前言

20世紀是由物理學所定義的。全球頂尖物理學家的頭腦，匯聚成一條思想之流，忽而將人類帶到奇跡的巔峰，忽而又一路降至絕望的谷底。20世紀伊始，人類對絕對知識是那樣確定，然而在世紀之末，卻又發現并沒有絕對的確定性。人類曾以為能夠正確地把握物理實在的本質，但就在20世紀，物理學家發展的理論，卻又否定了完全理解實在的可能性。依然是在20世紀，人類還造出了能把物理實在完全毀滅的武器。

我們對世界本質的認識，幾乎全都來自同一個物理理論。這個理論在20世紀前30年得到發現并不斷完善和發展，逐漸變成物理學史上最成功的理論。在21世紀的今天，我們對于很多技術都感到習以為常，但這些技術中，有很多都是以這個理論為基石的。

不過，成功是有代價的，因為這一理論也徹底剝奪了人類從世界的最基本構成層面了解這個世界的能力。

阿爾伯特·愛因斯坦拒絕接受這一新理論提出的不確定性和隨機性的說法，他曾說過一句經典名言：“上帝不擲骰子。”尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）斷言：“一個人，無論是誰，若沒有對這個理論感到震驚，就說明他還沒有理解它。”美國天才物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）則更進一步：他斷言沒人能理解它。對任何一個受過經典物理學語言和邏輯訓練的人來說，這個理論在數學上頗具挑戰性，其詭譎令人發狂，而其完美又令人驚嘆。

這，就是量子理論，本書講述的就是量子理論的歷史故事。

如果我們把量子理論的歷史淵源追溯到馬克斯·普朗克（Max Planck）發現“作用量量子”的1900年12月，那么這個理論已經走過一百多個年頭了。你可能覺得，一百年時間，足夠物理學家認真研究并理解它的意義了；也足夠搞清量子理論對物理實在中的隨機和因果有何影響，以及對物理實在的本質有何影響了。然而事實正好相反，隨著時間的流逝，量子理論給人帶來的震驚有增無減。

雖然沒有人真正理解量子理論到底是如何運行的，但在應用中，其規律是無可置疑的，量子理論預測的正確性和精確性，在整個科學史上是無可比擬的。雖然對于如何詮釋量子理論的爭論依舊激烈，但對于量子理論根本性上的對錯，卻沒什么可爭論的。

在過去400多年的時間里，人類產生了一個信念（或許應該叫信仰？）：基于實證的調查研究如果符合嚴格的科學標準，就能夠揭示大自然運行的真正機制。然而當自然機制揭開面紗，展示出量子機制時，科學和哲學兩個世界不可避免地發生了碰撞。我們所面對的不是真理和理解，而是令人不安的問題，那些關于這個世界我們到底有望了解多少的問題。量子理論把人類推到了認識論懸崖的邊緣。20世紀20年代中期以來，人類一直戰戰兢兢，擔心從這個邊緣掉落。

這個理論神奇又令人不安，本書就是獻給它的：1900年，它從研究黑體輻射實驗的陶瓷爐中誕生，經過了一個世紀，歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機又帶來了發現新的量子現象的曙光。本書把量子通史分成40個“時刻”來講述，這40個時刻都是量子理論發展的關鍵時刻或轉折點。

本書將帶我們踏上一段漫長的旅程。第一章介紹了普朗克1900年的發現，追溯了早期量子理論的發展歷程，包括愛因斯坦的光量子假說、玻爾的原子的量子理論、路易·德布羅意（Louis de Broglie）的波動―粒子假說、維爾納·海森伯（Werner Heisenberg）的矩陣力學、令人迷惑不解的電子自旋現象及沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli）的不相容原理。第一章以埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）遲來的“艷福”收尾，那是在1925年，薛定諤創立了波動力學。

第二章追溯了量子理論的哥本哈根詮釋的發展過程。1926年，馬克斯·玻恩（Max Born）詮釋了薛定諤波函數的重要意義，我們由此出發，旁觀玻爾、海森伯和薛定諤關于量子躍遷的激烈論戰，再目睹海森伯發展出不確定性原理，然后欣賞1927年玻爾在科莫的演講。

到了這個階段，量子理論的先驅愛因斯坦卻成了這一理論最堅定的批評者之一。第三章講述了玻爾―愛因斯坦論戰，這也是科學史上最深刻的論戰之一。1927年10月，第五屆索爾維會議召開，愛因斯坦在會上概述了自己最初的幾個思想實驗，令與會人員陷入了沉思。稍后我們會講到愛因斯坦―波多爾斯基―羅森論證，即EPR悖論，以及1935年薛定諤的那只聞名遐邇的貓的悖論。途中我們稍做停留，去一覽“絕對奇跡”——保羅·狄克（Paul Dirac）關于電子的相對論性量子力學。

