域，我們已經(jīng)走到了這一步。一個(gè)世紀(jì)以來，這一領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)出舉世轟動(dòng)的科學(xué)成果，還贈(zèng)予了我們當(dāng)代科技，為整個(gè)20世紀(jì)物理學(xué)提供了根基。認(rèn)真回顧這一科學(xué)史上最為成功的理論，我們會(huì)不由得感到驚詫、困惑、難以置信。

曾有過那樣一個(gè)時(shí)刻，世界運(yùn)行的基本原理似乎非常清楚：形形色色的事物歸根結(jié)底好像都是由物質(zhì)微粒構(gòu)成的，并只受寥寥幾種力的驅(qū)動(dòng)。人類曾一度認(rèn)為“摩耶”的面紗已被揭開：認(rèn)為自己徹底看透了現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)。但這一狀況未能長久，因?yàn)樵S多事實(shí)與理論不符。

直到1925年夏天，一位23歲的德國青年來到北海上一座多風(fēng)的島嶼——“圣島”黑爾戈蘭島，度過了一段坐立不安的孤單日子。在這座島嶼上，他發(fā)現(xiàn)了一種能解釋所有棘手事實(shí)的想法，并構(gòu)建了量子力學(xué)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)——“量子論”。這一理論的發(fā)明也許是有史以來最偉大的科學(xué)革命。這位青年的名字是沃納·海森堡（1901—1976）。這本書要講的故事，便是由他開啟的。

▲ 沃納·海森堡

量子論澄清了化學(xué)的根基，解釋了原子、固體、等離子體的運(yùn)作方式，解釋了天空的顏色、大腦內(nèi)部神經(jīng)元的構(gòu)造、恒星的運(yùn)動(dòng)、星系的起源……世界上成千上萬個(gè)方面的問題。從電子計(jì)算機(jī)到核電等最新科技的根基也是量子論。工程師、天體物理學(xué)家、化學(xué)家和生物學(xué)家每天都在運(yùn)用量子論。量子論的基礎(chǔ)知識已經(jīng)成了高中課堂的必修知識點(diǎn)。量子論從未出錯(cuò)。它是現(xiàn)今科學(xué)的有力心臟。但它神秘莫測，還有些許令人不安。

量子論打破了世界是由沿固定軌道運(yùn)動(dòng)的微粒組成的這一我們原有的現(xiàn)實(shí)圖景，卻沒有說明，若非如此，我們又該如何認(rèn)知這個(gè)世界。量子論的數(shù)學(xué)計(jì)算并不描述事實(shí)，它不會(huì)告訴我們“何物存在”。在量子理論的視角下，相距甚遠(yuǎn)的物體之間似乎有著魔法般的聯(lián)系。物質(zhì)被奇詭的概率波替代。

任何一個(gè)停下來問自己，量子論究竟告訴了我們關(guān)于真實(shí)世界的什么事情的人，都仍然滿懷迷惑。盡管愛因斯坦預(yù)見的一些想法將海森堡引到了正確的道路上，但他最終也沒能完全消化理解它們；20世紀(jì)后半葉偉大的理論物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼也稱沒有人理解量子。

▲ 《生活大爆炸》劇照

然而，科學(xué)就是如此：科學(xué)是探索全新的思考世界的方式，是不斷推敲質(zhì)詢我們現(xiàn)有的概念的能力，是那股敢于反抗權(quán)威的、批判性的前瞻性力量，這力量有能力改變其本身的概念根基，從零開始重新描繪世界。

量子論的奇怪之處令人迷惑不解，但同時(shí)，它也為我們開辟了全新的認(rèn)知現(xiàn)實(shí)的視角，讓我們得以窺見一種比從單純的物質(zhì)主義視角看到的、由空間中的粒子構(gòu)成的現(xiàn)實(shí)更加深刻微妙的現(xiàn)實(shí)。這是一種由關(guān)系而非物體構(gòu)成的現(xiàn)實(shí)。

