編輯推薦

在這裏你將找到理解量子理論所需要的一切知識。

內容簡介

量子理論到底是什麼?在這裏你將會找到理解這個理論所需要的一切知識，不管你是否曾經讀過關於這個主題的文章。你將讀到這樣一些看起來是自相矛盾的現象：例如光子(光的粒子)可以在同一時刻位於兩個位置，原子能夠同時通過兩條路徑，對於一個以光速運動的粒子來說時間是靜止的，等等。同時你還會發現量子理論是可能實現星際傳送的理論依據。

量子世界的所有奇異性都可以通過考察那隻原始貓的兩個孿生後代的曆險過程來獲得清楚的理解。在重新考慮光的本質問題之後(這個問題在量子論和相對論中都是一個關鍵問題),一些新的思想便齣現瞭。這些思想能夠解釋真實性的本質和解決所有的量子之謎。

你準備好瞭嗎?

名人推薦：

既有思想深度，路數又非常清晰。是非常難得的高級科普讀物。完全讀懂這兩本書是不容易的，但卻非常值得一讀。

——中國科學院自然科學史研究所 方在慶

隻要你有一點點耐心，你一定可以看懂。這兩本書寫得的確很好，是目前有關這一內容寫得很好的書。我可以保證這一點。

——華中科大物理係教授 楊建鄴

作者簡介

約翰?格裏賓(John Gribbin)，英國著名科學讀物專業作傢，薩塞剋斯大學天文學訪問學者。他畢業於劍橋大學，獲天體物理學博士學位,現在是蘇塞剋斯大學的客座天文學研究員。曾先後在《自然》誌和《新科學傢》周刊任職。1974年他以其關於氣候變遷的作品獲得瞭英國科學著作奬。經常替《泰晤士報》、《衛報》和《獨立報》撰寫有關科學的文章，著作等身（50多部）其中包括《尋找薛定諤的貓》（海南齣版社）、《大宇宙百科全書》（海南齣版社）、《探索大爆炸》、《漫畫時間史》（與凱特?查爾斯沃思閤著）等書。

目錄

前言 / 1

序章問題 / 1

光的奇異性?電子乾涉?標準觀點?深水?盒子中的貓?真實性的另一麵?薛定諤貓的兒女

第一章古代光學 / 35

第一個現代科學傢?從伍爾西索普到劍橋再到伍爾西索普?在牛頓的遮蔽下?牛頓的世界觀?揚的觀點?菲涅耳、泊鬆及亮斑?書籍裝訂商的學徒?法拉第的場?神秘的顔色?驚人的麥剋斯韋方程組

第二章現代 / 73

以太之死?走嚮狹義相對論?愛因斯坦的洞見?超光速與時間倒退?進入光子世界?教愛因斯坦計算光子的人?有關光子與物質的新理論?量子電動力學的勝利?未來的光學

第三章奇異而真實 / 117

看到不可能的光?深入探索光子行為?兼顧雙方?無中生有?“趕緊發送我，斯科特”?量子密碼術?深入光子內部?觀察量子?奇妙的電子迴路?什麼時候是光子?

第四章絕望中的補救 / 155

哥本哈根解釋的垮颱?我想，因此?馮?諾依曼的愚蠢的錯誤?不可分割的整體?宇宙的擴散?量子主題的多元性?絕望中的忠告?相對性的一個方麵?一個與時間有關的實驗

第五章思考之思考 / 201

構造誇剋?認識愛因斯坦?描述不可描述的?瞭解現實世界?進駐量子實在的整體進路

結語解決方案：我們這一時代的秘密 / 243

充分利用質量?把萬有引力串起來?復雜性的簡單方麵?與宇宙握手?拿齣時間去製造時間

參考書目 / 269

精彩書摘

第一章 古代光學

　　牛頓的世界觀

　　牛頓顔色理論的重要性不僅在於他是對的，而且在於他得到結論的方法。在牛頓之前，哲學傢主要是通過思辨來發展自己的世界觀。例如笛卡兒雖然考慮瞭光傳播的可能方式，但他並沒有做實驗來驗證他的觀點。當然，牛頓也並非第一個實驗傢，伽利略便在他對球從斜麵上滾下來的運動方式的研究和單擺的工作中開創瞭實驗的先河。但牛頓首先明確錶述瞭科學方法的基礎，即思想(假定)、觀測和實驗相結閤的方法。現代科學正是建立在這一基礎之上。

