我们不再理解这个世界了吗？

题图：黑洞

 

很久没有关注诺贝尔物理学奖了。

一向以为，自然科学中越是意义深远、贡献巨大的发明与发现，越是出奇的简洁有力，看看经典力学中的牛顿三大定律，看看电磁理论中神奇的麦克斯韦方程组，再看看信息论中清晰明了的香农公式，还有相对论中的爱因斯坦质能方程......

它们无一不是构成简单，形式优美。

当近些年来一项项获奖的研究与实验，需要太多十分深入的领域知识和特别狭窄与细微的专业化文字表述时，顿时兴趣索然，满头的困惑似乎正在无情地提醒自己：

你老了！看不懂了！

看不懂的不只是科学，还有这个剧烈变化的世界。

2020年，智利的一位80后小说家拉巴图特（Benjamin Labatut）出版了他的新书，书名就叫《当我们不再理解这个世界》。

在拉巴图特描述的世界里，常常让人分不清究竟是纪实还是虚构？传记还是想象？觉醒还是梦幻？

这或许就是当今世界的表现。

如此说来，看不懂的大有人在，且与年龄和代沟无关。

左起：阿斯佩（Alain Aspect）、克劳泽（John F. Clauser）、塞林格（Anton Zeilinger）

 

10月4日瑞典皇家科学院宣布，将2022年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家阿斯佩、美国理论和实验物理学家克劳泽和奥地利物理学家塞林格，以表彰他们为纠缠光子实验、证明违反贝尔不等式和开创性的量子信息科学所作出的贡献。皇家科学院的声明还说：他们三人分别利用纠缠的量子态进行了突破性的实验，其中两个粒子即使被分开也表现得像一个整体。他们的成果为基于量子信息的新技术扫清了道路。

与此同时，诺贝尔基金会称：2022年物理学奖得主有关实验工具的开发，为量子技术的新时代奠定了基础。它让人们能够操纵和管理量子态及其所有层级的属性，从而获得具有意想不到潜力的工具。目前正在进行的密集研究与开发，集中在利用单个粒子系统的特殊属性来构建量子计算机、改善测量、建立量子网络以及建立安全的量子加密通信。

记得前些年国内的量子通信曾被炒得沸沸扬扬，甚至实用化唾手可及，让人感觉一项世界顶级成果呼之欲出，那位P姓学者更是如日中天，所向披靡。但不知为何只过了几年，一切便销声匿迹，重归沉默。

量子技术真的能控制自如并从根本上颠覆以往的通信与计算机技术吗？

我们拭目以待。

回顾近些年国际上备受关注的物理学研究，包括相关的诺贝尔物理学奖，你会发现，它们始终在宏观经典力学与微观量子力学这两级角逐。结果时空、黑洞、量子纠缠、薛定谔的猫等概念通过媒体影视走入千家万户，一时间大热。

人们在娱乐之余忽然产生出一种怀疑：真实世界真的会被虚拟世界替代吗？

如果是这样，人生的意义何在？

逃逸速度的计算：经典力学表现得总是那么简捷

 

先从宏观的逃逸速度说起。

所谓逃逸速度（Escape velocity），是指一个没有动力的物体想要脱离一个天体表面所必须拥有的最低速度。它与天体表面的重力有关，却与物体本身质量无关。例如，不考虑地球大气影响，一个物体，不论多重，要想离开地球，它的速度必须超过每秒11.2公里。而太阳表面的重力要比地球大得多，因此需要超过每秒618公里的速度才能逃出太阳。月球呢？它的逃逸速度只有每秒2.4公里。

试想，当一个天体的质量足够紧密，在时空中表现出极强的引力，以至于令逃逸它的速度超过光速时，所有粒子，包括像光这样的电磁辐射都无法逃逸这个区域，这就是黑洞（black hole）。

