20世紀(jì)物理學(xué)的兩大支柱，一個(gè)是我第一課講的廣義相對(duì)論，另一個(gè)就是我這里要講的量子力學(xué)，它們之間有著天壤之別。
這兩個(gè)理論都告訴我們，自然的細(xì)微結(jié)構(gòu)要比我們看到的更加微妙。廣義相對(duì)論是一顆小巧的寶石：它是由愛(ài)因斯坦憑借一己之力思考、孕育而來(lái)的，是關(guān)于引力、空間和時(shí)間簡(jiǎn)潔而又統(tǒng)一的觀點(diǎn)。然而量子力學(xué)，或者說(shuō)“量子理論”則正好相反，它在實(shí)驗(yàn)上獲得了無(wú)與倫比的成功，其應(yīng)用也改變了我們的日常生活（比如我用來(lái)寫文章的電腦就和它息息相關(guān)）。但是這個(gè)理論在誕生一百多年之后，仍然籠罩在一片神秘莫測(cè)的奇異氛圍中。
量子力學(xué)正好誕生于1900年，它幾乎引領(lǐng)了整整一個(gè)世紀(jì)的密集思考。德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·普朗克（Max Planck）計(jì)算了一個(gè)“熱匣子”內(nèi)處于平衡態(tài)的電磁場(chǎng)。為此他用了一個(gè)巧妙的方法：假設(shè)電磁場(chǎng)的能量都分布在一個(gè)個(gè)的“量子”上，也就是說(shuō)能量是一包一包或一塊一塊的。用這個(gè)方法計(jì)算出的結(jié)果與測(cè)量得到的數(shù)據(jù)完全吻合（所以應(yīng)該算是正確的），但卻與當(dāng)時(shí)人們的認(rèn)知背道而馳，因?yàn)楫?dāng)時(shí)人們認(rèn)為能量是連續(xù)變動(dòng)的，硬把它說(shuō)成是由一堆“碎磚塊”構(gòu)成的，簡(jiǎn)直是無(wú)稽之談。
對(duì)于普朗克來(lái)說(shuō)，把能量視為一個(gè)個(gè)能量包塊的集合只是計(jì)算上使用的一個(gè)特殊策略，就連他自己也不明白為什么這種方法會(huì)奏效。然而五年以后，又是愛(ài)因斯坦，終于認(rèn)識(shí)到這些“能量包”是真實(shí)存在的。
愛(ài)因斯坦指出光是由成包的光粒子構(gòu)成的，今天我們稱之為“光子”。他在那篇文章的引言中寫道：
“在我看來(lái)，如果我們假設(shè)光的能量在空間中的分布是不連續(xù)的，我們就能更好地理解有關(guān)黑體輻射、熒光、紫外線產(chǎn)生的陰極射線，以及其他有關(guān)光的發(fā)射和轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。依據(jù)這個(gè)假設(shè)，點(diǎn)光源發(fā)射出的一束光線的能量，并不會(huì)在越來(lái)越廣的空間中連續(xù)分布，而是由有限數(shù)目的‘能量量子’組成，它們?cè)诳臻g中點(diǎn)狀分布，作為能量發(fā)射和吸收的最小單元，能量量子不可再分。”
這幾句話說(shuō)得簡(jiǎn)單而又清晰，是量子理論誕生的真正宣言。請(qǐng)注意這段話一開(kāi)始“在我看來(lái)”這幾個(gè)不同凡響的字眼，這不禁讓人聯(lián)想到，達(dá)爾文在自己的筆記中以“我認(rèn)為”這幾個(gè)字為開(kāi)端來(lái)介紹他物種進(jìn)化的偉大思想，而法拉第在其著作中第一次介紹電磁場(chǎng)這個(gè)具有革命意義的概念時(shí)，則提及自己“猶豫不決”。偉大的天才都懂得三思而行。
起初，愛(ài)因斯坦的這項(xiàng)成果被同行們當(dāng)成笑柄，他們認(rèn)為這個(gè)年輕才子在信口開(kāi)河。后來(lái)愛(ài)因斯坦就是憑借這項(xiàng)研究獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。如果說(shuō)普朗克是量子理論之父的話，那么愛(ài)因斯坦就是讓這一理論茁壯成長(zhǎng)的養(yǎng)育者。
