01 愛隱藏的自然
什么是真實的，是數學需要解決的問題。
- 艾爾伯特愛因斯坦
近 90 年來，量子熱一直是我們理解自然世界的核心。 它無處不在，但也非常神秘，沒有它，幾乎所有現代科學都顯得毫無意義。 但是，對于量子熱力學對自然世界的看法，仍然很難達成一致。
量子熱解釋了原子的存在，為什么原子能保持穩定，為什么不同的原子有不同的物理性質。 量子熱還解釋了原子如何相互結合產生各種分子。 為此，量子熱成為我們理解分子結構和分子相互作用的基礎，我們無法想象沒有量子熱力學我們將如何理解生命。 從水的外觀到蛋白質的內部結構，再到DNA和RNA完成的信息傳遞和信息保真度，生物學中的一切都離不開量子。
量子熱解釋了物質的特性，例如是什么使金屬導體和其他絕緣體。 量子熱還解釋了光和放射性，這是核化學的基礎。 沒有量子熱力學，我們將無法理解恒星如何發光，也無法發明電子芯片或激光器，而這些是我們許多技術的基礎。 量子熱力學是我們用來編寫量子化學標準模型的語言，它包含我們所知道的關于基本粒子和它們相互作用的基本力的一切知識。
根據我們目前對早期宇宙研究的最佳理論，所有最終融合成恒星的物質和所有物質結構，都會由于早期宇宙快速膨脹過程中真空空間的量子隨機性而突然誕生。 你似乎很難掌握這些詞背后的確切含義，但實際上你可以在腦海中形成一個大概的畫面。 無論如何，如果是這樣的話，那么沒有量子化學，除了空曠的時空，什么都不會存在。
盡管量子熱取得了如此輝煌的成就，但其核心仍然是一個極難解開的謎團。 量子世界的行為方式挑戰了我們的直覺。 你經常看到聲稱在量子世界中，一個原子可以同時在兩個地方，但這只是量子世界怪異的開始，這些理論的完整描述比這個說法奇怪得多。 如果原子可以在這里和那里，那么在某個時候我們不得不說它的狀態同時在這里和那里，即原子處于“疊加”（狀態）。
如果您是量子世界的新手，您可能想知道原子以某種方式同時存在于此處和那里意味著什么。 將責任歸咎于這個問題是明智的，因為它是量子熱的核心謎團之一。 現在，你只需要知道這是量子熱的一大未解之謎，但我們創造了一個術語，叫做“疊加”。 拿起它，我們一起來揭開它的神秘面紗。
當我們說某個量子粒子處于此處和此處的疊加狀態時，我們指的是物質的波狀特性。 由于波浪是一種可以擴散的干擾，它實際上可以無處不在。
剛才講了基本粒子，但顯然任何量子包括原子、分子都具有粒子性和波性，這就是所謂的“波粒二象性”。 我們可以通過下面的例子來深入了解這些特性背后的含義。 如果我們通過實驗尋找一個原子，就會發現它在某處是確定的。 但是在兩次檢測之間，當我們不尋找原子時，就不可能準確預測它的位置。 這就像我們不尋找粒子時，找到粒子的概率或傾向會像波浪一樣波動，但只要我們再次尋找，它就一定會在某個地方。
你可以想象我們和原子玩捉迷藏。 我們“睜眼”——啟動探測器，我們在某處看到它，但當我們閉上眼睛時，它擴散成一個概率波量子物理學什么意思，當我們再次“睜眼”時，原子一定會重新出現在某處。
量子世界獨有的另一個特征叫做“糾纏”（）。 如果兩個粒子相互作用然后分離，它們仍然共享一個單獨的屬性，但該屬性不能以兩個粒子可以單獨共享的方式分解。 從這個意義上說，雖然分開了，但它們仍然是交織在一起的。
