?科學(xué)理論，特別是牛頓引力論的成功，使得法國科學(xué)家拉普拉斯侯爵在19世紀(jì)初論斷，宇宙是完全被決定的。他認(rèn)為存在一組科學(xué)定律，只要我們完全知道宇宙在某一時(shí)刻的狀態(tài)，我們便能依此預(yù)言宇宙中將會(huì)發(fā)生的任一事件。例如，假定我們知道某一個(gè)時(shí)刻的太陽和行星的位置和速度，則可用牛頓定律計(jì)算出在任何其他時(shí)刻的太陽系的狀態(tài)。這種情形下的宿命論是顯而易見的，但拉普拉斯進(jìn)一步假定存在著某些定律，它們類似地制約其他每一件東西，包括人類的行為。

?很多人強(qiáng)烈地抵制這種科學(xué)宿命論的教義，他們感到這侵犯了上帝干涉世界的自由。但直到本世紀(jì)初，這種觀念仍被認(rèn)為是科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)假定。這種信念必須被拋棄的一個(gè)最初的征兆，是由英國科學(xué)家瑞利勛爵和詹姆斯·金斯爵士所做的計(jì)算，他們指出一個(gè)熱的物體——例如恒星——必須以無限大的速率輻射出能量。按照當(dāng)時(shí)我們所相信的定律，一個(gè)熱體必須在所有的頻段同等地發(fā)出電磁波（諸如無線電波、 可見光或X射線）。例如，一個(gè)熱體在1萬億赫茲到2萬億赫茲頻率之間發(fā)出和在2萬億赫茲到3萬億赫茲頻率之間同樣能量的波。而既然波的頻譜是無限的，這意味著輻射出的總能量必須是無限的。

?為了避免這顯然荒謬的結(jié)果，德國科學(xué)家馬克斯·普郎克在1900年提出，光波、Ｘ射線和其他波不能以任意的速率輻射，而必須以某種稱為量子的形式發(fā)射。并且，每個(gè)量子具有確定的能量，波的頻率越高，其能量越大。這樣，在足夠高的頻率下，輻射單獨(dú)量子所需要的能量比所能得到的還要多。因此，在高頻下輻射被減少了，物體喪失能量的速率變成有限的了。

?量子假設(shè)可以非常好地解釋所觀測到的熱體的發(fā)射率，但直到1926年另一個(gè)德國科學(xué)家威納· 海森堡提出著名的不確定性*原理之后，它對宿命論的含義才被意識(shí)到。為了預(yù)言一個(gè)粒子未來的位置和速度，人們必須能準(zhǔn)確地測量它現(xiàn)在的位置和速度。顯而易見的辦法是將光照到這粒子上，一部分光波被此粒子散射開來，由此指明它的位置。然而，人們不可能將粒子的位置確定到比光的兩個(gè)波峰之間距離更小的程度，所以必須用短波長的光來測量粒子的位置?，F(xiàn)在，由普郎克的量子假設(shè)，人們不能用任意少的光的數(shù)量，至少要用一個(gè)光量子。這量子會(huì)擾動(dòng)這粒子，并以一種不能預(yù)見的方式改變粒子的速度。而且，位置測量得越準(zhǔn)確，所需的波長就越短，單獨(dú)量子的能量就越大，這樣粒子的速度就被擾動(dòng)得越厲害。換言之，你對粒子的位置測量得越準(zhǔn)確，你對速度的測量就越不準(zhǔn)確，反之亦然。海森堡指出，粒子位置的不確定性*乘上粒子質(zhì)量再乘以速度的不確定性*不能小于一個(gè)確定量——普郎克常數(shù)。并且，這個(gè)極限既不依賴于測量粒子位置和速度的方法，也不依賴于粒子的種類。海森堡不確定性*原理是世界的一個(gè)基本的不可回避的性*質(zhì)。

?不確定性*原理對我們世界觀有非常深遠(yuǎn)的影響。甚至到了50 多年之后，它還不為許多哲學(xué)家所鑒賞，仍然是許多爭議的主題。不確定性*原理使拉普拉斯科學(xué)理論，即一個(gè)完全宿命論的宇宙模型的夢想壽終正寢：如果人們甚至不能準(zhǔn)確地測量宇宙的現(xiàn)在的態(tài)，就肯定不能準(zhǔn)確地預(yù)言將來的事件了！我們?nèi)匀豢梢韵胂?，對于一些超自然的生物，存在一組完全地決定事件的定律，這些生物能夠不干擾宇宙地觀測它現(xiàn)在的狀態(tài)。然而，對于我們這些蕓蕓眾生而言，這樣的宇宙模型并沒有太多的興趣?？磥?，最好是采用稱為奧鏗剃刀的經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，將理論中不能被觀測到的所有特征都割除掉。20世紀(jì)20年代。在不確定性*原理的基礎(chǔ)上，海森堡、厄文·薛定諤和保爾·狄拉克運(yùn)用這種手段將力學(xué)重新表達(dá)成稱為量子力學(xué)的新理論。在此理論中，粒子不再有分別被很好定義的、能被同時(shí)觀測的位置和速度，而代之以位置和速度的結(jié)合物的量子態(tài)。

