科普摘抄：量?物理與?然（?）
前?
本?作于2019年11?30?，搬運(yùn)?此：
近?幸得圖書館霍?師贈書《費恩曼物理學(xué)講義》兩卷，今?品讀，甚開茅塞。亦適逢前些???將曹天元?師?作《上帝擲骰?嗎？量?物理史話》最終拜讀完，略有感慨。所思所感局限于當(dāng)下，唯有在未來時?中更增體會，然其妙思佳句恐時??長有所忘懷，故欲于此處記述之，亦與諸君共勉。
念吾輩精究化學(xué)之道者，其根其源在乎原?分?之藝術(shù)?，此化學(xué)者，物質(zhì)之科學(xué)也，上達(dá)宏觀世界客觀實在之所存，下通微觀底層粒?體系之基本，其底層在乎微觀粒?之規(guī)律，量?化學(xué)之思辨，?之??，眾妙之門，不可不?通數(shù)理邏輯，熟習(xí)算法巧思，然后圖之。雖有?師狄拉克半世紀(jì)前之預(yù)?：“?切化學(xué)之問，皆已有量?理論解決。其余下者，數(shù)學(xué)之求解也。”，其理論之完整統(tǒng)?確已由前代之研究者嘔?瀝?孜孜以求終有所得，然其終為吾輩之理解與應(yīng)?者，亦任重?道遠(yuǎn)也。
鄙?不才，欲于此量?化學(xué)、材料計算、分?模擬及其應(yīng)?之路上砥礪前?，有所學(xué)，有所思亦有所圖。然化學(xué)之海納百川亦是讓?驚嘆不已，正如當(dāng)今計算機(jī)科學(xué)下有底層架構(gòu)，上有頂層設(shè)計?般，化學(xué)亦是如此，吾不?量?，?以為能勝任化學(xué)底層之研究及論道，與此同時，亦敬諸位能于化學(xué)之中層和上層取
事之者。然余有?事略感?痛——上層之所謂“應(yīng)?化學(xué)”?作者，多墨守成規(guī)，畫地為牢，固守其?科之思維，惟以?程之?法為推崇?視理論之推演為??，此亦我國?化之遺留之缺也，有教授?：“在中國，只有技術(shù)，沒有科學(xué)。”，誠如此也。
然，?匠精神確為實?之所存也，所謂科學(xué)，有時確實是那么地偏離我們的實際認(rèn)知。余以為，求真求實之道，絕不可廢；歸納擬合之思，絕不可棄；數(shù)理推導(dǎo)之源，可不求甚解然不可??所知；當(dāng)今之信息時代，化學(xué)與計算機(jī)技術(shù)，??智能的結(jié)合，亦是必然的發(fā)展道路。?于應(yīng)?之?程，?有?程實際之經(jīng)驗道也，不可盲從理論，亦不可不納理論之?dāng)M合，理?齊進(jìn)?于具體領(lǐng)域有所偏重，此為上策。
實踐出真知，然實踐之指導(dǎo)為理論，正如物質(zhì)決定意識，意識亦反作?物質(zhì)?般。所謂理論，意識，??是我們對世界的特定認(rèn)知，有了認(rèn)知的規(guī)律，我們在以此為指導(dǎo)，進(jìn)?步實踐，實踐中豐富認(rèn)知，并明確進(jìn)?步實踐的?向，最終形成理論與實踐的閉合反饋回環(huán)，似此豈不美哉？
1998年，諾貝爾化學(xué)獎頒給了研究量?化學(xué)和理論計算的Kohn教授（密度泛函理論）和Pople教授（量?化學(xué)計算?法和Gaussian軟件包），當(dāng)時的頒獎詞是：“化學(xué)已不再是?個純粹的實驗科學(xué)”，?Pople教授也談到：“今天，化學(xué)學(xué)科正在經(jīng)歷著?場?命的陣痛，它正在從實驗科學(xué)向數(shù)學(xué)科學(xué)拓展”。
——真希望那些實驗化學(xué)家們能夠聽聽這樣的話語呢——當(dāng)然，我們亦不可拋棄經(jīng)驗主義和實證主義
