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《上帝掷骰子吗?量子物理史话》升级版-pdf,txt,mobi,kindle,epub电子版书免费百度云百度网盘

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曹天元

内容简介:

打破量子物理的高冷面具,关于量子物理,没有人写得比他更通俗、更有趣。 再现量子物理一路的荆棘与荣光,展现科学激动人心的魅力,这部量子物理史,足以唤起你对世界的全部好奇!

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。
你会知道:

1.用武侠小说般的语言,清晰勾勒量子物理发展风云录。
2.量子究竟是什么,为什么说量子论是上帝在掷骰子?
3.对双缝干涉实验、薛定谔的猫、量子纠缠、多重宇宙等硬核知识的生动解读。
4.量子物理如何影响世界,量子计算机、量子通信……量子物理未来将有哪些应用。
5.牛顿、普朗克、爱因斯坦、玻尔、海森堡、霍金……科学版的《人类群星闪耀时》,兼具科普、哲学、文学、传奇、探险故事、名人传记等多项功能。

目录
封面
版权
Preface 序
1 Golden Age 黄金时代
2 Dark Clouds 乌云
3 Falling Fireball 火流星
4 Into the Mist 白云深处
5 The Dawn 曙光
6 Two Sides of One Coin 殊途同归
7 Uncertainty Principle 不确定性
8 The Duel 决战
9 At the Crossroads 歧途
10 Back to Eden 回归经典
11 Judgement of the Inequality 不等式的判决
12 New Adventures 新探险
Finale 尾声
Encore 外一篇 海森堡和德国原子弹计划
Acknowledgements 后记
Bibliography 主要参考资料
Index 书中的人名翻译与原名对照

试读

Golden Age 黄金时代

Part 1

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,雄才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《最后一课》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,指向市中心那座著名的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。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。那时候,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(Karl Benz)一起成为这个小城的骄傲。现在他的心思,只是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,以致连最好的科学杂志如《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。

赫兹的装置Schleiermacher 1901

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,绽放出幽幽的荧光来。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为止。

装置简图

赫兹更加紧张了。他跑到窗口,将所有的窗帘都拉上,同时又关掉了实验室的灯,让自己处在一片黑暗之中。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,是为了求证那虚无缥缈的“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,它在数学上简直完美得像一个奇迹!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的话,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。

赫兹Heinrich Rudolf Hertz 1857—1894

实验室里面静悄悄的,赫兹一动不动地站在那里,仿佛他的眼睛已经看见那无形的电磁波在空间穿越。当发生器上产生火花放电的时候,接收器是否也同时感生出火花来呢?赫兹睁大了双眼,他的心跳得快极了。铜环接收器突然显得有点异样,赫兹简直忍不住要大叫一声,他把自己的鼻子凑到铜环的前面,明明白白地看见似乎有微弱的火花在两个铜球之间的空气里跃过。是幻觉,还是心理作用?不,都不是。一次,两次,三次,赫兹看清楚了:虽然它一闪即逝,但上帝啊,千真万确,真的有火花正从接收器的两个小球之间穿过,而整个接收器却是一个隔离的系统,既没有连接电池,也没有任何的能量来源。赫兹不断地重复着放电过程,每一次,火花都听话地从接收器上被激发出来,在赫兹看来,世上简直没有什么能比它更加美丽了。

良久良久,终于赫兹揉了揉眼睛,直起腰来:现在一切都清楚了,电磁波真真实实地存在于空间之中,正是它激发了接收器上的电火花。他胜利了,成功地解决了这个8年前由柏林普鲁士科学院提出悬赏的问题 [1] ;同时,麦克斯韦的理论也胜利了,物理学的一个新高峰―电磁理论终于被建立起来。伟大的法拉第(Michael Faraday)为它打下了地基,伟大的麦克斯韦建造了它的主体,而今天,他―伟大的赫兹―为这座大厦封了顶。

赫兹小心地把接收器移到不同的位置,电磁波的表现和理论预测的分毫不差。根据实验数据,赫兹得出了电磁波的波长,把它乘以电路的振荡频率,就可以计算出电磁波的前进速度。这个数值在可容许的误差内恰好等于30万公里/秒,也就是光速。麦克斯韦惊人的预言得到了证实:原来电磁波一点都不神秘,我们平时见到的光就是电磁波的一种,只不过普通光的频率正好落在某一个范围内,而能够为我们的眼睛所感觉到罢了。

