《上帝擲骰子嗎?》

《上帝擲骰子嗎?》

《上帝擲骰子嗎?》是曹天元所著的科普類作品。遼寧教育出版社2008年出版。本書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雲和暴雨,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並肩作戰。

基本信息

簡介

《上帝擲骰子嗎?》 《上帝擲骰子嗎?》

《上帝擲骰子嗎?》是關於量子論的故事。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。

本書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雲和暴雨,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並肩作戰。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,更來自於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。

 本書適合任何有中學基本物理概念的讀者。不管你的水平如何,只要對科學和歷史有一點興趣,我們都誠邀你同行。或許,你將收穫一次人生中難得的奇妙體驗。

作者簡介

曹天元(capo),出生於上海,足跡遍歷內地、香港和美國,現居香港。本人不願透露具體身份。

目錄

序一 努力言說不可言說之事
序二 激動人心的量子史話
自序
第一章 黃金時代
第二章 烏雲
第三章 火流星
第四章 白雲深處
第五章 曙光
第六章 殊途同歸
第七章 不確定性
第八章 論戰
第九章 歧途
第十章 回歸經典
第十一章 不等式的判決
第十二章 新探險
尾聲
外一篇 海森堡和德國核子彈計畫
後記
參考文獻
人名列表

文章選節

書摘插圖
第一章 黃金時代

插圖 插圖

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崙三世,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,神秘的黑森林從這裡延展開去,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。對於科學家來說,這裡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誌如《物理學紀事》(Annalen der Physik)都沒能把它們印在論文裡面。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,並通過銅棒連線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,然後又連線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,並開始對銅球電容進行充電。赫茲冷冷地注視著他的裝置,在心裏面想像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,往來於兩個大銅球之間,從而形成一個高頻的振盪迴路(LC迴路)。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迴路,細小的電流束在空氣中不停地扭動,綻放出幽幽的螢光來。火花稍縱即逝,因為每一次的振盪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。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。他跑到視窗,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。他盯著那串間歇的電火花,還有電火花旁邊的空氣,心裏面想像了一幅又一幅的圖景。他不是要看這個裝置如何產生火花短路,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。那是一種什麼樣的東西啊,它看不見,摸不著,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,因為它是麥克斯韋(Maxwell)理論的一個預言,而麥克斯韋理論……喔,它在數學上簡直完美得像一個奇蹟!仿佛是上帝之手寫下的一首詩歌。這樣的理論,很難想像它是錯誤的。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。他站在那裡看了一會兒,在心裏面又推想了幾遍,終於確定自己的實驗無誤:如果麥克斯韋是對的話,那么每當發生器火花放電的時候,在兩個銅球之間就應該產生一個振盪的電場,同時引發一個向外傳播的電磁波。赫茲轉過頭去,在不遠處,放著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。如果麥克斯韋的電磁波真的存在的話,那么它就會飛越空間,到達接收器,在那裡感生一個振盪的電動勢,從而在接收器的開口處也同樣激發出電火花來。

實驗室裡面靜悄悄地,赫茲一動不動地站在那裡,仿佛他的眼睛已經看見那無形的電磁波在空間穿越。當發生器上產生火花放電的時候,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里躍過。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系統,既沒有連線電池也沒有任何的能量來源。赫茲不斷地重複著放電過程,每一次,火花都聽話地從接收器上被激發出來,在赫茲看來,世上簡直沒有什麼能比它更加美麗了。

良久良久,終於赫茲揉了揉眼睛,直起腰來:現在一切都清楚了,電磁波真真實實地存在於空間之中,正是它激發了接收器上的電火花。他勝利了,成功地解決了這個8年前由柏林普魯士科學院提出懸賞的問題1;同時,麥克斯韋的理論也勝利了,物理學的一個新高峰——電磁理論終於被建立起來。偉大的法拉第(Michael Faraday)為它打下了地基,偉大的麥克斯韋建造了它的主體,而今天,他——偉大的赫茲——為這座大廈封了頂。