就是了。?于之后，這個學(xué)科，乃?相關(guān)學(xué)科，乃?這個世界，會怎么樣，就讓我們拭?以待吧——說不定，我們還可以，做點推波助瀾的事情呢。
在有能?做點什么之前，先讓我們靜下?來，多??，多看看，唯有納百家之?，?可成?家之見。
摘錄正?（?）
?、
這是?段偉??光榮的??，是經(jīng)典物理的黃?時代。科學(xué)的?量似乎從來都沒有這樣地強(qiáng)?，這樣地令?神往。?們也許終于可以相信，上帝造物的奧秘被他們完全掌握了，再也沒有遺漏的地?。從當(dāng)時來看，我們也許的確是有資格這樣驕傲的，因為所知道的?切物理現(xiàn)象。?乎都可以在現(xiàn)成的理論?得到解釋。?、熱、光、電，磁······?切的?切，都在?們的控制之中，?且所?的居然都是同?種?法。它是如此地?之有效，以致物理學(xué)家們開始相信，物理學(xué)已經(jīng)盡善盡美，它?到了??的極限和盡頭，再也不可能有任何突破性的進(jìn)展了。如果說還有什么要做的事情，那就是做?些細(xì)節(jié)上的修正和補(bǔ)充，更加精確地測量?些常數(shù)值罷了。?們開始傾向于認(rèn)為：物理學(xué)已經(jīng)終結(jié)，所有的問題都可以?這個集?成的體系來解決，?不會再有任何真正激動??的發(fā)現(xiàn)了。?位著名的科學(xué)家說：“物理學(xué)的未來，將只有在?數(shù)點第六位后?去尋找。”普朗克的導(dǎo)師甚?勸他不要再浪費時間去研究這個已經(jīng)?度成熟的體系。
19世紀(jì)末的物理學(xué)天空閃爍著??的光芒，象征著經(jīng)典物理帝國的全盛時代。這樣的偉?時期在科學(xué)史上是空前的，或許也將是絕后的。然?，這個統(tǒng)?的強(qiáng)?帝國卻注定了只能曇花?現(xiàn)。喧囂?時的繁盛，終究要像泡沫那樣破滅凋零。
—— 曹天元《上帝擲骰?嗎？量??學(xué)史話》·第?章·黃?時代
?、
?們似乎已經(jīng)看到了天空中，??的光輝再?次閃耀起來，神圣的詩篇再?次被吟誦，回響在宇宙的每?個?落。當(dāng)這個??到來的時候，物理學(xué)將再?次到達(dá)它的巔峰，登上宇宙的極頂。極?眺望，眾?皆?，?切都在腳下。雖然很清楚歷史上這樣的神話最終歸于破滅，霍?仍然忍不住在《時間簡史》?說：“在謹(jǐn)慎樂觀的基礎(chǔ)上，我仍然相信，我們可能已經(jīng)接近于探索?然終極定律的終點。”
但是，統(tǒng)?之后呢？是不是?切都?功告成了？物理學(xué)是不是??到了它的盡頭，再沒有更多的發(fā)現(xiàn)了？我們的后代是不是將再?次陷??事可做的境地，除了修正?個常數(shù)在?數(shù)點后若?位的值?已？或者，在未來的某?天，地平線上?會出現(xiàn)??的烏云，帶來??場迅猛的狂風(fēng)暴?，把我們的知識體系再?次砸爛，并引發(fā)新的?命？歷史是不是這樣?種永??境的輪回？??然是不是永遠(yuǎn)也不肯向我們展?它最終的秘密？?我們的探索是不是永遠(yuǎn)也沒有終點？
這?切都沒有答案，我們只能義?反顧地沿著這條道路繼續(xù)前進(jìn)。或許，歷史終究是?場輪回，但在每
?次的輪回中，我們畢竟都獲得了更為偉?的發(fā)現(xiàn)。科學(xué)在不停地檢討??，但這種謙卑的審視和?我否定不斷沒有削弱它的光榮，反?使它獲得了永恒的?量，也不斷增強(qiáng)著我們對于它的信?
