《尋找薛定諤的貓》是一本跨越量子力學、物理學及哲學等多學科的科普圖書。它就像一個科學向?qū)�，帶著讀者領略20世紀物理學的發(fā)展過程;它又仿佛是一本思想史，把物理學家們的思維過程非常清晰地展現(xiàn)出來，讓讀者看到科學家成功前的一次次失敗。格里賓在《尋找薛定諤的貓》中生動地描述了科學家得出他們理論的過程，讓讀者輕松地理解瞬間的真實性和一般量子力學。
作者簡介：
約翰·格里賓(John Gribbin)，英國著名科學讀物專業(yè)作家，薩塞克斯大學天文學訪問學者。他畢業(yè)于劍橋大學，獲天體物理學博士學位,現(xiàn)在是蘇塞克斯大學的客座天文學研究員。曾先后在《自然》志和《新科學家》周刊任職。1974年約翰？格里賓以其關于氣候變遷的作品獲得了英國最佳科學著作獎。經(jīng)常替《泰晤士報》、《衛(wèi)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》（海南出版社）、《大宇宙百科全書》（海南出版社）、《探索大爆炸》、《漫畫時間史》（與凱特·查爾斯沃思合著）等書。
目錄：
引言/1
序言真實并不存在/3
第一部分量子理論/1
第一章光/3
是波還是粒子?·波動理論的勝利
第二章原子/13
19世紀的原子論·愛因斯坦的原子論·電子·離子·X射線·放射性·原子的內(nèi)部
第三章光與原子/25
黑體線索·不期而至的革命·h是什么?·愛因斯坦、光和量子
第四章玻爾的原子論/39
電子的躍遷·得到解釋的氫原子·一個偶然的要素：上帝的骰子·透視原子·得到解釋的化學
第二部分量子力學/61
第五章光子和電子/63
目錄：
引言 / 1
序言真實并不存在 / 3
第一部分量子理論 / 1
第一章光 / 3
是波還是粒子?·波動理論的勝利
第二章原子 / 13
19世紀的原子論·愛因斯坦的原子論·電子·離子·X射線·放射性·原子的內(nèi)部
第三章光與原子 / 25
黑體線索·不期而至的革命·h是什么?·愛因斯坦、光和量子
第四章玻爾的原子論 / 39
電子的躍遷·得到解釋的氫原子·一個偶然的要素：上帝的骰子·透視原子·得到解釋的化學
第二部分量子力學 / 61
第五章光子和電子 / 63
光的粒子性·波粒二象性·電子波·與過去決裂·泡利和不相容原理·下一步去何方
第六章矩陣和波 / 82
黑利格蘭德的突破·量子數(shù)學·薛定諤的理論·一次退步·量子調(diào)制術
第七章用量子進行調(diào)制 / 102
反物質(zhì)·原子核的內(nèi)部·激光器和受激輻射微波放大器·功能強大的顯微術·超導體·生命本身
第三部分題外話 / 129
第八章可能性和不確定性 / 131
不確定性的意義·哥本哈根解釋·雙孔實驗·坍塌的波·互補性原理
第九章悖論和可能性 / 151
匣子里的鐘表·“EPR悖論”·時間旅行·愛因斯坦的時間·無中生有·薛定諤的貓·參與的宇宙
第十章布丁的驗證 / 185
自旋悖論·偏振方面的迷惑·貝爾實驗·證據(jù)·這到底意味著什么?·確認和應用
第十一章多個世界 / 203
誰觀察觀察者?·薛定諤的貓·超越科幻小說·超越愛因斯坦了嗎?·回顧一下·超越埃弗雷特·我們的特殊位置
后記未完的工作 / 223
時空的扭曲·對稱性破缺·超引力·宇宙是真空漲落的產(chǎn)物嗎?·膨脹和當今宇宙
參考前言序言
真實并不存在
