上帝擲骰子嗎？量子物理史話（簡體書）

《上帝擲骰子嗎?量子物理史話》是關于量子論的故事。量子論是一個極為奇妙的理論：從物理角度來說，它在科學家中間引起了最為激烈的爭議和關注；從現實角度來說，它給我們的社會帶來了無與倫比的變化和進步；從科學史角度來說，也幾乎沒有哪段歷史比量子論的創立得到了更為徹底的研究。然而不可思議的是，它的基本觀點和假說至今沒有滲透到大眾的意識中去，這無疑又給它增添了一道神秘的光環。《上帝擲骰子嗎?量子物理史話》將帶你做一次量子之旅。我們從神話時代出發，沿著量子發展的道路，親身去經歷科學史上的烏云和暴雨，追逐流星的輝光，穿越重重迷霧和險灘，和最偉大的物理學家們并肩作戰。除了回顧基本的歷史背景，我們還將向著未來探險，去逐一摸索量子論面前的不同道路，闖入人跡罕至的未知境地，和先行者們一起開疆擴土。讓你驚嘆的，不僅僅是沿途那令人眼花繚亂的絢麗風景，更來自于你內心深處的思索和啟示——那是科學深植在每個人心中不可抗拒的魅力。《上帝擲骰子嗎?量子物理史話》以極具詼諧但又不乏科學嚴謹的口吻敘述了經典物理和量子力學的碰撞，以及量子力學從無到控制整個微觀世界的艱難發展歷程，回顧了一些我們曾經學過的經典實驗.書稿特色——作者其實是在用“80後”的語言描寫科學家們的江湖，雖然這本書寫的是量子力學史，并且清晰勾勒出這門物理學中讓專業人士都覺得最難懂的學科的脈絡，但書的主要內容其實卻不是科學，而是學術江湖。“有人就有江湖”，他在講人與人之間的關系，在講科學家和科學家之間的關系。中國人更關心江湖，這本書的作者就是用了這個特別符合中國人思維習慣的方式來敘述科學。誰可以談科學，誰有資格談科學？這本書用它的出現，向我們表明，不是物理學家也可以談物理學，而且可以談這么好。

曹天元（Capo），生于上海，足跡遍歷內地、香港和美國，現居香港。本人不愿透綠具體身份，于是，便是一個謎一般的存在。

《上帝擲骰子嗎?量子物理史話》編輯推薦：2006榮獲第三屆“吳大猷科普獎”；2005“科學時報讀書杯”最佳科普創作獎；2007國家圖書館文津圖書獎；80後，神秘客大話科學史，用“80後語言”敘述科學江湖。《量子物理史話——上帝之骰子嗎？》最新修訂版，給力上市。）

序如果要評選物理學發展史上最偉大的那些年代，那么有兩個時期是一定會入選的：17世紀末和20世紀初。前者以牛頓《自然哲學之數學原理》的出版為標志，宣告了近代經典物理學的正式創立；而後者則為我們帶來了相對論和量子論，并徹底地推翻和重建了整個物理學體系。所不同的是，今天當我們再次談論起牛頓的時代，心中更多的已經只是對那段光輝歲月的懷舊和祭奠；而相對論和量子論卻仍然深深地影響和困擾著我們至今，就像兩顆青澀的橄欖，嚼得越久，反而更加滋味無窮。我在這里要給大家講的是量子論的故事。這個故事更像一個傳奇：由一個不起眼的線索開始，曲徑通幽，漸漸地落英繽紛，亂花迷眼，正在沒個頭緒處，突然間峰回路轉，天地開闊，如河出伏流，一瀉汪洋。然而還未來得及一覽美景，轉眼又大起大落，誤入白云深處不知歸路……量子力學的發展史是物理學上最激動人心的篇章，我們會看到物理大廈在狂風暴雨下轟然坍塌，卻又在熊熊烈焰中得到了洗禮和重生。我們會看到最革命的思潮席卷大地，帶來了讓人驚駭的電閃雷鳴，同時卻又展現出震撼人心的美麗。我們會看到科學如何在荊棘和沼澤中艱難地走來，卻更加堅定了對勝利的信念。量子理論是一個極為復雜而又難解的謎題。她像一個神秘的少女，我們天天與她相見，卻始終無法猜透她的內心世界。今天，我們的現代文明，從電腦到激光，從核能到生物技術，幾乎沒有哪個領域不依賴于量子論。但量子論究竟意味著什么？這個問題至今卻依然難以回答。在自然哲學觀上，量子論帶給了我們前所未有的沖擊和震動，甚至改變了整個物理世界的基本思想。它的觀念是如此地革命，乃至最不保守的科學家都在潛意識里對它懷有深深的懼意。現代文明的繁盛是理性的勝利，而量子論無疑是理性的最高成就之一，但是它被賦予的力量太過強大，以致連它的創造者本身都難以駕馭，以致量子論的奠基人之一玻爾（Niels Bohr）都要說：“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論。”掐指算來，量子概念的誕生已經超過整整100年，但不可思議地是，它的一些基本思想卻至今不為普通的大眾所熟知。那么，就讓我們再次回到那個偉大的年代，去回顧一下那場史詩般壯麗的革命吧。我們將沿著量子論當年走過的道路展開這次探險，我們將和20世紀最偉大的物理天才們同行，去親身體驗一下他們當年曾經歷過的那些困惑、激動、恐懼、狂喜和震驚。這將注定是一次奇妙的旅程，我們將穿越幽深的森林和廣袤的沙漠，飛越迷霧重重的峽谷和驚濤駭浪的狂潮。你也許會感到暈眩，可是請千萬跟緊我的步伐，不要隨意觀光而掉隊，否則很有可能陷入沼澤中無法自拔。請記住我的警告。不過現在，已經沒時間考慮這么多了。請大家坐好，系好安全帶，我們的旅程開始了。

