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上帝要扔骰子了──《上帝掷骰子吗──量子物理史话》读后感
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[上帝要扔骰子了──《上帝掷骰子吗──量子物理史话》读后感]如今的网络时代是个人人可做写手的年代,每个人都可以在各类网站上尽情的长篇大论,有人写爱情故事,有人写玄幻小说,有人写鸡毛蒜皮,上帝要扔骰子了──《上帝掷骰子吗──量子物理史话》读后感.而这位曹天元比较“另类”,他居然写起了量子物理史话,因为少见,所以他的工作在科普缺乏的中国更显得特别突出.这本《上帝掷骰子吗》可以算一本比较高端的科普读物,由作者在论坛的帖子集结而成,我很同意在本书的“序一”中清华的刘兵对此书的总体评价──“努力言说不可言说之事”.是的,量子物理作为一门相对比较年轻的理论科学,其涉及到微观世界,与人们的日常生活没有很直接的联系,不像经典物理那样,一个万有引力用苹果的故事就可以说清楚大概,你怎样让人想象人们肉眼无法看清的世界或是肉眼无法企及的宇宙呢?所以作者确实在啃一块硬骨头,但是他很难得的做的不错,这本书应该来说对于有中学基本物理概念的读者都可以读懂大部分内容,就如我这样的读者.虽然到后面那带有“唯心”色彩的人择理论,带有科幻色彩的平行宇宙理论让我无比惊讶,那超弦理论让我很难理解,但是大体上我还是了解了理论物理从建立至今的过程,同时伴随书中量子物理领域的每一个突破,我的大脑也会随之一阵兴奋.正如副标题所说,这是一本量子物理的“史话”,它不是一本教科书,讲述的是一门科学的历史,又因为不是“历史”而是“史话”,所以,作者可以作些发挥,叙事不必过分严谨,这样的角度令作者言说这“不可言说之事”显得倒也颇为应手.但凡涉及科学的读物,其严谨性总是值得关注的,特别是在科学常识上它是否有所谓的“硬伤”.显然,作为一本科普读物,出现些科学上的不严谨是不可避免的,毕竟,如果用纯科学的严谨语言讲述科学知识很难让大众理解,而用生活化的语言讲述又往往表达的不够准确,所以从科普角度看,我认为值得在科学的严谨性上做出一定的牺牲,这可以看作科普的“成本”之一.在这本书中,作者大量使用或是借鉴了很多类比的例子,这种方法对于读者理解很多概念显然是大有好处的,我不是量子物理学方面的专家,所以我没法对本书的科学严谨性做出判断.看得出,作者对量子物理应该是非常熟悉的,加之该书的前身是论坛的帖子,已经经受了广大网友的鉴别和反馈,所以在成书时,科学的硬伤应该已经大大减少.我认为这本书是成功的,尽管由于量子物理本身的抽象性和难度,作者不可避免的使用很多了霍金眼中会大大降低科普书销量的数学公式,但是总的来看在严谨性与可读性上取得了较好的平衡,我想能拿起这本在封面上就指明讲述量子物理历史的人,应该是对科学有兴趣的人,应该是有一定科学素养的人,所以一些数学公式应该不会吓跑他们,读后感《上帝要扔骰子了──《上帝掷骰子吗──量子物理史话》读后感》.本书厚度超过了300页,如今很多人恐怕连300页的小说都看不下去,更别说厚厚的一本科普书籍了.所以,作者也在本书中插入了很多“饭后闲话”,讲述一些趣闻逸事,甚至如薛定谔的女友这样挺八卦的事,这就让读者在吸收了一通科学理论之后可以有些“课间休息”的时间.本书讲述的是一段激动人心的科学历史,看的出作者对量子物理由衷的热爱,同时对这门科学的评价非常高.另外,作者也显然有很广的阅读面,所以在写作时可以天南地北,信手拈来,充分利用其他领域的素材阐述科学.作者对那些在量子物理界光耀千秋的科学家的崇敬溢于言表,而且对量子物理界的每一个突破都有着由衷的激动,这让他有时候会抒情过度,很多诗话的抒情让人读着有些别扭.