物質構成之夢（簡體書）

引言
史蒂芬·霍金

物理科學的目標是要解釋宇宙是由什麼組成的，以及它是如何運轉的。自開普勒、伽利略和牛頓以來，我們一直借助於物理定律來表示我們對自然現象的認識。隨著我們不斷擴大我們的觀察領域，這些定律一直隨時代變遷而更替。當20世紀初物理學家開發出用以研究原子結構及其與輻射之間的相互作用的工具後，他們發現，他們原先的那種基於對日常生活中物體的觀察而確立的關於自然的圖像，從根本上說是不完備的。本書以宏大的篇幅，采用原始文獻來追溯那些為解釋原子和亞原子尺度上自然景觀所需的革命性新概念的發展軌跡。這是一個引人入勝的故事，一段關於一系列令人煩惱的觀察以及由此帶來的靈光閃現的深刻見解的傳奇。這些見解導向一種新的世界觀，它為那些諸如位置和動量等熟悉的屬性賦予了新的意義，而像粒子的運動軌跡等概念則被拋棄，甚至像所謂預言到底是指的什麼這樣的概念都不得不重新定義。
正是對發光物體所發出的光——所謂“黑體輻射”——的觀察，使得古老的“經典”圖像的可信性第一次受到挑戰。基於這種圖像的理論不僅不符合實驗觀察結果，而且還預言這種發光物體將會釋放出無限多的輻射。這顯然是一個荒謬的結果。1899年，馬克斯•普朗克表示，如果他采用在當時看來似乎是限定性的和臨時的假設，他就能得到關於輻射體輻射的正確的數學描述。他的假設是：對任何頻率的光，都存在基本能量單元。由此得到的結果是，黑體輻射的任何頻率下的能量都必然是這個基本“量子”的整數倍。
差不多同時，經典圖像也無法解釋另一種現象——光電效應——的性質。所謂光電效應是指光照在金屬上會產生電流的效應。1905年，阿爾伯特•愛因斯坦運用普朗克的上述想法解釋了其中奧秘。但愛因斯坦的解釋的重要性遠遠超出了光電效應本身。通過采用量子概念來解釋一種與黑體輻射無關的現象，愛因斯坦表明，普朗克的想法有著根本性的重要意義，量子不是黑體輻射所特有的神秘性質。量子物理學誕生了。
在隨後的20年裡，實驗揭示出許多新的奧秘，而量子概念似乎總能夠成為解決這些謎團的法寶。例如，厄內斯特•盧瑟福和漢斯•蓋革所進行的實驗似乎表明，原子裡的質子聚集在其中心原子核上，電子則在核的周圍作軌道運動。但根據經典理論，以這種方式運動的帶電粒子將輻射掉其能量而呈軌道半徑逐漸收縮的內旋螺線運動。若果真如此，那麼為什麼原子又是穩定的呢？
尼爾斯·玻爾運用量子概念解釋了這一點。他提出，電子的軌道半徑，像能量一樣，也是量子化的。這將意味著電子只能在距原子核一定的離散距離上運動，因此不可能螺旋向內收縮。在玻爾模型中，當電子從一個允許軌道躍遷到另一個允許軌道時，它會發出或吸收能量。正是通過這種方式，玻爾解釋了氫原子光譜。
原子中的量子化軌道和能級的想法是量子原理的普遍性的另一個印記，但直到海森伯和薛定諤於1926年提出了他們的描述量子系統如何隨時間演化及其受力作用的方程後，量子理論才成為一種充分成熟的理論。幾年後，保羅·狄拉克展示了如何修改這一理論以便將狹義相對論包括進來。狄拉克的理論要求存在一種新的物質——反物質。量子理論曾預言存在正電子，此後不久實驗上就發現了這種新粒子。
量子理論的成功及其解釋提出了許多哲學問題，因為量子理論是非確定性的，這意味著當一個系統從某一給定狀態出發後，其未來狀態的測量結果一般來說不可能被準確地預言。人們可以計算得到不同結果的概率，但是，如果以相同的初始狀態出發重復實驗，所得到的將是不同的結果。量子理論的發展意味著這樣一種理念——只要有關於一個系統目前狀態的足夠充分的信息，原則上科學可以預言其今後所有的一切——的終結。這一點困擾了許多物理學家，如愛因斯坦和薛定諤，他們提出了反對量子理論的論據，但他們的具體的反對意見最終都被證明是無效的。
今天，多虧了理乍得·費曼，我們知道，量子理論意味著一個物理系統沒有單一的歷史，而是有多重歷史，每一個歷史關聯著不同的概率。這一圖像被用來創建量子電動力學理論，它解釋了量子化粒子是如何與電磁場相互作用的，以及它們如何發射和吸收輻射。量子電動力學的預言與實驗觀察到的結果相吻合的精確度是其他科學無與倫比的。
本書在追蹤所有這些發展成就時，我們想起了羅素的名言：“我們都是從‘幼稚的實在論’，即從事情如同它看起來那樣的學說出發。我們認為，草是綠的，石頭是硬的，雪是冷的。但物理學讓我們確信，草的綠色、石頭的堅硬和雪的寒冷並不是我們從我們的經驗所獲知的那種綠色、硬度和寒冷，而是某種非常不同的性質……”[ 這一段話出自羅素的《意義與真理探討》（An inquiry into meaning and truth）一書。——譯注] 正是這些夢想構成了本書的材料。