广义相对论预测：巨大的引力可以扭曲时空，形成黑洞，而那个无法逃逸的区域边界便称为事件视界（Event Horizon）。

那么，既然连光都跑不出来，人们又如何观察到黑洞的存在呢？

答案是：通过围绕着它运行的恒星。

如果有其它恒星围绕着黑洞运行，这些极亮的恒星是可以被观察到的，于是人们通过这些恒星的轨道就可以算出黑洞的质量与位置。

当围绕黑洞运行的恒星因摩擦而发热时，会导致它的速度越来越慢。一旦速度低到无法抗拒黑洞外围引力的作用时，引力坍塌，恒星生命周期结束，从此坠入黑洞。

黑洞示意图

黑洞的最中心是奇点（Singularity）

黑洞的半径是事件视界（Event Horizon）

长度可达数千甚至数十万光年的相对论性喷流（Relativistic jet）

图中最明亮的物质是因摩擦生热而在黑洞外围形成的吸积盘（Accretion disc），它的高温会发出X射线

 

黑洞正是通过吸收周边的其它恒星并与之合并，才形成数百万太阳质量的超大质量黑洞的。如今天文学家已经测定，银河系核心的人马座A*的电波源包含有一个超大质量的黑洞，其质量大约是太阳质量430万倍。

长期以来，黑洞一直被认为仅仅来自数学上的好奇。早在18世纪，著名的拉普拉斯等人就曾想到，当一个物体的引力场强大到光线都无法逃逸时，就会形成黑洞。

1915年，爱因斯坦发表广义相对论。几个月后，一位德军上尉在“一战”战场上，神奇地为爱因斯坦的重力场方程给出了广义相对论的第一个精确解！

这个解就是计算出的黑洞半径——事件视界。

不错，黑洞是计算出来的！

卡尔·施瓦西（Karl Schwarzschild，1873–1916）

 

这位德军上尉便是大名鼎鼎的德国天文学家、物理学家，普鲁士科学院院士和波茨坦天体物理天文台台长施瓦西。

施瓦西把计算结果第一时间寄给了爱因斯坦。在给爱因斯坦的信中他说：“就如你所看到的，这场战争对我并不坏，虽然身处战火之中，但是战争让我暂时远离这个世界的纷扰，悠游在你所创造的世界里。”

爱因斯坦接到信后异常兴奋，因为当时就连他本人也只是算出了近似解。

更无法想象的是，当时的施瓦西已经病入膏肓，还身处作战前线。

1916年，爱因斯坦就这一杰出结果致信施瓦西：“我怀着极大的兴趣阅读了你的论文。我没有想到，人们可以用如此简单的方式提出问题的确切解决方案。我非常喜欢你对这个问题的数学处理。下周四我将向学院提交这份工作，并作一些解释。”

可惜，此时的施瓦西已无法读到这封回信了，他于1916年5月病逝，死于自身免疫性疾病天疱疮，时年42岁。

1921年爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖时的官方照片（Albert Einstein，1879–1955）

 

施瓦西的发现深刻颠覆了他自己对空间组织的概念。根据他的计算，当一颗恒星处于崩溃的边缘时，它会被压缩，密度增加，直到引力扭曲了它周围的空间和时间。其结果套用拉巴图特的话：那是一个无法逃避的深渊，与宇宙的其它部分永久隔绝，其中心是奇点：一个体积无限小、密度无限大、引力无限大、时空曲率无限大的点。在这个点，目前所知的物理定律全部不适用，空间和时间的概念变得毫无意义！

除了黑洞，那也被认作是宇宙大爆炸之前的初始点。

施瓦西为他的计算感到恐惧，他在临终前颤抖着提问：

如果说这样的一种怪物也是物质可能所处的状态的话，那么在人类的大脑中有没有相应的东西呢？当意志充分集中、数百万人受制于同一个目的、思想被挤压在一个狭小的精神空间里，会不会生成一个类似奇点的东西？