不过他很成功的一点就是在描写诸多科学家时,不是简单讲述他们的贡献而将其符号化,而是从各个角度阐述这些人的性格特征,让他们的形象跃然纸上.如爱打赌的霍金,晚年倔强的爱因斯坦,宽厚的玻尔等等,而同时他抓住科学界的一切可以发挥出趣味性的地方发挥,如“薛定谔的猫”,“量子自杀”等等.总之,作者尽可能用“与时俱进”的言说方式来向大家讲述一段大大改变人类发展的历史,一部科普作品的意义不应该单单在于普及科学知识,更大的作用还是在于激发大家对科学的兴趣,培养科学的态度,同时让公众认识到这些往往在幕后推动人类前进的科学英雄.这些科学精英们本着探索的精神深入到更神奇的领域去探索宇宙运转的规律,他们最初的动机或许就是求知,自己也没有想到量子物理对世界的重大影响,就如当初很多科学家探索电的奥秘,却没有想到电的应用完全改变了人类的生活方式.我们理应对他们的工作表示敬意,他们并不需要摇滚歌星般的疯狂崇拜,他们只希望得到大众的认同,更希望大众更多的支持科学的事业,让科学的火种绵延不绝.《上帝掷骰子吗》是本成功的科普读物,从中我们也可以总结出成功科普读物的一些特点,他的作者无疑首先应该了解阐述的科学领域,但是不需要一定精通,就如教师在课堂讲课更关键的是他的表达能力.作者应该有更广泛的兴趣,只有这样他才能够从更丰富的角度以公众能够接受的语言进行科学的普及.这本书成功的向大家讲述了量子物理的一段历史,或许并不完全准确,但是我们毕竟可以知道这门科学的发展历程,我们毕竟了解了很多基本的量子物理理论,我们毕竟了解了大批伟大的科学家的事迹.对于一本科普读物来说,这已经足够了.　　〔上帝要扔骰子了──《上帝掷骰子吗──量子物理史话》读后感〕随文赠言：【这世上的一切都借希望而完成,农夫不会剥下一粒玉米,如果他不曾希望它长成种粒；单身汉不会娶妻,如果他不曾希望有孩子；商人也不会去工作,如果他不曾希望因此而有收益.】
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上帝掷骰子吗:
序如果要评选物理学发展史上最伟大的那些年代，那么有两个时期是一定会入选的：17世纪末和20世纪初。前者以牛顿《自然哲学之数学原理》的出版为标志，宣告了现代经典物理学的正式创立；而后者则为我们带来了相对论和量子论，并最彻底地推翻和重建了整个物理学体系。所不同的是，今天当我们再谈论起牛顿的时代，心中更多的已经只是对那段光辉岁月的怀旧和祭奠；而相对论和量子论却仍然深深地影响和困扰...
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3.上帝掷骰子吗？
量子理论虽然是许多年轻人创建的集体物理学，但领袖人物还是屈指可数的。
1900年，普朗克的论文打开了潘多拉的盒子，释放出‘量子’这个妖精。那年，刚从瑞士的苏黎世工业大学毕业的爱因斯坦，21岁，正在四处奔波，焦头烂额地找工作，15岁的玻尔还只是哥本哈根一个顽皮的中学生。谁也料不到，这两个年轻人在十几年后成为了物理界的两大巨擎，而且，在量子理论的基本思想方面，两人巅峰对决，展开了一场一直延续到他们去世的旷世之争。
波尔与爱因斯坦的量子之争可以概括为一个著名的问题：上帝掷骰子吗？要解释清楚这个量子论中的哲学问题，我们首先介绍一下著名的杨氏双缝干涉实验。
杨氏双缝实验比量子论的历史还要早上100年。当初的法国物理学家托马斯·扬用这个简单实验挑战牛顿的微粒说，证明了光的波动性。原始的实验装置异常简单，这实验的影响却波及了几百年。托马斯·扬用经过一个小孔的光作为点光源，点光源发出的光穿过纸上的两道平行狭缝后，投射到屏幕上。然后，观测者可以看到，屏幕上形成了一系列明暗交替的干涉条纹。干涉是波特有的现象，因此，实验中出现的干涉条纹是光的波动性强有力的证明（见图1(a)）。