无论从哪一个意义上来说,这都是一个了不起的发现。古老的光学终于可以被完全包容于新兴的电磁学里面,而“光是电磁波的一种”的论断,也终于为争论已久的光本性的问题下了一个似乎是不可推翻的定论(我们马上就要去看看这场旷日持久的精彩大战)。电磁波的反射、衍射和干涉实验很快就做出来了,这些实验进一步地证实了电磁波和光波的一致性,无疑是电磁理论的一个巨大成就。

赫兹的名字终于可以被闪光地镌刻在科学史的名人堂里。虽然他英年早逝,还不到37岁就离开了这个奇妙的世界,然而,就在那一年,一位在伦巴底度假的20岁意大利青年读到了他的关于电磁波的论文。两年后,这个青年已经在公开场合进行无线电的通信表演,不久他的公司成立,并成功地拿到了专利证书。到了1901年,赫兹死后的第7年,无线电报已经可以穿越大西洋,实现两地的实时通信了。这个来自意大利的年轻人就是古格列尔莫·马可尼(Guglielmo Marconi),与此同时俄国的波波夫(Aleksandr Popov)也在无线通信领域做出了同样的贡献。他们掀起了一场革命的风暴,把整个人类带进了一个崭新的“信息时代”。如果赫兹身后有知,他又将会作何感想呢?

但仍然觉得赫兹只会对此置之一笑。他是那种纯粹的科学家,把对真理的追求当作人生最大的价值。恐怕就算他想到了电磁波的商业前景,也会不屑去把它付诸实践的吧?也许,在美丽的森林和湖泊间散步,思考自然的终极奥秘;在秋天落叶的校园里,和学生探讨学术问题,这才是他真正的人生吧?今天,他的名字已经成为“频率”这个物理量的单位,被每个人不断地提起,可是,说不定他还会嫌我们打扰他的安宁呢。

无疑,赫兹就是这样一个淡泊名利的人。1887年10月,基尔霍夫(Gustav Robert Kirchhoff)在柏林去世,亥姆霍兹强烈地推荐赫兹成为那个教授职位的继任者,但赫兹拒绝了。也许在赫兹看来,柏林的喧嚣并不适合他。亥姆霍兹理解自己学生的想法,写信勉励他说:“一个希望与众多科学问题搏斗的人最好还是远离大都市。”

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悄悄拉开,而我们的宇宙,也即将经受一场暴风雨般的洗礼,从而变得更加神秘莫测、光怪陆离、震撼人心。

但是,我们还是不要着急,一步一步地走,耐心地把这个故事从头讲完。

Part 2

上次我们说到,1887年,赫兹的实验证实了电磁波的存在,也证实了光其实是电磁波的一种,两者具有共同的波的特性。这就为光的本性之争画上了一个似乎已经是不可更改的句号。

说到这里,我们的故事要先回一回头,穿越时空去回顾一下有关于光的这场大战。这也许是物理史上持续时间最长,程度最激烈的一场论战。它不仅贯穿于光学发展的全过程,还使整个物理学都发生了翻天覆地的变化,在历史上烧灼下了永不磨灭的烙印。

光,是每个人见得最多的东西(“见得最多”在这里用得真是一点也不错)。自古以来,它就理所当然地被认为是这个宇宙最原始的事物之一。在远古的神话中,往往是“一道亮光”劈开了混沌和黑暗,于是世界开始了运转。光在人们的心目中,永远代表着生命、活力和希望,更由此演绎开了数不尽的故事与传说。从古埃及的阿蒙(也叫拉Ra),到中国的祝融;从北欧的巴尔德(Balder),到希腊的阿波罗;从凯尔特人的鲁(Lugh),到拜火教徒的阿胡拉·玛兹达(Ahura Mazda),这些代表光明的神祇总是格外受到崇拜。哪怕在《圣经》里,神要创造世界,首先要创造的也仍然是光,可见它在这个宇宙中所占的独一无二的地位。

可是,光究竟是一种什么东西呢?虽然我们每天都要与它打交道,但普通人似乎很少会去认真地考虑这个问题。如果仔细地想一想,我们会发现光实在是一个奇妙的事物,它看得见,却摸不着,没有气味也没有重量。我们一按电灯开关,它似乎就凭空地被创生出来,一下子充满整个空间。这一切,都是如何发生的呢?

