第一章 異事登場

量子（quantum）這個詞令人大惑不解而又回味無窮。它既可以是證明科學之偉大的直接證據，也可以是人類深陷在怪誕的亞原子領域泥沼時直覺邊界的象征，這取決于你的觀點如何。對于物理學者來說，量子力學是支持我們理解自然世界的三根砥柱之一，另外兩根是愛因斯坦的狹義和廣義相對論（Special and General Relativity）。愛因斯坦的理論分別處理了時間和空間的性質，以及引力問題，而量子力學處理剩下的一切問題?？梢哉f，無論它是叫人大惑不解還是回味無窮，都無關緊要；量子力學只是一套描述事物行為的物理理論。從這一務實的角度看，它的精確性和解釋力都相當出色。現代量子理論中最古老也是最明晰的實驗便是通過觀測電子在磁鐵附近的行為來完成量子電動力學測試（quantum electrodynamics）。理論物理學者辛勤工作多年，想要以紙、筆和電腦來預測實驗結果；實驗物理學者設計并操作了精密的實驗，都是為了揭示大自然更深的奧秘。雙方各自得出了精確的結果；他們的準確程度相當于測量從英國曼徹斯特到美國紐約的距離，并將誤差控制在幾厘米之內。測試結果的非同尋常之處在于測量和計算的結果殊途同歸，實驗學者和理論學者獨立得到的結果竟然嚴絲合縫。

這個巧合著實令人動容，也十分玄妙；但如果你認為量子理論就只著眼于對事物縮影的描摹，那人們對此大驚小怪并不理解也是正常的。雖然科學本身不以實用為目的，但很多革命性的技術和社會變化都出自單純渴望理解世界的當代探索者之手。在各科學領域中，追本溯源的發現之旅帶來了人類預期壽命的延長、洲際航空旅行、現代電子通信、免于躬耕的自由，以及面對無垠星海的激揚、謙沖和自知之明。但從某種意義上來說，這些都只是副產品。探索是因為好奇，而不只是為了實現真實的宏大圖景，或者研發更好的器物。

量子理論可能是既玄妙虛無又卓有成效的最佳范例。說玄妙虛無，是因為在它的世界中，粒子可以同時出現在多個地方，在從一處運動到另一處的同時窮盡整個宇宙。說卓有成效，是因為只要理解這一宇宙中最小構件的行為，就能理解剩下的一切。這種說法近乎傲慢，因為世界充滿繁蕪龐雜的現象。雖說有這種復雜性，但我們還是發現，萬物都由一些微小粒子構成，它們的運動遵循量子理論的法則。這里最神秘莫測的是，事物的根本性質并不需要由一整個圖書館的書籍來解釋。這些法則非常簡單，可以在一個信封的背面概括完畢。

我們愈是了解世界的本性，它看上去似乎愈簡潔。萬事俱備后，本書會解釋，萬物的基本法則是什么，以及前述的微小構件如何共同構成世界。但是，為避免我們在直面宇宙深層的簡潔時感到無所適從，這里需要提醒一句：雖然游戲的基本規則很簡單，其推論卻不易得出。我們的日常經驗由數萬億的原子共同控制，試圖從第一性原理（first priciple）中推導出植物甚至人的行為，無疑是癡人說夢。但承認這個困難并不會削弱重點——所有現象確實都由描述微小粒子的量子物理學所決定。

想想你周圍的世界：你拿著一本紙質書籍，紙由粉碎的木漿制成，后者則來自樹木^[1]。樹木是一臺能夠獲取原子和分子的機器，并通過分解它們，重造出由數萬億部件構成的細胞共同體。這個過程由一類叫作葉綠素的分子完成，該分子由百余個碳、氫、氧原子扭曲成復雜的形狀，并靠少量氮、鎂原子固定。這些粒子的集合體能吸收一個距離我們1.5億千米、足以容納百萬個地球的核反應爐（太陽）的光，接著把光中的能量送進細胞的核心，從而使二氧化碳和水在制造分子的同時，釋放出富含生命的氧氣。正是這些分子鏈構成了樹木和所有生命，以及本書中的紙張。你能閱讀書籍并理解文字，是因為你的眼睛能把書頁散射的光轉化成電信號，并由宇宙已知范圍內結構最復雜的——大腦來解讀。我們發現所有這些都只不過是一些原子的集合，而各種原子都僅由三種粒子構成：電子、質子和中子。我們還發現，質子和中子又由更小的實體——夸克組成。這就是我們目前認知的極限，而量子理論支撐著這一切。

正如現代物理學所揭示的，深層次來看，我們所處的宇宙是由簡潔的圖案描繪；在視線不及之處，微觀現象清歌雅舞，并由此衍生出繁雜的宏觀世界。這或許是當代科學的至高成就：將包括人類在內的世間紛紜還原到對少數亞原子粒子及它們之間四種作用力的描述。其中有三種力能很好地用量子理論描述，這包括作用于原子核深處的強核力和弱核力，以及把原子和分子粘起來的電磁力。四種力中，只有最弱卻也或許是最為人所知的引力，直到現在還沒有一個盡如人意的量子描述。

應當承認，量子理論中是有些古怪的東西，多少誕妄不經都以之為名。貓可以既生又死，粒子可以同處兩地，海森伯的不確定性原理，這些都是事實，但絕不能因此認為微觀世界中發生的事總是那么奇怪，而我們就應該默認它的神秘。超感官知覺、神秘治愈術，或是號稱能防輻射什么的能量手環等，就經常在“量子”一詞的掩護下魚目混珠，登上大雅之堂。這些都是無稽之談，大概來自思緒不清、執念深重、無端誤解、有意曲解，或是上述原因不幸兼有。量子理論能精確地描述世界，這些以數學語言寫成的定律，跟牛頓或伽利略提出的理論一樣真實可靠。這就是在前述的例子中，電子的磁響應能計算得如此嚴絲合縫的原因。你將在本書中發現，量子理論對大自然的描述有巨大的預測力和解釋力，涵蓋的現象范圍之廣，小到硅片、大至星辰。