量子論為我們提供了全新的思路來重新思考宏大問題，比如現(xiàn)實(shí)的結(jié)構(gòu)、經(jīng)驗(yàn)的本質(zhì)、形而上學(xué)，或許甚至還有意識的本質(zhì)。上述問題都是科學(xué)家和哲學(xué)家們熱烈探討的，也是我在本書中要談?wù)摰脑掝}。

在荒蕪、偏僻、北風(fēng)肆虐的黑爾戈蘭島上，沃納·海森堡揭開了擋在我們與真相之間的那道帷幕，而帷幕之后卻現(xiàn)出了一道深淵。本書要講的故事，就從海森堡萌生想法的這座島嶼開始，隨后將從現(xiàn)實(shí)的量子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)逐漸擴(kuò)展到探討范圍更寬廣、更為開放的問題。

▲ 《奇異博士2：瘋狂多元宇宙》

我的作品面向的，首先是不了解量子力學(xué)，但有興趣盡自己所能去理解量子力學(xué)是什么、意味著什么的讀者。我要盡可能地做到敘述簡潔，因此一切對把握問題核心并非不可或缺的細(xì)節(jié)，我都略而不談。我要盡可能地做到清晰易懂，因?yàn)槲姨接懙氖强茖W(xué)中最晦澀難懂的理論。與其說我講的是如何理解量子力學(xué)，不如說我只是解釋了為什么量子力學(xué)是如此難以理解。

但這本書也是為那些越是深入研究量子論，就越是感到疑惑的同僚——科學(xué)家和哲學(xué)家——而寫；為的是能夠讓正在進(jìn)行中的、關(guān)于這個(gè)持續(xù)讓我們感到驚奇的物理理論的意義的探討繼續(xù)開展，也為了能夠獲得一個(gè)更為整體化地看待它的角度。本書為那些對量子力學(xué)已有所了解的讀者附加了許多注釋。同時(shí)，為使內(nèi)文更具可讀性，更加精確的描述將在注釋的部分進(jìn)行。

我在理論物理學(xué)領(lǐng)域的主要研究對象是理解空間和時(shí)間的量子性質(zhì)，使量子論與愛因斯坦有關(guān)空間和時(shí)間的發(fā)現(xiàn)更加融貫一致。我發(fā)現(xiàn)自己在持續(xù)不斷地思考關(guān)于量子的事情。本書是我思考至今得到的成果。它并未忽視不同的觀點(diǎn)與意見，但也有它自己堅(jiān)定的傾向性；它專注于介紹我認(rèn)為最有效力，同時(shí)也為我們打開了最廣闊而有趣的前景的一種視角，即對量子論的“關(guān)系性”解讀。

▲ 《蜘蛛俠：平行宇宙》（2018）

在開始閱讀前，有一事需讀者悉知。未知的深淵永遠(yuǎn)對人具有吸引力，也總是令人目眩神迷。認(rèn)真思考量子力學(xué)，反思它給我們帶來的啟示的過程幾乎是一種近似迷幻體驗(yàn)的經(jīng)歷：它總是變著花樣要求我們放棄自己對世界的認(rèn)識中被認(rèn)為是堅(jiān)不可摧、無懈可擊的東西，它要求我們接受現(xiàn)實(shí)與我們的想象有著深刻差異這一事實(shí)，要求我們不要懼怕深不可測的未知之物，要敢于將目光投入深淵。

......