我們題目中的貓是個神奇的動物，而薛定諤卻是個真實的人。厄爾文·薛定諤是一位奧地利科學家。他在20世紀20年代中期創(chuàng)立了現(xiàn)在被稱為量子力學的科學分支中的一個方程。這個分支幾乎不能算是個正確的描述，但是量子力學卻為所有現(xiàn)代科學提供了基礎。這個方程描述很小的物體，一般說來是原子大小或者比原子更小的物體。這為微觀世界提供了唯一一種解釋。沒有這些方程，物理學家將無法建設核電站(或制造原子彈)，制造激光器，或者解釋太陽為什么是熾熱的。沒有量子力學，化學家們將仍然停留在黑暗年代，也不會有分子生物學，不會有對DNA的理解，不會有遺傳工程——不會有任何科學。
序言
真實并不存在
我們題目中的貓是個神奇的動物，而薛定諤卻是個真實的人。厄爾文·薛定諤是一位奧地利科學家。他在20世紀20年代中期創(chuàng)立了現(xiàn)在被稱為量子力學的科學分支中的一個方程。這個分支幾乎不能算是個正確的描述，但是量子力學卻為所有現(xiàn)代科學提供了基礎。這個方程描述很小的物體，一般說來是原子大小或者比原子更小的物體。這為微觀世界提供了唯一一種解釋。沒有這些方程，物理學家將無法建設核電站(或制造原子彈)，制造激光器，或者解釋太陽為什么是熾熱的。沒有量子力學，化學家們將仍然停留在黑暗年代，也不會有分子生物學，不會有對DNA的理解，不會有遺傳工程——不會有任何科學。
量子理論代表著科學的最大進展，比相對論具有更大的意義，也更直接更實用，甚至能引發(fā)許多奇特的預言。量子力學世界是那么神奇，實際上連阿爾伯特·愛因斯坦也發(fā)現(xiàn)其難以理解，因而拒絕接受由薛定諤及其同事創(chuàng)立的理論結果。愛因斯坦及許多其他科學家發(fā)現(xiàn)將量子力學方程視為一種數(shù)學上的簡單表述更為合適，認為它僅是對原子及亞原子粒子行為的一個合理的描述。但其本身隱藏了更深的真理，這些真理更接近于日常的真實性。因為量子力學給出的是：沒有什么是真實的，我們不去觀察它們時，則什么也不能說。薛定諤那奇怪的貓用來區(qū)別量子世界以及日常生活中所見到的世界。
在量子力學世界中，日常所見的熟悉的物理定律不再成立。取而代之的是事件發(fā)生的概率性。例如具有輻射性的原子可能衰變放出電子，也可能不。可以這樣設計一個實驗：具有輻射能力的物質(zhì)具有50%的機會在某一特定時間內(nèi)發(fā)生衰變。如果其衰變，就會被探測器記錄下來。薛定諤也像愛因斯坦那樣，被量子力學結果弄得心神不安，嘗試著用一個假想的實驗來檢驗理論隱含的晦澀之外。設想在一個封閉的房子中或匣子里，有一只活貓及一瓶毒藥。當衰變發(fā)生時，藥瓶被打破，貓將被毒死。也就是說，在現(xiàn)實世界中，貓有50%的機會被毒死。
不用看匣子，我們就會肯定地說，貓可能死了也可能還活著。這就是量子力學的奇異之處。這理論說，這兩種機會取決于輻射物質(zhì)，因而對貓來說除非被觀察到否則就沒有真實性。原子可能衰變，也可能不；貓可能死，也可能活。除非我們向匣子中看，發(fā)生了什么。堅持量子力學直接解釋的理論學者認為存在一個中間態(tài)，貓既不死也不活，直到進行觀察看看發(fā)生了什么。除非進行觀測，否則一切都不是真實的。
這個觀點對愛因斯坦和其他科學家來說無非是麻醉劑。當引述世界由一大堆量子層次上的隨機選擇決定的理論時，他說道：“上帝不會擲骰子�！彼怀姓J薛定諤的貓的非真實態(tài)之說，認為一定有一內(nèi)在的機制組成了事物的真實本性。他花了數(shù)年時間企圖設計一個實驗來檢驗這種內(nèi)在真實性是否在起作用，但他沒有完成這種設計就去世了。也許他沒有活著看到他的思路所引發(fā)的結果會更好一些。
