上帝掷骰子吗--量子物理史话-第51部分
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的修正之后，在电子磁距的计算中竟然一直与实验值符合到小数点之后第11位！亘古以来
都没有哪个理论能够做到这样教人咋舌的事情。
实际上，量子电动力学常常被称作人类有史以来“最为精确的物理理论”，如果不是
实验值经过反复测算，这样高精度的数据实在是让人怀疑是不是存心伪造的。但巨大的胜
利使得一切怀疑都最终迎刃而解，QED也最终作为量子场论一个最为悠久和成功的分支而
为人们熟知。虽然最近彭罗斯声称说，由于对赫尔斯…泰勒脉冲星系统的观测已经积累起
了如此确凿的关于引力波存在的证明，这实际上使得广义相对论的精确度已经和实验吻合
到10的负14次方，因此超越了QED（赫尔斯和泰勒获得了1993年诺贝尔物理奖）。但无论如
何，量子场论的成功是无人可以否认的。朝永振一郎，施温格和费因曼也分享了1965年的
诺贝尔物理奖。
抛开量子场论的胜利不谈，量子论在物理界的几乎每一个角落都激起激动人心的浪花
，引发一连串美丽的涟漪。它深入固体物理之中，使我们对于固体机械和热性质的认识产
生了翻天覆地的变化，更打开了通向凝聚态物理这一崭新世界的大门。在它的指引下，我
们才真正认识了电流的传导，使得对于半导体的研究成为可能，而最终带领我们走向微电
子学的建立。它驾临分子物理领域，成功地解释了化学键和轨道杂化，从而开创了量子化
学学科。如今我们关于化学的几乎一切知识，都建立在这个基础之上。而材料科学在插上
了量子论的双翼之后，才真正展翅飞翔起来，开始深刻地影响社会的方方面面。在量子论
的指引之下，我们认识了超导和超流，我们掌握了激光技术，我们造出了晶体管和集成电
路，为一整个新时代的来临真正做好了准备。量子论让我们得以一探原子内部那最为精细
的奥秘，我们不但更加深刻地理解了电子和原子核之间的作用和关系，还进一步拆开原子
核，领略到了大自然那更为令人惊叹的神奇。在浩瀚的星空之中，我们必须借助量子论才
能把握恒星的命运会何去何从：当它们的燃料耗尽之后，它们会不可避免地向内坍缩，这
时支撑起它们最后骨架的就是源自泡利不相容原理的一种简并压力。当电子简并压力足够
抵挡坍缩时，恒星就演化为白矮星。要是电子被征服，而要靠中子出来抵抗时，恒星就变
为中子星。最后，如果一切防线都被突破，那么它就不可避免地坍缩成一个黑洞。但即使
黑洞也不是完全“黑”的，如果充分考虑量子不确定因素的影响，黑洞其实也会产生辐射
而逐渐消失，这就是以其鼎鼎大名的发现者史蒂芬？霍金而命名的“霍金蒸发”过程。
当物质落入黑洞的时候，它所包含的信息被完全吞噬了。因为按照定义，没什么能再
从黑洞中逃出来，所以这些信息其实是永久地丧失了。这样一来，我们的决定论再一次遭
到毁灭性的打击：现在，即使是预测概率的薛定谔波函数本身，我们都无法确定地预测！
因为宇宙波函数需要掌握所有物质的信息，而这些信息却不断地被黑洞所吞没。霍金对此
说了一句同样有名的话：“上帝不但掷骰子，他还把骰子掷到我们看不见的地方去！”这
个看不见的地方就是黑洞奇点。不过由于蒸发过程的发现，黑洞是否在蒸发后又把这些信
息重新“吐”出来呢？在这点上人们依旧争论不休，它关系到我们的宇宙和骰子之间那深
刻的内在关系。
最后，很有可能，我们对于宇宙终极命运的理解也离不开量子论。大爆炸的最初发生
了什么？是否存在奇点？在奇点处物理定律是否失效？因为在宇宙极早期，引力场是如此
之强，以致量子效应不能忽略，我们必须采取有效的量子引力方法来处理。在采用了费因
曼的路径积分手段之后，哈特尔（就是提出DH的那个）和霍金提出了著名的“无边界假设”
：宇宙的起点并没有一个明确的边界，时间并不是一条从一点开始的射线，相反，它是复
数的！时间就像我们地球的表面，并没有一个地方可以称之为“起点”。为了更好地理解
这些问题，我们迫切地需要全新的量子宇宙学，需要量子论和相对论进一步强强联手，在
史话的后面我们还会讲到这个事情。
量子论的出现彻底改变了世界的面貌，它比史上任何一种理论都引发了更多的技术革