这不仅可能，而且类似的情形后来已在他的祖国——德国发生过。

……

施瓦西有关黑洞的计算，后来被科学家一次次地证实。

2016年，科学家宣布：第一次直接观测到两颗黑洞相撞产生的重力波，这是人类第一次观测到黑洞合并。2017年，三位研究黑洞碰撞产生重力波的美国科学家获得了诺贝尔物理学奖。

至2018年12月，已经观测到11件引力波事件，其中10件是源自黑洞合并，只有1件是中子星碰撞。

2019年4月10日，首次发布了黑洞及其附近的第一张影像：它是使用事件视界望远镜在2017年拍摄到M87星系中心的超大质量黑洞。

2020年，又有三位相关的科学家获得了诺贝尔物理学奖，他们是：证明黑洞是爱因斯坦广义相对论直接结果的英国科学家彭罗斯（Roger Penrose），因在银河系中央发现超大质量天体的德国科学家根策尔（Reinhard Genzel）和美国科学家盖兹（Andrea M. Ghez）。

不知从何时起，物理学获奖者总是三位一组。

科学家对M87星系中心的观测所获得的第一幅黑洞的图像，2019年4月10日发布。图像中明亮的环是因黑洞周围强烈的引力导致光线弯曲而形成的，黑洞的质量是太阳的65亿倍

 

除了在宏观物理学中产生的颠覆外，在微观呢？

这就涉及到今年的诺贝尔物理学奖了。

报道称，获奖者之一的塞林格在接受采访时说过这样一句话：“很抱歉，爱因斯坦先生，你的结论是错误的。”

此话从何说起？

一切源自两位世界顶级科学家——波尔与爱因斯坦——的世纪之争。他们的背后，是一个顶级科学家群体！

直到今天人们依然公认：爱因斯坦与波尔，再加上普朗克，是旧量子论的奠基者。但他们对量子理论的诠释却各执己见，并不相同。

作为第一位意识到普朗克有关量子的发现会改写整个物理学的科学家，爱因斯坦在1905年就提出了光的粒子假说，尽管当时的主流观点认为：光是一种电磁波。

玻尔一直是光量子假说的最坚定的反对者之一，直到20年之后他才接受了这一假说。让玻尔没有想到的是，此后他的创造性成就恰恰都基于这个被他长期反对的观点，这在科学史中堪称奇迹。

上帝和波尔开了个玩笑！

爱因斯坦与波尔

 

1913年，玻尔模型成功地用量子理论解释了原子光谱。爱因斯坦先是怀疑，之后接受。尽管玻尔模型导致现实无法被详细描述，但爱因斯坦容忍了这个缺点，因为他认为实验还没有完成。

接下来，1925年海森堡提出了测不准原理（uncertainty principle），这彻底颠覆了牛顿力学中的经典元素。1926年，玻恩又提出量子力学应该被理解为没有任何因果联系的概率！

这让爱因斯坦不能接受。

论战始于1927年年底的第五届索尔维会议，这次会议合影中的29人里有17人获得了诺贝尔物理学奖。

1927年的第五届索尔维会议

 

会议中，玻尔与哥本哈根学派对量子理论的诠释成为主流，他们在人数上也占据优势，而爱因斯坦一边，有两位重量级的科学家：薛定谔和德布罗意。

两派人马的辩论和交锋大部分发生在每天会议前后的餐桌上。

千万别小看吃吃喝喝！

爱因斯坦所持的出发点是经典力学里的三个假设：守恒律、确定性和局域性（Principle of locality，即一个特定物体只能被它周围的力量影响）。

而海森堡的测不准原理恰恰违背了确定性的假设。测不准原理表明：一个粒子的位置与动量不可同时被确定，位置的不确定性越小，则动量的不确定性越大，反之亦然。类似的不确定性关系式也存在于能量和时间、角动量和角度等物理量之间。它是量子力学的基本理论之一。

对此，爱因斯坦无法接受。爱因斯坦认为：世界的本质不是随机的。那些看起来无法解释的随机现象，是因为有尚未发现的“隐变量”，一旦我们找出了这些隐藏着的变量，随机性就不复存在了。