就像天下所有的孩子一樣，量子理論長(zhǎng)大以后就走上了自己的道路，后來(lái)愛(ài)因斯坦也不再承認(rèn)這個(gè)孩子。在20世紀(jì)10-20年代，丹麥人尼爾斯·玻爾（Dane Niels Bohr）引領(lǐng)了這一理論的發(fā)展，他了解到原子核內(nèi)電子的能量跟光能一樣，只能是特定值，而更重要的是，電子只有在特定的能量之下才能從一個(gè)原子軌道“跳躍”到另一個(gè)原子軌道上，并同時(shí)釋放或吸收一個(gè)光子，這就是著名的“量子躍遷”。玻爾位于哥本哈根的研究所里，聚集著20世紀(jì)最具天賦的年輕科學(xué)家們，他們共同努力，試圖為原子世界中種種令人困惑的現(xiàn)象建立秩序，以期創(chuàng)立一個(gè)自洽的理論。
1925年，量子理論的方程終于出現(xiàn)了，取代了整個(gè)牛頓力學(xué)。很難想象什么比這更偉大的成就了。霎時(shí)間，一切現(xiàn)象都找到了歸宿，一切都可以被計(jì)算出來(lái)。這里只舉一個(gè)例子：你們記得元素周期表吧？就是門捷列夫的那個(gè)。它把宇宙中可能出現(xiàn)的所有元素都列了出來(lái)，從氫元素到鈾元素，好多學(xué)校教室里都掛著這張表。那么為什么偏偏是這些元素被列在表上呢？為什么元素周期表的結(jié)構(gòu)是這樣的呢？為什么這些元素和周期會(huì)有這樣的特征呢？答案就是，每一種元素都是量子力學(xué)最主要方程的一個(gè)解。整個(gè)化學(xué)學(xué)科都基于這一個(gè)方程。
率先為這個(gè)新理論列出方程的是一個(gè)非常年輕的德國(guó)天才——維爾納·海森堡（Werner Heisenberg），他所依據(jù)的理念簡(jiǎn)直讓人暈頭轉(zhuǎn)向。
海森堡想象電子并非一直存在，只在有人看到它們時(shí)，或者更確切地說(shuō)，只有和其他東西相互作用時(shí)它們才會(huì)存在。當(dāng)它們與其他東西相撞時(shí)，就會(huì)以一個(gè)可計(jì)算的概率在某個(gè)地方出現(xiàn)。從一個(gè)軌道到另一個(gè)軌道的“量子躍遷”是它們現(xiàn)身的唯一方式：一個(gè)電子就是相互作用下的一連串跳躍。如果沒(méi)有受到打擾，電子就沒(méi)有固定的棲身之所，它甚至不會(huì)存在于一個(gè)所謂的“地方”。
似乎上帝設(shè)計(jì)現(xiàn)實(shí)時(shí)沒(méi)有重重地畫上一筆，而只是用點(diǎn)隱約描出了輪廓一樣。
在量子力學(xué)中，沒(méi)有一樣?xùn)|西擁有確定的位置，除非它撞上了別的東西。為了描述電子從一種相互作用到另一種相互作用的飛躍，就要借助一個(gè)抽象的公式，它只存在于抽象的數(shù)學(xué)空間，而不存在于真實(shí)空間。
更糟的是，這些從一處到另一處的飛躍大多是隨機(jī)的，不可預(yù)測(cè)。我們無(wú)法預(yù)知一個(gè)電子再次出現(xiàn)時(shí)會(huì)是在哪兒，只能計(jì)算它出現(xiàn)在這里或那里的“概率”。這個(gè)概率問(wèn)題直搗物理的核心，可原本物理學(xué)的一切問(wèn)題都是被那些普遍且不可改變的鐵律所控制的。
這是不是很荒謬？愛(ài)因斯坦也這么認(rèn)為。一方面，他提名海森堡參選諾貝爾獎(jiǎng)，承認(rèn)其探究到了世界某些最本質(zhì)的東西。但另一方面，他只要一有機(jī)會(huì)就抱怨，說(shuō)這實(shí)在太不合理。
哥本哈根那幫意氣風(fēng)發(fā)的年輕科學(xué)家們非常沮喪：為什么偏偏是愛(ài)因斯坦反對(duì)他們呢？他們的這位精神之父，曾有勇氣思考那些別人想都不敢想的問(wèn)題，如今卻退縮了，害怕這邁向未知世界的嶄新一步，這條道路難道不是他親自開(kāi)辟的嗎？為什么偏偏是愛(ài)因斯坦呢？是他教導(dǎo)我們時(shí)間并不是普適的，空間是可以彎曲的，但現(xiàn)在他又說(shuō)世界不可能如此荒誕離奇。