2002年，《物理世界》杂志评出十大经典物理实验，‘杨氏双缝实验用于电子’名列第一名。费曼认为，杨氏双缝电子干涉实验是量子力学的心脏，“包括了量子力学最深刻的奥秘”。
读者应该还记得我们在本文的第一节提到过的量子力学中神秘的‘叠加态’。电子双缝实验证实了电子叠加态的存在。那么，这个实验是如何相关于量子力学？又如何揭示了量子力学中最深刻的奥秘？实验中哪儿出现了神秘的叠加态？这个实验与‘上帝掷不掷骰子’又有什么关系？这些都是需要澄清的问题，且听我们慢慢道来。
首先，为什么说双缝实验中的干涉条纹是波的特征呢？让我们简单说明一下条纹的形成。
再看图1(a)，点光源发出的光，作为一种波，抵达狭缝。根据惠更斯原理，波面上的每一点都是一个子波源。因此，经过两条狭缝之后的波，可看作是位于两条狭缝处的子波源所发出的两列波的叠加。‘波的叠加’意味着‘振幅的叠加’：如果两列波到达同一位置时，振动方向相同，叠加后振幅增大；反之，如果振动方向相反，互相抵消，使得叠加后振幅减小。因为叠加后的振动在不同位置的增大或抵消，便形成了屏幕上明暗相间的干涉条纹。（图1(a)右边的图案）
【图1（c）表示的是光波在屏幕上的强度分布。我们看到的曲线p是一条上下振动的图像，这对应于明暗相间强度变化的干涉条纹。】
如上所述，图中的(a)和(c)说明的都是‘双缝实验’的情形，图(b)又是什么呢？那是两次‘单缝实验’的结果。如果将一条狭缝遮住，就可以分别作两次单缝实验，我们发现，这两次单缝实验的结果都没有条纹，单缝实验光强度的分布，即波动振幅的平方，分别由(b)中的曲线p1和p2表示。
我们再次研究(b)、(c)中的曲线：p1、p2是单缝实验的强度分布，p是双缝实验的强度分布。显然，p并不等于p1、p2的简单叠加，事实上，它是单缝实验的振幅叠加后的平方。这是波动的特点，也是干涉条纹的来源。
如果用粒子来作双缝实验，会产生什么结果呢？读者会说：是用粒子，不是波，那就得不到干涉条纹了。答得很对，但是，不要忘了，我们的所谓粒子，有两种，除了经典意义下的粒子外，还有一种量子力学中的行为古怪的粒子。因此，我们遵循费曼设计的实验，对比一下水波、子弹和电子分别通过双缝时的不同行为。
水波的情况刚才已经说明过了，由图1表示。下面的图2则是用子弹（经典粒子）进行双缝实验的结果。
设想用一挺机关枪向狭缝扫射（图2(a)），子弹的发射服从经典概率统计规律。我们假设：一粒一粒发射出来，而又穿过狭缝到达了屏幕的子弹中，50%的几率是通过第一条縫而来，50%的几率通过第二条縫而来。假设每个打到屏幕上的子弹形成一个亮点的话，发射一定数目的子弹之后，在屏幕上就有了一个亮点聚集而成的图像（图2(a)右）。我们从实验结果发现：这个图像不同于波动的情形，它不是明暗相间的干涉条纹，而是从中心到两边，亮度逐渐下降的图像，如图2(c)的曲线p所示。
类似于波动双缝实验，我们也可以分别将狭缝之一关闭，对另一个开缝做两次子彈单缝实验，实验结果的两条亮度分布曲线由图2(b)中的p1、p2表示。比较图1(b)和图2(b)，不难看出，子弹单缝实验结果与水波单缝实验结果是相同的。然而，两种情形的双缝实验结果完全不同。子弹双缝实验的结果p，是两个单缝实验结果p1和p2的简单叠加，这是由概率的叠加性决定的。
总结以上所述，水波的双缝实验结果是相干叠加，体现水的波动性；子弹的双缝实验结果是非相干叠加，体现子弹的粒子性。如果我们用电子（或是光子及其它微观粒子）来作实验，结果又将如何呢？
我们可以类似于子弹的情形，用电子枪将电子一个一个地朝着狭缝发射出去。如图3所示：