第一章
光的性質問題一直是大部分物理學史中的核心問題。牛頓理論認為，光是粒子狀的東西——光束就是微小的粒子流，正如同水流是由微小的水分子組成的一樣。鑒於他作為偉大的物理學創始人之一的聲譽，他的光學理論被廣泛接受。然而，在1801年，托馬斯·揚明確指出，牛頓的粒子理論不可能是對光的完整描述。他表明，光入射到兩個緊密相鄰的狹縫上會在遠處的屏上產生幹涉條紋。而幹涉是一種波動現象，不能由光的粒子理論來解釋。對光的粒子理論的另一個重大打擊來自19世紀60年代，當時詹姆斯·克拉克·麥克斯韋將電學和磁學的理論統一起來並證明，光是一種電磁波。因此，光的波動理論有著非常良好的實驗基礎和理論依據。
然而，到了20世紀初，對兩個令人不安的觀察結果的開創性解釋改變了我們對光的理解並開始了量子革命。我們發現，光和物質都是既有波動性又有粒子性。其中第一項解釋便是對黑體輻射譜的形狀的說明。
我們都看到過熱的東西會發光——火的餘燼或電爐的加熱絲所發出的紅光，普通白熾燈的鎢絲產生的光，甚至太陽表面發出的明亮的白光，所有這些都是同一現象的例子。我們將明亮的灼熱物體所產生的光稱為黑體輻射。我們每天都會以各種不同的方式感受到它。它看似很普通，因此當人們意識到要理解黑體輻射需要突破經典物理學，開啟量子力學革命之門時感到十分驚奇。但事情恰恰就是這樣發生了。
黑體輻射被認為僅取決於物體的溫度。較熱的物體輻射出較多的能量，與此相應，發射光譜的峰值位置移向光的較高的頻率處。作為一個例子，我們來考慮一根加熱的金屬棒。起初，它看起來根本不發光。當然，實際上它仍在輻射能量，只不過所輻射的波主要在電磁波譜的紅外區域，我們的眼睛看不見而已。當它被加熱後，它開始泛出暗紅色，就是說它的發射光譜移到了可見光範圍內。隨著進一步加熱，金屬棒發出的光變為鮮紅色，然後是橙色，再後來是黃色……它的譜峰遍歷電磁波譜的可見光部分。
黑體輻射產生的光譜是可以測量的，幾位研究人員在19世紀下半葉對此進行了研究。然而，當時沒有一種物理理論能夠正確預言隨著物體溫度升高其頻譜該如何變化。威廉·維恩發現了一種可用於描述高頻情形下頻譜的經驗關係式。但他無法從先前發現的物理定律導出這一關係，因此這一經驗公式從概念上說基礎並不牢靠。換句話說，維恩定律好用，但沒人知道為什麼。更糟的是，在19世紀90年代末，人們對低頻端的黑體輻射譜的觀測表明，譜的低頻部分完全背離了維恩定律的預言。
在“論正常頻譜的能量分布律”一文中，馬克斯·普朗克不僅解決了這種不一致性，而且導出了一個能夠正確描述所有頻率下的黑體輻射譜的數學表達式。為了做到這一點，普朗克不得不做出一項後來被認為是革命性的假設。他假設，黑體輻射是由大量的微觀振子產生的，並且該黑體的總熱能不是連續地分布於這些振子上，而是以有限的和離散的形式分布於振子上。換句話說，能量被“量子化了”，每個振子的能量都是某個小的能量單位的整數倍。普朗克證明了這種小的能量元正比於振子的頻率。比例系數是一常量，他標記為h，即著名的普朗克常數——它是量子力學的基本參數。它的值規定了尺度水平，而正是在這個地方經典物理學失效，我們需要用到量子物理學的理論。
第二個無法用光的經典波動理論來解釋的令人不安的現象稱為光電效應。在20世紀初人們注意到，當光照在金屬上時會有電流生產。在今天看來，這是一個眾所周知且廣為運用的概念。事實上，太陽能電池在太陽光照之下產生電力就是基於這一效應。然而在當時，光電效應卻是個謎。乍一看，光的波動理論提供了一個簡單的解釋：光波衝擊金屬，將能量傳遞給了金屬表面的電子，從而使這些電子脫離了束縛它們的原子。它們可以自由移動，所以能產生電流。根據波動理論，光越強，電子獲得的能量就越多。但觀察結果卻不是這樣。菲利普·勒納德在1902年觀察到，釋放出的電子的能量與光強無關。光越強，產生的電子越多，但單個電子的能量則不受光強的影響，而是取決於光的顏色。這是一個奇怪的結果，因為光波的顏色（或頻率）應該與波的能量無關。更奇怪的是，光電效應有一個截止頻率，低於這個頻率，無論光有多強，都不會有電子釋放出來。要解釋這些奇怪的細節，這已經超出了光的波動理論。
在“關於光的生產和轉化的一個啟發性觀點”一文中，阿爾伯特·愛因斯坦運用普朗克的量子化原理能夠解釋這種光電效應。他的理論是，光射線的能量不是連續分布的，而是由有限數量的不可再分的“能量子”構成的。因此，單色光是由大量但數量有限的光的粒子構成的，每一個光粒子攜帶一份由普朗克常數與光的頻率的乘積所確定的能量。光粒子現在被稱為光子。單個光子只能以一個完整的單元被吸收。當電子吸收了一個光子的能量後，正是光子的能量，而不是光強，決定了電子獲得了多少能量。在光電效應中，需要一定量的能量才能移除金屬中的電子。如果光的頻率太低，那麼不管有多少光子存在（即不論光強有多強），都沒有光子有足夠的能量來除去電子。因此，借助於能量量子化的假設，愛因斯坦可以解釋光電效應的奇怪的細節。
隨著普朗克對黑體輻射的解釋和愛因斯坦對光電效應的解釋的發表，量子物理學的理論誕生了。對於所引入的這一概念的革命性本質，我們可以問，“普朗克是從何處獲得的靈感提出這個假設的？”對此，1909年，普朗克在哥倫比亞大學所做的題為“物質的原子理論”的演講中，透露了他是如何由統計力學的工作導致他做出的能量量子化這一輝煌的假設的。不過，很可能普朗克和愛因斯坦都沒有真正明白他們的工作結果會給物理學帶來的深刻改變的程度，因為兩人都反對量子物理學完全成熟後所帶來的某些後果。在隨後的章節裡，我們將看到，我們在基本層面上對宇宙和實在的理解是如何因量子革命的影響而從根本上改變的。

