书 · 2006-01 · 曹天元

《上帝掷骰子吗》

科学通识书单第 6 名

一句话结论

一部用故事讲量子物理史的科普：量子论是被实验事实逼出来的，爱因斯坦与玻尔争的“世界到底是不是本质随机、有没有独立于观测的实在”，后来被贝尔不等式和实验推进到可以检验，而测量问题至今没有定论。

值不值得读完整本？

值得读完。它是中文世界里最容易入门的量子论“历史加概念”读物，全书像连载小说，不需要会解方程，读完能搞清量子力学为什么让人觉得怪、争的到底是什么。最后几章内容更抽象，也更有争议，要带着“这是几种并立的看法”的心态读。

先读第一章到第八章（黄金时代到决战）：这是全书主线，从黑体辐射一路讲到玻尔与爱因斯坦的论战，也是理解后面所有内容的基础，不建议跳。
第九章到第十二章（歧途、回归经典、不等式的判决、新探险）是现代争论，包括多世界、隐变数、贝尔不等式和实验检验。有点烧脑，可以放慢读，读完一章停一下，用自己的话复述这一章在争什么。
尾声和“外一篇”（海森堡和德国、原子弹计划）是史话性质的补充，时间紧可以后读。
想检验有没有读懂，就用自己的话回答：为什么说随机性不是“我们不知道”？贝尔不等式到底排除了什么？
读的时候留意作者的叙事笔法：比喻多、有戏剧化处理，细节要和严肃教材或论文对照，别当作严格的物理教材。

核心观点

1. 量子论是被实验事实逼出来的

量子论不是哪位物理学家凭空发明的，而是在一连串经典物理解释不了的实验面前，被一步步逼出来的。

为什么：十九世纪末经典物理看上去几乎完备：光是波，电磁波有麦克斯韦方程。可是黑体辐射的实验曲线用连续能量的经典理论算不对。普朗克在1900年被迫假设能量只能一份一份地交换，最初还只当作数学技巧。随后爱因斯坦在1905年用光量子解释光电效应，玻尔在1913年用不连续的轨道解释原子光谱。每一步都是先在一个具体现象上经典理论失败，再用“不连续”的假设补上，补上之后又预言了新的现象。最后“能量不连续”从权宜之计变成了基本事实。

2. 微观世界的随机性是本质的，不是因为我们无知

在哥本哈根解释里，电子这类微观粒子在被测量前并没有确定的位置和动量，理论只能给出各种结果出现的概率，这种概率性是自然本身的属性。

为什么：首先，玻恩把薛定谔的波函数解释为概率幅，其平方是找到粒子的概率。其次，海森堡指出位置和动量这样的共轭量不可能同时被精确确定，这不是仪器不够好，而是描述粒子时这两个量本来就互相制约。再次，玻尔用互补原理把这个想法固定下来：波和粒子是同一对象在不同实验安排下的两面，不能同时展现。三条合在一起，经典的“每个物体在任一时刻有确定状态”被放弃了。哥本哈根一派因此认为，随机不是对隐藏细节的无知，而是世界的基本特征。这正是书名“上帝掷骰子吗”要问的东西。

3. 测量问题：薛定谔方程管不到“观测”

理论里一边是连续、确定性的薛定谔演化，一边是测量时突然的“坍缩”，两条规则的分界线说不清。薛定谔的猫就是把这个模糊点放大到荒谬的思想实验。

为什么：哥本哈根说，系统在被测量前处于多个状态的叠加，一测量就随机坍缩成一个结果。可是“测量”是什么？什么算观察者？一个原子加一个盖革计数器、毒气瓶和一只猫，按薛定谔方程整个链条应该一直是叠加的，直到有人打开箱子才变成确定。这样猫就既死又活。薛定谔想说明的是：把量子规则不加限制地用到宏观，会导出违背常识的结论，所以微观与宏观的界线、测量到底是什么，必须有交代。后面的各种解释，都是对这个问题的不同回答。

