第1章
量子力學三部曲

“未來”曾兩度開啟：1900年12月14日和1928年8月26日。1900年12月14日，馬克斯·普朗克在德國物理學會的例會上做了有關“紫外災難”問題解決方案的報告。他指出，原子只有在不連續躍遷的過程中才會觸發能量損失。這一新的理論觀點推倒了多米諾骨牌中的第一塊，最終在20世紀20年代中期將物理學引向量子力學這一新的發展領域。1928年8月26日，在夏季之末，巴克·羅杰斯在通俗科幻雜志《驚奇故事》（Amazing Stories）上完成了他的處女秀。

創刊于1926年的《驚奇故事》，是第一本專門刊載科幻故事的雜志，出版人雨果·根斯巴克將此類故事命名為“科幻小說”（scientifiction）。該刊的座右銘是：“今日奇談怪論……明日冷酷現實”。普朗克的突破性研究標志著一個新興科學領域的誕生，它是一個屬于“書呆子”的研究領域。而巴克·羅杰斯的登場則開啟了極客們想象中的未來世界。（我在此聲明，作為一位癡迷于科幻小說和漫畫書的物理學教授，我既是書呆子，又是極客。）

20世紀初，科學技術取得了迅猛發展，電報、電話和汽車的發明顛覆了我們的時空觀，技術使世界不斷濃縮。因此，《驚奇故事》的讀者在1928年會對個人飛行座駕和分解射線的成功發明抱有期待，也許不足為奇。

菲利普·弗朗西斯·諾蘭在他的中篇小說《大決戰——公元2419年》（Armageddon 2419 A. D.）中描寫了巴克·羅杰斯的第一次冒險，這篇小說發表在《驚奇故事》雜志的1928年8月刊上。次年，安東尼·羅杰斯這位20世紀兼25世紀的公民形象，以連環漫畫的形式被刊登在多家報紙上，因此獲得了“巴克·羅杰斯”的綽號。在探索斯克蘭頓附近的一處廢棄礦洞時，前空軍軍官巴克·羅杰斯因吸入了某種泄漏氣體而進入假死狀態，直到25世紀才蘇醒，并且很快就適應了新時代的生活。諾蘭筆下這位去到未來的英雄，就像馬克·吐溫筆下穿越回到亞瑟王朝的康州美國佬一樣足智多謀。

在故事中，憑借未來世界的武器和在第一次世界大戰中培養的軍事才能，羅杰斯與一眾士兵共同抵抗來自亞洲的邪惡“匈奴”侵略者，這些侵略者在22世紀早期征服了美國。事實上，20世紀三四十年代刊登在通俗科幻雜志上的很多故事中都存在兩種截然不同的態度：它們對未來科學技術的持續發展保持樂觀，對國際（或星系）關系的發展卻保持悲觀。

歷史驗證了科學的進步，也見證了持續不斷的國際沖突。在第一次世界大戰和第二次世界大戰之間，歐洲各國戰事稍歇，一場物理學革命于此時掀起，為《驚悚故事》（Startling Stories）中那些看起來不可思議的創新技術奠定了理論基礎。“咆哮的二十年代”（RoaringTwenties）前半期，量子力學領域取得了新的進展，在普朗克、尼爾斯·玻爾以及阿爾伯特·愛因斯坦等人的初步猜測與嘗試性探索的啟發下，埃爾溫·薛定諤和沃納·海森堡分別獨立建構了關于原子性質，以及光與原子之間相互作用的正式而嚴謹的理論。就在他們的科學論文發表的同一年，雨果·根斯巴克開始出版《驚奇故事》。量子力學絕非我們對自然的最終解釋，但對固體物理學的發展而言卻不可或缺。通過與19世紀電磁理論的結合，量子力學為當下的無線通信技術提供了藍圖。目前，致力于21世紀納米技術研究的科學家們，仍然要仰仗量子物理學家在20世紀20年代所取得的那些成就。

或許，正是兩次世界大戰之間的短暫和平期，為物理學的上述發展提供了機會。德國、法國、意大利、英國、丹麥、荷蘭和美國科學家之間的合作與交流，使物理學迎來了前所未有的繁榮發展時期，直到1938年歐洲戰火重燃。物理學在與時間賽跑，并隨著20世紀30年代原子核結構的發現而加快了腳步。就在德軍突襲波蘭的前一年，德國和奧地利的物理學家們發現，將某些質量較大的不穩定原子核分裂為質量較小的原子核時會釋放出巨大的能量，比如，一磅鈾由此產生的破壞力相當于8 000噸TNT炸藥（一種烈性炸藥）。隨后，量子物理領域的科學合作因地緣政治軸心的形成而破裂。20世紀40年代，物理學的研究重心從歐洲轉移到美國。固體物理學的發展則不得不等到第二次世界大戰結束，主要是在英、美兩國。遺憾的是，在通俗科幻小說作者們描寫的那些發生于遙遠時空的軍事沖突中，他們已精確地預見了一個殘酷的事實：人性的發展將遠遠落后于技術進步。