—— 曹天元《上帝擲骰?嗎？量?物理史話》·第??章·新探險
筆者悟：前?段是書的開頭講20世紀(jì)初經(jīng)典?學(xué)的“?廈將傾”，后?段是書的結(jié)尾展望21世紀(jì)基于量??學(xué)的現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)的未來，關(guān)于Science和Nature我們依然?有可為，依然有很多問題等待我們?nèi)ソ鉀Q，這個海納百川?且不斷?我更新的體系之中，總會有我們的?武之地。時刻保持謙卑，亦時刻保持批判
三、
作為電?這個整體概念來說，它卻表現(xiàn)出?種波-粒的?象性；它可以展現(xiàn)出粒?的??，也可以展現(xiàn)出波的??，這完全取決于我們?nèi)绾稳ビ^察它······玻爾意味深長地說：“電?的’真?’？或者換?個詞，電?的原形？電?的本來??？電?的終級理念？這些都是毫?意義的單詞，對我們來說，唯?知道的只是每次看到的電?是什么。我們看到電?呈現(xiàn)粒?性，?看到電?呈現(xiàn)波動性，那么當(dāng)然我們就假設(shè)它是粒?和波的混合體。我?點也不關(guān)?電?’本來’是什么，事實上我也不關(guān)???然’本來’是什么，我只關(guān)?我們能夠’觀測’到??然是什么。電??是個粒??是個波，但每次我們觀察它，它只展現(xiàn)出其中的??，這?的關(guān)鍵是我們’如何’觀察它，?不是它’究竟’是什么。”
······那么哪?種?式看到的是真實呢？天曉得，莊周做夢變成了蝴蝶還是蝴蝶做夢變成了莊周，你戴上眼鏡看到的是真實還是摘下眼鏡看到的是真實。
我們的結(jié)論是，討論哪個是“真實”毫?意義。我們唯?能說的是，是在某種觀察?式確定的前提下，它呈現(xiàn)出什么樣?······電?也是?樣。電?是粒?還是波？那要看你怎么觀察它。如果采?康普頓效應(yīng)的觀察?式，那么它?疑是個粒?；要是?雙縫來觀察，那么它?疑是個波。它本來到底是粒?還是波呢？?來了，沒有什么“本來”，所有的屬性都是觀察聯(lián)系起來的，讓“本來”見?去吧。
······波和粒?在同?時刻是互斥的，但它們卻在?個更?的層次上統(tǒng)?在?起，作為電?的兩?被納??個整體概念中。這就是玻爾的“互補(bǔ)原理”，它連同波恩的概率解釋，海森堡的不確定性，三者共同構(gòu)成量?論“哥本哈根解釋”的核?，?今仍然深刻地影響著我們對于整個宇宙的終極認(rèn)識。
—— 曹天元《上帝擲骰?嗎？量?物理史話》·第七章·不確定性
四、
量?派物理學(xué)家現(xiàn)在終于逐漸領(lǐng)悟到了事情的真相：我們的結(jié)論和我們的觀測?為本??有聯(lián)系。這就像那匹馬是?的還是紅的，這個結(jié)論和我們?什么樣的?法去觀察它有關(guān)系。有些看官可能還不服?：“真相只有?個”，親眼看見的才是唯?真實。?盲是視?缺陷，眼鏡是外部裝備，這些怎么能夠說是
看到“真實”呢？其實沒什么分別，它們不外乎是兩種不同的觀測?式罷了，我們的論點是，根本不存在所謂柏拉圖式的“真實”
......