在1982年夏天，在法國南巴黎大學，由艾倫·艾斯派克特領導的研究小組完成了意將探測量子非真實世界的內(nèi)在真實性的系列實驗。內(nèi)在真實性——基本機制——被取名為“隱變量”，實驗對象是從源中朝相反方向飛出的兩個質(zhì)子或粒子(在第十章中對其有完整的描述)。但基本上可以認為是對真實性的檢驗。兩個從同一源中飛來的質(zhì)子可以被兩個檢測器檢測到，可測量它的偏振性質(zhì)。根據(jù)量子理論，這種性質(zhì)是不存在的，除非實施了測量。根據(jù)隱變量觀點，每個質(zhì)子從它產(chǎn)生就有“真實的”極性。由于它們同時發(fā)射，所以它們的極性是相互關聯(lián)在一起的。但是實際測量到的在與真實性的兩種觀點不一致。
這些關鍵的實驗結果是沒有含糊的。沒有發(fā)現(xiàn)由隱變量理論所預言的那種關聯(lián)，卻發(fā)現(xiàn)了由量子理論所預言的那種關聯(lián)。而且正如量子理論所預言的那樣，對一個質(zhì)子的測量對另一質(zhì)子具有瞬間效應的影響。一些作用關聯(lián)在一起，糾纏不清，雖然它們以光速飛離。相對論告訴我們沒有信號能超過光速傳播。實驗證明世界沒有內(nèi)在的真實性。日常所謂的“真實性”在描述組成世界的基本粒子行為時不是一個好的方法，而且這些粒子同時聯(lián)成不可分離的整體，每一個都能覺察到別的粒子發(fā)生的事。
探索薛定諤的貓就是尋找量子的真實性。簡單總結說，好像這種尋求是沒有什么結果的，因為不存在日常詞匯中的真實性。但這不能算完，尋找薛定諤的貓可引導我們對瞬間的真實性及一般量子力學有新的理解。路是漫長的，但它卻是始于那些科學家們。如果他們發(fā)現(xiàn)了自己苦苦尋找的、正是我們現(xiàn)在所獲得的答案的話，他們會比愛因斯坦更加驚恐。艾薩克·牛頓在3個世紀前研究光的本質(zhì)時，不會想到他那時就已經(jīng)踏上了尋求薛定諤之貓的征程。 第 一 章
光
艾薩克·牛頓創(chuàng)立了物理學，實際上他創(chuàng)立了一切依賴于物理的科學。當然牛頓的工作也是在其他人基礎上的，但正是由于他在300年前發(fā)現(xiàn)的運動三大定律及引力理論，才使科學走向通往空間飛行、激光、原子能、基因工程、化學及其他一切的里程。在200年的時間里，牛頓理論(現(xiàn)在稱為“經(jīng)典”物理)高高在上，處于統(tǒng)治地位；在20世紀革新中，對物理的見識已遠遠超過了牛頓時代。可是若沒有那200年的科學發(fā)展，就不會有這種深刻的理論。本書不是科學史，它更關注新物理——量子物理，而不是經(jīng)典思想。但就是在300年前的牛頓的工作中已有將要發(fā)生變革的跡象——不是出于其對行星運動及其軌道或是著名的三大定律，而是出于對光本質(zhì)的研究。
牛頓關于光的想法多出于對固定形狀物體及行星軌道的行為的看法。他認識到，我們?nèi)粘ξ矬w行為的經(jīng)驗可能是一種誤導，一個物體或粒子在不受別的東西的影響時一定與在地球表面的粒子不同。這里，我們?nèi)粘＝?jīng)驗告訴我們，除非你去推一個物體，它會待在那兒不動，如果一旦你不推它，它就很快停止運動。那么，為什么像行星及月亮等物體卻不停在它們的軌道上呢?有什么東西在推動它們嗎?沒有。這是因為行星處于它本來的狀態(tài)，與外界沒有聯(lián)系，而地球上的物體總是相互關聯(lián)著。如果我想將鋼筆拉過桌面，我的推力與桌面同筆之間的摩擦力對抗著，正是這種力才在我不推動時讓筆停下來的。如果沒有摩擦，筆就會一直運動下去。