世界不是連續(xù)的，而是粒子性的，它具有一個(gè)可測量的最小單位。不存在任何無限小的事物。它告訴我們，未來不是由過去決定的。

動(dòng)蕩起伏的量子世界中，數(shù)十億個(gè)不連續(xù)的點(diǎn)狀變量被化約成了我們?nèi)粘Ｉ罱?jīng)驗(yàn)中少量連續(xù)的、確定的變量。

用我們的尺度去觀察世界，就像從月球上觀察波濤洶涌的大洋，它就像是靜止的玻璃珠的平靜表面。因此，我們的日常經(jīng)驗(yàn)與量子世界是相互兼容的，用量子理論可以理解經(jīng)典力學(xué)，可以理解我們通常情況下所認(rèn)知的世界不過是由一些近似值構(gòu)成的。就好像一個(gè)視力正常的智者能夠理解為什么一個(gè)近視的人無法看到在火上的鍋里的水會(huì)沸騰一樣。在微粒的尺度上，一把鋼刀的利刃也像狂風(fēng)暴雨肆虐的白色沙灘邊緣一樣，是波動(dòng)的、不確定的。能看到確定的世界的經(jīng)典視角就是我們的近視視角。經(jīng)典物理的確定性都只是概率。舊物理體系中明晰而確定的世界圖景不過是幻覺。

青年沃納·海森堡引起的概念爆炸比幾千噸 TNT 炸藥引發(fā)的爆炸更具有摧毀性，它把我們曾經(jīng)用來理解現(xiàn)實(shí)的邏輯炸成了碎片。

萬物之中都存在著某種讓人迷惑的東西。堅(jiān)實(shí)可靠的現(xiàn)實(shí)似乎被消解，從我們的指縫間流逝，流回了無盡的相互關(guān)聯(lián)之中。

寫完這幾行字，我停筆看向窗外。窗外還是有雪。加拿大這邊的春天來得晚。我的房間里燃著一處壁爐，我得起身添些木柴。我正在書寫現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)。我看著壁爐的火焰問自己，我所討論的是哪個(gè)現(xiàn)實(shí)？是這雪嗎？是這微弱的火苗嗎？還是我在書上讀到過的現(xiàn)實(shí)？還是只是我皮膚上感到的熱度，不知名的橙紅色閃爍，以及即將到來的藍(lán)白色破曉？

一時(shí)間，這些感覺也讓人感到混亂。我閉上眼睛，看到了波光粼粼、色彩明艷、如帷幕般的湖泊，而我仿佛要沉入這湖泊中。這也是現(xiàn)實(shí)嗎？紫色和橙色的形狀翩翩起舞，而我卻已不再身處其中。啜飲一口茶，我重新點(diǎn)燃火焰，微微一笑。我們是在變幻莫測的色彩海洋中航行，而我們手中有上好的地圖，可以協(xié)助我們找到方向。但我們思維的地圖與現(xiàn)實(shí)之間是存在距離的，就像航行者手中的航海圖與海浪之間是有距離的一樣——海浪猛烈撞擊在懸崖的白色礁石上， 礁石上方海鷗盤桓。

我們頭腦中組織結(jié)構(gòu)的那層脆弱的面紗告訴自己，我們原先對現(xiàn)實(shí)的認(rèn)知比一個(gè)蹩腳的導(dǎo)航工具好不到哪里去。我們想在它的指引下穿過無盡迷霧，了解這個(gè)萬花筒般光怪陸離的世界。我們對自己身處這樣的世界感到驚奇，將其稱為“我們的世界”。

我們可以對手中的航海圖滿懷信心，不去提什么問題，也能穿過迷霧，在它的彼岸如常地生活下去。我們可以保持沉默，感動(dòng)并臣服于這世界的光芒和無限的美麗。我們可以走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，耐心地坐在桌前，點(diǎn)上一支蠟燭，或是打開一臺 MacBook Air電腦，與朋友或?qū)κ痔接憜栴}，回溯時(shí)光，退回到黑爾戈蘭島上進(jìn)行計(jì)算，在黎明時(shí)爬上一塊礁石。或者，我們也可以喝口茶，重新點(diǎn)燃壁爐中的火焰，動(dòng)筆書寫，嘗試與讀者們一起再多理解一些關(guān)于粒子的事情，重新拿起這張航海圖，為優(yōu)化它的一小部分做出貢獻(xiàn)，再一次，重新思考大自然。

原標(biāo)題：《量子物理是青年看待世界的方式，敢于將目光投向未知｜此刻夜讀》

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