我的量子实验

一位拥有文学学位的年长科学记者开始学习量子力学、数学以及所有相关知识

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


对我来说,这个夏天本应充满活力。在五月中旬学期结束后,我本该飞往非洲的纳米比亚,与另外两位老伙计——罗伯特和马克,以及我的儿子麦克一起进行为期三周的荒野徒步旅行。然后我将前往新墨西哥州的圣塔菲研究所进行研究,我与该研究所有着复杂的关系。我真是迫不及待!

当疫情粉碎了这些夏季计划后,我开始四处寻找事情做。在另一个佛教静修处寻求启迪?徒步阿帕拉契山径?追踪关于 COVID-19 疫苗和治疗方法的研究?这些想法都没有吸引我。我感到无精打采,焦躁不安。

然后,在 5 月 15 日,特立独行的物理学家萨宾娜·霍森费尔德在 YouTube 上发布了一个视频,“理解量子力学 #2:叠加和纠缠。” 我是霍森费尔德的粉丝,而且我一直对量子怪异现象着迷,所以我看了这个视频。我感到了几十年来当我试图理解量子力学时所感受到的那种挫败感。当“解释”变得数学化时,我就撞上了墙壁。


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在大学里,我的学位是英语和新闻学。我上过一门物理课和两门微积分课,但我对这些课程的记忆很少。正如我的批评者喜欢指出的那样,无知并没有阻止我撰写关于科学的文章。我是一个通才,我的好奇心把我带到哪里,我就去哪里。我写过关于物理学身心问题癌症精神疾病战争等等的文章。我有时会感到冒名顶替综合症,尤其是在报道高度数学化的领域时——包括数学本身!但我已经说服自己,我作为记者的工作不是要了解专家所知道的。而是要了解足够多的知识,学习足够的知识,来判断哪些专家和理论是可信的。

但霍森费尔德的视频触动了我内心深处。量子力学是我们对现实最基本的描述。我写过很多关于它的文章,例如,1992 年在《量子哲学》中,这是一篇关于非定域性和其他量子奇异现象的实验性探测的深入报道。我还采访过伟大的量子理论家,例如约翰·惠勒大卫·玻姆,以及现代物理哲学哲学家,如大卫·艾伯特蒂姆·莫德林。但我对该理论的理解仅仅停留在半吊子、比喻性的、诗人式物理学的层面。

然后我想知道:我需要做些什么才能像物理学家那样掌握量子力学,包括数学以及所有相关知识?我以前也思考过这个问题,但只是以一种闲散的、白日梦式的方式。在看了霍森费尔德的视频后,这个问题一直困扰着我——也许是因为我没有理由忽视它。我刚刚完成了我的第六本书,而且我的暑假才刚刚开始。

我越想学习量子力学,我就越兴奋。但以我的年龄和缺乏训练的状况,这有可能实现吗?这需要多长时间,我应该如何开始?我向几位具有量子专业知识的朋友提出了这些问题,包括三位物理学家、一位物理哲学家和一位具有扎实数学和物理学背景的科学作家。

他们对我的项目几乎热情了(我忍不住怀疑,也许是因为他们想看到我受苦)。有几个人建议我从阅读斯坦福大学物理学家伦纳德·萨斯坎德和一位前学生合著的《量子力学,理论最小值:开始学习物理学你需要知道什么》开始。封底简介上说,这本书“为业余科学家提供了按照自己的节奏学习物理学的工具包”。完美。

这里有一个讽刺意味。2006 年,《纽约时报》发表了我的文章《为常识辩护》后,伦纳德·萨斯坎德和我发生了冲突。我的文章指出,许多现代科学家都贬低常识,认为常识会阻碍对自然的理解。我反驳了这种观点,认为常识,我将其定义为“普通的、非专业化的知识和判断”,对于“判断科学家的论断通常是必不可少的”。

作为例子,我指出了物理学家对统一理论的追求,这导致他们假设存在无穷小的弦、额外维度和额外的宇宙。“所有这些理论都是荒谬的,”我写道,“但这并不是我对它们的问题所在。我的问题是,没有任何可想象的实验可以证实这些理论,大多数支持者都勉强承认这一点。弦……太小了,任何可建造的仪器都无法探测到,而平行宇宙则太遥远了。因此,常识说服我,这些投机取巧的途径最终将走向死胡同。”

