序 Preface 如果要评选物理学发展史上*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,反而愈加滋味无穷。 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。正在没头绪处时,突然间峰回路转,天地开阔,如河出伏流,一泻汪洋,但还未来得及一览美景,转眼间却又大起大落,误入白云深处不知归路……量子力学的发展史是物理学上*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*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。但量子论究竟带给了我们什么?这个问题却至今依然难以回答。在自然哲学观上,量子论带给了我们****的冲击和震撼,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*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*高成就。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,连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有一个多世纪,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,回顾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*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,已经没时间考虑那么多了。请大家坐好,系好**带,我们的旅程开始了。 **章 黄金时代 The Golden Age 一 我们的故事要从1887年的德国小城——卡尔斯鲁厄(Karlsruhe)讲起。美丽的莱茵河从阿尔卑斯山区缓缓流下,在山谷中辗转向北,把南方温暖湿润的风带到这片土地上。它本应是法德两国之间的一段天然边界,但16年前,雄图大略的俾斯麦通过一场漂亮的战争击败了拿破仑三世,攫取了河对岸的阿尔萨斯和洛林,也留下了法国人的眼泪和我们课本中震撼人心的《*后一课》的故事。和阿尔萨斯隔河相望的是巴登邦,神秘的黑森林从这里延展开去,孕育着德国古老的传说和格林兄弟那奇妙的灵感。卡尔斯鲁厄就安静地躺在森林与大河之间,无数辐射状的道路如蛛网般收聚,指向市**那座**的18世纪的宫殿。这是一座安静祥和的城市,据说,它的名字本身就是由城市的建造者卡尔(Karl)和安静(Ruhe)一词所组成的。对于科学家来说,这里实在是一个远离尘世喧嚣、可以安心做研究的好地方。 现在,海因里希·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)就站在卡尔斯鲁厄大学的一间实验室里,专心致志地摆弄他的仪器。这时候,赫兹刚刚30岁,新婚燕尔,也许不会想到他将在科学史上成为和他的老师亥姆霍兹(Hermann von Helmholtz)一样鼎鼎有名的人物,不会想到他将和汽车大王卡尔·本茨(Carl Benz)一起成为这个小城的骄傲。现在他的心思完完全全地倾注在他的那套装置上。 赫兹给他的装置拍了照片。不过在19世纪80年代,照相的网目铜版印刷技术还刚刚发明不久,尚未普及,以致连*好的科学杂志如《物理学纪事》(Annalen der Physik)都没能把它们印在论文里面。但是我们今天已经知道,赫兹的装置是很简单的:它的主要部分是一个电火花发生器,有两个大铜球作为电容,并通过铜棒连接到两个相隔很近的小铜球上。导线从两个小球上伸展出去,缠绕在一个大感应线圈的两端,然后又连接到一个梅丁格电池上,将这套古怪的装置连成了一个整体。 赫兹全神贯注地注视着那两个几乎紧挨在一起的小铜球,然后合上了电路开关。顿时,电的魔力开始在这个简单的系统里展现出来:无形的电流穿过装置里的感应线圈,开始对铜球电容进行充电。赫兹冷冷地注视着他的装置,在心里面想象着电容两端电压不断上升的情形。在电学的领域攻读了那么久,赫兹对自己的知识是有充分信心的。他知道,当电压上升到2万伏左右,两个小球之间的空气就会被击穿,电荷就可以从中穿过,往来于两个大铜球之间,从而形成一个高频的振荡回路(LC回路)。但是,他现在想要观察的不是这个。 果然,过了一会儿,随着细微的“啪”的一声,一束美丽的蓝色电花爆开在两个铜球之间,整个系统形成了一个完整的回路,细小的电流束在空气中不停地扭动,绽放出幽幽的荧光。火花稍纵即逝,因为每一次的振荡都伴随着少许能量的损失,使得电容两端的电压很快又降到击穿值以下。于是这个怪物养精蓄锐,继续充电,直到再次恢复饱满的精力,开始另一场火花表演。 赫兹更加紧张了。他跑到窗口,将所有的窗帘拉上,同时又关掉了实验室的灯,让自己处在一片黑暗中。这样一来,那些火花就显得格外醒目而刺眼。赫兹揉了揉眼睛,让它们更为习惯于黑暗的环境。他盯着那串间歇的电火花,还有电火花旁边的空气,心里面想象了一幅又一幅的图景。他不是要看这个装置如何产生火花短路,他这个实验的目的,是求证那虚无缥缈的“电磁波”的存在。那是一种什么样的东西啊,它看不见,摸不着,到那时为止,谁也没有见过、验证过它的存在。可是,赫兹对此是坚信不疑的,因为它是麦克斯韦(Maxwell)理论的一个预言,而麦克斯韦理论……哦,它在数学上简直**得像一个奇迹!仿佛是上帝之手写下的一首诗歌。这样的理论很难想象它是错误的。赫兹吸了一口气,又笑了:不管理论怎样无懈可击,它毕竟还是要通过实验来验证的呀。他站在那里看了一会儿,在心里面又推想了几遍,终于确定自己的实验无误。如果麦克斯韦是对的话,那么每当发生器火花放电的时候,在两个铜球之间就应该产生一个振荡的电场,同时引发一个向外传播的电磁波。赫兹转过头去,在不远处放着两个开口的长方形铜环,在接口处也各镶了一个小铜球,那是电磁波的接收器。如果麦克斯韦的电磁波真的存在,那么它就会飞越空间,到达接收器,在那里感生一个振荡的电动势,从而在接收器的开口处也同样激发出电火花来。

序 Preface **章 黄金时代 The Golden Age 第二章 乌云 Dark Clouds 第三章 火流星 Falling Fireball 第四章 白云深处 Into the Mist 第五章 曙光 The Dawn 第六章 殊途同归 Two Sides of One Coin 第七章 不确定性 Uncertainty Principle 第八章 决战 The Duel 第九章 歧途 At the Crossroads 第十章 回归经典 Back to Eden 第十一章 不等式的判决 Judgement of the Inequality 第十二章 新探险 New Adventures 尾声 Finale 海森堡和德国原子弹计划 Encore 后记 Acknowledgements 主要参考资料 Bibliography 书中的人名翻译与原名对照(Index)