量子宇宙

量子（quantum）这个词令人大惑不解而又回味无穷。它既可以是证明科学之伟大的直接证据，也可以是人类深陷在怪诞的亚原子领域泥沼时直觉边界的象征，这取决于你的观点如何。对于物理学者来说，量子力学是支持我们理解自然世界的三根砥柱之一，另外两根是爱因斯坦的狭义和广义相对论（Special and General Relativity）。爱因斯坦的理论分别处理了时间和空间的性质，以及引力问题，而量子力学处理剩下的一切问题。可以说，无论它是叫人大惑不解还是回味无穷，都无关紧要；量子力学只是一套描述事物行为的物理理论。从这一务实的角度看，它的精确性和解释力都相当出色。现代量子理论中*古老也是*明晰的实验便是通过观测电子在磁铁附近的行为来完成量子电动力学测试（quantum electrodynamics）。理论物理学者辛勤工作多年，想要以纸、笔和电脑来预测实验结果；实验物理学者设计并操作了精密的实验，都是为了揭示大自然更深的奥秘。双方各自得出了精确的结果；他们的准确程度相当于测量从英国曼彻斯特到美国纽约的距离，并将误差控制在几厘米之内。测试结果的非同寻常之处在于测量和计算的结果殊途同归，实验学者和理论学者独立得到的结果竟然严丝合缝。 这个巧合着实令人动容，也十分玄妙；但如果你认为量子理论就只着眼于对事物缩影的描摹，那人们对此大惊小怪并不理解也是正常的。虽然科学本身不以实用为目的，但很多革命性的技术和社会变化都出自单纯渴望理解世界的当代探索者之手。在各科学领域中，追本溯源的发现之旅带来了人类预期寿命的延长、洲际航空旅行、现代电子通信、免于躬耕的自由，以及面对无垠星海的激扬、谦冲和自知之明。但从某种意义上来说，这些都只是副产品。探索是因为好奇，而不只是为了实现真实的宏大图景，或者研发更好的器物。 量子理论可能是既玄妙虚无又卓有成效的*佳范例。说玄妙虚无，是因为在它的世界中，粒子可以同时出现在多个地方，在从一处运动到另一处的同时穷尽整个宇宙。说卓有成效，是因为只要理解这一宇宙中*小构件的行为，就能理解剩下的一切。这种说法近乎傲慢，因为世界充满繁芜庞杂的现象。虽说有这种复杂性，但我们还是发现，万物都由一些微小粒子构成，它们的运动遵循量子理论的法则。这里*神秘莫测的是，事物的根本性质并不需要由一整个图书馆的书籍来解释。这些法则非常简单，可以在一个信封的背面概括完毕。 我们愈是了解世界的本性，它看上去似乎愈简洁。万事俱备后，本书会解释，万物的基本法则是什么，以及前述的微小构件如何共同构成世界。但是，为避免我们在直面宇宙深层的简洁时感到无所适从，这里需要提醒一句：虽然游戏的基本规则很简单，其推论却不易得出。我们的日常经验由数万亿的原子共同控制，试图从**性原理（firstpriciple）中推导出植物甚至人的行为，无疑是痴人说梦。但承认这个困难并不会削弱重点—所有现象确实都由描述微小粒子的量子物理学所决定。 想想你周围的世界：你拿着一本纸质书籍，纸由粉碎的木浆制成，后者则来自树木。树木是一台能够获取原子和分子的机器，并通过分解它们，重造出由数万亿部件构成的细胞共同体。这个过程由一类叫作叶绿素的分子完成，该分子由百余个碳、氢、氧原子扭曲成复杂的形状，并靠少量氮、镁原子固定。这些粒子的集合体能吸收一个距离我们1.5亿千米、足以容纳百万个地球的核反应炉（太阳）的光，接着把光中的能量送进细胞的核心，从而使二氧化碳和水在制造分子的同时，释放出富含生命的氧气。正是这些分子链构成了树木和所有生命，以及本书中的纸张。你能阅读书籍并理解文字，是因为你的眼睛能把书页散射的光转化成电信号，并由宇宙已知范围内结构*复杂的—大脑来解读。我们发现所有这些都只不过是一些原子的集合，而各种原子都仅由三种粒子构成：电子、质子和中子。我们还发现，质子和中子又由更小的实体—夸克组成。这就是我们目前认知的极限，而量子理论支撑着这一切。 正如现代物理学所揭示的，深层次来看，我们所处的宇宙是由简洁的图案描绘；在视线不及之处，微观现象清歌雅舞，并由此衍生出繁杂的宏观世界。这或许是当代科学的至高成就：将包括人类在内的世间纷纭还原到对少数亚原子粒子及它们之间四种作用力的描述。其中有三种力能很好地用量子理论描述，这包括作用于原子核深处的强核力和弱核力，以及把原子和分子粘起来的电磁力。