萨斯坎德是一位弦理论和多元宇宙爱好者,The Edge网站上对我进行了抨击,该网站是一个供高级知识分子闲聊的网站。他总结道:“霍根与其不悦地斥责他显然不理解的东西,不如去修几门代数、微积分、量子力学和弦理论的课程。然后他可能会欣赏甚至赞美人类思维以非凡的方式理解不可理解之物的奇妙而惊人的能力。”

当时,我对萨斯坎德的攻击不屑一顾,我已经听过很多次了。专家们经常坚持认为,只有其他专家才有资格评判他们。换句话说,你必须先被某个领域洗脑,才能批评它。任何记者都不能接受这样的规则。但现在我来了,14 年后,我正在听取萨斯坎德的建议。不仅如此,我还试图通过阅读他的书来学习量子力学!为了复习我在大学里最后学过的微积分,我还在阅读《速成微积分》。

萨斯坎德也敦促我学习弦理论,但我没有接受这个建议。首先,弦理论现在看起来比以往任何时候都更像是一个死胡同。此外,学习它需要太长时间——我的量子顾问之一估计至少需要六年研究生水平的学习——而且我老迈的头脑可能永远无法掌握它。爱德华·威滕,有人说他是自牛顿以来最聪明的物理学家,他告诉我,当他在 20 世纪 70 年代阅读早期关于弦理论的论文时,他发现它们“晦涩难懂”。(弦理论的难度可能解释了它的持久性。那些掌握它的人无法承认他们在死胡同上浪费了时间。)

我不知道我的量子实验是否会成功。几乎在我开始阅读萨斯坎德的书后不久,我就开始陷入困境。我不得不查阅维基百科来提醒自己什么是正弦和余弦,更不用说复数、欧拉常数和矩阵了。现在我正在努力理解哈密顿量、特征向量、厄米算符、狄拉克符号——以及那些令人讨厌的符号!我现在跳过了萨斯坎德的数学练习。我会在再读一两遍、三四遍之后,并在我完成《速成微积分》之后再尝试做这些练习。

但尽管如此,不,正是因为我的迷失感,我才感到快乐。我觉得自己正站在一片陌生新领域的边界——比纳米比亚要陌生得多——它已经挑战了我的先入之见,并迫使我重新看待这个世界。

我的量子实验可能会产生什么结果(假设我没有在取得任何真正进展之前因挫败感而放弃)?如果我达到可以沾沾自喜地谈论特征向量和波函数的程度(如果能达到这个程度的话),我对物理学的看法会改变吗?更具体地说,我会对量子力学的意义有更深刻的理解吗?也许它在意识和自由意志中的潜在作用?

这很难说。那些深入了解量子力学的人——也就是数学上——对其含义存在分歧。显然,数学知识本身并不会引导你走向预定的观点。这是恰当的,因为正如萨斯坎德指出的那样,量子力学打破了关于决定论的传统观念。

此外,学习量子力学也提出了一个悖论。理查德·费曼曾说过一句关于量子力学的名言:“我不理解它。没有人理解它。” 因此,即使我的量子实验实现了我最狂野的期望,我也永远无法达到可以说“啊,我明白了”的程度。我能期望的最好结果是更多地了解我不知道的东西。我很乐意接受这一点。然后,当我们的世界陷入混乱时,我可以坐在我的公寓里思考这一切的波函数。

后记这是我在 2010 年开始撰写的博客“交叉检查”的最后一篇专栏文章。我的老朋友罗伯特·哈钦森,他组织了我们取消的纳米比亚之旅,建议使用“交叉检查”这个名字,这暗示了我对冰球的热情。十多年来,我平均每周发布一篇作品,我从未像现在这样享受写作。《大众科学》将在本周末关闭其博客网络,我和其他博主今后将为“观察”专栏撰稿。所以那是我接下来会露面的地方。我希望在那里见到你。

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