要想研究量子理論，就得研究創立量子理論的物理學家。起初，我打算寫一本量子理論界的“傳記”，也就是以創立和完善量子理論的物理學家為基礎的傳記。但是其中涉及的很多物理學家，在世界上第一個核武器的研發中也扮演了關鍵角色，因此我就想把他們在戰爭期間的探索也包括進去，寫一個很長的章節。本書的寫作計劃本就野心勃勃，再把這些內容包括進去就有些過分宏大了。于是我就把戰爭期間的故事拿出來單獨成書，名為《原子：物理學第一次大戰和原子彈秘史，1939―1949》（Atomic: The First War of Physics and the Secret History of the Atom Bomb，1939―1949），由圖標圖書（Icon Books）于2009年出版。后經出版社允許，我在本書中插入了一段插曲，而這段插曲就是從《原子》中提煉出來的，重點放在了1941年9月玻爾和海森伯在哥本哈根的那場聲名狼藉的會面，當時哥本哈根已被納粹占領。

戰后，物理學家們重拾學術研究，而量子理論卻陷入了危機之中。第四章講述了由朱利安·施溫格（Julian Schwinger）、理查德·費曼、朝永振一郎和弗里曼·戴森（Freeman Dyson）發起的一系列討論危機的會議，這些會議的巔峰成果是促成了量子電動力學的發展。隨后在1954年，楊振寧和羅伯特·米爾斯（Robert Mills）基于局域規范對稱性發展了量子場論，這是人們始料未及的。1960年，謝爾頓·格拉肖（Sheldon Glashow）、阿卜杜勒·薩拉姆（Abdus Salam）和斯蒂芬·溫伯格（Stephen Weinberg）繼續深入研究，提出了電弱統一理論（unified electro-weak theory）的早期版本，并預言了“重光子”，即W粒子和Z粒子的存在。雖然這些努力大部分都被物理學界草率地否定了，但這段時期是理論物理學史上前所未有的高產期。這一時期的巔峰成果包括1963年默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）提出的夸克理論、引入對稱破缺的概念及1967年提出的希格斯機制。

此時，量子物理學與粒子物理學融為一體。本書的第五章詳細探討了體積越來越大、耗資越來越多的粒子加速器和對撞機的重要作用，它們目前為止為證明量子場論收集的論據，逐漸形成了粒子物理學中大名鼎鼎的標準模型。1968年，斯坦福直線加速器中心研究發現，質子具有內部結構。我們在第五章中由此出發，接著去了解一種科學家猜測存在的粲夸克的發現，以及由蓋爾曼和哈拉爾德·弗里奇（Harald Fritzsch）的量子色動力學理論描述的色力。

1974年，J/ψ介子（由一個粲夸克和一個反粲夸克組成）由斯坦福直線加速器中心和布魯克黑文國家實驗室在所謂的“十一月革命”中發現。隨后，在1983年，歐洲核子研究中心觀測到了W粒子和Z粒子。這些發現把物理學家引向了通往標準模型的道路。標準模型基于三“代”物質粒子的相互作用，這些粒子包括輕子（電子和中微子）和通過傳遞力的粒子相互作用的夸克。傳遞力的粒子包括光子、W粒子和Z粒子及傳遞色力的膠子。但到目前為止，標準模型中仍沒有引力的一席之地。在第五章最后，我們來到2003年9月，物理學家在歐洲核子研究中心會聚一堂，慶祝他們取得的成功。

接下來，本書要退回到1951年，當時大衛·玻姆（David Bohm）對哥本哈根詮釋可能帶來的影響越來越不安。受愛因斯坦的鼓勵，玻姆繼續研究愛因斯坦、波多爾斯基和羅森的論點，將其進一步完善，把三人的思想實驗帶入了現實的王國。玻姆繼續發展出了一套傳統量子理論的替代理論，這套內容詳盡的理論便是“隱變量”理論。

從這些故事出發，第六章追溯了當代實驗的發展軌跡，而當代實驗的目標就在于探求物理實在的本質。1964年，約翰·貝爾（John Bell）提出了貝爾定理和貝爾不等式，揭示了愛因斯坦質疑的本質問題，直截了當地檢驗了局域與非局域問題。具有決定性的實驗，首先由阿蘭·阿斯派克特（Alain Aspect）與其同事在1981年和1982年做出。該實驗證明，量子世界確定無疑是非局域的。