视觉成像的两种理论

有一个事情是肯定的:我们之所以能够看见东西,那是因为光在其中作用的结果,但人们对具体的作用机制则在很长一段时间内都迷惑不解。在古希腊时代,人们猜想,光是一种从我们的眼睛里发射出去的东西,当它到达某样事物的时候,这样事物就被我们“看见”了。比如恩培多克勒(Empedocles)就认为世界是由水、火、气、土四大元素组成的,而人的眼睛是女神阿芙洛狄忒(Aphrodite)用火点燃的。当火元素(也就是光,古时候往往光、火不分)从人的眼睛里喷出到达物体时,我们就得以看见事物。

但显而易见,单单用这种解释是不够的。如果光只是从我们的眼睛出发,那么只要我们睁开眼睛,就应该能看见。但每个人都知道,有些时候,我们即使睁着眼睛也仍然看不见东西(比如在黑暗的环境中)。为了解决这个困难,人们引进了复杂得多的假设。比如柏拉图(Plato)认为有三种不同的光,分别来源于眼睛、被看到的物体以及光源本身,而视觉是三者综合作用的结果。

这种假设无疑是太复杂了。到了罗马时代,伟大的学者卢克莱修(Lucretius)在其不朽著作《物性论》中提出,光是从光源直接到达人的眼睛的,但是他的观点却始终不为人们所接受。对光成像的正确认识直到公元1000年左右才被著名的伊斯兰科学家阿尔—哈桑(Al-Haytham,也拼作Alhazen)所最终归纳成型:原来我们之所以能够看到物体,只是由于光从物体上反射进我们眼睛里的结果 [2] 。哈桑从多方面有力地论证了这一点,包括研究了光进入眼球时的折射效果以及著名的小孔成像实验。他那阿拉伯语的著作后来被翻译并介绍到西方,并为罗杰尔·培根(Roger Bacon)所发扬光大,这给现代光学的建立打下了基础。

关于光在运动中的一些性质,人们也很早就开始研究了。基于光总是走直线的假定,欧几里得(Euclid)在《反射光学》(Catoptrica )一书里面就研究了光的反射问题。托勒密(Ptolemy)、哈桑和开普勒(Johannes Kepler)都对光的折射做了研究,而荷兰物理学家斯涅尔(Willebrord Snell)则在他们的工作基础上于1621年总结出了光的折射定律。最后,光的种种性质终于被有“业余数学之王”之称的费马(Pierre de Fermat)归结为一个简单的法则,那就是“光总是走最短的路线”。光学作为一门物理学科终于被正式确立起来。

但是,当人们已经对光的种种行为了如指掌的时候,我们最基本的问题却依然没有得到解决,那就是:“光在本质上到底是一种什么东西?”这个问题看起来似乎并没有那么难以回答,没有人会想到,对于这个问题的探究居然会那样地旷日持久,而这一探索的过程,对物理学的影响竟然会是那么地深远和重大,其意义超过当时任何一个人的想象。

古希腊时代的人们总是倾向于把光看成是一种非常细小的粒子流,换句话说,光是由一粒粒非常小的“光原子”组成的。这种观点一方面十分符合当时流行的元素说,另一方面古代的人们除了粒子之外对别的物质形式也了解得不是很多。这种理论,我们把它称之为光的“微粒说”。微粒说从直观上来看是很有道理的,首先它就可以很好地解释为什么光总是沿着直线前进,为什么会严格而经典地反射,甚至折射现象也可以由粒子流在不同介质里的速度变化而得到解释。但是粒子说也有一些显而易见的困难:比如人们当时很难说清为什么两道光束相互碰撞的时候不会互相弹开,人们也无法得知,这些细小的光粒子在点上灯火之前是隐藏在何处的,它们的数量是不是可以无限多,等等。