正如第二次世界大戰后物理學活動的溫室從歐洲轉移到美國一樣，科幻小說的中心也經歷了一次類似的轉移。雨果·根斯巴克在1928年春季出版的《驚奇故事》上發表了一篇題為“科學化的興起”的文章。他寫道：“有一件事令我們感到滿足。可以毫不謙虛地說，在杰出的科幻小說作者群體中，90%都是美國人，其余則散布于世界各地。”這一斷言忽視了儒勒·凡爾納、赫伯特·喬治·威爾斯等歐洲科幻小說先驅們對科幻小說的開創性貢獻。

尤其是凡爾納，他被很多人稱為“科幻小說之父”，因其對未來技術的精準描述（如“比空氣重的飛行交通工具”、長距離水下航行、火箭探月等）和不可思議的異域場景構建（比如，中空的地球和“神秘島”）而為人稱道。這源于他遵循的是與科學研究相同的指導原則：無論是揭示新的科學規律還是創作一種新型推理小說，人們必須涉足未知的領地。只在安全而熟悉的道路上前行，終究無法抵達新大陸。愛德華·威爾遜曾經忠告世人：對于普通人來說，既然我們無法完成牛頓、愛因斯坦式的創舉，那么最好從已知的世界出發，進行小范圍的探索。比方說，假如世界真是平的，就應該避免離家遠航，而盡量確保海岸線始終在我們的視線范圍內。凡爾納常常在既有科學發展的基礎上展開合理推斷，對一些細節（或者某種符合自然規律的神奇例外）進行巧妙處理，從而構想出一項有可能實現的技術。

儒勒·凡爾納的冒險故事通常以該作品的出版年代為創作背景，傳奇英雄將被在物理學看來不可能實現的傳輸方式帶入充滿異域風情的場所。他的第一部成功小說——《氣球上的五星期》（Five Weeks in a Balloon），就是以這種模式創作的，故事中的三位冒險家于1863年前往未知的非洲地區探險。此后，他的《地心游記》（Journey to the Center of the Earth）、《海底兩萬里》（20,000 Leagues Under the Sea）、《從地球到月球》（From the Earth to the Moon）、《神秘島》（The Mysterious Island）和《征服者羅比爾》（Robur the Conqueror）等作品，也都沿用了這一模式。然而，在他寫作的第二部小說（盡管出版時間最晚）《二十世紀的巴黎》（Paris in the Twentieth Century）中，凡爾納設計了一場他認為最與眾不同的冒險。

這部小說是凡爾納作品中的一個異類，寫于1863年，講述了在1960年的巴黎，一位年輕大學畢業生的日常生活和世俗體驗。與凡爾納對技術進步一貫持有的樂觀態度相反，這部小說流露出他對未來世界的悲觀絕望：人們將商業和工程技術視為最高價值，對文學、音樂等文化上的追求卻不屑一顧。凡爾納的出版商認為這份手稿譴責了商業的勝利，無法帶來商業價值，便說服凡爾納將它鎖進了保險箱。直到20世紀90年代末，人們用噴燈熔開了鑰匙已遺失且一直被認為空無一物的保險箱，這部作品才重見天日。

這部短篇小說當然不可能被誤認為典型的凡爾納式冒險故事：故事的主人公是一位年輕的詩人，丟掉了在他叔叔銀行的工作，無以為生，還與他僅有的幾個朋友和愛人失去了聯系。小說的結尾是，在一場凜冽的暴風雪中，這個年輕人漫無目的地在巴黎街頭游蕩，最終在一處葬有眾多19世紀法國著名作家的公墓里失去了知覺。然而，它對20世紀的生活進行的惟妙惟肖的刻畫，卻是凡爾納小說的典型特征。這部寫于1863年的小說描述了依靠內燃機技術安靜、有效地行駛的汽車（比尼考羅斯·奧托發明四沖程發動機早了13年，比亨利·福特開始大規模生產汽車早了40多年），其能量來源涉及氫氣的燃燒；高架列車由壓縮空氣驅動（倫敦地鐵在這部小說寫作的當年開通，高架軌道直到5年后才真正開始建設）；城市的夜晚被電燈照亮（5年后，俄亥俄州的克利夫蘭獲得了“第一個電燈之城”的稱號）；摩天大樓里有電梯（這又比紐約8層高的公平人壽大廈安裝電梯的時間早了5年）。

