神秘的宇宙密码

作者： 甄鹏

2014.02.24  来源： 科技日报   

　　近期重读了美国科普作家佩格斯写的物理科普著作《宇宙密码》。这本书曾促使我报考物理学专业。当年我从中学的阅览室借阅的《宇宙密码》，是一本新书；现在我从图书馆一个偏僻的角落里找到了它，已陈旧不堪。

　　《宇宙密码》描写了二十世纪物理学的伟大成就，如相对论、量子力学以及粒子物理。现代物理学用极端抽象的数学语言来描述，这本书的作者基本没有使用数学语言，把二十世纪物理学的主要成就表述得如此清楚，难能可贵。如译者所说：“我们相信各个方面、各个层次的读者都能从中得到收获，即使这方面的专业人员也会从中获益匪浅。”

　　相对论分为狭义和广义。狭义相对论的一个基本假设是光速不变原理，虽然它与牛顿力学的运动合成不相容，然而却有迈克耳孙－莫雷实验做基础。狭义相对论有两个奇怪的结论：钟慢尺缩。运动的尺收缩是洛伦兹首先提出的。相对惯性系运动的钟变慢是相对论得出的。狭义相对论将空间与时间挂钩，彻底改变了牛顿的绝对时空观。

　　在广义相对论中，加速运动和引力二者是等价的，空间弯曲与引力等效。光在引力场或者弯曲的空间不再走直线。广义相对论的一个结论是引力场的钟变慢。牛顿力学只是相对论在低速运动和弱引力场的近似。爱因斯坦几乎凭一己之力，创建了相对论。

　　相对论是怪异的，量子力学比它更怪异。量子力学的发展是由许多人完成的。普朗克发现能量不是连续的，而是一份一份的，这就是所谓的量子化。一份最基本的能量被称为普朗克常数。德布罗意提出物质既具有粒子性，也具有波动性，这就是波粒二象性。薛定谔提出了薛定谔方程。它在量子力学中的地位相当于经典力学中的牛顿第二定律。它们可以并列科学史上最伟大的方程。

　　德国物理学家波恩把波函数解释为几率波，振幅的平方是粒子出现在该点的几率。这否定了物理界的第一个神话——决定论。由于波的干涉性，与宏观世界不同，几率不能相加。德国物理学家海森堡的不确定原理（位置和动量不能同时确定）进一步解释了量子世界的非确定性。丹麦的玻尔提出了互补原理，粒子和波是互补的，然而在认知过程中却互相排斥。

　　双缝（孔）实验是演示量子怪异的很好示范。光或者电子通过双缝会发生干涉，像波一样；如果去观测粒子究竟通过了哪个缝，干涉就消失了，像普通粒子一样。观察者影响和创造了量子世界，在一定程度上否定了物质的客观性。

　　这些是爱因斯坦、普朗克、薛定谔等传统物理学家无法接受的。他们不相信上帝在掷骰子。在与玻尔发生几番论战之后，爱因斯坦放弃了批评量子力学的正确性，转而批评它的完备性。他联合其他人提出了EPP悖论。贝尔提出了以他的名字命名的不等式，EPP悖论将否定客观实在性和作用局域性两个原理之一——你选择哪一个？薛定谔之猫——盒子里的猫处于既死又活的叠加态，说明量子世界的怪异行为不能应用到宏观世界。

　　以上是量子力学发展的主流。海森堡等人在薛定谔之前，发现了矩阵力学。不过，它没有薛定谔的波动力学应用广泛。狄拉克证明了二者的等价性。量子力学与场论结合，产生了量子场论。量子力学是现代物理学乃至整个科学界的支柱理论。相对论和量子力学结合产生了相对论量子力学。客观世界被进一步虚化，“场”成立物质实在，而粒子不过是场的量子。

　　才华横溢的物理学家狄拉克说：“一个物理定律必须具有数学美。”爱因斯坦认为，除了广义相对论外，即使没有自己，其他人也会完成他的工作。

　　书完成至今已有三十多年了，物理学没有取得大的突破。

　　就在《宇宙密码》在中国出版中文版的那年，佩格斯博士在科罗拉多州金字塔峰爬山时意外身亡，年仅49岁。他在《宇宙密码》的结束时写道：

　　“我常常梦见我摔下来。野心家和爬山者都会有这样的梦。最近我梦到我抓在一块岩石的表面，但没抓住。砂砾坍落了。我抓住了一丛灌木，但它也被拉松了。在令人悚骨的惊骇中我掉在深渊。突然我意识到我的下落是相对的；并不存在渊底和终极。一种愉快的感情支配了我。我认识到生命的主体是不会毁灭的。它已写入宇宙密码，宇宙的秩序中。当我在苍穹的黑暗空间里不断下落时，我歌颂星星的美，并且在黑暗中心安理得。”

　　《宇宙秘码》 佩格斯（美）著，朱栋培、陈宏芳译，中国科学技术大学出版社1988年