赫茲小心地把接受器移到不同的位置,電磁波的表現和理論預測的分毫不爽。根據實驗數據,赫茲得出了電磁波的波長,把它乘以電路的振盪頻率,就可以計算出電磁波的前進速度。這個數值在可容許的誤差內恰好等於30萬公里/秒,也就是光速。麥克斯韋驚人的預言得到了證實:原來電磁波一點都不神秘,我們平時見到的光就是電磁波的一種,只不過普通光的頻率正好落在某一個範圍內,而能夠為我們的眼睛所感覺到罷了。

無論從哪一個意義上來說,這都是一個了不起的發現。古老的光學終於可以被完全包容於新興的電磁學裡面,而“光是電磁波的一種”的論斷,也終於為爭論已久的光本性的問題下了一個似乎是不可推翻的定論(我們馬上就要去看看這場曠日持久的精彩大戰)。電磁波的反射、衍射和干涉實驗很快就做出來了,這些實驗進一步地證實了電磁波和光波的一致性,無疑是電磁理論的一個巨大成就。

赫茲的名字終於可以被閃光地鐫刻在科學史的名人堂里。雖然他英年早逝,還不到37歲就離開了這個奇妙的世界,然而,就在那一年,一位在倫巴底度假的20歲義大利青年讀到了他的關於電磁波的論文。兩年後,這個青年已經在公開場合進行無線電的通訊表演,不久他的公司成立,並成功地拿到了專利證。到了1901年,赫茲死後的第7年,無線電報已經可以穿越大西洋,實現兩地的實時通訊了。這個來自義大利的年輕人就是古格列爾莫·馬可尼(Guglielmo Marconi),與此同時俄國的波波夫(Aleksandr Popov)也在無線通訊領域做了同樣的貢獻。他們掀起了一場革命的風暴,把整個人類帶進了一個嶄新的“資訊時代”。如果赫茲身後有知,他又將會做何感想呢?

但仍然覺得赫茲只會對此置之一笑。他是那種純粹的科學家,把對真理的追求當作人生最大的價值。恐怕就算他想到了電磁波的商業前景,也會不屑去把它付諸實踐的吧?也許,在美麗的森林和湖泊間散步,思考自然的終極奧秘;在秋天落葉的校園裡,和學生探討學術問題,這才是他真正的人生吧?今天,他的名字已經成為“頻率”這個物理量的單位,被每個人不斷地提起,可是,說不定他還會嫌我們打擾他的安寧呢?

無疑,赫茲就是這樣一個淡泊名利的人。1887年10月,基爾霍夫(Gustav Robert Kirchhoff)在柏林去世,亥姆霍茲強烈地推薦赫茲成為那個教授職位的繼任者,但赫茲卻拒絕了。也許在赫茲看來,柏林的喧囂並不適合他。亥姆霍茲理解自己學生的想法,寫信勉勵他說“一個希望與眾多科學問題搏鬥的人最好還是遠離大都市。”

 只是赫茲卻沒有想到,他的這個決定在冥冥中忽然改變了許多事情。他並不知道,自己已經在電磁波的實驗中親手種下了一個幽靈的種子,而頂替他去柏林任教的那個人,則會在一個命中注定的時刻把這個幽靈從沉睡中喚醒過來。在那之後,一切都改變了,在未來的30年間,一些非常奇妙的事情會不斷地發生,徹底地重塑整個物理學的面貌。一場革命的序幕已經在不知不覺中悄悄拉開,而我們的宇宙,也即將經受一場暴風雨般的洗禮,從而變得更加神秘莫測,光怪陸離,震撼人心。

 但是,我們還是不要著急,一步一步地走,耐心地把這個故事從頭講完。

上次我們說到,1887年,赫茲的實驗證實了電磁波的存在,也證實了光其實是電磁波的一種,兩者具有共同的波的特性。這就為光的本性之爭畫上了一個似乎已經是不可更改的句號。

 說到這裡,我們的故事要先回一回頭,穿越時空去回顧一下有關於光的這場大戰。這也許是物理史上持續時間最長,程度最激烈的一場論戰。它不僅貫穿於光學發展的全過程中,更使整個物理學都發生了翻天覆地的變化,在歷史上燒灼下了永不磨滅的烙印。