這就是牛頓第一定律：除非有外力作用于其上，一個物體總保持靜止或以恒定的速度運動。牛頓第二定律告訴我們外力(這里指推力)對物體的效果。力改變了物體的運動速度，速度的變化稱為加速度；你將力除以物體的質(zhì)量，就得到此力作用于物體產(chǎn)生的加速度。通常，第二定律被描繪為另一種形式：力等于質(zhì)量乘以加速度。牛頓第三定律告訴我們物體是怎樣反作用于推動它的物體的：對于每一個作用存在大小相等方向相反的反作用。我用球拍去打一個網(wǎng)球時，球拍推向網(wǎng)球的力剛好等于網(wǎng)球推向球拍的力，但方向剛好相反；在桌子上的鋼筆，受重力向下壓，其壓力剛好等于桌面彈向它的力；火箭的燃氣室中，爆炸過程產(chǎn)生的氣體向后沖去的力則正好產(chǎn)生大小相等但方向相反的推動火箭的力。
這些定律連同牛頓的引力定律，解釋了行星繞太陽及月亮繞地球的運動。適當?shù)赜嬋肽Σ亮�，也就可以解釋地球上物體的狀況。這些就構成了力學的基礎。但這仍有隱含的哲學上的困惑。根據(jù)牛頓定律，一個粒子的行為可根據(jù)其他粒子對它的作用力及它本身受到的作用力確定。那么如果能夠知道這個宇宙所有粒子的速度與位置，就能夠精確地預言每個粒子的未來行為，從而預言這個宇宙的未來。這是否意味著這個宇宙就像鐘表一樣，被造物主上緊了發(fā)條放在那兒，沿著一條完全可以預言的途徑運動呢?牛頓的經(jīng)典力學提供了這種確定性宇宙觀有足夠多的支持，這兩種圖像給人的自由意志沒有留下多少機會。是否我們真的就是沿著預設好的軌跡度過我們的一生而別無選擇呢?多數(shù)科學家都同意讓哲學家們?nèi)幷撨@個問題。而他們卻全力轉向20世紀新物理學的中心。
是波還是粒子?
牛頓的粒子物理論是這么的成功，難怪當初解釋光行為時，他也按照粒子論方法處理。無論如何，觀察到的光是走直線的，并且光從鏡面反射時如一個球碰在一個硬墻上一樣。牛頓制造了第一臺反射式望遠鏡，解釋了白光是由七色光合成的，在光學中做了那么多工作，可他總是基于光是由一種稱為微粒的小粒子流組成的假說。光線在穿過光疏質(zhì)和光密質(zhì)邊界時傳播方向發(fā)生變化，正如光從空氣到水或玻璃中變彎(這就是為何攪酒棍在酒杯或桶中看來是彎的)，只要假設微粒在光密質(zhì)中走得快一點就能解釋光的折射現(xiàn)象。即使在牛頓時代，仍有與之完全不同的解釋。
荷蘭物理學家克里斯蒂安·惠更斯生于1629年，比牛頓大13歲，是同時代的人。他得出一個觀點：光并非是粒子流，而是一種波。就像水波在海面或湖面上傳播一樣，光通過一種不可見的“透明的以太”傳播。就像在湖塘里扔一顆石子引起的波傳播那樣，光在以太中傳播是從光源出發(fā)到各個方向的。波理論在解釋反射和折射時能同粒子說一樣合理。雖然說在光密質(zhì)的物質(zhì)中光波的傳播速度不是加快了而是減慢了，在當時的17世紀沒有辦法測量光速，因此這方面的差別不足以區(qū)分這兩種理論的優(yōu)劣�？墒�，有一個關鍵的方面，在這點上可得到可以觀測到的不同預測。當光通過一個尖銳的邊界時，它形成一個明顯的邊界影子。這極像粒子流的行為，因為它沿直線運動。而波動要轉彎或散射，以某種方式繞進暗影里(想象一下，水塘中的漣漪是能夠繞過石頭的)。300年前，這種現(xiàn)象很明顯對粒子論有利，而波動理論雖未被忘記卻也給拋棄了。然而到了19世紀，兩種觀點的狀況則完全反過來了。
圖1.1水波的衍射
平行水波通過擋板上的小孔后，在小孔之后形成圓形波，不會形成“陰影”。