　　牛頓的顔色理論，産生於他不得不離開劍橋迴傢休假的這段時間裏所做的一係列實驗。到1665年，一束陽光經過一個三角透鏡後會變成一條像彩虹一樣的光譜的現象已被普遍認識。對這一現象的標準解釋基於亞裏士多德的觀點，即白光代錶純淨的，沒有雜質的形式，經過玻璃則導緻這種形式發生混亂。當光進入棱鏡時，它會發生彎麯，然後沿一條直綫到達三角形的另一邊，在那裏它再次彎麯後進入空氣。同時光會發生擴散，從一個白色的光點變成一條彩色的綫，沿三角形頂點嚮下，上麵的光摺麯最小，在玻璃中經過較短的距離齣射成為紅光。在下麵三角形的邊要寬一些，光進入棱鏡時要摺麯的多一些，在玻璃中經過較長的距離到達另一邊進入空氣而變成紫色。在兩者之間存在著彩虹中所有的顔色——紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。在一個黑暗的房子裏，讓光通過窗簾上的一個小孔射進來，把一個棱鏡擋在光束前麵，對著窗戶的牆上就會齣現彩色的光譜。

　　亞裏士多德認為，在玻璃中傳播距離最短的白光變化最小，成為紅光，而傳播距離稍長則變化稍大，是黃色，然後以此類推直到紫色。

　　實際上牛頓用自製的棱鏡和透鏡對這些觀點進行瞭驗證，通過改變透鏡的形狀，力圖減小顔色的變化。他第一個區分瞭光譜中不同顔色的光，並命名瞭7種顔色(他有意選擇瞭7種顔色，因為7是一個帶有某種神秘意義的素數，如果你發現在彩虹中在藍色和紫色之間難以區分單獨的靛色，你絕對不屬於少數瞭)。

　　但是牛頓這次進行的最重要的一個實驗隻不過是在第一個棱鏡後麵放瞭第二個棱鏡，隻不過放的方式不同，第一個棱鏡尖朝上放，將一束光譜展開成彩色的光譜，第二個棱鏡尖朝下放，將展開的彩色光譜變迴瞭一束白光。雖然光經過瞭更厚的玻璃，但它並沒有變得更混亂，而是迴到瞭原來的純淨狀態。

　　牛頓認為，這說明白光一點也不“純淨”，而是由彩虹中所有顔色的光混閤成的，不同顔色的光在摺射時彎麯程度不同，但是在原來的白光中包含所有顔色的光。這是一個革命性的觀點，因為它不僅推翻瞭亞裏士多德哲學的一項基礎，而且還是建立在可信的實驗基礎之上。但牛頓並不急於嚮世界宣布他的發現，他在1665年所獲得的對光本性的認識使他緻力於一種新型望遠鏡的研究。

　　用大透鏡做成的望遠鏡(摺射望遠鏡)存在一個問題，因為透鏡同樣會把白光分解成有色的光譜。這樣所觀察的物體的圖像上會産生彩色條紋，使圖像模糊不清，使我們在觀察星星時非常不便，這種現象稱之為“色散”。牛頓發現要做齣一個沒有色散的透鏡係統很睏難(但並非不可能，如所謂的消色差透鏡係統，是利用兩片或多片摺射性質不同的玻璃來製作望遠鏡，它不會産生色散)，因此，牛頓設計並製作瞭用麯麵鏡而不是大透鏡的望遠鏡——反射望遠鏡。

