第164夜 量子理论之天才想象

“猫头鹰的万花筒（..）”

！

但丁的三维球面只是个在梦中的直觉，爱因斯坦的三维球面有数学形式，并遵循理论方程，二者的作用不同。

但丁深深地打动我们，触及我们感情的源头。

爱因斯坦开辟了通向宇宙未解之谜的道路。

但二者都堪称人类头脑所能达到的最美妙、最有意义的成就。

让我们回到1917年，爱因斯坦正试着把三维球面的想法放进方程里，他在这儿遇到了一个问题。

他认为宇宙是静止不变的，但他的方程告诉他不可能如此。

这理解起来并不难，万物相互吸引，因此对有限宇宙而言不坍缩的唯一方式就是膨胀：就如不让足球落地的唯一办法就是往上踢。

要么上升，要么下落——不可能待在空中不动。

但爱因斯坦并不相信他自己的方程告诉他的东西。

他甚至犯了个物理上的愚蠢错误（他没有意识到他在寻找的解答是不稳定的），只是为了避免承认其理论的预言：宇宙要么在收缩，要么在膨胀。

他修改了方程，试图避免膨胀的含义，正因如此他把Λgab这一项加入了上面的方程里。

但这也是个错误，加进来的项是正确的，却无法改变这一事实：方程预言宇宙必然在膨胀。

爱因斯坦缺少足够的勇气去相信他自己的方程。

几年以后，爱因斯坦不得不放弃。

天文学家认识到所有星系都在远离我们，宇宙就如方程预言的那样在膨胀。

一百四十亿年前，宇宙被压缩为一个极其炙热的点，在一次巨大的“宇宙”

爆炸中它由此膨胀。

在这儿“宇宙”

一词并不是修辞上的用法，而是真真切切的宇宙爆炸。

这就是“大爆炸”

。

如今我们知道膨胀真实存在。

爱因斯坦方程所预见的情景的确切证据出现在1964年，两名美国射电天文学家阿尔诺·彭齐亚斯（ArnoPenzias）和罗伯特·威尔逊（RobertWilson）意外地发现，弥漫在宇宙中的辐射正是早期宇宙巨大热量的残留物。

理论再次被证明是正确的，即使是其最不可思议的预言。

自从我们发现地球是圆的，像个陀螺一样疯狂旋转，我们领悟到实在并不是它看起来的那样：每次我们瞥见一个新的面向，就有一种深刻的情感体验——又一层幕布滑落。

但爱因斯坦完成的飞跃是前所未有的：时空就是场；世界只由场和粒子构成；空间与时间并不是有别于自然的其他东西，它们也是场。

广义相对论是一块坚实的宝石，它由爱因斯坦一人综合过往的理论构思而成，是关于引力、空间和时间简洁而自洽的理论。

量子力学，或者说量子理论，与之相反，是经过四分之一世纪漫长的酝酿，由许多科学家做出贡献、进行实验才最终形成的；量子力学在实验上取得了无可比拟的成功，带来了改变我们日常生活的应用（例如我正用于写作的电脑）；但即使它已经诞生了一个多世纪，还仍然因其晦涩难懂而不被大众理解。

本章会阐述这门奇特的物理学理论，讲述理论的形成以及它所揭示的实在的三个面向：分立性、不确定性与关联性。

又是爱因斯坦准确地说，量子力学诞生于1900年，但实际上是经过了一个世纪的缜密思考才得来的。

1900年，马克思·普朗克（MaxPlanck）尝试计算热平衡态的箱子中电磁波的数量。

为了得到能重现实验结果的公式，他最终使用了一个看似没有多大意义的小技巧：他假设电场的能量是以“量子”

分配的，也就是一小包一小包的能量。

他假定每包能量的大小取决于电磁波的频率（也就是颜色），对于频率为ν的波，每个量子或者说每个波包的能量为：

E=hν这个公式就是量子力学的起点；h是个新的常数，今天我们称之为普朗克常数，它决定了频率为ν的辐射每包有多少能量。

常数h决定了一切量子现象的尺度。

能量是一包一包的这一观点与当时人们的认知截然不同，人们认为能量会以连续的方式变化，把能量看作一份一份的毫无道理。

例如，钟摆的能量决定了它摆动的幅度，钟摆只以特定的振幅振动而不以其他振幅振动，这看起来毫无理由。

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