4. 爱因斯坦与玻尔之争的实质：实在性与定域性

爱因斯坦不是不会算量子力学，而是不相信一个完备的理论会放弃“物理量独立于观测而存在”。他与玻尔争的是量子力学是否完备。

为什么：在1927年起的索尔维会议上，爱因斯坦设计了一个个思想实验想证明能同时精确测定位置和动量，玻尔每次都找到漏洞挡了回去，包括用到广义相对论的引力红移。到了1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森（EPR）换了策略，不再攻击不确定性，而是论证：如果相隔很远的两个关联粒子的测量互不影响（定域性），并且物理量在测量前就有确定值（实在性），那么量子力学就不完备，背后应有“隐变数”。这样争论从“能不能同时测准”变成“世界是否同时满足定域性和实在性”，矛头直指哥本哈根解释的哲学前提。

5. 贝尔不等式把哲学争论变成了可检验的实验

1964年贝尔证明：任何同时满足定域性和实在性的隐变数理论，其关联强度必须满足一个不等式；量子力学的预言违反这个不等式。后来的实验支持量子力学。

为什么：在贝尔之前，“有没有隐变数”看起来是形而上学。贝尔的关键一步是找到了一个可测的量：如果结果是粒子出发时就带好的（实在性）、且互不影响（定域性），那么分别在不同方向上测量的关联就不可能超过某个上限。量子力学的关联可以超过这个上限，所以两者出现了可实验判别的分歧。阿斯佩等人在上世纪八十年代的实验，后来更多的实验，都发现关联违反不等式，倾向量子力学。结论是：定域的隐变数理论行不通，要么放弃定域性，要么放弃实在性。爱因斯坦的那幅图景至少不能原样成立。

6. 测量问题至今没有赢家：各种诠释各付代价

哥本哈根、多世界、玻姆的隐变数理论、退相干等路径，都试图回答“测量时到底发生了什么”。书里把它们摆出来，每一种都要放弃点什么，没有一家让所有人满意。

为什么：几种方案的共同点是都能重现量子力学的实验预言，所以光靠实验分不出高下。区别在于各自放弃的东西：哥本哈根放弃“测量前的物理量有确定值”，并把观察者放进理论；多世界保持薛定谔方程始终成立，代价是承认无数个分支世界同时存在；玻姆理论保留确定轨迹，代价是引入非定域的“导波”；退相干解释了为什么宏观叠加难以被观察到，但学界普遍不认为它自己就解决了结果为什么唯一的问题。因此书把这部分写成“未完待续”的新探险，而不是宣布胜利。

反对意见

“玻尔赢了”的叙事过于顺滑（亚当·贝克尔；玛拉·贝勒）

贝克尔在2018年的《What Is Real?》中认为，哥本哈根解释成为主流有很大的社会学和修辞因素，玻姆的导波理论等替代方案被不公平地边缘化，学界多数人只是回避测量问题。贝勒在1999年的《Quantum Dialogue》中依据档案论证，玻尔一派把自己的立场包装成“不可避免”，把对手说成“不讲道理”。这两本书的共同点是提醒读者：本书“爱因斯坦被击败”的戏剧结构本身带有选择性。

多世界不该被当作“歧途”（肖恩·卡罗尔）

卡罗尔在2019年的《Something Deeply Hidden》中主张，多世界解释是最直接的读法：只要认真对待薛定谔方程、不额外增加“坍缩”规则，就会自然得到分支世界。在他看来，坍缩才是需要额外解释的东西。把它放在偏题的位置，等于低估了这一路径的严肃性。

多世界本身也有难题（阿德里安·肯特）

肯特在《Many Worlds?》文集（牛津，2010）里的文章“One World versus Many”中论证：现有的各种埃弗雷特式说法都难以说明概率为何出现，也难以解释科学证据如何证实哥本哈根式量子理论。这说明多世界并不是现成的答案，同样没有解决问题。

测量问题的核心矛盾没有被任何诠释真正消除（史蒂文·温伯格）

温伯格在2017年《纽约书评》的文章《The Trouble with Quantum Mechanics》中指出，量子力学对不含观察者的系统用确定性的薛定谔演化、对含测量装置的系统又用坍缩，这在根本上不令人满意，并认为现有各种解释都没有令人信服地解决。读这类科普时，不要把“几种方案并立”读成“问题已基本解决”。

更像连载故事而非严格科普（豆瓣读者短评）

豆瓣上有读者认为这本书带有“网络连载小说”的写法，比喻有时不够准确，一些物理专业读者指出部分表述不够严谨，后半部分读起来较晦涩。这类评价提醒读者：它适合建立图景和兴趣，具体物理细节要再对照专业资料。