　　牛頓的反射器想法很簡單，用望遠鏡後部的一片大麯麵鏡把光反射到一個斜度45角放置的平麵鏡上，使光改變方嚮穿過鏡壁上的一個小孔射齣來，觀察者可以通過這個小孔來觀察，而不必擔心頭部會擋住星光。這個想法十分卓越，因為它非常簡單，但用現有的材料製作一麵精確的鏡子是一項實驗工作，作為一個專業的工匠，牛頓自己動手完成瞭鏡子。最後他做成瞭一颱長約20厘米(6英寸)的儀器，這颱儀器産生的圖像比用四倍長的反射器産生的圖像大九倍，而且沒有色散。

　　這時，瘟疫已經漸漸過去，大學重新開學，牛頓迴到瞭劍橋。他在1667年當選為三一學院的研究員。同年，英國和荷蘭爆發瞭戰爭，荷蘭艦隊在泰晤士成功地襲擊瞭英國人，劍橋也聽到瞭槍炮聲，大傢都知道是怎麼迴事;牛頓斷言荷蘭取得瞭勝利(事實果然如此)，這給他的同事留下瞭深刻的印象。他的理由是，槍炮聲越來越大，這說明戰場越來越近，英軍正在撤退。

　　到1669年，由於他在數學上的工作，牛頓的聲望漸漸超齣瞭劍橋的範圍。同年，第一位盧卡斯數學教授，艾薩剋?巴羅(於1663年任職)退休，實際上是為瞭牛頓。巴羅雖然是一位有成就的數學傢，但他卻有另外的雄心。他很快成瞭國王的第一牧師，然後是三一學院院長。他對亨利?盧卡斯——是他設立的盧卡斯教職——的遺囑執行人有足夠的影響，使得他的繼任者也是一個三一學院人，並作為一個知名的數學傢開始留下足跡。

　　這項任命保證瞭牛頓在劍橋的地位，但同時要求他作定期演講。他第一期演講的題目並不是數學而是光學和顔色理論，其中特彆提到瞭透鏡的色散問題。同時他自豪地嚮劍橋及周圍的同事展示瞭他的新望遠鏡。實際上，現存的牛頓最早的信(寫給一個不知名者)寫於1669年，主要內容就是描述望遠鏡。

　　1671年底，皇傢學會(1662年正式建立，實際上已於1645年非正式成立)得知瞭這項非凡儀器的消息。皇傢學會秘書，亨利?奧登堡要求看一下這颱望遠鏡，巴羅代替牛頓把它交給瞭在倫敦的學會。1672年1月奧登堡給牛頓寫瞭一封過分恭維的信，錶達瞭學會對他這項發明的贊美，並告訴他，關於望遠鏡的消息已經通知瞭當時在巴黎的惠更斯。作為新式望遠鏡的發明者，牛頓逐漸開始享譽歐洲大陸。由於這項發明，他於1672年1月11日當選為皇傢學會會員，並於數周後發錶瞭他的第一篇物理學論文，形式上是給奧登堡的一封信，信中牛頓闡述瞭他的顔色理論。這篇論文於1672年2月19日發錶在學會的“哲學會刊”上，並導緻瞭牛頓第一次著名的學術爭論。

　　羅伯特?鬍剋，生於1635年，死於1703年，當時是皇傢學會的實驗館館長。他在科學上已經久負盛名，並對光和顔色有自己的觀點(他自己的光波動論發錶於1665年，但沒有惠更斯完善)，他總希望自己的任何工作都能搶到優先權。在一封給牛頓的迴信中以居高臨下的措辭，他首先否定瞭光是由微粒構成的概念，並認為牛頓的顔色理論與粒子假設無關，並不值得如此誇贊，鬍剋用詞尖刻，暗指牛頓理論中原創的東西是錯的，而對的東西不是原創的。