命。核能、计算机技术、新材料、能源技术、信息技术……这些都在根本上和量子论密切
相关。牵强一点说，如果没有足够的关于弱相互作用力和晶体衍射的知识，DNA的双螺旋
结构也就不会被发现，分子生物学也就无法建立，也就没有如今这般火热的生物技术革命
。再牵强一点说，没有量子力学，也就没有欧洲粒子物理中心（CERN），而没有CERN，也就
没有互联网的www服务，更没有划时代的网络革命，各位也就很可能看不到我们的史话，
呵呵。
如果要评选20世纪最为深刻地影响了人类社会的事件，那么可以毫不夸张地说，这既
不是两次世界大战，也不是共产主义运动的兴衰，也不是联合国的成立，或者女权运动，
殖民主义的没落，人类探索太空……等等。它应该被授予量子力学及其相关理论的创立和
发展。量子论深入我们生活的每一个角落，它的影响无处不在，触手可得。许多人喜欢比
较20世纪齐名的两大物理发现相对论和量子论究竟谁更“伟大”，从一个普遍的意义上来
说这样的比较是毫无意义的，所谓“伟大”往往不具有可比性，正如人们无聊地争论李白
还是杜甫，莫扎特还是贝多芬，汉朝还是罗马，贝利还是马拉多纳，Beatles还是滚石，
阿甘还是肖申克……但仅仅从实用性的角度而言，我们可以毫不犹豫地下结论说：是的，
量子论比相对论更加“有用”。
也许我们仍然不能从哲学意义上去真正理解量子论，但它的进步意义依旧无可限量。
虽然我们有时候还会偶尔怀念经典时代，怀念那些因果关系一丝不苟，宇宙的本质简单易
懂的日子，但这也已经更多地是一种怀旧情绪而已。正如电影《乱世佳人》的开头不无深
情地说：“曾经有一片属于骑士和棉花园的土地叫做老南方。在这个美丽的世界里，绅士
们最后一次风度翩翩地行礼，骑士们最后一次和漂亮的女伴们同行，人们最后一次见到主
人和他们的奴隶。而如今这已经是一个只能从书本中去寻找的旧梦，一个随风飘逝的文明
。”虽然有这样的伤感，但人们依然还是会歌颂北方扬基们最后的胜利，因为我们从他们
那里得到更大的力量，更多的热情，还有对于未来更执着的信心。
第十二章 新探险四
…
…
castor_v_pollux
连载：量子史话 出版社： 作者：castor_v_pollux
但量子论的道路仍未走到尽头，虽然它已经负担了太多的光荣和疑惑，但命运仍然注
定了它要继续影响物理学的将来。在经历了无数的风雨之后，这一次，它面对的是一个前
所未有强大的对手，也是最后的终极挑战——广义相对论。
标准的薛定谔方程是非相对论化的，在它之中并没有考虑到光速的上限。而这一工作
最终由狄拉克完成，最后完成的量子场论实际上是量子力学和狭义相对论的联合产物。当
我们仅仅考虑电磁场的时候，我们得到的是量子电动力学，它可以处理电磁力的作用。大
家在中学里都知道电磁力：同性相斥，异性相吸，量子电动力学认为，这个力的本质是两
个粒子之间不停地交换光子的结果。两个电子互相靠近并最终因为电磁力而弹开，这其中
发生了什么呢？原来两个电子不停地在交换光子。想象两个溜冰场上的人，他们不停地把
一只皮球抛来抛去，从一个人的手中扔到另一个人那里，这样一来他们必定离得越来越远
，似乎他们之间有一种斥力一样。在电磁作用力中，这个皮球就是光子！那么同性相吸是
怎么回事呢？你可以想象成两个人背靠背站立，并不停地把球扔到对方面对的墙壁上再反
弹到对方手里。这样就似乎有一种吸力使两人紧紧靠在一起。
但是，当处理到原子核内部的事务时，我们面对的就不再是电磁作用力了！比如说一
个氦原子核，它由两个质子和两个中子组成。中子不带电，倒也没有什么，可两个质子却
都带着正电！如果说同性相斥，那么它们应该互相弹开，而怎么可能保持在一起呢？这显
然不是万有引力互相吸引的结果，在如此小的质子之间，引力微弱得基本可以忽略不计，
必定有一种更为强大的核力，比电磁力更强大，才可以把它们拉在一起不致分开。这种力
叫做强相互作用力。
聪明的各位也许已经猜到了，既然有“强”相互作用力，必定相对地还有一种“弱”
相互作用力，事实正是如此。弱作用力就是造成许多不稳定的粒子衰变的原因。这样一来
，我们的宇宙中就总共有着4种相互作用力：引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用