凡爾納設想，到1960年全球通信將成為現實，一個世界范圍的電報網將把巴黎、倫敦、法蘭克福、阿姆斯特丹、都靈、柏林、維也納、圣彼得堡、君士坦丁堡、紐約、瓦爾帕萊索、加爾各答、悉尼、北京和努庫希瓦島連接起來。不僅如此，他還想象出19世紀末才真正發明的“攝影電報”，這種電報“允許傳送任何形式的文本和圖像，無論是手寫稿還是印刷稿；信用證或合同的簽署可以在5 000里格以外完成”。現代傳真機就是量子力學在現實中的一種應用！

凡爾納還在這部小說中指出，機械上的進步將引發軍備競賽，帶來具有超強破壞力的大炮以及同樣難以應付的裝甲防護技術，世界各國只能束手無策地放棄戰爭。小說主人公的朋友們哀嘆軍人這一崇高職業的消失，他們注意到“法國、英國、俄國和意大利已經解散了它們的軍隊。戰爭引擎在19世紀就已經如此完善，以至于整個戰爭過程都顯得荒謬可笑”。凡爾納的確精準地預測到由洲際彈道導彈帶來的“確保相互摧毀”戰略，但他低估了人類為發動戰爭尋找借口的能力。

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發明量子理論的那些年輕的物理學家和20世紀二三十年代的科幻小說迷之間有著深刻的相似之處，那就是他們都能超越現實——并非出于信仰，而是基于理性——像接納現實一樣接納“不可能”，暫時放下內心的疑問。

科幻小說擁躉們津津樂道于那些幾乎不可能存在的事物，諸如超光速宇宙旅行、外星生物、能夠發出致命毀滅光束的手持式射線槍、飛行汽車以及人形機器人。在量子力學誕生之初，物理學家們想分析令人費解的實驗數據，就需要借助更加異想天開的觀點。譬如19世紀下半葉，盡管光已經在理論和實驗方面均被證明是一種波，它卻能夠表現出粒子行為；而所有固體物質的運動則有像波一樣的表現。

盡管這些理論對宇宙的內部運行狀況做出了精準的預測，但物理學家們所面臨的研究工作卻艱深復雜。因此，他們不閱讀玄妙奇異的科幻冒險故事，而是選擇老套的廉價偵探小說和美國西部影片來減壓，也在情理之中。事實上，基于這些西部影片情節的可預測性，尼爾斯·玻爾（量子理論的建立者之一）和他的同事們在與神秘的原子物理“斗爭”之余，建立了一套關于西部片情節發展的理論。據一位參與者回憶，在西部片中，盡管總是惡棍先舉槍，但英雄總能先干掉對方。對于這種后發優勢，玻爾提出了一個假說，他認為正是求生、自衛的本能使得英雄可以對惡棍的舉動迅速做出反應，而惡棍處心積慮地思考何時舉槍射擊的過程，實際上阻礙了自己。他的一些學生質疑這種解釋，他就用科學家的方式解決了這個問題：用玩具手槍在哥本哈根研究所的走廊里開展了實證實驗（實驗數據證實了玻爾的假說）。

大多數關于量子力學的討論，無論是在專業層面還是公眾層面上，通常先介紹那些挑戰現有理論的實驗發現，再講述這些實驗數據如何促使物理學家們提出新的觀點，以解釋實驗結果。在這本書中，我們不會這么做。借用20世紀70年代電視節目《揭秘哥倫布》的做法，我將先解釋原子的奧秘，再描述相應的實驗證據。

為了理解量子力學，我們必須接受三條貌似不可能的定律：

? 光實際上是由不連續的能量片段組成的一種電磁波。

? 物質由具有波動屬性的不連續粒子組成。

? 無論光還是物質，任何事物都有“內稟角動量”或稱“自旋”，且只有不連續值。

至此，我們有理由提出質疑：為什么我們沒有更早地注意到這些？我們如此明察秋毫，怎么可能從未注意到光的粒子屬性、物質的波動屬性，以及二者持續存在的自旋？事實證明，這些在日常生活中很容易被我們忽視。盡管從生理結構上說人眼有能力探測到一個光粒子，但我們很少遇到單獨或少量出現的光粒子。在晴朗的日子里，每平方厘米（大約相當于你拇指指甲的面積）范圍內的光線，由每秒超過一萬萬億的能量片段組成，所以它們的粒子屬性不易顯現。

