莱德曼量子物理通识讲义:诺奖大师给“诗人”的量子物理公开课

第1章 如果你没感到震惊，说明你还不懂 在电视剧《星际迷航》及其衍生作品中，“进取”号（Enterprise）飞船穿梭在各个星系之间，它的一个为期五年的任务便是去探索那些人类未曾踏上的星球。“进取”号的船员使用的是那些属于遥远未来的科技：数倍于光速的曲速飞行，利用“子空间通信”与几光年外的舰队司令部联络，扫描正在靠近的飞船和陌生星球的表面，以及偶尔用质子鱼雷抵御一些不友好的势力，等等。其中脑洞开得*大的恐怕就是舰队队员可以“哔”一下瞬间转移到其他星球的表面，看到各种奇特的风景，和其他文明种族的首领来个面对面的交流，这些种族的文明程度都或多或少地领先于人类。 然而，在《星际迷航》以及其他我们知道的科幻故事的情节中，没有一个能比1900—1930 年发生在地球上的那次探索更异想天开。20 世纪初是属于科学的时代，当时先驱者们探索的空间可以说和《星际迷航》的船员们所面对的空间一样广袤——这不是指跨越星际数十亿光年，而是指人类向隐藏在自然界深处的、完全未知的、从未前往过的*小物体的一次旅行，正是这种小之又小、微乎其微的东西构成了我们看到的整个宇宙。 在19 世纪末20 世纪初的时候，当时*先进的科学技术，从某种意义上**次让人类能够探测那个全新的、令人难以置信的“外星世界”——原子的世界。在这段时期，物理学家们遇到了难以形容的现象，它现实存在却又超越现实：他们在自然世界的*深处揭开了一个奇妙而陌生的全新世界，这个超现实的现实之于科学的意义，就好比同一时期的毕加索的眼睛之于艺术、勋伯格的耳朵之于音乐、卡夫卡的笔之于文学。事实上，人们经过三百年发展并完善了一整套物理学定律，而这精致的经典物理学在这个新发现的世界中却被证明是完全错误的。就好像柯克船长和他“进取”号上的伙伴们降落在了一个遵循着各种奇怪自然规则的星球，堪比爱丽丝掉入兔子洞后遭遇到的种种。它是一种真实存在的“梦中奇境”：在某个地方存在的物体会突然间在另一个地方出现；一个光滑而坚硬的石头可以变得模糊，然后在科学家的眼皮底下弥散消失；一面坚固的城墙可以被轻松地穿过；事件在时空中瞬间发生改变。 在这个全新的世界里，物质中大量的“粒子”会游过来游过去、游过去游过来。科学家仔细观察了这些“粒子”后发现，它们在一定的时间内从A点到B点并不是简单地走一段单一的路径，不遵从三百年之前伽利略或牛顿设想的移动方式。取而代之的，人们发现自然界中这种组成世界万物的“基本粒子”——比如微小的电子——会走过所有可能的路径，并且是在同一时间！粒子看起来并不存在，实际上却无处不在。它们仿佛幽灵一样掌握所有可能到达目的地的路线，然而人们却根本不知道它们选择的到底是哪条。科学家们实验后发现，当挡住粒子在A点和B点之间的一些可能路线后，粒子到达B点的行为便受到影响，它们可能会更多地到达B点，也可能就再也无法到达了——即便这种改变仅仅是挡住了两点间众多路线当中的一条，而且无论它是否真的选择了这条路径。 粒子是极小的“点状物质”，没有明显的或可辨别的内部结构，但却能够在探测器中留下清晰的轨迹，在荧光屏上产生一个个小亮点，或是使盖革计数器“嘀嗒”作响。然而与此同时，这种极其微小的物质还是波——它们表现得像一列波、像一团云，运动的方式模糊不清，波峰和波谷很像湖泊或大海表面的波浪。而像无线电波和光，这些曾经被认为是波的物质，现在又被认为是各种粒子。波变成粒子，粒子亦变成波，时而体现前者，时而体现后者，或者同时发生。天哪，就仿佛是同一时代的那群“癫狂”的画家、作曲家和文学家在设计自然界的基本规律！ 总而言之，在20 世纪初的探索者眼前——借助高度复杂的仪器设备——这个世界已发生翻天覆地的变化，与自启蒙运动以来三百年间科学给我们的解释不同，世间万物如今以一种全新的方式运行。这一次，人们对物理规律的理解发生了巨大改变，开始以完全不同的方式来审视自然，并由此诞生了一门全新而又更加基础的科学——量子力学。