这就是爱因斯坦的那句名言：上帝不掷骰子！

与爱因斯坦相反，哥本哈根学派认为：微观世界的随机性是内在的、本质的，并没有什么隐藏得更深的隐变量，有的只是“波函数坍缩”到某个本征态的概率。

于是，在量子化的微观层面，描述物理现象不再是用我们熟悉的确切数据，而是代之以概率来表达。

直到会议结束，两派谁也没能说服谁。

1930年的第六届索尔维会议

 

在1930年的第六届索尔维会议上，爱因斯坦发表了一个思想实验，即著名的“爱因斯坦光盒”，以此来挑战“能量—时间不确定性原理”：

ΔEΔt ≥ ?/2

 

试想一个装满了光子的盒子，在盒子的一端有一个孔径，盒内的时钟可以通过控制器将孔径外的快门开启短暂的时间间隔Δt，使其发射出一颗光子，然后再将快门关闭。为了要测量发射出去的光子的能量，必须量度发射前后盒子的质量m，再应用相对论质能方程：E=mc²，就可以计算出失去的能量E。

理论上，快门的开启时间是个可测的常数，只要能让一个光子发射出去即可。而盒子的质量也可测到任意的准确度，于是：

ΔEΔt < ?/2

 

因此“能量—时间不确定性原理”不成立。

玻尔当场哑口无言。

在冥思苦想了一晚后，波尔巧妙地利用爱因斯坦自己的广义相对论指出了光子盒实验的缺陷。玻尔指出：光子跑出后，盒子质量变轻，就会上移，根据广义相对论，如果时钟重力方向发生位移，时钟的快慢会发生变化。这样一来，盒子里的机械钟读出的时间就会因为这个光子的跑出而发生改变。换句话说，使用这种装置，如果要测定光子的能量，就不能精确控制光子逸出的时刻。

这次轮到爱因斯坦无语了。

然而，波尔的反击并非无懈可击……

薛定谔（Erwin Schrödinger，1887—1961）

 

1935年，爱因斯坦提出了著名的“EPR佯谬”（E、P、R分别代表论文的三位作者）。

这是爱因斯坦与玻尔等哥本哈根派论战的继续。

这一次，爱因斯坦构想的思想实验是：

一个不稳定的大粒子衰变分裂为两个同样的小粒子A和B。小粒子获得动能，分别向相反的两个方向飞出去。为了保持总体的自旋守恒，如果粒子A的自旋为上，粒子B的自旋就一定是下。反之亦然。

根据量子力学的说法，测量前，两个粒子应该处于叠加态，比如“A上B下”和“A下B上”各占一定概率的叠加态（例如概率各为50%）。然后，我们对A进行测量，A的状态便在一瞬间坍缩，如果A的状态坍缩为“上”的本征态，B的状态就一定为“下”（因为守恒）。

但假如A和B之间已经相隔非常遥远，比如说几万光年，按照量子力学的理论，B也应该是上下各一半的概率，为什么它能够在A坍缩的那一瞬间，做到总是选择下呢？难道A和B之间有某种方式可以及时“互通消息”？即便假设它们能够互相感知，可它们之间传递信号需要在一瞬间跨越几万光年，传递速度早已超过了光速，这种超距作用又是现有的物理学不能容许的。这就构成了佯谬。

爱因斯坦强调不可能有超距作用，意味着他坚持经典理论的“局域性”。文章中爱因斯坦将两个粒子间瞬时的相互作用称为“幽灵般的超距作用”。

薛定谔读完“EPR佯谬”论文后致信爱因斯坦，信中他最先使用了“纠缠”一词，借以形容在EPR思想实验里，两个暂时耦合的粒子，不再耦合之后彼此之间仍旧维持的关联。

所以，量子纠缠（Quantum entanglement）实际上是爱因斯坦、薛定谔等人的研究成果。

对此，玻尔的回应是：因为两个粒子形成了一个互相纠缠的整体，只有用波函数描述的整体才有意义，不能将它们视为相隔甚远的两个个体——既然是协调相关的一体，它们之间便无须传递什么信息。