光,是每個人見得最多的東西(“見得最多”在這裡用得真是一點也不錯)。自古以來,它就理所當然地被認為是這個宇宙最原始的事物之一。在遠古的神話中,往往是“一道亮光”劈開了混沌和黑暗,於是世界開始了運轉。光在人們的心目中,永遠代表著生命,活力和希望,更由此演繹開了數不盡的故事與傳說。從古埃及的阿蒙(也叫拉Ra),到中國的祝融;從北歐的巴爾德(Balder),到希臘的阿波羅;從凱爾特人的魯(Lugh),到拜火教徒的阿胡拉·瑪茲達(Ahura Mazda),這些代表光明的神袛總是格外受到崇拜。哪怕在《聖經》里,神要創造世界,首先要創造的也仍然是光,可見它在這個宇宙中所占的獨一無二的地位。

可是,光究竟是一種什麼東西呢?雖然我們每天都要與它打交道,但普通人似乎很少會去認真地考慮這個問題。如果仔細地想一想,我們會發現光實在是一樣奇妙的事物,它看得見,卻摸不著,沒有氣味也沒有重量。我們一按電燈開關,它似乎就憑空地被創生出來,一下子充滿整個空間。這一切,都是如何發生的呢?

有一樣事情是肯定的:我們之所以能夠看見東西,那是因為光在其中作用的結果,但人們對具體的作用機制則在很長一段時間內都迷惑不解。在古希臘時代,人們猜想,光是一種從我們的眼睛裡發射出去的東西,當它到達某樣事物的時候,這樣事物就被我們所“看見”了。比如恩培多克勒(Empedocles)就認為世界是由水、火、氣、土四大元素組成的,而人的眼睛是女神阿芙洛狄忒(Aphrodite)用火點燃的。當火元素(也就是光,古時候往往光、火不分)從人的眼睛裡噴出到達物體時,我們就得以看見事物。

但顯而易見,單單用這種解釋是不夠的。如果光只是從我們的眼睛出發,那么只要我們睜開眼睛,就應該能看見。但每個人都知道,有些時候,我們即使睜著眼睛也仍然看不見東西(比如在黑暗的環境中)。為了解決這個困難,人們引進了複雜得多的假設。比如柏拉圖(Plato)認為有三種不同的光,分別來源於眼睛,被看到的物體以及光源本身,而視覺是三者綜合作用的結果。

這種假設無疑是太複雜了。到了羅馬時代,偉大的學者盧克萊修(Lucretius)在其不朽著作《物性論》中提出,光是從光源直接到達人的眼睛的,但是他的觀點卻始終不為人們所接受。對光成像的正確認識直到公元1000年左右才被著名的伊斯蘭科學家阿爾·哈桑(al-Haytham,也拼作Alhazen)所最終歸納成型:原來我們之所以能夠看到物體,只是由於光從物體上反射進我們眼睛裡的結果2。哈桑從多方面有力地論證了這一點,包括研究了光進入眼球時的折射效果以及著名的小孔成象實驗。他那阿拉伯語的著作後來被翻譯並介紹到西方,並為羅傑爾·培根(Roger Bacon)所發揚光大,這給現代光學的建立打下了基礎。

關於光在運動中的一些性質,人們也很早就開始研究了。基於光總是走直線的假定,歐幾里德(Euclid)在《反射光學》(Catoptrica)一書裡面就研究了光的反射問題。托勒密(Ptolemy)、哈桑和克卜勒(Johannes Kepler)都對光的折射作了研究,而荷蘭物理學家斯涅耳(Willebrord Snell)則在他們的工作基礎上於1621年總結出了光的折射定律。最後,光的種種性質終於被有“業餘數學之王”之稱的費爾馬(Pierre de Fermat)所歸結為一個簡單的法則,那就是“光總是走最短的路線”。光學作為一門物理學科終於被正式確立起來。