玻爾耐心地給愛(ài)因斯坦解釋了這些新的想法，可愛(ài)因斯坦并不認(rèn)同。為了證明這些新想法是自相矛盾的，愛(ài)因斯坦設(shè)計(jì)出了一些思想實(shí)驗(yàn)：“想象一個(gè)充滿光的盒子，我們?cè)试S一個(gè)光子瞬間逃逸……”“光子盒”思想實(shí)驗(yàn)就這樣開(kāi)始了，這是他一系列著名例證中的一個(gè)。但最后玻爾總能成功駁斥愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)。通過(guò)演講、信件往來(lái)和論文，兩位科學(xué)家的對(duì)話一直持續(xù)了好多年……在交流的過(guò)程中，兩位偉大的人物都不得不做出讓步，改變看法。愛(ài)因斯坦不得不承認(rèn)，這些新想法中并沒(méi)有自相矛盾的地方；而玻爾也不得不承認(rèn)，事情并沒(méi)有他最初想的那么簡(jiǎn)單清晰。但是愛(ài)因斯坦并不愿意在最關(guān)鍵的地方做出讓步，他堅(jiān)持認(rèn)為確有獨(dú)立于相互作用之外的客觀存在。而玻爾也堅(jiān)稱新理論確定的這種全新又深刻的存在方式是有效的。最后，愛(ài)因斯坦承認(rèn)，量子理論是人類認(rèn)識(shí)世界進(jìn)程中的一個(gè)巨大進(jìn)步，但他還是堅(jiān)信，事情不可能如此荒誕離奇，在這一切“背后”一定存在著一個(gè)更為合理的解釋。
一個(gè)世紀(jì)過(guò)去了，我們還停在原點(diǎn)。量子力學(xué)的方程以及用它們得出的結(jié)果每天都被應(yīng)用于物理、工程、化學(xué)、生物乃至更廣闊的領(lǐng)域中。量子力學(xué)對(duì)于當(dāng)代科技的整體發(fā)展有著至關(guān)重要的意義。沒(méi)有量子力學(xué)就不會(huì)出現(xiàn)晶體管。然而這些方程仍然十分神秘，因?yàn)樗鼈儾⒉幻枋鲈谝粋€(gè)物理系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生了什么，而只說(shuō)明一個(gè)物理系統(tǒng)是如何影響另外一個(gè)物理系統(tǒng)的。這意味著什么呢？是否意味著一個(gè)系統(tǒng)的真實(shí)存在是無(wú)法被描述的呢？是否意味著我們還缺少一塊拼圖？或者在我看來(lái)，是否意味著我們要接受“所謂的真實(shí)只不過(guò)是相互作用造成的”？
我們的知識(shí)在增長(zhǎng)，這毋庸置疑。我們可以做一些以前連想都不敢想的事情。知識(shí)的增長(zhǎng)也開(kāi)啟了新的問(wèn)題、新的奧秘。在實(shí)驗(yàn)室里運(yùn)用量子力學(xué)方程的人通常不太關(guān)心這些方程本身的問(wèn)題，然而近幾年，越來(lái)越多的物理學(xué)家和哲學(xué)家在論文中和會(huì)議上持續(xù)探討這個(gè)問(wèn)題。量子理論誕生至今已有一百多年，但它究竟是什么呢？是對(duì)世界本質(zhì)的一次非同凡響的深刻探究？是僥幸靈驗(yàn)的一個(gè)美麗錯(cuò)誤？是不完整謎團(tuán)的一部分？還是關(guān)于世界結(jié)構(gòu)這樣艱深問(wèn)題的一個(gè)線索，只是我們目前還消化不了？
愛(ài)因斯坦去世的時(shí)候，玻爾——他最強(qiáng)勁的對(duì)手——表達(dá)了對(duì)他的敬仰之情，感人至深。幾年后，當(dāng)玻爾也去世的時(shí)候，有人拍下了他書房黑板的照片。黑板上畫著一幅圖，是愛(ài)因斯坦思想實(shí)驗(yàn)中那個(gè)“充滿光的盒子”。直到生命的最后一刻，他仍在挑戰(zhàn)自己，仍然想要知道得更多。直到最后一刻，他仍未停止懷疑。