隨后一系列的實驗證明，量子世界的確存在一些令人無法理解的特性，這令堅定的實在論者陷入絕望，苦苦掙扎。這些實驗中包括馬朗·斯庫利（Marlan Scully）和凱·德呂爾（Kai Drühl）的量子擦除實驗及證明宏觀量子物體相互干涉的實驗，以及與薛定諤的貓類似的非生命體實驗室版本。安東尼·萊格特（Anthony Leggett）曾設想出一個不等式，第六章的最后介紹了安東·蔡林格（Anton Zeilinger）與同事為了驗證該不等式在2006年前后做的實驗。實驗結果充分表明，我們不能繼續認為測量所得的粒子屬性就必然反映或代表粒子的本質屬性。

這些實驗明確地告訴我們，人類永遠無法感知現實的“廬山真面目”。我們只能解釋經驗現實的某些方面，而經驗現實是由我們使用的工具和所問問題的性質決定的。看起來，量子物理學已經完成了向實驗哲學的轉變。

一直以來，物理學家都想把兩大物理理論——量子理論和義相對論——結合起來，統一為量子引力理論，或者換種說法將兩者統一為能夠描述宇宙間萬事萬物的“萬物理論”。第七章，也是本書的最后一章，將介紹物理學家為此所做的努力。第七章從正則量子引力（canonical quantum gravity）方法——其數學形是惠勒―德維特方程（Wheeler–DeWitt equation）——的發展開始1974年，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）把量子場論應用到黑洞附近的彎曲時空，發現黑洞“并沒那么黑”。

1984年8月，第一次超弦革命爆發，超弦革命有望提供一套理論，這套理論不僅能夠解釋標準模型里的所有粒子，還能容納進引力子（引力子是一種假想的傳遞引力的場粒子）。但是，隨著不同版本的超弦理論的出現，超弦理論不再具有獨特性，早期的希望也隨之破滅。差不多同時，正則方法以圈量子引力論（loop quantum gravity）的形式重出江湖。1995年3月，超弦理論在某種程度上熱火重燃，這就是第二次超弦革命，直至今天，它依然在理論物理學中占據主導地位。

但是，超弦理論總是抓著模糊的隱藏維度不放，也無法做出經得起檢驗的預言，人們對它也就越來越沒有耐心。量子理論再次陷入了危機，不過這在它110年的光輝歲月中可算是家常便飯了。自量子理論興起之時，物理學界就一直癡迷于詮釋，第七章末尾探討了它依然能夠扮演的重要角色。

本書最后一節的標題充滿積極色彩：慰藉人心的量子。歐洲核子研究中心坐落在日內瓦，2008年9月，這里的大型強子對撞機（LHC）正式啟動，目前已經耗資35億英鎊（約合310億人民幣），雖然啟動后不久就發生了嚴重事故，但它為解決當前的危機帶來了一些希望。至少，大型強子對撞機將能夠確定希格斯玻色子的存在，從而證實對稱性自發破缺機制，解釋粒子如何獲得質量，并給標準模型錦上添花。至少，它能夠給出答案。

最好的結果則是LHC能夠發現一些奇異的、全新的實驗事實。如果這些實驗事實無法用目前構成標準模型的量子場論解釋，危機將進一步加深。到那時，物理學或許會經歷一次重生。人們似乎只有在絕望的低谷中才能看到突破，推動量子理論在漫漫征程上駛向下一個階段。最好的結果就是，LHC能夠發現問題。

我在本書中所選擇的“時刻”，大部分毫無疑問是量子理論史上的關鍵時刻，而有些時刻的作用則不那么明顯。對于自己的選擇，我認為都是有其道理的，但我也深知其中的風險，把這些“時刻”放在一起，讀者可能會感覺本書描述的是一個通往科學真理的一帆風順、不可抵擋的必然過程。

但是科學的發展可沒有這么簡單。限于篇幅，我們無法一一描述其中的所有死胡同與瓶頸。有些理論曾一時占盡風頭，最終卻被更具數據說服力的后來者取代。事實上，科學探索的過程非常混亂，通常沒有邏輯，深受情緒因素的影響，而且由參與其中的個人推動向前，這些人就似“夢游”一般，偶爾走到了通往暫時性科學真理的道路上。

我要向牛津大學出版社的編輯拉莎·梅農（Latha Menon）表示感謝，感謝她的耐心、勇氣和能力，把我的“野心”引向可實踐的康莊大道。還要向閱讀手稿并給出意見的安東尼·萊格特、卡洛·羅韋利（Carlo Rovelli）及彼得·沃伊特（Peter Woit）表示感激。當然，毋庸贅言，書中如果存在偏差、誤見、錯解等，責任都應由我個人承擔。

量子理論與我們理解世界的常識性概念存在天壤之別，給人類的知識和心理帶來了挑戰，我希望本書足以明鑒這些挑戰，并向那些起身迎接挑戰的偉大物理學家致敬。對于那些通過應用一個“無人可以理解”的理論而能獲得的成果，我希望本書也能予以充分的說明。

吉姆·巴戈特

2010年7月于雷丁