简介
本书回顾量子论从无到有发展的风云录,从18世纪开始,直到21世纪,一批科学巨人开始颠覆传统物理学大厦,为了宇宙的终极理论而战,大大改变了人类发展的历史。
本书将带你做一次量子之旅。我们从神话时代出发,沿着量子发展的道路,亲身去经历科学史上的乌云和暴雨,追逐流星的辉光,穿越重重迷雾和险滩,和最伟大的物理学家们并肩作战。除了回顾基本的历史背景,我们还将向着未来探险,去逐一摸索量子论面前的不同道路,闯入人迹罕至的未知境地,和先行者们一起开疆扩土。让你惊叹的,不仅仅是沿途那令人眼花缭乱的绚丽风景,更来自于你内心深处的思索和启示——那是科学深植在每个人心中不可抗拒的魅力。
荣获“科学时报读书杯最佳科普创作奖”、“第三届吴大猷科普奖”、“国家图书馆文津图书奖”、“40年中国ZUI具影响力的40本科学科普书”多项大奖。
推荐
用浪漫主义的文笔,史诗的叙述方式,讲述了量子物理从产生到逐渐完善的过程。
过程中,有无数闪耀一时的物理学天才,提出震惊世界的理论,讲述他们对这个世界的认知,被无数人认同和追随。
然后被下一个耀眼的天才提出的理论推翻,再次颠覆世人的认知。
数百年间,所有人类中最聪明的一群人,上下求索,
探索光到底是波,还是粒子;
探索物理学存在的基石,物质的本源;
探索世界的存在,宇宙的产生;
探索 “人” 的本质。
经过无数次推倒又重建,反复拉扯,最终逐渐完善成为我们现在看到的样子,但争论依然存在。
下一次被推翻是什么时候,我们拭目以待。
媒体及名人推荐
教科书要是能这么有趣就好了!生动的比喻,丰富的八卦,让艰涩的量子力学显得平易近人,堪称学生上课时最想偷看的物理小说!
——刘慈欣
量子论的故事本来就跌宕起伏、激动人心,这位身世神秘的中国作家将这段故事演绎的高潮迭起、引人入胜,希望了解量子力学的普通读者请读此书。
——吴国盛(清华大学人文学院教授、科学史系主任)
生动有趣的量子物理学简史。作者既不是学物理的,也不是专业作家,但写出了国内最好的量子物理学通俗读物。
——徐来(少年得到科学总编辑,科普作家)
科学英雄史诗、量子物理学版本的《人类群星闪耀时》。必须说真实的科学探索没有那么浪漫写意,科学家的生活可能还挺苦逼。但是作为普通人,这些彻底颠覆我们世界观的人仍然是毫无疑问的英雄。
——王立铭(浙江大学教授、生物学家)
如果要评选物理学发展史上最伟大的那些年代,那么有两个时期是一定会入选的:17世纪末和20世纪初。前者以牛顿《自然哲学之数学原理》的出版为标志,宣告了近代经典物理学的正式创立;而后者则为我们带来了相对论和量子论,并彻底地推翻和重建了整个物理学体系。所不同的是,今天当我们再次谈论起牛顿的时代,心中更多的已经只是对那段光辉岁月的怀旧和祭奠;而相对论和量子论却至今仍然深深地影响和困扰着我们,就像两颗青涩的橄榄,嚼得越久,反而更加滋味无穷。
我在这里要给大家讲的是量子论的故事。这个故事更像一个传奇:由一个不起眼的线索开始,曲径通幽,渐渐地落英缤纷,乱花迷眼,正在没个头绪处,突然间峰回路转,天地开阔,如河出伏流,一泻汪洋。然而还未来得及一览美景,转眼又大起大落,误入白云深处不知归路……量子力学的发展史是物理学上最激动人心的篇章,我们会看到物理大厦在狂风暴雨下轰然坍塌,却又在熊熊烈焰中得到了洗礼和重生。我们会看到最革命的思潮席卷大地,带来了让人惊骇的电闪雷鸣,同时却又展现出震撼人心的美丽。我们会看到科学如何在荆棘和沼泽中艰难地走来,却更加坚定了对胜利的信念。