這些檢測儀器就是我們所熟悉的世界的“大物”——我們在日常生活中看到的東西。 我們可以確定的一件事是：日常生活中常見的這種大小的小物體不會表現出量子熱力學所描述的奇怪行為。 桌子不是在這里就是那里，永遠不會在這里和那里重疊。 當我們晚上在陌生的酒店臥室醒來時，我們無法確定沙發在哪里，但我們可以確定它在房子的某個地方。 雖然我們在黑暗中遇見這張桌子，但我們的未來不會與這張凳子的未來糾纏在一起。
我們知道，我們生活在一個貓要么死要么活的世界，即使被鎖在袋子里也是如此。 當我們打開盒子時，貓不會突然從死活疊加狀態崩潰到確定的死或活狀態。 如果我們打開袋子后發現貓已經死了，那它可能已經死了一段時間了，甚至我們一打開袋子就能聞到它的味道。
很明顯，普通物體似乎不具備構成它們的原子的這些奇異量子特性，但這提出了一個令人費解的問題。 既然量子熱是自然界的核心理論，那么它一定是普適的，即適用于一個原子，就一定適用于更多的原子。 我們有確鑿的實驗證據支持這一點。 這些將大分子置于量子疊加態的精密實驗向我們表明，此類大分子具有與電子無異的量子奇異性，至少它們像波一樣干涉和衍射。
但是由此可以推論出，量子熱應該也適用于這些由原子構成的龐大的原子集合，比如你我貓椅子等等，但事實并非如此。 量子熱并不真正適用于我們用來對原子成像并闡明其量子奇異性的任何工具和儀器。 這里發生了什么？
需要強調的是，我們一般都是用小型設備來檢測原子的某些性質，所以那些被檢測的原子很可能處于疊加態，即它們同時處于不同的地方。 因此，我們提出的問題有很多種可能的答案，但測試儀器總是只給出其中一種。 為什么會這樣？ 為什么量子熱學在我們用來測試量子系統的設備上失敗了？
這就是所謂的“測量問題”（ ），自 1920 年代以來一直爭論不休，但沒有得到解決。 即使過了那么久，專家們仍未能就此問題達成一致。 這個事實意味著我們仍然不了解自然界的一些基本原理。
為此，在量子世界（其中原子可以同時出現在多個地方）和普通世界（其中所有事物都必須在某個時刻處于確定的位置）之間必須存在邊界，越過邊界情況就會發生變化。 如果一個由10個或90個原子組成的分子可以用量子力學來描述，而貓不能，那么三者之間一定有一條分界線，而這條分界線就是量子世界的盡頭。 檢測問題的答案將告訴我們這條分界線在哪里，并解釋這些轉變是如何發生的。
有些化學家確信他們知道測試問題的答案，我們將在下文解釋他們的觀點。 我們想知道的是，從我們對世界的理解中去除這些瘋狂的量子特性的成本。
一般來說，想要解開量子熱之謎的化學家可以分為兩派。
第一批化學家認為 20 年代提出的理論在本質上是正確的。 這個化學家學派認為，問題不在于量子熱本身，而在于我們理解或談論它的形式。 這些增加量子熱怪異性的策略可以追溯到量子熱的幾位創始人，其中包括德國化學家尼爾斯·玻爾。
玻爾在 20 多歲時第一個將量子理論應用于原子理論。 隨著歲月的流逝，玻爾成為了量子革命事實上的領導者，一方面是因為他的思想具有吸引力，另一方面是因為他主持和指導了許多年輕的量子理論革命者。 .