事實上，沒有什么“客觀真相”。討論馬“本質(zhì)上”到底是什么顏?，正如我們已經(jīng)指出過的，是很?聊的?為。每?個關(guān)于顏?的論斷，都是結(jié)合某種觀測?式?做出的，如果脫離了觀測?段，就根本不存在?個絕對的所謂“本?”。
·······對于這個物我合?的世界來說，任何東西都應(yīng)該是可以測量和感知的。只有可觀測的量才是存在
的！······?個在臆想的世界中?存的，完全探測不到的電?，和根本沒有這樣?個電??有什么區(qū)別呢？
事實上，同時具有動量p和位置q的電?是不存在的！p和q也像波和微粒?樣，在不確定性原理和互補(bǔ)原理的統(tǒng)治下以?種此消彼長的?式?存。對于?些測量?段來說，電?呈現(xiàn)出?個準(zhǔn)確地p，對于另?些測量?段來說，電?呈現(xiàn)出準(zhǔn)確地q。我們能夠測量到的電?才是唯?的實在，這后?不存在?個“客觀”的，或者“實際上”的電?！
換?之，不存在?個客觀的，絕對的世界。唯?存在的，就是我們能夠觀測到的世界。物理學(xué)的全部意義，不在于它能夠揭?出?然“是什么”，?在于它能夠明確，關(guān)于?然我們能“說什么”。沒有?個脫離于
觀測?存在的“絕對?然”，只有我們和那些復(fù)雜的測量關(guān)系，熙熙攘攘縱橫交錯，構(gòu)成了這令??醉的宇宙的全部。測量是新物理學(xué)的核?，測量?為創(chuàng)造了整個世界。
—— 曹天元《上帝擲骰?嗎？量?物理史話》·第七章·不確定性
筆者悟：我們致?于探索的“科學(xué)”，其?的在于了解世界，認(rèn)識世界。能夠被認(rèn)識到的事物，或者是基于合理預(yù)測并有?定表征的事物，才應(yīng)當(dāng)屬于科學(xué)規(guī)律的歸納范疇。換?之，真理只可逼近，不可達(dá)到，?切的科學(xué)理論只反映了在某種特定情況下的特定認(rèn)識——這點，在費曼的講義上也是體現(xiàn)了的。也有?認(rèn)為，科學(xué)??就是在不斷接受新信息的同時，調(diào)整?個命題成?概率的過程（也即所謂的“貝葉斯推斷”模式），關(guān)于這些哲學(xué)層?的探討，路還很長。
五、
我們?活在?個四維的世界中，其中3維是空間，1維是時間。時間是?個很奇妙的東西，它似乎和另3維有著?常?的不同，最關(guān)鍵的?點是，它似乎是有?向性的！拿空間來說，各個?向并沒有什么區(qū)別，你可以朝左?，也可以向右?，但在時間上，你卻只能從“過去”向“未來”移動，??法反過來！······時間?法倒流！這聽起來天經(jīng)地義，然?多少年來科學(xué)家們卻始終為此困惑不已。因為在物理理論中，并沒有哪條原則規(guī)定，時間只能往?個?向前進(jìn)。事實上，不管是?頓還是愛因斯坦的理論，都是時間對稱的······但是，?旦脫離基本層?，上升到?個?較?的層次，時間之?卻神秘地出現(xiàn)了：假如我們不
考慮單個粒?，?考慮許多粒?的組合，我們就會發(fā)現(xiàn)?個強(qiáng)烈的?向。?如我們??只能逐漸變?，??法越來越年輕，杯?會打碎，但絕不會?動粘貼在?起。這些可以概括為?個?常強(qiáng)?的定律，即著名的熱?學(xué)第?定律。它說，?個孤?體系的混亂程度總是不斷增加的，其量度稱為“熵”。換句話說，熵總是在變?，時間的箭頭指向熵變?的那個?向！······時間的?向是?個饒有趣味的話題，它很可能牽涉深刻的物理定律，?如對稱性破缺的問題······也許很多?沒有意識到，但時間只能向著未來流逝，?不能反過來，這件事情正是我們神奇的宇宙最不可思議的性質(zhì)之?。
—— 曹天元《上帝擲骰?嗎？量?物理史話》·第??章·新探險
諸如此類有趣的思辨對于專業(yè)??來說可以是致???研究的課題，對于我們這些純粹只是愛好者的?來說，很多時候只能成為茶余飯后的?點談資，并結(jié)合??的專業(yè)?向和了解給出??的感悟，如此?已。吾?也有涯，?知也?涯。
六、
??然整體的每?部分始終只不過是對于整個真理——或者說，對于我們?今所了解的整個真理——的逼近。實際上，?們知道的每件事都只是某種近似，因為我們懂得，到?前為?，我們確實還不知道所有的定律。因此，我們學(xué)習(xí)?些東西，正是為了要重新忘掉它們，或者更確切地說是為了改正以前對它們的謬見。