量子理论是一个极为复杂而又难解的谜题。她像一个神秘的少女,我们天天与她相见,却始终无法猜透她的内心世界。今天,我们的现代文明,从电脑到激光,从核能到生物技术,几乎没有哪个领域不依赖于量子论。但量子论究竟意味着什么?这个问题至今却依然难以回答。在自然哲学观上,量子论带给了我们前所未有的冲击和震动,甚至改变了整个物理世界的基本思想。它的观念是如此地革命,乃至最不保守的科学家都在潜意识里对它怀有深深的惧意。现代文明的繁盛是理性的胜利,而量子论无疑是理性的最高成就之一,但是它被赋予的力量太过强大,以致连它的创造者本身都难以驾驭,以致量子论的奠基人之一玻尔(Niels Bohr)都要说:“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论。”
掐指算来,量子概念的诞生已经超过整整100年,但不可思议的是,它的一些基本思想却至今不为普通的大众所熟知。那么,就让我们再次回到那个伟大的年代,去回顾一下那场史诗般壮丽的革命吧。我们将沿着量子论当年走过的道路展开这次探险,我们将和20世纪最伟大的物理天才们同行,去亲身体验一下他们当年曾经历过的那些困惑、激动、恐惧、狂喜和震惊。这将注定是一次奇妙的旅程,我们将穿越幽深的森林和广袤的沙漠,飞越迷雾重重的峡谷和惊涛骇浪的狂潮。你也许会感到晕眩,可是请千万跟紧我的步伐,不要随意观光而掉队,否则很有可能陷入沼泽中无法自拔。请记住我的警告。
不过现在,已经没时间考虑这么多了。请大家坐好,系好安全带,我们的旅程开始了。
——作者序
内容摘录
不存在一个客观的,绝对的世界。唯一存在的,就是我们能够观测到的世界。物理学的全部意义,不在于它能够揭示出自然“是什么”,而在于它能够明确,关于自然我们能“说什么”。
光量子和传统的电磁波动图像显得格格不入。它其实就是昔日微粒说的一种翻版,假设光是离散的,由一个个小的基本单位所组成的。自托马斯·杨的时代又已经过去了一百年,冥冥中天道循环,当年被打倒在地的霸主以反叛的姿态再次登上舞台,向已经占据了王位的波动说展开挑战。这两个命中注定的对手终于要进行一场最后的决战,从而领悟到各自存在的终极意义:如果没有了你,我独自站在这里,又是为了什么。
历史不是确定的实在,除非它已经被记录下来。 我们不能改变过去发生的事实,但我们可以延迟决定过去“应当”怎样发生。因为直到我们决定怎样观测之前,“历史”实际上还没有在现实中发生过! 宇宙的历史,可以在它已经发生后才被决定究竟是怎样发生的!
波函数无需"坍缩", 去随机选择左还是右, 事实上两种可能都发生了! 只不过它表现为整个世界的叠加: 生活在一个世界中的人们发现在他们那里电子通过了左边的狭缝, 而在另一个世界中, 人们观察到的电子则在右边!量子过程造成了"两个世界"!
宇宙在薛定谔方程的演化中被投影到多个“世界”中去,在每个世界中产生不同的结果。这样一来,在宇宙的发展史上,就逐渐产生越来越多的“世界”。历史只有一个,但世界有很多个!
