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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，只有最弱却也或许是最为人所知的引力，直到现在还没有一个尽如人意的量子描述。
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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。
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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。
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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，最后形成了量子理论。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[2]（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。”
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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[3]（Max Planck）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[4]（Albert Einstein）在光电效应（photoelectric 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。
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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[5]（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[6]（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，物理学最为透彻和丰硕的论著”[7]。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[8]（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）[9]。光的行为既像波又像粒子，证据确凿。
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这标志着经典物理的终结，也是量子理论草创时期的终结。
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[1]除非你阅读的是本书的电子版，那就得自己开动脑筋想想了。（原书注，本书若无此注明，皆为译者注。）
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[2]欧内斯特·卢瑟福，1871年生于新西兰斯普林格罗夫（现布赖特沃特），1937年卒于英国剑桥，英籍实验物理学家。
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[3]马克斯·普朗克，1858年生于德国基尔，1947年卒于哥廷根，德国物理学家。
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[4]阿尔伯特·爱因斯坦，1879年生于德国乌尔姆，1955年卒于美国新泽西州普林斯顿，德裔瑞士籍美籍物理学家。
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[5]艾萨克·牛顿，1643年生于英国林肯郡伍尔索普，1726年卒于伦敦肯辛顿，英格兰物理学家和术士。
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[6]詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，1831年生于苏格兰爱丁堡，1879年卒于英格兰剑桥，苏格兰数学物理学家。
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[7]出自爱因斯坦《麦克斯韦对物理实在观念之发展的影响》一文，发表于《詹姆斯·克拉克·麦克斯韦：纪念册》一书第66—73页，由剑桥大学于1933年出版。
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[8]阿瑟·康普顿，1892年生于美国俄亥俄州伍斯特，1962年卒于美国加利福尼亚州伯克利，美国物理学家。
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[9]首次出现在Gilbert N. Lewis发表于《自然》期刊1926年第118卷第874—875页的《光子的守恒》一文中。
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量子宇宙 第二章 同时出现在两地