　　爭論的結果有兩個：第一，它使牛頓從學術界躲避齣來，把自己關在劍橋，很長時間裏拒絕發錶更多的東西(他把自己完善的光學理論留在手中，直到鬍剋死後，確信不會發生問題時纔全部發錶);第二是牛頓的那句名言——“如果我看得更遠，那是因為我站在巨人的肩上”，尖刻地諷刺瞭鬍剋矮小的個子，同時暗指鬍剋纔智不佳。（此句話與牛頓引力論無關，而是齣自1675年他寫給鬍剋的一封信，距他的《原理》一書發錶有12年。關於牛頓與鬍剋爭論的詳情，參見格裏賓的《尋找時間的邊緣》第一章。）

　　另一項批評則使牛頓提齣瞭對自己工作方法的認識——什麼是科學的方法。法國天主教耶穌會教士讓?加斯東?帕拉第斯從巴黎給牛頓寫瞭一封信，質疑瞭牛頓理論中幾點牛頓認為恰當的方法。牛頓並沒有把帕拉第斯當成傻瓜對待，而是迴信詳述瞭自己的觀點，他寫道：

　　“哲學最好和最安全的方法似乎應該是，首先努力探索事物的性質，然後用實驗來驗證這些性質，接著逐漸提齣假設來解釋這些性質。假設隻能被用來解釋事物的性質，而不是決定它們，它隻是實驗的奴僕。”（引自維斯弗《永不停息》，242頁。）

　　這就是科學之全部。無論你的理論多麼完美，如果它與實驗不符，那它就不是正確的。例如，牛頓的光的理論(可能應稱之為“假設”，當鬍剋用這個詞來定性牛頓的思想時，牛頓很不高興)，它將摺射歸因於光從一種媒質進入另一種媒質時的速度變化，但與惠更斯的理論不同，微粒說要求光在稠密的媒質中運動得更快。這就有瞭一種很明確的方法來區分這兩種思想;如果牛頓在有生之年能看到實驗顯示光在稠密的媒質中運動的更慢時，他肯定會接受光是以波的形式傳播的觀點。

　　牛頓不僅建立瞭考察世界的科學方法，他(和惠更斯等同時代的人一起)還提齣瞭第一個客觀世界的模型，它錶明宇宙遵守確定的規律(或定律)，不同的現象，大到行星繞太陽的運動，小至光束的彎麯，都可以用這些規律來解釋，而不必藉助於反復無常的神的一時興緻。

　　17世紀的巨匠留給我們的圖景常被十分準確的稱為“時鍾宇宙”，遵從永世不變的定律。但這裏的時鍾並不是現在的鍾或手錶的樣子，一秒一秒地走過，實際上我們應該想象一下17世紀教堂裏的那種大鍾，按照惠更斯的設計，由一個巨大的鍾擺驅動，包括很多連在一起的大小齒輪，不僅驅動瞭時間嘀嗒的流逝，同時還驅動瞭一個復雜的係統，能讓舞颱上的聖人像跳舞，能撞擊鈴鐺，在特定的時間産生特定的運動。17世紀的科學認為，與此類似的鍾錶係統支撐著行星繞太陽的運轉以及其他自然現象。

　　在牛頓留給我們的思想遺産中，第一點是宇宙中任何事物的行為都是可以預測的，正如教堂的大鍾在舞颱上人像的運動是可以預測的;第二點是用人腦可以理解的簡單定律就可以理解宇宙是如何運作的。因此，盡管對光本性的進一步理解似乎錶明牛頓的微粒說是錯的，但與取得的成就相比，這似乎顯得無關緊要，當然這仍然是很重要的一步。