我们设想一座“钠大厦”,在它的三楼,只有一位孤零零的房客住在3001房。而在相邻的“氯大厦”的三楼,则正好只有一间空房没人入住(3122)。出于电子对热闹的向往,钠大厦的那位孤独者顺理成章地决定搬迁到氯大厦中去填满那个空白的房间,而其也受到了那里房客们的热烈欢迎。这一举动也促成了两座大厦的联谊,形成了一个“食盐社区”。
现在的问题已经不再仅仅是光到底是粒子还是波,现在的问题还有电子到底是粒子还是波,你和我到底是粒子还是波,这整个物质世界到底是粒子还是波。
p和q就像一对前世冤家,它们人生不相见,动如参与商,处在一种有你无我的状态。不管我们亲近哪个,都会同时急剧地疏远另一个。这种奇特的量被称为“共轭量”,我们以后会看到,这样的量还有许多。
不过20世纪60年代末,有人想到了一种可能性:引力的能量是负数(因为引力是吸力,假设无限远的势能是0,那么当物体靠近后因为引力做功使得其势能为负值),所以在短时间内凭空生出的物质能量,它们之间又可以形成引力场,其产生的负能量正好和它们本身抵消,使得总能量仍然保持为0,不破坏守恒定律。这样,物质就真的从一无所有中产生了。
许多人都相信,我们的宇宙本身就是通过这种机制产生的。量子效应使得一小块时空突然从根本没有的时空中产生,然后因为各种力的作用,它突然指数级地膨胀起来,在瞬间扩大到整个宇宙的尺度。MIT的科学家阿伦·古斯(Alan Guth)从这种想法出发,创立了宇宙的“暴胀理论”(Inflation)。在宇宙创生的极早期,各块空间都以难以想象的惊人速度暴胀,使得宇宙的总体积增大了许多许多倍。这就可以解释为什么今天它的结构在各个方向看来都是均匀同一的。
停止争论吧,上帝真的掷骰子!随机性是世界的基石,当电子出现在这里时,它是一个随机的过程,并不需要有谁给它加上难以忍受的条条框框。全世界的粒子和波现在都得到了解放,从牛顿到麦克斯韦写好的剧本中挣扎出来,大口地呼吸自由空气。它们和观测者玩捉迷藏,在他们背后融化成概率波弥散开去,神秘地互相渗透和干涉。当观测者回过头去寻找它们,它们又快乐地现出原形,呈现出一个面貌等候在那里。这种游戏不至于过火,因为还有波动方程和不确定性原理在起着规则的作用。而统计规律则把微观上的无法无天抹平成为宏观上的井井有条。
猫也在不停观察着自己啊。这的确是至关重要的区别,人有能力测量自己活着与否,而猫不能。意识这个字眼出现在物理学中。
只是赫兹却没有想到,他的这个决定在冥冥中忽然改变了许多事情。他并不知道,自己已经在电磁波的实验中亲手种下了一个幽灵的种子,而顶替他去柏林任教的那个人,则会在一个命中注定的时刻把这个幽灵从沉睡中唤醒过来。在那之后,一切都改变了,在未来的30年间,一些非常奇妙的事情会不断地发生,彻底地重塑整个物理学的面貌。一场革命的序幕已经在不知不觉中肖悄拉开,而我们的宇宙,也即将经受 场暴风雨般的洗礼,从而变得更加神秘莫测,光怪陆离,震撼人心。
如果站在一个比较高的高度来看历史,一切事物都是遵循特定轨迹的,没有无缘无故的事情,也没有不和常理的发展。在时代浪尖上弄潮的英雄人物,其实都只是适合了那个时代的基本要求,这才得到了属于他们的无上荣耀。
换言之,不存在一个客观的绝对的世界。唯一存在的,就是我们能够观测到的世界。物理学的全部意义,不在于它能够揭示出自然“是什么”,而在于它能够明确,关于自然我们能“说什么”。没有一个脱离于观测而存在的“绝对自然”,只有我们和那些复杂的测量关系,煕攘纵横交错,构成了这个令人心醉的宇宙的全部。测量是新物理学的核心,测量行为创造了整个世界。
牛顿的体系闪耀着神圣不可侵犯的光辉,从诞生的那刻起便有着一种天上地下唯我独尊的气魄。麦克斯韦的方程组简洁深刻,倾倒众生,被誉为上帝谱写的诗歌。爱因斯坦的相对论虽然是平民出身,但骨子里却继承着经典体系的贵族优雅气质,它的光芒稍经发掘后便立即照亮了整个时代。这些理论,虽然也曾有磨难,但它们最后的成功都是近乎压倒性的,天命所归,不可抗拒。而伟人们的个人天才和魅力,则更加为其抹上了高贵而骄傲的色彩。但量子论却不同,量子论的成长史,更像是一部艰难的探索史,其中的每一步,都充满了陷阱、荆棘和迷雾。量子的诞生伴随着巨大的阵痛,它的命运注定了将要起伏而多舛,甚至一直到今天,它还在与反对者们不懈地搏斗。量子论的思想是如此反叛和躁动,以至于它与生俱来地有着一种对抗权贵的平民风格;而它显示出来的潜在力量又是如此地巨大而近乎无法控制,这一切使得所有的人都对它怀有深深的惧意。