力。它们各自为政，互不管辖，遵守着不同的理论规则。
但所有这些力的本质是什么呢？是不是也如同电磁力那样，是因为交换粒子而形成的
？日本物理学家汤川秀树——他或许是日本最著名的科学家——预言如此。在强相互作用
力中，汤川认为这是因为核子交换一种新粒子——介子（meson）而形成的。他所预言的介
子不久就为安德森等人所发现，不过那却是一种不同的介子，现在称为μ子，它和汤川理
论无关。汤川所预言的那种介子现在称为π子，它最终在1947年为英国人鲍威尔（Cecil
Frank Powell）在研究宇宙射线时所发现。汤川获得了1949年的诺贝尔物理奖，而鲍威尔
获得了1950年的。对于强相互作用力的研究仍在继续，人们把那些感受强相互作用力的核
子称为“强子”，比如质子、中子等。1964年，我们的盖尔曼提出，所有的强子都可以进
一步分割，这就是如今家喻户晓的“夸克”模型。每个质子或中子都由3个夸克组成，每
种夸克既有不同的“味道”，更有不同的“颜色”，在此基础上人们发明了所谓的“量子
色动力学”（QCD），来描述。夸克之间同样通过交换粒子来维持作用力，这种被交换的粒
子称为“胶子”（gluon）。各位也许已经有些头晕脑胀，我们就不进一步描述了。再说详
细描述基本粒子的模型需要太多的笔墨，引进太多的概念，但我们的史话所留下的篇幅已
经不多，所以只能这样简单地一笔带过。如果想更好地了解有关知识，盖尔曼曾写过一本
通俗的读物《夸克与美洲豹》，而伟大的阿西莫夫（Isaac Asimov）则有更多精彩的论述，
虽然时代已经不同，但许多作品却仍然并不过时！
强相互作用是交换介子，那么弱相互作用呢？汤川秀树同样预言它必定也交换某种粒
子，这种粒子被称为“中间玻色子”。与强作用力所不同的是，弱相互作用力的理论形式
看上去同电磁作用力非常相似，这使得人们开始怀疑，这两种力实际上是不是就是同一种
东西，只不过在不同的环境中表现得不尽相同而已？特别是当李政道与杨振宁提出了弱作
用下宇称不守恒之后，这一怀疑愈加强烈。终于到了60年代，统一弱相互作用力和电磁力
的工作由美国人格拉肖（Sheldon Glashow）、温伯格（Steven Weinberg）和巴基斯坦人萨拉
姆（Aldus Salam）所完成，他们的成果被称为“弱电统一理论”，3人最终为此得到了1979
年的诺贝尔奖。该理论所预言的3种中间玻色子（W＋，W…和Z0）到了80年代被实验所全部发
现，更加证实了它的正确性。
物理学家们现在开始大大地兴奋起来了：既然电磁力和弱作用力已经被证明是同一种
东西，可以被一个相同的理论所描述，那么我们又有什么理由不去相信，所有的4种力其
实都是同一种东西呢？所有的物理学家都相信，上帝——大自然的创造者——他老人家是
爱好简单的，他不会把我们的世界搞得复杂不堪，让人摇头叹气，他必定按照某一种标准
的模式创造了这个宇宙！而我们要做的工作，就是把上帝所依据的这个蓝图找出来。这蓝
图必定只有一份，而所有的物理现象，物理力都被涵盖在这个设计之中！如果模仿《独立
宣言》中那著名的句子，物理学家完全愿意宣称：
我们认为这是不言而喻的事实：每一种力都是被相同地创造的。
We hold the truth to be self…evident； that all forces are created equal。
是啊，要是真有那么一个理论，它可以描述所有的4种力，进而可以描述所有的物理
现象，那该是怎样一幅壮观的场面啊！那样一来，整个自然，整个物理就又重新归于统一
之中，就像史诗中所描写的那个传奇的黄金时代与伟大的经典帝国，任何人都无法抗拒这
样一种诱人的景象，仿佛一个新的伟大时代就在眼前。戎马已备，戈矛已修，浩浩荡荡的
大军终于就要出发，去追寻那个失落已久的统一之梦。
现在，弱作用力和电磁力已经被合并了，下一个目标是强相互作用力，正如我们已经
介绍的那样，这块地域目前为止被量子色动力学所统治着。但幸运地是，虽然兵锋指处，
形势紧张严峻，大战一触即发，但两国的君主却多少有点血缘关系，这给和平统一留下了
余地：它们都是在量子场论的统一框架下�
