上帝擲骰子嗎——量子物理史話
CAPO 著
序
如果要評選物理學發展史上最偉大的那些年代，那麽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，並徹底地推翻和重建了整個物理學體係。所不同的是，今天當我們再次談論起牛頓的時代，心中更多的已經衹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睏擾着我們至今，就像兩顆青澀的橄欖，嚼得越久，反而更加滋味無窮。
我在這裏要給大傢講的是量子論的故事。這個故事更像一個傳奇：由一個不起眼的綫索開始，麯徑通幽，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，誤入白雲深處不知歸路……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捲大地，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於量子論。但量子論究竟意味着什麽？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衝擊和震動，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裏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睏惑，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衆所熟知。那麽，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。我們將沿着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睏惑、激動、恐懼、狂喜和震驚。這將註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，飛越迷霧重重的峽𠔌和驚濤駭浪的狂潮。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，已經沒時間考慮這麽多了。請大傢坐好，係好安全帶，我們的旅程開始了。
第一章 黃金時代
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，在山𠔌中輾轉嚮北，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，神秘的黑森林從這裏延展開去，孕育着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，指嚮市中心那座著名的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。對於科學家來說，這裏實在是一個遠離塵世喧囂，可以安心做研究的好地方。
CAPO 著
序
如果要評選物理學發展史上最偉大的那些年代，那麽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，並徹底地推翻和重建了整個物理學體係。所不同的是，今天當我們再次談論起牛頓的時代，心中更多的已經衹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睏擾着我們至今，就像兩顆青澀的橄欖，嚼得越久，反而更加滋味無窮。
我在這裏要給大傢講的是量子論的故事。這個故事更像一個傳奇：由一個不起眼的綫索開始，麯徑通幽，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，誤入白雲深處不知歸路……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捲大地，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於量子論。但量子論究竟意味着什麽？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衝擊和震動，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裏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睏惑，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衆所熟知。那麽，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。我們將沿着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睏惑、激動、恐懼、狂喜和震驚。這將註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，飛越迷霧重重的峽𠔌和驚濤駭浪的狂潮。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，已經沒時間考慮這麽多了。請大傢坐好，係好安全帶，我們的旅程開始了。
第一章 黃金時代
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，在山𠔌中輾轉嚮北，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，神秘的黑森林從這裏延展開去，孕育着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，指嚮市中心那座著名的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。對於科學家來說，這裏實在是一個遠離塵世喧囂，可以安心做研究的好地方。
現在，海因裏希·魯道夫·赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）就站在卡爾斯魯厄大學的一間實驗室裏，專心緻志地擺弄他的儀器。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，衹是完完全全地傾註在他的那套裝置上。
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裏面。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，並通過銅棒連接到兩個相隔很近的小銅球上。導綫從兩個小球上伸展出去，纏繞在一個大感應綫圈的兩端，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。
赫茲全神貫註地註視着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係統裏展現出來：無形的電流穿過裝置裏的感應綫圈，並開始對銅球電容進行充電。赫茲冷冷地註視着他的裝置，在心裏面想象着電容兩端電壓不斷上升的情形。在電學的領域攻讀了那麽久，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，往來於兩個大銅球之間，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，隨着細微的“啪”的一聲，一束美麗的藍色電花爆開在兩個銅球之間，整個係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着少許能量的損失，使得電容兩端的電壓很快又降到擊穿值以下。於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。
赫茲更加緊張了。他跑到窗口，將所有的窗簾都拉上，同時又關掉了實驗室的燈，讓自己處在一片黑暗之中。這樣一來，那些火花就顯得格外醒目而刺眼。赫茲揉了揉眼睛，讓它們更為習慣於黑暗的環境。他盯着那串間歇的電火花，還有電火花旁邊的空氣，心裏面想象了一幅又一幅的圖景。他不是要看這個裝置如何産生火花短路，他這個實驗的目的，是為了求證那虛無飄渺的“電磁波”的存在。那是一種什麽樣的東西啊，它看不見，摸不着，到那時為止誰也沒有見過，驗證過它的存在。可是，赫茲對此是堅信不疑的，因為它是麥剋斯韋（Maxwell）理論的一個預言，而麥剋斯韋理論……哦，它在數學上簡直完美得像一個奇跡！仿佛是上帝之手寫下的一首詩歌。這樣的理論，很難想象它是錯誤的。赫茲吸了一口氣，又笑了：不管理論怎樣無懈可擊，它畢竟還是要通過實驗來驗證的呀。他站在那裏看了一會兒，在心裏面又推想了幾遍，終於確定自己的實驗無誤：如果麥剋斯韋是對的話，那麽每當發生器火花放電的時候，在兩個銅球之間就應該産生一個振蕩的電場，同時引發一個嚮外傳播的電磁波。赫茲轉過頭去，在不遠處，放着兩個開口的長方形銅環，在接口處也各鑲了一個小銅球，那是電磁波的接收器。如果麥剋斯韋的電磁波真的存在的話，那麽它就會飛越空間，到達接收器，在那裏感生一個振蕩的電動勢，從而在接收器的開口處也同樣激發出電火花來。
圖1.1 赫茲的裝置及簡圖（Schleiermacher 1901）
實驗室裏面靜悄悄地，赫茲一動不動地站在那裏，仿佛他的眼睛已經看見那無形的電磁波在空間穿越。當發生器上産生火花放電的時候，接受器是否也同時感生出火花來呢？赫茲睜大了雙眼，他的心跳得快極了。銅環接受器突然顯得有點異樣，赫茲簡直忍不住要大叫一聲，他把自己的鼻子湊到銅環的前面，明明白白地看見似乎有微弱的火花在兩個銅球之間的空氣裏躍過。是幻覺，還是心理作用？不，都不是。一次，兩次，三次，赫茲看清楚了：雖然它一閃即逝，但上帝啊，千真萬確，真的有火花正從接收器的兩個小球之間穿過，而整個接收器卻是一個隔離的係統，既沒有連接電池也沒有任何的能量來源。赫茲不斷地重複着放電過程，每一次，火花都聽話地從接收器上被激發出來，在赫茲看來，世上簡直沒有什麽能比它更加美麗了。
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裏面。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，並通過銅棒連接到兩個相隔很近的小銅球上。導綫從兩個小球上伸展出去，纏繞在一個大感應綫圈的兩端，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。
赫茲全神貫註地註視着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係統裏展現出來：無形的電流穿過裝置裏的感應綫圈，並開始對銅球電容進行充電。赫茲冷冷地註視着他的裝置，在心裏面想象着電容兩端電壓不斷上升的情形。在電學的領域攻讀了那麽久，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，往來於兩個大銅球之間，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，隨着細微的“啪”的一聲，一束美麗的藍色電花爆開在兩個銅球之間，整個係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着少許能量的損失，使得電容兩端的電壓很快又降到擊穿值以下。於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。
赫茲更加緊張了。他跑到窗口，將所有的窗簾都拉上，同時又關掉了實驗室的燈，讓自己處在一片黑暗之中。這樣一來，那些火花就顯得格外醒目而刺眼。赫茲揉了揉眼睛，讓它們更為習慣於黑暗的環境。他盯着那串間歇的電火花，還有電火花旁邊的空氣，心裏面想象了一幅又一幅的圖景。他不是要看這個裝置如何産生火花短路，他這個實驗的目的，是為了求證那虛無飄渺的“電磁波”的存在。那是一種什麽樣的東西啊，它看不見，摸不着，到那時為止誰也沒有見過，驗證過它的存在。可是，赫茲對此是堅信不疑的，因為它是麥剋斯韋（Maxwell）理論的一個預言，而麥剋斯韋理論……哦，它在數學上簡直完美得像一個奇跡！仿佛是上帝之手寫下的一首詩歌。這樣的理論，很難想象它是錯誤的。赫茲吸了一口氣，又笑了：不管理論怎樣無懈可擊，它畢竟還是要通過實驗來驗證的呀。他站在那裏看了一會兒，在心裏面又推想了幾遍，終於確定自己的實驗無誤：如果麥剋斯韋是對的話，那麽每當發生器火花放電的時候，在兩個銅球之間就應該産生一個振蕩的電場，同時引發一個嚮外傳播的電磁波。赫茲轉過頭去，在不遠處，放着兩個開口的長方形銅環，在接口處也各鑲了一個小銅球，那是電磁波的接收器。如果麥剋斯韋的電磁波真的存在的話，那麽它就會飛越空間，到達接收器，在那裏感生一個振蕩的電動勢，從而在接收器的開口處也同樣激發出電火花來。
圖1.1 赫茲的裝置及簡圖（Schleiermacher 1901）
實驗室裏面靜悄悄地，赫茲一動不動地站在那裏，仿佛他的眼睛已經看見那無形的電磁波在空間穿越。當發生器上産生火花放電的時候，接受器是否也同時感生出火花來呢？赫茲睜大了雙眼，他的心跳得快極了。銅環接受器突然顯得有點異樣，赫茲簡直忍不住要大叫一聲，他把自己的鼻子湊到銅環的前面，明明白白地看見似乎有微弱的火花在兩個銅球之間的空氣裏躍過。是幻覺，還是心理作用？不，都不是。一次，兩次，三次，赫茲看清楚了：雖然它一閃即逝，但上帝啊，千真萬確，真的有火花正從接收器的兩個小球之間穿過，而整個接收器卻是一個隔離的係統，既沒有連接電池也沒有任何的能量來源。赫茲不斷地重複着放電過程，每一次，火花都聽話地從接收器上被激發出來，在赫茲看來，世上簡直沒有什麽能比它更加美麗了。