爱因斯坦无法接受玻尔的这种古怪说法，即使在之后的二三十年中玻尔的理论占了上风、量子理论如日中天之时，爱因斯坦仍固执地坚持他的经典信念，反对哥本哈根学派对量子理论的诠释。

1982年时的贝尔和他著名的定理（John Stewart Bell，1928—1990）

 

随着爱因斯坦和玻尔先后离世，他们的分歧依然没有定论，直到1964年北爱尔兰物理学家贝尔提出了著名的“贝尔定理”（Bell's theorem）。

这是一种不可行定理，又称贝尔不等式（Bell's inequality）。它是一个有关是否存在完备局域隐变量理论的不等式。

之后的实验表明：在经典物理学中，不等式成立；但在量子物理学中，不等式不成立。

这说明，不存在关于局域隐变量的物理理论可以复制量子力学的每一个预测，这就是贝尔定理。

它在物理学和科学哲学中异常重要，因为贝尔定理意味着：量子物理必需违背局域性原理或反事实确定性（counterfactual definiteness，简称CFD）。

爱因斯坦认定：量子纠缠的随机性只是表面现象，背后可能藏有“隐变量”。

贝尔本人也支持这一观点，他试图用实验来证明爱因斯坦的隐变量观点是正确的，可结果却适得其反。

1972年，克劳泽及其合作者成为贝尔不等式实验验证的第一人，实验结果违反贝尔不等式，从而证明了量子力学的正确性。

1982年，阿斯佩等人在贝尔的帮助下，改进了克劳泽的实验，成功地修复了漏洞。实验结果再次违反贝尔不等式，进一步证明了量子力学的非局域性。

从那时开始，经过漫长的40、50年之后，上述两位科学家终于成为2022年诺贝尔物理学奖的获奖者。

厚积而薄发！

塞林格说：“很抱歉，爱因斯坦先生，你的结论是错误的。”

 

那么，爱因斯坦真的输了？

科学毕竟有限，人类离真理究竟有多远？只有上帝知道。当一切都变得随机，一切都变得无法理解和无从把握时，摆在人们面前的科学道德难题便成为：

什么是真实的？什么是想象的？

就像拉巴图特的小说，成为基于真实事件的虚构作品。

如果真是这样，这世界就真的“测不准”了。

上帝与人类开了个大玩笑！

在此，我宁愿站在爱因斯坦一边！爱因斯坦并没输，一切仍在进行中，一切远未完结。

也许正是因为爱因斯坦对于量子力学持续而有力的批评，才大大促进了量子力学的发展。批评与质疑，迫使量子力学的支持者们不断加深着对量子力学科学和哲学意义的理解。

汪洋中的一艘船

 

那么，当年爱因斯坦何以固执地坚持他的经典理论呢？

这恐怕要从世界上人类的光景来解释。当这个世界正在变得越来越不确定时，我们看到的是：现代社会正在变得越来越复杂，但与此同时，人们却又失去了以往那种赖以安身立命的信仰，像上帝、天、天理等。

当个人因身受外部各种巨大力量的裹挟时，便如同一叶扁舟在暴风雨的大海上飘荡。存在主义者所说的惶恐、失落、虚无和焦虑等心理状态，是一种真实的写照。

一个人在完全没有了安全感时，就一定要找到某些可靠的东西才能获得活下去的勇气。

这与当年物理学的那场论战何其相似！

1957年，著名科学哲学家布里格曼（Percy w?Bridgman）在一次哲学会议上指出：主张决定论的物理学家往往不甘心接受量子力学上的“不确定原则”。这种拒斥并非出于科学上的理由，而是出于科学以外的情感因素。爱因斯坦的“上帝不掷骰子”正生动地表达了这种情感。