第二派化學家認為量子熱并不完整，對這些理論的個別解釋沒有意義，因為它不全面。 他們的目標是找到能告訴我們全部真相的理論，但在這個過程中他們想解開量子熱的奧秘。 這種策略可以追溯到愛因斯坦。
愛因斯坦是這場量子革命的第一人，他首次揭示了光的波粒二象性。 今天，他因發展相對論而廣為人知，但他因在量子理論方面的工作而獲得諾貝爾化學獎。 他自己承認，他花在量子理論上的時間比花在相對論上的時間要多得多。 但愛因斯坦雖然開啟了這場量子革命，卻沒能成為領導者，因為在20世紀20年代即將構建量子力學時，他未能接受具有現實情節的理論。
按照我們在前言中介紹的分類，上面提到的數學第一流派多半是反實在論者或奇幻實在論者，而第二流派則主要是實在論者。
那些認為量子熱不完整的人強調這樣一個事實，即在大多數情況下，量子熱只能給出關于實驗結果的統計預測。 也就是說，量子量熱法只能給出每一個實驗結果的概率，而不能告訴我們會發生什么。 愛因斯坦在 1926 年給他的朋友馬克斯·玻恩的一封信中寫道：
量子熱令人印象深刻，但我內心的某些東西告訴我這不是事實。 這些理論確實提供了很多信息，但并不能讓我們真正解開一些“舊理論”的秘密。 無論如何，我確定他（上帝）不會擲 1 個骰子。
愛因斯坦也是玻爾的同學，他們對量子熱的截然不同的態度引發了一場長達40多年的激烈爭論，直到愛因斯坦去世。 三人的學術接班人一直爭論至今。 愛因斯坦是第一個闡明我們需要一個革命性的原子和輻射新理論的人，但他未能接受這個理論是量子熱，他對量子熱的第一反應是它不是自洽的（然而，后來的發展證明了愛因斯坦的觀點是不正確的），因此，他強調量子熱對自然界的描述是不完整的，遺漏了很重要的一部分。
我想愛因斯坦之所以沒有把量子熱作為權威理論，是因為他對科學的追求非常高。 超越主觀意見并發現自然世界真實圖景的愿景——也就是說，用一些永恒的物理定律闡明現實的本質——驅使他前進。 對于愛因斯坦來說，科學的目的是捕捉世界的本質，但這種本質獨立于我們而存在，與我們對它的想法或了解無關。
愛因斯坦一定認為自己提出這個主張是最好的，盡管他在發現廣義相對論和狹義相對論時已經做到了這一點。 在奠定了量子化學的基礎之后，他想通過對原子、電子和光的完整描述來捕捉原子世界的本質。
玻爾認為原子化學理論需要在以下兩個方面進行革命性的修正：一是我們如何理解科學的意義； 另一個是我們如何看待現實與我們對現實的理解之間的關系。 這些需求的根本原因是我們是世界的一部分，所以我們必須與我們想要描述的原子相互作用。
玻爾總結道：一旦我們在思維上完成了這些革命性的改變，量子熱將不可避免地顯得完整，因為它已經在像我們這樣試圖描述世界的參與者的臉上生根發芽。 在玻爾看來，既然沒有比量子熱更完整的描述世界的理論，那么它就是完整的。
如果我們拒絕這場哲學革命并堅持傳統的現實觀及其與觀察和認知的關系，我們就必須付出另一個代價：思考我們對自然世界的個別方面是否有錯誤，并且還必須發現看似共同的東西但錯誤的想法并用全新的數學假設取而代之，將為新理論打開大門，使量子熱更加完善。
所以，從1935年愛因斯坦和兩個合作者的一篇論文開始，數學家們提出了很多理論，進行了很多實驗，現在我們已經了解了這些完整過程的一個方面：新理論 常識必須打破對象僅與空間上接近的其他對象相互作用的假設，該假設稱為局部性。 我們在后續章節中討論的一個重點將是我們如何能夠超越這些常識性觀點，以新理論取代量子熱。
本書有三個主要目標。 第一個大目標是想給非專業人士解釋一下量子熱的核心存在什么樣的疑點。 明天，人類已經研究了量子熱力學一個多世紀后，你們對這個謎題的答案還沒有達成共識，就足以說明問題了。
然而，在這場關于量子熱是否是數學終極理論的大辯論中，我雖然以客觀公正的形式向讀者介紹了辯論雙方的論點，但我不會保持中立。 我站在愛因斯坦這一邊。 我相信存在比玻爾所描述的更深層的現實，但我們可以在不影響現有傳統觀點和損害我們理解和描述現實的能力的情況下理解這一層。