第二條定律討論了物質的波動屬性。我在這本書的第3章中將會提到，棒球被拋出所產生的波長小于原子核尺寸的萬億分之一，因而檢測不到。相較而言，原子內一個電子的波長則與原子的尺寸相當，所以當我們試圖理解原子內部電子的行為方式時，這種波動性不容忽視。

原子與光在微觀世界中相互作用，原子中電子運動的波動性對于研究相互作用的過程中如何吸收或失去光中包含的能量極其關鍵。因此，任何僅憑我們的日常經驗建立的原子或光的模型，都無法對實驗結果做出準確說明。有關“內稟角動量”或稱“自旋”的第三條定律，其影響非常微妙，當兩個不同電子或原子十分靠近，以至于它們的物質波發生重疊時，這條定律的影響力將開始顯現。這一效應至關重要，也是理解固體物理學、化學和核磁共振成像的關鍵所在。

量子力學的這三條基本定律貌似荒謬，但我們必須知道，對自然現象的反直覺假設并不是量子力學獨創的。提出一個看似古怪的想法來描述物質世界的某個方面，然后展開邏輯推理，再通過實驗對推理的結果加以驗證；如果這一古怪的想法與檢驗結果相符，就接受它。這正是我們對“物理學”的定義。

至少在過去的400年間，“古怪的想法”一直是物理學的標志。17世紀中葉，牛頓第一運動定律指出，任何運動中的物體都將保持原來的運動狀態，直到外力迫使它改變運動狀態。就個人經驗而言，當我以每小時88千米的速度駕車沿高速公路勻速直線行駛時，我必須持續施加動力才能保持此速度。如果我把腳從油門上移開，這種勻速直線運動將無法保持（即使我的輪胎是筆直向前的），而會逐漸減慢直到最終停下來。這自然是由于其他外力對我的汽車施加了影響，比如空氣阻力或輪胎和地面間的摩擦力。我們并不覺得摩擦力的影響奇妙而神秘，因為我們已經花了幾個世紀的時間去接受“耗散力”的概念。這些力對我們來說是“無形的”，因此牛頓需要驚人的洞察力和強大的抽象思維能力，去想象在沒有這些力的作用下一個物體如何運動。有關阻力和摩擦力的這一古怪想法，適用于諸如人類和蘋果等宏觀世界的物體，它在與直覺相悖這一點上不亞于任何量子理論。

量子世界更加神秘，因為除了像原子隊長和不可思議的收縮人這樣的超級英雄之外，我們大多數人很少探索一個原子的內部。盡管如此，大約花了1 600年的時間，亞里士多德的觀點才被牛頓第一運動定律推翻（亞里士多德認為，運動的物體減速并停下來不是因為摩擦力，而是因為它們渴望恢復到在地面上的“自然狀態”）。

在量子理論出現之前的一個世紀里，邁克爾·法拉第和詹姆斯·克拉克·麥克斯韋等物理學家認為，電荷和磁體之間的感應力是由不可見的電場和磁場產生的。法拉第率先指出，電荷和磁體產生的“力的區域”（簡稱“場”），只能間接地通過它們對其他電荷或磁體的影響進行觀測。當時的科學家對這種古怪想法嗤之以鼻，對他們來說，比法拉第的理論更糟糕的是他的出身：他是一個自學成才的實驗科學家，沒在像牛津、劍橋這樣體面的大學學習過。但是，麥克斯韋認真研究了法拉第的理論，并從理論上證實了可見光由電場和磁場振蕩產生的電磁波組成。

通過改變不同電場和磁場的振蕩頻率，可以產生不同波長的電磁波：從波長可達幾米的無線電波，到波長小于一個原子直徑的X射線。這兩種形式的光都超出了我們肉眼可見的范圍，但可以用合適的儀器檢測。法拉第和麥克斯韋的奇特理論是我們理解各種電磁波的基礎，如果沒有電磁波，生活中就不會有廣播、電視、手機以及無線局域網（Wi–Fi）。

如果物理學的進步在本質上包含對奇特理論的引入和接納，那么為什么唯獨量子力學以令人費解著稱？從某種程度上說，這是由人們對量子力學基礎理論的不熟悉導致的。在我看來，“電荷在空間中產生場”“即使在一個黑暗的房間里，我們周圍也都是不可見的電磁波”，這類說法并不比“光是由被稱為‘光子’的一系列不連續的能量單元組成的”更直觀易懂。然而，諸如“磁場”和“無線電波”這樣的詞語屬于常見術語，而“波函數”和“物質波”則不是——至少目前是這樣。讀完這本書，這些術語也將成為你的日常生活用語的一部分。