編寫本書的目的，就是揭秘量子物理的理論框架。量子理論以令人不解聞名，甚至連早期的量子理論學者也深感困惑。我們的介紹將會采用現代觀點，其中包含了一個世紀以來的后見之明和理論進展。然而，為了介紹故事背景，我們還是會從20世紀之交啟程，探索當年導致那些物理學者走上迥異歧路的問題。

那時，人們發現了一些不能由科學范式所解釋的自然現象，像科學領域中其他一些例子一樣，這些發現沉淀下來，最后形成了量子理論。這些現象多種多樣、星火燎原，令人振奮而茫然，催生出一個實驗與理論創新的黃金時代——這個詞有點陳腐，放在這里卻是實至名歸。故事主角們的大名，刻在所有物理專業學生的心底，直到今天依然貫穿本科課程始終：盧瑟福、玻爾、普朗克、愛因斯坦、泡利、海森伯、薛定諤，還有狄拉克。可能再也不會出現這樣一個時期，涌現如此多科學偉人，共同追尋一個目標：一個有關組成物理世界的原子和力的全新理論。1924年，當歐內斯特·盧瑟福^[2]（Ernest Rutherford）回顧量子理論的草創歲月時，這位生于新西蘭、并在曼徹斯特發現原子核的物理學家寫道：“1896年……對于物理科學是名副其實的英雄時代元年。在那段激蕩歲月里，具有根本重要性的新發現層出不窮，這在物理學史上是前所未有的?！?/p>

跟隨本書我們將回到19世紀的法國巴黎，去見證量子理論的誕生，但在此之前，我們還得先問一句：“量子”這個詞到底是什么意思呢？這個詞在1900年通過馬克斯·普朗克^[3]（Max Planck）的著作引入物理學。當時普朗克正致力于找到一套新理論，以描述高溫物體發出的輻射，即所謂“黑體輻射”（black body radiation）。這項工作起源于一家電氣照明公司的委托，可見宇宙奧秘之門偶爾也會為柴米油鹽而開。本書會在后面詳細討論普朗克的真知灼見；現在只需知道，普朗克發現黑體輻射后，為解釋其性質，他只能假設光須以小份能量的形式輻射出去，稱之為“量子”。這個詞本身的意思是“包”或“離散”。起初，普朗克認為這只是一個數學技巧，但就在1905年，阿爾伯特·愛因斯坦^[4]（Albert Einstein）在光電效應（photoelectric effect）現象上的后續研究中進一步支持了量子假說。這結果發人深省，因小份能量即可視為粒子的同義詞。

歷史上很長一段時間，都認為光是由一串小子彈組成的，可以追溯到標志現代物理學誕生的艾薩克·牛頓^[5]（Isaac Newton）時期。然而，1864年，由蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋^[6]（James Clerk Maxwell）發表的一系列論文似乎全面消除了對于光的疑慮，這些論文后來被阿爾伯特·愛因斯坦形容為“自牛頓時代以來，物理學最為透徹和豐碩的論著”^[7]。麥克斯韋證明，光是一列涌過空間的電磁波。自此，光是一種波的觀點成為正統，看起來似乎毋庸置疑。然而，在1923年到1925年間，阿瑟·康普頓^[8]（Arthur Compton）及其同事在美國圣劉易斯華盛頓大學（Washington University in St. Louis）進行了一系列實驗，并成功地使光量子從電子上反彈出去。光量子和電子的行為都像臺球一樣，這一現象為普朗克的理論猜想提供了鐵證，是其在現實世界中堅實的理論基礎。到了1926年，光量子被賜名為“光子”（photon）^[9]。光的行為既像波又像粒子，證據確鑿。

這標志著經典物理的終結，也是量子理論草創時期的終結。

[1]除非你閱讀的是本書的電子版，那就得自己開動腦筋想想了。（原書注，本書若無此注明，皆為譯者注。）

[2]歐內斯特·盧瑟福，1871年生于新西蘭斯普林格羅夫（現布賴特沃特），1937年卒于英國劍橋，英籍實驗物理學家。

[3]馬克斯·普朗克，1858年生于德國基爾，1947年卒于哥廷根，德國物理學家。

[4]阿爾伯特·愛因斯坦，1879年生于德國烏爾姆，1955年卒于美國新澤西州普林斯頓，德裔瑞士籍美籍物理學家。

[5]艾薩克·牛頓，1643年生于英國林肯郡伍爾索普，1726年卒于倫敦肯辛頓，英格蘭物理學家和術士。

[6]詹姆斯·克拉克·麥克斯韋，1831年生于蘇格蘭愛丁堡，1879年卒于英格蘭劍橋，蘇格蘭數學物理學家。

[7]出自愛因斯坦《麥克斯韋對物理實在觀念之發展的影響》一文，發表于《詹姆斯·克拉克·麥克斯韋：紀念冊》一書第66—73頁，由劍橋大學于1933年出版。

[8]阿瑟·康普頓，1892年生于美國俄亥俄州伍斯特，1962年卒于美國加利福尼亞州伯克利，美國物理學家。

[9]首次出現在Gilbert N. Lewis發表于《自然》期刊1926年第118卷第874—875頁的《光子的守恒》一文中。