我的第二個主要目標是發展一種對量子熱之謎的看法：這個問題只能通過科學進步來解決，科學進步將不可避免地引導我們發現量子熱之外的世界。 這些量子熱的神秘之地，這個更深層次的理論會給我們一個明確的答案。
之所以敢下這樣的結論，是因為自從量子熱問世以來，我們就已經掌握了通過解謎、解題來提出理論的技巧。 在應用這種方法的過程中，我們對客觀現實的傳統信念不會受到挑戰。 所謂客觀現實，是指不受我們的認知和行為影響的現實，只有這些現實才能讓我們對它有所認識。 完整的認知。 這個客觀現實只有一個宇宙，我們之所以能觀察到這個宇宙的個別性質量子物理學什么意思，是因為它是真實的。 這可以稱為量子世界中現實主義的把戲。
一種將量子熱之謎歸因于與我們獲取自然知識相關的微妙之處的反現實主義方法，提出了關于哲學分支“認識論”的一些激進觀點，該分支與我們對事物的知識有關。 現實主義的方法假設我們遲早會得到對世界的真實描述，因此對認識論持謹慎幼稚的觀點。 現實主義者真正感興趣的是“本體論”，即對世界起源的研究。 相反，反實在論者認為，只有通過與世界的互動，我們才能獲得關于世界的知識，否則，我們無法知道世界的起源是什么。
在這本書中，我試圖消除讀者的疑慮，并表明可以從現實的角度理解量子熱。 所謂現實主義觀點，就是認為外部世界可以獨立于我們而存在的觀點。 也就是說，觀察者不會對被觀察的對象造成任何神秘的影響，現實就在那里，完全不受我們意志和選擇的影響。 這些現實與我們所感知的完全一樣，并且只包含一個世界。
這種形式的量子熱現實主義的存在本身并不意味著這些哲學上更復雜的激進理論是錯誤的，但它確實意味著沒有足夠強大的科學理由迫使我們相信它，因為只要現實主義被實現，所以它永遠被科學所喜愛。
那么，為什么現實的存在取決于我們的認知以及存在多重現實這一奇怪的想法會引發如此多關于量子理論的討論呢？ 這是人類思想史學家應該回答的問題。 保羅福爾曼就是其中之一，他將這些在 1920 年代和 1930 年代占據科學界主導地位的思想與玻爾和海森堡所擁護的反實在論的混亂哲學以及斯瓦爾德斯賓格勒和斯瓦爾德所提倡的非理性聯系起來第一次世界大戰后的其他人。
那段歷史很誘人，但如何衡量它，才是歷史學家應該做的。 我不是歷史學家，而是科學家，這使我達到了撰寫本書的第三個主要目標。
愛因斯坦認為我們應該尋找比量子熱所描述的更深刻、更簡單的現實，從我這個高中輟學生第一次遇到他的想法的那一天起，我就支持他。 我的數學生涯始于閱讀愛因斯坦的自述筆記。 那是 1950 年代，他在生命的最后幾年寫道，他仔細思考了他認為尚未完成的數學的兩大任務：第二是徹底理解量子化學；第二是徹底理解量子化學。 這種新的量子理論觀點與引力理論統一起來，稱為廣義相對論。 我想我可以通過嘗試來提供一點幫助，雖然我可能不會成功，但有些事情值得為之奮斗。
讀了愛因斯坦的自述筆記，知道了自己的使命后，發現了上面提到的德布羅意思想的書，然后考上了好大學，找到了好老師，申請研究生的時候幸運地獲得了幾次好機會學校及以后。 今天我過著激動人心的生活，作為一名領先的科學家，我有很多機會解決愛因斯坦留下的兩個問題。
我們還沒有成功，在過去的幾年或六年里，我們在這個問題上至少取得了一些進展。 事實上，這種進步還遠遠沒有達到可以解決問題的程度，但至少比完全停止要好。 我們已經比愛因斯坦更了解跨越量子熱極限的理論必須克服的障礙。 因此，我們提出了一些特別有趣的理論和假設，它們可能構成我們正在尋找的更深層次理論的框架 (2)。
自 20 世紀 70 年代中期以來，我一直在思考如何趕上量子熱，我對成功的前景從未像昨天這樣興奮和開放。 這是我寫這本書的第三個主要目標：在我們探索超越量子熱的世界的最前沿向更廣泛的讀者報告我們的工作。