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1896年被欧内斯特·卢瑟福称为量子革命的起点，因为那一年亨利·贝克勒尔[10]（Henri Becquerel）在他位于巴黎的实验室中发现了放射性。当时贝克勒尔正在尝试使用铀化合物来产生数月前在维尔茨堡由威廉·伦琴[11]（Wilhelm Röntgen）发现的X射线，结果却发现，铀化合物发出的“铀射线”（法文：les rayons uraniques）能让感光底板显影，即使将底板和铀化物用厚厚的纸包着，完全不透光，也有同样的效果。大科学家亨利·庞加莱[12]（Henri Poincaré）早在1897年就意识到铀射线的重要性。当年，他在一篇综述论文[13]中预见道：现在可以认为，这一发现“将开启通往全新未知世界的道路”。放射性衰变的费解之处在于，它似乎不需要外力触发，射线只是从物质中自发又不可预测地产生了。事实证明，这正预示着接下来要发生的事。
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在1900年，卢瑟福注意到一个问题：“同一时刻形成的所有原子都应在相同的时间间隔中存续。然而，这与已观察到的转变法则——‘原子的寿命包含从零到无穷的所有值’相矛盾。”这种微观行为的随机性让人震惊，因为在此之前，科学是绝对确定性的。如果在某时某刻，你知道了关于某事物可知的一切，那么可以确信，你能绝对肯定地预测，这件事物将来会如何。这种可预测性的崩溃是量子理论的一个关键特点：量子理论处理的是概率，而不是确定性。这不是由于我们缺乏确切的知识，而是因为大自然的某些方面在本质上就是由“或然律”支配的。所以我们现在明白，预测某个特定原子何时衰变，这根本就不可能。放射性衰变是科学第一次与大自然的骰子戏法相遇，许多物理学者因此困惑了很长时间。
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尽管原子内部的结构还完全不清楚，但显而易见的是原子内部正发生着什么神奇的事。终于，在1911年，卢瑟福用放射源产生的所谓α粒子（后来被证实为氦-4原子核），轰击一张极薄的金箔的时候，得到了关键性的发现。他与合作者汉斯·盖革[14]（Hans Geiger）及欧内斯特·马斯登[15]（Ernest Marsden）惊愕失色地发现，约每8000个α粒子中，就有一个出人意料地未能穿过金箔，而是直接被弹回来。后来卢瑟福用他特有的生花妙笔描述了这个发现时刻：“这真是我人生中最匪夷所思的事。基本上就像你对着一张纸巾发射15英寸[16]的炮弹，它却弹回来轰中了你一样匪夷所思。”众所周知，卢瑟福是个有趣但又实事求是的人，他曾经形容一位妄自尊大的官员“和欧氏几何中的点一样有地位却无足轻重”。
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通过计算，卢瑟福发现，只有把原子的内部结构视为中心处有一个很小的核，而电子沿绕核轨道运动时，才能解释他的实验结果。当时他脑海中很可能浮现出了沿环日轨道运动的行星。原子核几乎囊括了原子全部的质量，因此它才能挡住并弹回被卢瑟福称为“15英寸炮弹”的α粒子。以最简单的氢元素为例，它的原子核只含有一个质子，半径约为1.75×10－15米。跟不熟悉的读者解释一下，它的意思是0.000 000 000 000 00175米，或者用文字表述，就是略小于两千兆分之一[17]米。就目前所知，氢原子中的一个电子，正如卢瑟福描述那位自以为是的官员所说，呈点状；而且它绕核运动的轨道半径约为原子核直径的100000倍。原子核带正电荷，而电子带负电荷，这意味着它们之间有吸引力，类似于将地球固定在其环日轨道上的引力。反过来讲，这又意味着原子基本上是空的。如果把原子核放大成网球，那电子会比灰尘颗粒还小，而它的运动轨道将在一千米以外。联想到生活经验，这些数字会让人大吃一惊，因为由原子组成的固体摸起来可完全不像是空的。
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卢瑟福的原子核式模型给当时的物理学者带来了许多问题。例如，电子绕原子核作轨道运动会损失能量，一度成为共识，因为所有带电物体沿曲线运动时都会辐射出能量。这也是无线电发射机背后的原理：电子在发射机内部受迫振荡，发出无线电磁波。海因里希·赫兹[18]（Heinrich Hertz）据此于1887年发明了无线电发射机；到了卢瑟福发现原子核的时候，已经有了商用无线电台，可以横跨大西洋，将讯息从爱尔兰传到加拿大。所以，沿轨道运动会辐射无线电波的理论没任何问题。按照经典电动力学，电子会沿螺线落向原子核；这就让试图解释电子如何保持在绕核轨道上的人感到异常困惑。
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还有一个相似的不解之谜是关于原子受热时发出的光。早在1853年，瑞典科学家安德斯·约纳斯·埃格斯特朗[19]（Anders Jonas Ångström）就通过在氢气管中产生的电火花，分析了其发出的光。人们可能会认为，气体发光能产生彩虹中的所有颜色，毕竟太阳不就是一个发光的气体球嘛。然而，埃格斯特朗观察到，氢气发出三种颜色迥异的光——红色、蓝绿色和紫色，像一道由三条狭窄纯色圆弧组成的彩虹。学界很快发现，每个化学元素都能这样射出独特的彩色条码。当卢瑟福的原子核式模型出现时，一位名叫海因里希·古斯塔夫·约翰内斯·凯瑟尔[20]（Heinrich Gustav Johannes Kayser）的科学家编纂了一部六卷共计5000页的参考书，名为《光谱学手册》（近代德文：Handbuch der Spectroscopie），记录了所有已知元素的闪耀光彩。现在我们要面对的问题当然是：为什么？不只是问凯瑟尔老师“为什么”（他一定已经在庆功晚宴上玩嗨了），更是追根究底地问：“为什么有这么丰富多彩的线条？”众所周知，在之后的六十余年中，光谱学虽然在实验上高歌猛进，在理论上却是一片荒芜。
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