但是,當人們已經對光的種種行為了如指掌的時候,我們最基本的問題卻依然沒有得到解決,那就是:“光在本質上到底是一種什麼東西?”這個問題看起來似乎並沒有那么難以回答,沒有人會想到,對於這個問題的探究居然會那樣地曠日持久,而這一探索的過程,對物理學的影響竟然會是那么地深遠和重大,其意義超過當時任何一個人的想像。

古希臘時代的人們總是傾向於把光看成是一種非常細小的粒子流,換句話說,光是由一粒粒非常小的“光原子”所組成的。這種觀點一方面十分符合當時流行的元素說,另外一方面,古代的人們除了粒子之外對別的物質形式也了解得不是太多。這種理論,我們把它稱之為光的“微粒說”。微粒說從直觀上看來是很有道理的,首先它就可以很好地解釋為什麼光總是沿著直線前進,為什麼會嚴格而經典地反射,甚至折射現象也可以由粒子流在不同介質里的速度變化而得到解釋。但是粒子說也有一些顯而易見的困難:比如人們當時很難說清為什麼兩道光束相互碰撞的時候不會互相彈開,人們也無法得知,這些細小的光粒子在點上燈火之前是隱藏在何處的,它們的數量是不是可以無限多,等等。

當黑暗的中世紀過去之後,人們對自然世界有了進一步的認識。波動現象被深入地了解和研究,聲音是一種波動的認識也進一步深入人心。人們開始懷疑:既然聲音是一種波,為什麼光不能夠也是波呢?十七世紀初,笛卡兒(René Descartes)在他《方法論》的三個附錄之一《折光學》中率先提出了這樣的可能:光是一種壓力,在媒質里傳播。不久後,義大利的一位數學教授格里馬第(Francesco Maria Grimaldi)做了一個實驗,他讓一束光穿過兩個小孔後照到暗室里的螢幕上,發現在投影的邊緣有一種明暗條紋的圖像。格里馬第馬上聯想起了水波的衍射(這個大家在中學物理的插圖上應該都見過),於是提出:光可能是一種類似水波的波動,這就是最早的光波動說。

波動說認為,光不是一種物質粒子,而是由於介質的振動而產生的一種波。我們想像一下足球場上觀眾掀起的“人浪”:雖然每個觀眾只是簡單地站起和坐下,並沒有四處亂跑,但那個“浪頭”卻實實在在地環繞全場運動著,這個“浪頭”就是一種波。池塘里的水波也是同樣的道理,它不是一種實際的傳遞,而是沿途的水面上下振動的結果。如果光也是波動的話,我們就容易解釋投影里的明暗條紋,也容易解釋光束可以互相穿過互不干擾。關於直線傳播和反射的問題,人們後來認識到光的波長是極短的,在大多數情況下,光的行為就猶同經典粒子一樣,而衍射實驗則更加證明了這一點。但是波動說有一個基本的難題:既然波本身是介質的振動,那它必須在某種介質中才能夠傳遞,比如聲音可以沿著空氣、水乃至固體前進,但在真空里就無法傳播。為了容易理解這一點,大家只要這樣想:要是球場裡空無一人,那“人浪”自然也就無從談起。

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曹天元兼具科學素質和文學修養。 ——王渝生 中國科技館研究員、北京市科協副主度

量子世界像骰子一樣難以預測,迄今還沒有誰敢說真正理解了它,任何科學探險都不如量子之旅驚險和神奇。 ——董光璧 中國科學院自然科學史研究所研究員

《上帝擲骰子嗎:量子物理史話》是一本罕見的、精彩的、由非科學家談論科學的作品。它表明:科學不是科學家的禁臠,科學對於公眾來說,經過努力也是可以親近的。 ——江曉原 上海交通大學、科學史系主任、人文學院院長

曹天元這部很特別的量子物理學史話,可謂獻給國際物理年不可多得的禮物。它比起各地許多紀念性儀式化(或者叫巫術式)的表演,要實在得多。……此書功德無量。 ——劉華傑(北京大學哲學系教授)

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