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序言
大自然對我們的嘲弄

在我見過的所有物理學家的辦公室里,這肯定是最簡約的一間。一張小桌子旁邊是一把椅子,桌上什么也沒有。沒有書,沒有論文,沒有臺燈,沒有電腦,什么也沒有。唯一稱得上裝飾性的東西只有一張沙發。巨大的窗戶俯瞰著一汪小湖,湖邊的樹都是光禿禿的,只有個別落葉晚的樹上還有一些秋葉,執著地拒絕加拿大安大略省的寒冬的來臨。盧西恩·哈迪(Lucien Hardy)把筆記本電腦往桌上一放,他說自己大部分的研究工作都是在咖啡廳完成的,所以他的辦公室只需要一張咖啡廳那樣的桌子,能擱下筆記本電腦就行。

黑板當然是必不可少的,哈迪辦公室里的這塊黑板幾乎占了一整面墻。他開始在上面寫寫畫畫,沒過多久,黑板上就滿是圖形和公式——絕大多數我認識的量子物理學家都喜歡這樣做。

我們剛開始討論的話題是深奧的量子力學,結果哈迪停下來,說:“我選錯了切入點。”為了重啟我們的討論,他說:“假設你有一家制造炸彈的工廠。”他的話勾起了我的興趣。

他在黑板上寫了兩個名字:伊利澤和韋德曼。他要講的正是“伊利澤–韋德曼炸彈問題”。這個問題由兩位以色列物理學家的姓氏命名,它的目的是讓不搞物理學研究的人也能理解量子世界的反直覺本質。即使是對物理學家來說,量子世界的性質也很令人困惑。

炸彈問題的內容如下。假設有一家生產炸彈的工廠,它給炸彈裝配的觸發裝置十分靈敏,以至于一個粒子(無論什么粒子,哪怕是一個光子)都能引爆炸彈。但這家工廠碰到了一個難題:該廠的組裝線不過關,所以帶觸發裝置的合格炸彈里混著大量不帶觸發裝置的次品炸彈。哈迪將這兩種炸彈分別標記為“好炸彈”和“壞炸彈”,然后開玩笑說:“顯然,如果你的道德標準異于常人,好和壞也可以互換。”

我們的任務是設法識別哪些炸彈是合格的。這意味著我們必須檢查炸彈是否安裝了觸發裝置。但逐個檢查炸彈的方法是不可行的,因為要查看觸發裝置就需要光,而無論是多么微弱的光,都會導致合格的炸彈爆炸。檢查到最后,我們就只剩下一堆沒有觸發裝置的啞彈了。

那么,這個問題究竟要如何解決呢?我們不妨做一個讓步:允許引爆一部分炸彈,前提是最后可以剩下一些能用的好炸彈。

從我們對于世界是如何運作的日常經驗來看,這個問題是無解的。但量子世界(微觀事物,比如分子、原子、電子、質子和光子所在的世界)本來就很奇特。研究微觀世界里的物理現象的物理學科被稱為量子物理學或量子力學。而我們可以利用量子物理學,在不引爆好炸彈的情況下把它們找出來。只需一套簡單的裝置,就能保全大約一半的好炸彈。我們要用到的是一個已經有200年歷史的物理實驗以及它的現代改良版本。

這個實驗被稱為雙縫實驗,在19世紀初被提出,最初的目的是挑戰牛頓對于光的本質的看法。20世紀初,量子物理學的兩位奠基人——阿爾伯特·愛因斯坦和尼爾斯·玻爾——為雙縫實驗究竟揭示了現實的何種本質而爭得不可開交,兩人的爭論讓這個實驗再次成為焦點。20世紀60年代,理查德·費曼對雙縫實驗大加贊賞,稱它包括了量子世界的全部奧秘。很難找到一個比它更簡單同時又更精巧的實驗:雙縫實驗的原理連高中生都能理解,但它的內涵卻深邃無比,連愛因斯坦和玻爾都沒能參透,這個實驗引起的困惑直到今天都沒有得到解答。

本書將通過一個經典實驗以及這個經典實驗巧妙而復雜的改良版本(該版本解決了伊利澤–韋德曼炸彈問題,后文會詳細介紹),講述量子力學的故事。無論是智慧的頭腦想出的思想實驗,還是在物理系地下室通過艱苦努力完成的實驗項目,所有這些實驗都是雙縫實驗的變體。這是一個關于大自然如何嘲弄我們的故事:有本事就來抓我啊。

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