?一般而言，量子力學(xué)并不對一次觀測預(yù)言一個(gè)單獨(dú)的確定結(jié)果。代之，它預(yù)言一組不同的可能發(fā)生的結(jié)果，并告訴我們每個(gè)結(jié)果出現(xiàn)的概率。也就是說，如果我們對大量的類似的系統(tǒng)作同樣的測量，每一個(gè)系統(tǒng)以同樣的方式起始，我們將會(huì)找到測量的結(jié)果為Ａ出現(xiàn)一定的次數(shù)，為Ｂ出現(xiàn)另一不同的次數(shù)等等。人們可以預(yù)言結(jié)果為Ａ或Ｂ的出現(xiàn)的次數(shù)的近似值，但不能對個(gè)別測量的特定結(jié)果作出預(yù)言。因而量子力學(xué)為科學(xué)引進(jìn)了不可避免的非預(yù)見性*或偶然性*。盡管愛因斯坦在發(fā)展這些觀念時(shí)起了很大作用，但他非常強(qiáng)烈地反對這些。他之所以得到諾貝爾獎(jiǎng)就是因?yàn)閷α孔永碚摰呢暙I(xiàn)。即使這樣，他也從不接受宇宙受機(jī)遇控制的觀點(diǎn)；他的感覺可表達(dá)成他著名的斷言：“上帝不玩弄骰子?！比欢?，大多數(shù)其他科學(xué)家愿意接受量子力學(xué)，因?yàn)樗蛯?shí)驗(yàn)符合得很完美。它的的確確成為一個(gè)極其成功的理論，并成為幾乎所有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)。它制約著晶體管和集成電路的行為，而這些正是電子設(shè)備諸如電視、計(jì)算機(jī)的基本元件。它并且是現(xiàn)代化學(xué)和生物學(xué)的基礎(chǔ)。物理科學(xué)未讓量子力學(xué)進(jìn)入的唯一領(lǐng)域是引力和宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。

?非常令人驚異的是，如果將光源換成粒子源，譬如具有一定速度（這表明其對應(yīng)的波有同樣的波長）的電子束，人們得到完全同樣類型的條紋。這顯得更為古怪，因?yàn)槿绻挥幸粭l裂縫，則得不到任何條紋，只不過是電子通過這屏幕的均勻分布。人們因此可能會(huì)想到，另開一條縫只不過是打到屏幕上每一點(diǎn)的電子數(shù)目增加而已。但是，實(shí)際上由于干涉，在某些地方反而減少了。如果在一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)電子被發(fā)出通過狹縫，人們會(huì)以為，每個(gè)電子只穿過其中的一條縫，這樣它的行為正如同另一個(gè)狹縫不存在時(shí)一樣——屏幕會(huì)給出一個(gè)均勻的分布。然而，實(shí)際上即使電子是一個(gè)一個(gè)地發(fā)出，條紋仍然出現(xiàn)，所以每個(gè)電子必須在同一時(shí)刻通過兩個(gè)小縫！

?粒子間的干涉現(xiàn)象，對于我們理解作為化學(xué)和生物以及由之構(gòu)成我們和我們周圍的所有東西的基本單元的原子的結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵的。在本世紀(jì)初，人們認(rèn)為原子和行星繞著太陽公轉(zhuǎn)相當(dāng)類似，在這兒電子（帶負(fù)電荷的粒子）繞著帶正電荷的中心的核轉(zhuǎn)動(dòng)。正電荷和負(fù)電荷之間的吸引力被認(rèn)為是用以維持電子的軌道，正如同行星和太陽之間的萬有引力用以維持行星的軌道一樣。麻煩在于，在量子力學(xué)之前，力學(xué)和電學(xué)的定律預(yù)言，電子會(huì)失去能量并以螺旋線的軌道落向并最終撞擊到核上去。這表明原子（實(shí)際上所有的物質(zhì)）都會(huì)很快地坍縮成一種非常緊密的狀態(tài)。丹麥科學(xué)家尼爾斯·玻爾在1913年，為此問題找到了部分的解答。他認(rèn)為，也許電子不能允許在離中心核任意遠(yuǎn)的地方，而只允許在一些指定的距離處公轉(zhuǎn)。如果我們再假定，只有一個(gè)或兩個(gè)電子能在這些距離上的任一軌道上公轉(zhuǎn)，那就解決了原子坍縮的問題。因?yàn)殡娮映顺錆M最小距離和最小能量的軌道外，不能進(jìn)一步作螺旋運(yùn)動(dòng)向核靠近。