光的微粒说和波动说

当黑暗的中世纪过去之后,人们对自然世界有了进一步的认识。波动现象被深入地了解和研究,声音是一种波动的认识也进一步深入人心。人们开始怀疑:既然声音是一种波,为什么光不能够也是波呢?17世纪初,笛卡儿(René Descartes)在他《方法论》的三个附录之一《折光学》中率先提出了这样的可能:光是一种压力,在媒质里传播。不久后,意大利的一位数学教授格里马第(Francesco Maria Grimaldi)做了一个实验,他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上,发现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像。格里马第马上联想起了水波的衍射(这个大家在中学物理的插图上应该都见过),于是提出:光可能是一种类似水波的波动,这就是最早的光波动说。

波动说认为,光不是一种物质粒子,而是由于介质的振动而产生的一种波。我们想象一下足球场上观众掀起的“人浪”:虽然每个观众只是简单地站起和坐下,并没有四处乱跑,但那个“浪头”却实实在在地环绕全场运动着,这个“浪头”就是一种波。池塘里的水波也是同样的道理,它不是一种实际的传递,而是沿途的水面上下振动的结果。如果光也是波动的话,我们就容易解释投影里的明暗条纹,也容易解释光束可以互相穿过互不干扰。关于直线传播和反射的问题,人们后来认识到光的波长是极短的,在大多数情况下,光的行为就如同经典粒子一样,而衍射实验则更加证明了这一点。但是波动说有一个基本的难题:既然波本身是介质的振动,那它必须在某种介质中才能够传递,比如声音可以沿着空气、水乃至固体前进,但在真空里就无法传播。为了容易理解这一点,大家只要这样想:要是球场里空无一人,那“人浪”自然也就无从谈起。

而光则不然,它似乎不需要任何媒介就可以任意地前进。举一个简单的例子:星光可以从遥远的星系出发,穿过几乎是真空的太空来到地球而为我们所见,这对波动说来说显然是非常不利的。但是波动说巧妙地摆脱了这个难题:它假设了一种看不见摸不着的介质来实现光的传播,这种介质有一个十分响亮而让人印象深刻的名字,叫作“以太”(Aether)。

就在这样一种奇妙的气氛中,光的波动说登上了历史舞台。我们很快就会看到,这个新生力量似乎是微粒说的前世冤家,它命中注定要与后者开展一场长达数个世纪之久的战争。它们两个的命运始终互相纠缠在一起,如果没有了对方,谁也不能说自己还是完整的。到了后来,它们简直就是为了对手而存在着。这出精彩的戏剧从一开始的伏笔,经过两个起落,到达令人眼花缭乱的高潮。而最后绝妙的结局则更让我们相信,它们的对话几乎是一种可遇而不可求的缘分。17世纪中期,正是科学的黎明将要到来之前那最后的黑暗,谁也无法预见,这两朵小火花即将要引发一场熊熊大火。

饭后闲话:说说“以太”

正如我们在上面所看到的,以太最初是作为光波媒介的假设而提出的。但“以太”一词的由来则早在古希腊:亚里士多德(Aristotle)在《论天》一书里阐述了他对天体的认识。他认为日月星辰围绕着地球运转,但其组成却不同于地上的四大元素:水、火、气、土。天上的事物应该是完美无缺的,它们只能由一种更为纯洁的元素所构成,这就是亚里士多德所谓的“第五元素”以太(希腊文的αηθηρ)。而自从这个概念被借用到科学里来之后,以太在历史上的地位可以说是相当微妙的。一方面,它曾经扮演过如此重要的角色,以致成为整个物理学的基础;另一方面,当它荣耀不再时,也曾受尽嘲笑。虽然它不甘心地再三挣扎,改头换面,赋予自己新的意义,却仍然逃脱不了最终被抛弃的命运,甚至有段时间几乎成了伪科学的专用词。

但无论怎样,以太的概念在科学史上还是占有一席之地的。它曾经代表的光媒以及绝对参考系,虽然已经退出了舞台中央,但毕竟曾经担负过历史的使命。直到今天,每当提起这个名字,似乎仍然能够唤起我们对那段黄金岁月的怀念。它就像是一张泛黄的照片,记载了一个贵族光荣的过去。今天,以太作为另外一种概念用来命名一种网络协议(以太网Ethernet),生活在e时代的我们每每看到这个词的时候,是不是也会生出几许慨叹?

当路过以太的墓碑时,还是让我们脱帽,向它致敬。

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