目錄
導言 斯蒂芬·霍金

第一章

“論正常光譜的能量分布律” 馬克斯·普朗克
“關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點” 阿爾伯特·愛因斯坦
“物質的原子理論”馬克斯·普朗克

第二章
“物質對 a 粒子和 b 粒子的散射及原子結構” 厄內斯特·盧瑟福
“論原子和分子的構造” 尼爾斯·玻爾
“原子的結構”尼爾斯·玻爾

第三章

“量子力學的物理學原理”（節選）沃納·海森伯
“量子力學的發展”沃納·海森伯
“作為本征值問題的量子化；1～4部分” 埃爾溫·薛定諤

第四章

“電子的量子理論” 保羅·狄拉克
“論自旋與統計之間的聯系” 沃爾夫岡·泡利
“不相容原理與量子力學”沃爾夫岡·泡利

第五章

“量子力學的統計解釋” 馬克斯·玻恩
“量子力學的目前狀況” 埃爾溫·薛定諤
“量子力學對物理實在的描述能被認為是完備的嗎？” 阿爾伯特·愛因斯坦, 波利斯·波多爾斯基和內森·羅森
“量子力學對物理實在的描述能被認為是完備的嗎？”尼爾斯·玻爾
“根據‘隱參量’對量子力學的一種建議性解釋 I” 戴維·玻姆
“根據‘隱參量’對量子力學的一種建議性解釋 II” 戴維·玻姆
“論愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論”約翰·貝爾

第六章

“輻射的發射和吸收的量子理論” 保羅·狄拉克
“量子力學的拉格朗日方法”保羅·狄拉克
“量子電動力學”保羅·狄拉克、V. A. 弗洛克和波利斯·波多爾斯基
“新場論基礎” 馬克斯·玻恩和利奧波德·英菲爾德
“電子理論” J. 羅伯特·奧本海默

第七章

“用微波方法得到的氫原子精細結構” 威利斯·蘭姆和羅伯特·盧瑟福
“能級的電磁位移” 漢斯·貝特

第八章

“關於波場的量子理論的相對論性不變量的表述” 朝永振一郎
“量子電動力學的時空處理” 理乍得·費曼
“正電子理論”理乍得·費曼 762
“朝永、施溫格和費曼的輻射理論”弗利曼·戴森

第九章

“原子動力學問題”馬克斯·玻恩
《物理學風云激蕩三十年》（節選第1章和第4章）喬治·伽莫夫
《量子力學》講義（節選）泡利和狄拉克

致謝