在18世紀，很少人能認真地看待光的波動說。在這極少數(shù)人中，當時數(shù)學的帶頭人，曾對幾何、微積分和三角幾何做出主要貢獻的瑞士數(shù)學家雷納德·歐拉(Leonhard Euler)不僅認真地對待光的波動說，而且還寫文章支持這種學說。說起歐拉，現(xiàn)代數(shù)學與物理全由算術項和方程描述，數(shù)學描述所依賴的技巧大部分是由歐拉創(chuàng)立的。在此過程中，他創(chuàng)立了至今仍被使用的符號縮寫，如π表示圓周率；i表示-1的開方根(我們還會與π一起遇到它)；被數(shù)學工作者使用的積分運算符號等等。奇怪的是，在《大英百科全書》的歐拉條目中沒有提到他的波動觀點。這個觀點在他同時代中沒有一個“著名物理學家”支持。在歐拉同時代人中，贊同這個觀點的唯一名人是本杰明·富蘭克林；直到19世紀初英國人托馬斯·揚完成他的關鍵實驗之前，物理學家對待這個觀點，都不屑一顧。不久法國人奧古斯汀·菲涅爾又重做了這些實驗。
波動理論的勝利
揚根據(jù)通過水塘表面水波的運動知識，設計實驗檢驗了是否光也同樣傳播。我們都知道水波是什么樣的，雖然為了精確分析起見考慮的是小波而非大波。波的明顯特征是在波傳過時會抬高水位然后又壓低水位；波峰高出平靜的水面的高度為它的波幅，對理想的波來說，波傳過時，水面被壓下的幅度也與之相同。一系列波紋，就像在水塘中扔下一顆石子激起的漣漪那樣，一個接一個具有相等的問題，此間距叫做波長，可表示為從一個波峰到另一個波峰的距離。當石子落入水塘時，激起的波紋環(huán)繞著源點，從中心向外一圈圈地傳播；可是海中的波浪或在湖中由風拂起的水波由系列平行直線一條接一條地向前傳播。這兩種方式下，1秒鐘內(nèi)通過一個固定點——比如說石頭的波峰數(shù)是個不變的數(shù)目，稱為波的頻率。頻率表示1秒鐘通過的波紋數(shù)，因此每一個波峰向前運動的速度都是波長乘以頻率。
圖1.2小孔后產(chǎn)生新波源
就像在水塘中扔進一塊石頭能激起圓形波一樣，圓形漣漪在通過擋板窄縫時也產(chǎn)生圓形波。
關鍵性的實驗從平行波開始，正如到達海岸線之前的波線一樣。你可以想象在水塘中扔一塊石子并在遠處觀察它所激發(fā)出來的波紋。波紋的圓周越來越大，在離源點足夠遠的地方，波紋就像是平行的直線一樣。我們很難觀察到圍繞擾動點的大圓的曲率，但卻很容易觀察到當波在傳播路徑上遇到障礙物時會出現(xiàn)什么情況。如果障礙物很小，由于波的衍射特性，波會繞過障礙物而幾乎不留下“影子”；但是如果障礙物的尺寸比波紋的波長大得多時，波紋僅僅在障礙物邊緣處彎進去一點點，留下一大塊未受擾動的水面。光是波，就必然具有清晰的影子，只要光的波長比障礙物的尺寸小得多就行。
現(xiàn)在將這個問題倒過來思考。設想一系列細微的平面波在水槽中傳播，遇到的不是一個障礙物而是一道墻，只不過墻的中間開了一個小孔。如果小孔直徑比波長大得多，那么只有對著小孔區(qū)域的波能穿過，而大多數(shù)波紋，如同沖向碼頭的水波，無法穿墻而過�？墒侨绻麎ι峡椎闹睆胶苄。敲催@個小孔就會成為新的環(huán)狀波的一個波源，就如在那里扔下了一塊石頭。波紋漸漸遠離墻面，所形成的圓形波（確切地說是半圓形的）就在原先平靜的水面上傳播。
圖1.3小物體后不會形成陰影
只要障礙物比波的波長不是大很多，它們可充滿障礙物后的陰影，這是波能夠繞過邊角的一個結論。