量子物理史話序黃金時代 001烏云 027火流星 051白云深處 077曙光 101殊途同歸 127不確定性 151決戰 177歧途 263回歸經典 233不等式的判決 261新探險 285尾聲 317外一篇海森堡和德國原子彈計劃 319後記 332主要參考資料 334人名索引 342

一我們的故事要從1887年的德國小城——卡爾斯魯厄（Karlsruhe）講起。美麗的萊茵河從阿爾卑斯山區緩緩流下，在山谷中輾轉向北，把南方溫暖濕潤的風帶到這片土地上。它本應是法德兩國之間的一段天然邊界，但16年前，雄圖大略的俾斯麥通過一場漂亮的戰爭擊敗了拿破侖三世，攫取了河對岸的阿爾薩斯和洛林，也留下了法國人的眼淚和我們課本中震撼人心的《最後一課》的故事。和阿爾薩斯隔河相望的是巴登邦，神秘的黑森林從這里延展開去，孕育著德國古老的傳說和格林兄弟那奇妙的靈感。卡爾斯魯厄就安靜地躺在森林與大河之間，無數輻射狀的道路如蛛網般收聚，指向市中心那座著名的18世紀的宮殿。這是一座安靜祥和的城市，據說，它的名字本身就是由城市的建造者卡爾（Karl）和“安靜”（Ruhe）一詞所組成。對于科學家來說，這里實在是一個遠離塵世喧囂，可以安心做研究的好地方。現在，海因里希?魯道夫?赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）就站在卡爾斯魯厄大學的一間實驗室里，專心致志地擺弄他的儀器。那時候，赫茲剛剛30歲，新婚燕爾，也許不會想到他將在科學史上成為和他的老師亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz）一樣鼎鼎有名的人物，不會想到他將和汽車大王卡爾?本茨（Carl Benz）一起成為這個小城的驕傲。現在他的心思，只是完完全全地傾注在他的那套裝置上。赫茲給他的裝置拍了照片，不過在19世紀80年代，照相的網目銅版印刷技術還剛剛發明不久，尚未普及，以致連最好的科學雜志如《物理學紀事》（Annalen der Physik）都沒能把它們印在論文里面。但是我們今天已經知道，赫茲的裝置是很簡單的：它的主要部分是一個電火花發生器，有兩個大銅球作為電容，并通過銅棒連接到兩個相隔很近的小銅球上。導線從兩個小球上伸展出去，纏繞在一個大感應線圈的兩端，然後又連接到一個梅丁格電池上，將這套古怪的裝置連成了一個整體。赫茲全神貫注地注視著那兩個幾乎緊挨在一起的小銅球，然後合上了電路開關。頓時，電的魔力開始在這個簡單的系統里展現出來：無形的電流穿過裝置里的感應線圈，并開始對銅球電容進行充電。赫茲冷冷地注視著他的裝置，在心里面想象著電容兩端電壓不斷上升的情形。在電學的領域攻讀了那么久，赫茲對自己的知識是有充分信心的。他知道，當電壓上升到2萬伏左右，兩個小球之間的空氣就會被擊穿，電荷就可以從中穿過，往來于兩個大銅球之間，從而形成一個高頻的振蕩回路（LC回路）。但是，他現在想要觀察的不是這個。果然，過了一會兒，隨著細微的“啪”的一聲，一束美麗的藍色電花爆開在兩個銅球之間，整個系統形成了一個完整的回路，細小的電流束在空氣中不停地扭動，綻放出幽幽的熒光來。火花稍縱即逝，因為每一次的振蕩都伴隨著少許能量的損失，使得電容兩端的電壓很快又降到擊穿值以下。于是這個怪物養精蓄銳，繼續充電，直到再次恢復飽滿的精力，開始另一場火花表演為止。