或许爱因斯坦感觉到，如果人们按照这种“不确定原则”不断走下去，结果一定是：黑暗将感染物理学的灵魂。支配物理世界规律的基础将永远模糊。

更重要的是，在爱因斯坦情感的背后，有着一种深深的信仰力量。甚至爱因斯坦本人也未必意识到。

寻找·回归

 

回到中国的科学创新与诺贝尔获奖情结。

有学者认为，中华民族曾经的长期屈辱，使中国人不得不以追求国家的富强为最高目的。这一目的本身自然是高贵的。然而仅以富强为目的却使中国人走上了一条急功近利和专重物质成就的道路。可以说，现代中国人对科学的追求主要还是出于功利的动机，而非对科学知识本身拥有真正的兴趣，更没有注意到科学背后的文化凭借。

科学，是西方文化特显其超越精神之所在，它不是功利思想的产物。那种“为真理而真理”的精神，才是科学的真正源头，它出现在希腊哲学与希伯来文化中，并与上帝的观念相结合。

牛顿的数学和物理学在当时并没有什么实际用途，他无法通过这些来赚更多的钱。牛顿研究物理的动机是为了证明：上帝创造的世界是何等地完美！

爱因斯坦也深受“上帝”这一观念的影响，他在后半生拒绝接受量子力学的不确定原则正是基于这样一种信念——

上帝不掷骰子！

爱因斯坦还有另一句话：你不去看月亮（不去测量），月亮依然在那！

西方文化讲求真、善、美。

科学，属于“真”的范畴，但还不是“真”的全部。所以我们今天所看到的量子力学的一切发现或许并非已抵达真理。从这个意义上说，认为爱因斯坦输了还为时尚早。

况且除了自然之外，还有人文社会中的“真”，那是一个比科学更加复杂的领域。

因为它包含了——人。

如果说“真”属于科学领域，那么“善”，无疑属于信仰领域，而“美”则可归入文学艺术的范畴。善与美的创造同样也需要借助创造者的超越能力——从人得以从原始的“混沌”状态中超拔出来。

科学的“用”是从“真”衍生出来的。

只要我们不去求“真”，不具备“为真理而真理”的精神，科学就不会在中国生根。

尤其是，我们必须重视科学背后那种超越的精神。

科学具有改变世界的力量，这显而易见。但信仰与艺术等精神力量更是不可小觑，它们虽不像经济或政治力量那样直接而具体，但却是科学背后的真正动力！

特别是，它们往往需要一个较长的时段才能显现出来。

科学不是孤立的，它与精神密切相关。因此在中国发展科学，仅着眼于科学本身是远远不够的，急功近利更与科学毫不沾边。

回到我们起初因诺贝尔奖引发的主题。

好像也就几十年的时间，像拉巴图特认为的那样，我们突然变得再也无法理解这个世界，甚至无法理解人类。我们可以把原子掰碎，让第一束光闪瞎我们的眼睛，我们可以预言宇宙的终结，用的只是几个神秘的方程、图形或符号。普通人弄不懂，可它们却左右着我们生活的一切。

不仅是普通人，连科学家自己都不再理解这个世界了。比如量子力学，号称人类皇冠上的明珠，是我们发明的所有物理理论中最美丽、涵盖面最广的一个。它无处不在，互联网背后，手机霸权的背后......它向人类许诺的，是只有“上帝的智慧”才能比拟的算力，它让我们的世界改头换面，以至于我们已经认不出来它来。我们虽然知道如何使用它，而且通过某种奇迹它好像运转“完美”，但这个星球上却没有一个人真正明白它的原理。

人脑根本无法应对其中的矛盾和悖论！

有一位作家认识的园丁，曾经是一名数学家，当他意识到现代科学已经让人失望、人类思想已经无法“处理其悖论和矛盾”之后，他选择了从社会退出，成了一名园丁，他把全部精力投入到了园艺上，每天只是静静地看着生命从萌生到繁盛，再到死亡……

听起来有点悲观，但我们总是有盼望的！

 

（文中图片均引自网络）