电子单缝实验的结果如图3中的(b)，曲线p1、p2与水波和子弹时一致。然而，电子双缝实验的结果p却是与水波的一样，出现了干涉条纹！
这个结果令经典物理学家们感到意外，因为，实验中的电子，和机枪发射子弹一样，是由电子枪一个一个发射出去的。因为在经典物理中，我们认为电子是粒子。既然是粒子，它的宏观轨道行为，应该和子弹没有实质的差别。双缝实验时，虽然两条缝都是打开的，但是每一个电子，应该象一个子弹那样，只能通过其中的一条缝到达屏幕。这样，结果就应该和子弹的结果一样，应该属于非相干叠加。
实验观察结果也显示，电子的确是像子弹那样，一个一个到达屏幕的，如下图所示，对应于到达屏幕的每个电子，屏幕上出现一个亮点。随着发射的电子数目的增加，亮点越来越多，越来越多……。当亮点多到不容易区分的时候，接收屏上显示出了确定的干涉图案。这是怎么一回事呢？这干涉从何而来？从电子双缝实验，我们会得出一个貌似荒谬的结论：一个电子同时通过了两条狭缝，然后，自己和自己发生了干涉！
让我们运用量子论的概念，来理解电子这种不同寻常的非经典行为：实验中的电子同时穿过了两条狭缝，不就是相似于我们在第一节中说过的：‘电子处于一种叠加态，既在位置A，又在位置B’的情形吗？作为量子论中的叠加态粒子，每个电子（或光子）真是像孙悟空一样，有分身术，一个孙大圣到了两条狭缝处，就变成了两个大圣，同时穿过了两条狭缝！然后，两个真假孙悟空又自己跟自己打起来了！争斗的结果，有可能是双赢，变出一个大孙悟空，打得屏幕上异常明亮；也有可能两败俱伤，真假悟空全死光，那时，就对应于屏幕上暗淡的地方。
因此，双缝实验的结果表明：电子的行为既不等同于经典粒子，也不等同于经典波动，它和光一样，既是粒子又是波，兼有粒子和波动的双重特性，这就是波粒二象性。
读者也许会说：每个电子到底是穿过那条狭缝过来的，我们应该可以测量出来呀。不错，物理学家们也是这样想的。于是，他们便在两个狭缝口放上两个粒子探测器，以判定真假孙悟空到底走的那一边？然而这时，奇怪的事又发生了：两个粒子探测器从来没有同时响过！那好呀，这说明还是只有一个孙悟空，并没有分身。实验者感觉松了口气，刚刚想思考思考这干涉条纹的事，回头一看屏幕，咦？哪有什么干涉条纹呀。物理学家们反复改进、多次重复他们的实验，却只感到越来越奇怪：无论我们使用什么先进测量方法，一旦想要观察电子到底通过哪条狭缝？干涉条纹便立即消失了！也就是说，假孙悟空太狡猾了，他好像总能得知我们已经设置了抓他的陷阱，便隐身遁形不露面。悟空不用分身术，没有真假大圣间的战争，战场上也就没有了叠加和死伤，一切平静，实验给出经典的结果：和子弹实验的图像一模一样！后来，物理学家们给这种“观测影响粒子量子行为”的现象，取了一个古怪的名字，叫做：“波函数坍塌”。就是说：量子叠加态一经测量，就按照一定的概率，塌缩到一个固定的本征态，回到经典世界。而在没有被测量之前，粒子则是处于‘既是此，又是彼’的混合叠加不确定状态。因此，我们无法预知粒子将来的行为，只知道可能塌缩到某个本征态的概率。
以上解释使用的基本上是以波尔为代表的哥本哈根学派对量子理论的诠释。换言之，孙悟空具有分身而同时穿过两个洞的本领。但是，你无法得知他这功夫究竟是怎么回事，他绝不让你看到他玩分身术的详情，他只让你知道几个概率，上天派他到人间来掷骰子！
爱因斯坦不同意哥本哈根派的诠释，生气地说：“玻尔，上帝不会掷骰子!”
玻尔一脸不高兴：“爱因斯坦，别去指挥上帝应该怎么做!”
几十年后的霍金，看着历年的实验记录，有些垂头丧气地说：“上帝不但掷骰子，他还把骰子掷到我们看不见的地方去!”
上帝掷骰子吗？尽管以上霍金之言给出肯定的答案，但似乎至今仍然是个悬而未决的问题。
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