?對于最簡單的原子——?dú)湓樱@個(gè)模型給出了相當(dāng)好的解釋，這兒只有一個(gè)電子繞著氫原子核運(yùn)動(dòng)。但人們不清楚如何將其推廣到更復(fù)雜的原子去。并且，對于可允許軌道的有限集合的思想顯得非常任意。量子力學(xué)的新理論解決了這一困難。原來一個(gè)繞核運(yùn)動(dòng)的電荷可看成一種波，其波長依賴于其速度。對于一定的軌道，軌道的長度對應(yīng)于整數(shù)（而不是分?jǐn)?shù)）倍電子的波長。對于這些軌道，每繞一圈波峰總在同一位置，所以波就互相迭加；這些軌道對應(yīng)于玻爾的可允許的軌道。然而，對于那些長度不為波長整數(shù)倍的軌道，當(dāng)電子繞著運(yùn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)波峰將最終被波谷所抵消；這些軌道是不能允許的。

?美國科學(xué)家里查德·費(fèi)因曼引入的所謂對歷史求和（即路徑積分）的方法是一個(gè)波粒二像性*的很好的摹寫。在這方法中，粒子不像在經(jīng)典亦即非量子理論中那樣，在空間－時(shí)間中只有一個(gè)歷史或一個(gè)軌道，而是認(rèn)為從Ａ到Ｂ粒子可走任何可能的軌道。對應(yīng)于每個(gè)軌道有一對數(shù)：一個(gè)數(shù)表示波的幅度；另一個(gè)表示在周期循環(huán)中的位置（即相位）。從Ａ走到Ｂ的幾率是將所有軌道的波加起來。一般說來，如果比較一族鄰近的軌道，相位或周期循環(huán)中的位置會(huì)差別很大。這表明相應(yīng)于這些軌道的波幾乎都互相抵消了。然而，對于某些鄰近軌道的集合，它們之間的相位沒有很大變化，這些軌道的波不會(huì)抵消。這種軌道即對應(yīng)于玻爾的允許軌道。

?用這些思想以具體的數(shù)學(xué)形式，可以相對直截了當(dāng)?shù)赜?jì)算更復(fù)雜的原子甚至分子的允許軌道。分子是由一些原子因軌道上的電子繞著不止一個(gè)原子核運(yùn)動(dòng)而束縛在一起形成的。由于分子的結(jié)構(gòu)，以及它們之間的反應(yīng)構(gòu)成了化學(xué)和生物的基礎(chǔ)，除了受測不準(zhǔn)原理限制之外，量子力學(xué)在原則上允許我們?nèi)ヮA(yù)言圍繞我們的幾乎一切東西。（然而，實(shí)際上對一個(gè)包含稍微多幾個(gè)電子的系統(tǒng)所需的計(jì)算是如此之復(fù)雜，以至使我們做不到。）

?看來，愛因斯坦廣義相對論制約了宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，它僅能稱為經(jīng)典理論，因其中并沒有考慮量子力學(xué)的不確定性*原理，而為了和其他理論一致這是必須考慮的。這個(gè)理論并沒導(dǎo)致和觀測的偏離是因?yàn)槲覀兺ǔ＝?jīng)驗(yàn)到的引力場非常弱。然而，前面討論的奇點(diǎn)定理指出，至少在兩種情形下引力場會(huì)變得非常強(qiáng)——黑洞和大爆炸。在這樣強(qiáng)的場里，量子力學(xué)效應(yīng)應(yīng)該是非常重要的。因此，在某種意義上，經(jīng)典廣義相對論由于預(yù)言無限大密度的點(diǎn)而預(yù)示了自身的垮臺(tái)，正如同經(jīng)典（也就是非量子）力學(xué)由于隱含著原子必須坍縮成無限的密度，而預(yù)言自身的垮臺(tái)一樣。我們還沒有一個(gè)完整、協(xié)調(diào)的統(tǒng)一廣義相對論和量子力學(xué)的理論，但我們已知這理論所應(yīng)有的一系列特征。在以下幾章我們將描述黑洞和大爆炸的量子引力論效應(yīng)。然而，此刻我們先轉(zhuǎn)去介紹人類的許多新近的嘗試，他們試圖對自然界中其他力的理解合并成一個(gè)單獨(dú)的統(tǒng)一的量子理論。