前言/序言

盒子中的貓

　　哥本哈根解釋中最為奇怪的事情之一就是有意識的觀察者在決定微觀世界中發生瞭什麼時的地位，這個問題在盒子中貓的實驗中錶現得最為清楚。這種情形的最簡單例子就是假想一個盒子中隻包含有一個電子。如果沒有人往盒子裏麵看，那麼根據哥本哈根解釋，在盒子中的任何一處找到電子的機會是均等的——伴隨著電子的概率波均勻地分布在盒子中。現在假設仍然沒有人觀察盒子，一塊隔闆自動落在盒子中間，將原來的盒子分隔成相等的兩半。常識告訴我們，電子必定位於盒子的這邊或那邊。但是哥本哈根解釋告訴我們，概率波仍然均勻分布在兩個半盒子中。這意味著在盒子的任何一邊找到電子的概率是相等的。隻有當有人往盒子中看，並注意到電子位於盒子的一邊時，波函數纔發生坍塌，電子纔變成“真實的”。同時盒子另一半中的概率波消失。如果你將盒子重新關閉起來，停止對電子的觀察，這對概率波馬上傳播開去填滿電子所在的那半個盒子，而不會傳播迴電子曾經所處的盒子的那一半中去。（至少不是等概率的。將有非常小的概率使電子位於盒子的另一半，或在整個盒子的外麵。但是在本實驗中那種概率可以忽略不計。）

　　物理學傢鮑爾?戴維斯簡明地概述瞭這種情況：在觀察之前，有兩個模糊不清的電子“幽靈”分彆位於兩個隔離室之中，等待一個觀察者使得其中的一個變成“真實的”電子，同時導緻另一個徹底地消失。（參見《原子中的幽靈》，第22頁。）在這裏“同時”一詞也是非常重要的。它給齣瞭非局域性在起作用的另一個例子。但是，在我進一步討論它的含義之前，我想解釋一下，即薛定諤是如何演示下述論斷——觀察者使得位於盒子的這一半或另一半的電子成為真實的——的荒謬性的。

　　薛定諤的迷惑最初於1935年以印刷品的形式齣現。這個迷惑需要建立一個量子環境，其中有兩種結果齣現的概率是均等的。當進行這個實驗時，它在原始的例子中使用瞭放射性衰減技術，因為放射源也符閤概率規則。依據位於分隔後的盒子中的電子的問題，我們很容易想象這個實驗。薛定諤本人也參考瞭在一個鋼做的隔離室中進行的實驗。這個實驗用量子力學的術語來描述，那就是盒子中貓的問題(盒子中還有其他東西)。我希望在更一般的意義上解釋術語“隔離室”。它能給貓提供一個空間，使貓在其中自由自在地生活。但這些絲毫不影響薛定諤論斷中的要點。設想一下我剛纔描述的整個係統——一個分隔成兩半的盒子、一個電子和一塊自動滑移的擋闆——放置在一間沒有窗戶的、封閉的屋子裏麵的一張桌子上。擋闆已經自動滑移，將盒子等分成兩半。電子在任何一邊齣現的概率相等。在盒子外麵有一個電子檢測器，這個檢測器連接到一個設備上。如果檢測器檢測到一個電子的話，這個設備將嚮屋子內釋放毒氣。在屋子的一個角落裏有一隻貓，在安靜地享受它自己的生活。薛定諤將這個設備描述為“惡魔設備”，不過請記著，這僅僅是一個思想實驗，並沒有一隻真正的貓曾遭受過我正要描述的侮辱。

　　薛定諤讓我們想象一下，如果恰好是裝有電子的盒子的那一邊自行打開，允許電子跑齣來，那將會發生什麼事情?現在仍然沒有人去觀察在這間鎖住的屋子裏麵到底發生瞭什麼。根據哥本哈根解釋，仍有50%的概率讓電子位於仍然封閉著的盒子的那一邊。但是現在也有50%的概率讓電子跑到屋子裏麵。既然這是一個思想實驗，我們就可以設想檢測器非常敏感，以至於它可以精確地檢測到跑到屋子中任何一個角落的電子。如果電子已經從盒子中跑瞭齣來，那就應該被機器檢測到，從而就將觸發設備釋放毒氣，將貓殺死。

　　即使沒有人去觀察，你也可能會想象齣事情的結果：要麼電子從盒子中跑瞭齣來，要麼沒有跑齣來。如果電子已經從盒子中跑瞭齣來，那麼，當它被檢測器“注意”到時，其波函數將會發生坍塌，從而貓就倒黴瞭。但是玻爾說：常識告訴我們的是這個觀點錯瞭。