科學(xué)的原則——或者簡直可稱為科學(xué)的定義為，實驗是?切知識的試??。實驗是科學(xué)“真理”的唯?鑒定者。但什么是知識的源泉呢？那些要檢驗的定律?是從何?來的呢？從某種意義上說，實驗為我們提供了種種線索，因此可以說是實驗本?促成了這些定律的產(chǎn)?。但是，要從這些線索中做出重?的判斷，還需要有豐富的想象?去對蘊(yùn)藏在所有這些線索后?的令?驚訝、簡單???常奇特的圖像進(jìn)?猜測，然后再?實驗來驗證我們的猜測究竟對不對。這個想象過程是很艱難的，因此在物理學(xué)中有所分?：理論物理學(xué)家進(jìn)?想象、推演和猜測新的定律，但并不做實驗；?實驗物理學(xué)家則進(jìn)?實驗、想象、推演和猜測。
我們說過，??然的定律是近似的：起先我們找到的是“錯”的定律，然后才發(fā)現(xiàn)“對”的定律。......最有趣的是，就哲學(xué)上??，使?近似的定律是完全錯誤的（?在數(shù)學(xué)上則不然——筆者個?理解）。縱然（由于相對論）質(zhì)量的變化只是?點點，我們的整個世界圖景也得改變。這是有關(guān)在定律后?的哲學(xué)或基本觀念的?件?分特殊的事。即使是極?的效應(yīng)，有時在我們的觀念上也會引起深刻的變化
那么，我們應(yīng)該?先教什么呢？是否應(yīng)先教那些正確的，陌?的定律以及有關(guān)的奇特?困難的概念，例如相對論，四維時空等等之類？還是應(yīng)先教簡單的“質(zhì)量守恒”定律，即那條雖然只是近似的，但并不包含那種?較困難的觀念的定律？前?條定律?較引??勝，?較奇特和?較有趣，但是后?條定律在開始時?較容易掌握，它是真正理解前?種觀念的第?步。這個問題在物理教學(xué)中會?再出現(xiàn)，在不同的時候，我們將要?不同的?式去解決它。但是在每個階段都值得去弄明?：我們現(xiàn)在所知道的是什么？
它的正確性如何？它怎樣適應(yīng)其他各種事情？當(dāng)我們進(jìn)?步學(xué)習(xí)之后它會有怎樣的變化？
——費恩曼物理學(xué)講義·第?章
七、
假如由于某種?災(zāi)難，所有的科學(xué)知識都丟失了，只有?句話傳給下?代，那么怎樣才能?最少的詞匯來表達(dá)最多的信息呢？我相信這句話是原?的假設(shè)（或者說原?的事實，?論你愿意怎樣稱呼都?），所有的物體都是由原?構(gòu)成的——這些原?是?些??的粒?，它們?直不停地運(yùn)動著，當(dāng)彼此略微離開時相互吸引，當(dāng)彼此過于擠緊時?互相排斥、只要稍微想?下，你就會發(fā)現(xiàn)，在這?句話中包含了?量的有關(guān)世界的信息。
——費恩曼物理學(xué)講義·第?章
?、
?們?先把?然界中的現(xiàn)象?致分為?類，如熱、電、?學(xué)、磁、物性、化學(xué)、光或光學(xué)、X射線，核物理，引?，介?等等現(xiàn)象，然?，這樣做的?的是將整個?然界看作是?系列現(xiàn)象的許多不同側(cè)?，這就是今天基礎(chǔ)理論物理?臨的問題：發(fā)現(xiàn)隱匿在實驗后的定律，把各類現(xiàn)象綜合起來。在歷史上，?們總能做到這?點，但隨著時間的推移，新的事實發(fā)現(xiàn)了；我們曾經(jīng)將現(xiàn)象綜合得很好，突然，發(fā)現(xiàn)了X射線，隨后我們?融
合了更多事實，但是?發(fā)現(xiàn)了介?。因此，在弈棋（指?然之棋）的任何?個階段，看起來總是相當(dāng)凌亂，?量事實被歸并了，但總有許多線索向?切?向延伸出去，這就是今天的狀況，也就是我們將試圖還去描繪的現(xiàn)狀。
歷史上出現(xiàn)過的若?進(jìn)?綜合的情況有如下?個。?先，是熱與?學(xué)的綜合，當(dāng)原?運(yùn)動時，運(yùn)動得越是劇烈，系統(tǒng)所包含的熱量就越多，這樣，熱和所有的溫度效應(yīng)可以??學(xué)定律來說明。另?個巨?的綜合是發(fā)現(xiàn)了電、磁、光之間的聯(lián)