好，現(xiàn)在我們可以談到揚的實驗了。設想象前述那樣，平行水波傳過水槽遇到一個阻板，在這個阻板上有兩個孔。每個孔都成為一個激發(fā)半圓波的新波源，兩列波都源于阻板的同一側而向另一側傳播，它們不但頻率相同，而且總是同相，在水面上傳播形成較為復雜的漣漪圖案。波在某處疊加，當兩列波都處于波峰，我們得到增強的波峰，當一列波處于波峰，另一列波處于波谷，它們相互抵消。這種效應被分別稱為相增干涉和相消干涉。由這種效應很容易看到，只要在水塘中同時扔下兩塊石子就可以了。如果光是波動的話，那么等效的實驗就可以形成波紋的干涉條紋，這正是揚發(fā)現(xiàn)的。
圖1.4光的雙孔干涉
光能夠通過衍射繞過邊角，這可用單縫產(chǎn)生圓形波再通過雙縫產(chǎn)生干涉圖像驗證。
圖1.5光的雙縫干涉
如水波通過小孔那樣，光波通過第一個狹縫后產(chǎn)生圓形擴散，“相繼”進入另一個。
揚將一束光照到具有兩個狹縫的阻擋屏上，在屏的后面，光從兩個小孔傳播出來并相互干涉。如果光同水波一樣也是波的話，那么由于相增干涉和相消干涉，在阻擋屏之后會形成明暗交錯的區(qū)域。當揚將一個白屏放在窄縫之后，剛好看到他所尋找的——明暗相間的條紋。
可是揚的實驗并未引起科學界的興趣，特別在英國，創(chuàng)立任何被認為與牛頓觀點相悖的理論幾乎都會被認定為是異教徒的行為。牛頓逝世于1727年，在1705年，也就是離揚宣布他的發(fā)現(xiàn)不到一百年，牛頓是第一個因科學研究工作而被封為騎士的。在英國破除這個偶像還為時過早，而在拿破侖戰(zhàn)爭時期也許這是適合時宜的，于是法國人奧古斯汀·菲涅爾拾起他的“叛逆”思想，最終確立了光的波動學說。菲涅爾的工作雖比揚晚幾年，但比揚的工作更完善，實際上，他幾乎對光各個方面的現(xiàn)象用波動性來予以解釋。除此之外，他還解釋了對我們來說非常熟悉的日�，F(xiàn)象——光照射到油膜上產(chǎn)生非常美麗的反射色彩。這個過程同樣出于光的干涉。一部分光直接由油膜的上層反射回來，另一部分光透過油膜，從底層反射出來。因此，存在兩束不同的反射光，它們之間相互干涉。由于每種顏色的光具有各不相同的波長，白光是由彩虹般的七色光疊加而成的，因此，從油膜上反射出來的白光能產(chǎn)生七色光的相增干涉或相消干涉，其效應依賴于眼睛相對于油膜的位置。
圖1.6光的行為像波
圓形波雙縫的每一個相互干涉，在視屏上產(chǎn)生明暗相間的斑紋。此實驗清晰地證實了光的波動性。萊昂·傅科是一位法國物理學家，他最著名的發(fā)明是顯示地球自轉的傅科擺，在19世紀中葉提出了與牛頓粒子說相反的斷言：光在水中的傳播速度比在空氣中傳播的速度要慢，這也是一些著名科學家曾經(jīng)所預計的。那時候，人人知道光是能在以太中傳播的波，不管它是怎么進行的，可是要能夠弄清楚在光流中是什么“波”在傳播就更好了。從19世紀60年代到19世紀70年代，蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋建立的電磁場理論，將電學、磁學、光學統(tǒng)一起來，至此光的理論得以完善。麥克斯韋斷言存在電磁輻射，磁和電的強度變化像水波那樣峰谷交替。1888年，德國物理學家海因里希·赫茲成功地發(fā)射并接收了作為電波的電磁輻射，這種電波與光相同只不過具有更長的波長。經(jīng)歷牛頓和伽利略年代以來的一百多年，科學思想上最偉大的革命的沖擊致使光的波動說趨于完善。在19世紀末期，有個天才或傻子想到了光是粒子，這個人叫阿爾伯特·愛因斯坦；我們在理解他何以邁出這勇敢的一步時，需要有一些19世紀物理學思路的背景知識。
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