　　量子理論的標準解釋告訴我們，因為電子檢測器自身也是由量子世界的微觀單元(原子、分子等等)構成的，在這個水平上與電子發生相互作用，檢測器也要遵從量子規則，包括概率規則。根據這個圖像，隻有當有人打開門往屋子裏麵看時，整個係統的波函數纔會發生坍塌(這個人最好帶上防毒麵具，如果他還想保證自己處於清醒狀態的話)。在那個時刻，也隻有在那個時刻，電子纔“決定”自己是在盒子裏麵還是外麵，檢測器纔“決定”自己是否檢測到瞭電子，貓纔“決定”自己是死是活。哥本哈根解釋將在有人往屋子裏麵看之前的狀態稱為“疊加態”——或者用薛定諤的話說：“活貓和死貓混閤在一起，或者是以相等的份兒摻和在一起。”（參見《量子理論和測量》，第157頁。）

　　你可以想象屋子裏麵有一隻貓，在同一刻它既是死的又是活的，或者它既不是死的，又不是活的，暫停在地獄的邊緣，隨你怎麼看。但是根據哥本哈根解釋，你卻不能想象為在有人觀察之前，屋子裏麵有一隻死貓，或者僅僅是一隻活貓。

　　這個論斷的所有用意就在於突齣哥本哈根解釋的悖論性，所以如果你能夠在其中找到漏洞也不足以為怪。一個明顯的迷惑就是你如何定義一個“有意識的”觀察者。貓自身是否足以知道它自己是否已經吸入瞭毒氣，已經死瞭呢?難道貓對於屋子中所發生事情的反應與一個作為觀察者的人往屋子裏麵看有什麼不同嗎?你將在什麼地方劃分界綫呢?從人的標度往下看，一直到量子世界。請問，一隻螞蟻可以使波函數發生坍塌嗎?一個細菌呢?

　　換一個角度來看這個迷惑，即從量子世界往上看。因為電子設備是由量子實體例如原子和分子等構成的，所以我們有充足的理由說檢測器不能使波函數發生坍塌。但是人(或貓)也是由原子和分子來構成的。如果檢測器不能使波函數發生坍塌，那麼為什麼我們能呢?在這種意義上，生命對於有意識的觀察者來說是必要的嗎?當一個非常復雜的計算機往屋子裏麵看時能使波函數發生坍塌嗎?

　　離開原始的電子，再往前走一步，如果一個人進入屋子去看貓是否被毒死瞭，這時這個人便是屋子裏麵唯一的一個人，那麼這時的情況又會怎麼樣呢?嚴格的哥本哈根解釋說，疊加態(薛定諤的塗片)包圍著這個觀察者。直到屋子外麵的其他人來觀看實驗結果(或者打電話進來詢問情況怎麼樣)時為止。在有人觀察之前，不僅是貓，作為觀察者的人也是處於地獄的邊緣。那麼又是誰來觀察屋子之外的這個人，從而使其波函數發生坍塌呢?難道這整個的過程可以這麼一直倒退著進行下去嗎?

　　關鍵的問題是：在量子概率性和我們所認為的真實性之間的分界綫在何處?一個係統在成為“真實的”、能夠使波函數發生坍塌之前應該包含多少個分子?為瞭使係統完成這個功能，這些分子必須如何排布?

　　這就是那種目前還在使哲學傢和量子力學傢濛受壓力的迷惑。他們都知道量子力學是實用的;同時他們都想知道它為什麼是實用的，都想為沒有人觀察時封閉屋子裏所發生的事情構造一個可理解的圖像。盒子中的貓這個簡單實驗帶來這樣大的迷惑，但量子迷惑不止這些。在我講的量子力學的意義之前，我想藉助於薛定諤的貓的兒女來揭示更深層次的神秘性。

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