四种力中，只有*弱却也或许是*为人所知的引力，直到现在还没有一个尽如人意的量子描述。 应当承认，量子理论中是有些古怪的东西，多少诞妄不经都以之为名。猫可以既生又死，粒子可以同处两地，海森伯的不确定性原理，这些都是事实，但绝不能因此认为微观世界中发生的事总是那么奇怪，而我们就应该默认它的神秘。超感官知觉、神秘治愈术，或是号称能防辐射什么的能量手环等，就经常在“量子”一词的掩护下鱼目混珠，登上大雅之堂。这些都是无稽之谈，大概来自思绪不清、执念深重、无端误解、有意曲解，或是上述原因不幸兼有。量子理论能精确地描述世界，这些以数学语言写成的定律，跟牛顿或伽利略提出的理论一样真实可靠。这就是在前述的例子中，电子的磁响应能计算得如此严丝合缝的原因。你将在本书中发现，量子理论对大自然的描述有巨大的预测力和解释力，涵盖的现象范围之广，小到硅片、大至星辰。 编写本书的目的，就是揭秘量子物理的理论框架。量子理论以令人不解闻名，甚至连早期的量子理论学者也深感困惑。我们的介绍将会采用现代观点，其中包含了一个世纪以来的后见之明和理论进展。然而，为了介绍故事背景，我们还是会从20世纪之交启程，探索当年导致那些物理学者走上迥异歧路的问题。 那时，人们发现了一些不能由科学范式所解释的自然现象，像科学领域中其他一些例子一样，这些发现沉淀下来，*后形成了量子理论。这些现象多种多样、星火燎原，令人振奋而茫然，催生出一个实验与理论创新的黄金时代—这个词有点陈腐，放在这里却是实至名归。故事主角们的大名，刻在所有物理专业学生的心底，直到今天依然贯穿本科课程始终：卢瑟福、玻尔、普朗克、爱因斯坦、泡利、海森伯、薛定谔，还有狄拉克。可能再也不会出现这样一个时期，涌现如此多科学伟人，共同追寻一个目标：一个有关组成物理世界的原子和力的全新理论。1924年，当欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）回顾量子理论的草创岁月时，这位生于新西兰、并在曼彻斯特发现原子核的物理学家写道：“1896年……对于物理科学是名副其实的英雄时代元年。在那段激荡岁月里，具有根本重要性的新发现层出不穷，这在物理学史上是前所未有的。” 跟随本书我们将回到19世纪的法国巴黎，去见证量子理论的诞生，但在此之前，我们还得先问一句：“量子”这个词到底是什么意思呢？这个词在1900年通过马克斯·普朗克（MaxPlanck）的著作引入物理学。当时普朗克正致力于找到一套新理论，以描述高温物体发出的辐射，即所谓“黑体辐射”（black body radiation）。这项工作起源于一家电气照明公司的委托，可见宇宙奥秘之门偶尔也会为柴米油盐而开。本书会在后面详细讨论普朗克的真知灼见；现在只需知道，普朗克发现黑体辐射后，为解释其性质，他只能假设光须以小份能量的形式辐射出去，称之为“量子”。这个词本身的意思是“包”或“离散”。起初，普朗克认为这只是一个数学技巧，但就在1905年，阿尔伯特·爱因斯坦（AlbertEinstein）在光电效应（photo electric effect）现象上的后续研究中进一步支持了量子假说。这结果发人深省，因小份能量即可视为粒子的同义词。 历史上很长一段时间，都认为光是由一串小子弹组成的，可以追溯到标志现代物理学诞生的艾萨克·牛顿（Isaac Newton）时期。然而，1864年，由苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）发表的一系列论文似乎全面消除了对于光的疑虑，这些论文后来被阿尔伯特·爱因斯坦形容为“自牛顿时代以来，物理学*为透彻和丰硕的论著”。麦克斯韦证明，光是一列涌过空间的电磁波。自此，光是一种波的观点成为正统，看起来似乎毋庸置疑。然而，在1923年到1925年间，阿瑟·康普顿（Arthur Compton）及其同事在美国圣刘易斯华盛顿大学（Washington University in St.Louis）进行了一系列实验，并成功地使光量子从电子上反弹出去。光量子和电子的行为都像台球一样，这一现象为普朗克的理论猜想提供了铁证，是其在现实世界中坚实的理论基础。到了1926年，光量子被赐名为“光子”（photon）。光的行为既像波又像粒子，证据确凿。 这标志着经典物理的终结，也是量子理论草创时期的终结。