一提到量子這個(gè)詞就立刻讓人感到困惑，又讓人著迷和回味無(wú)窮。它或者是科學(xué)巨大成功的證明，或者是在我們解開(kāi)亞原子領(lǐng)域不可避免的奇怪現(xiàn)象與有限范圍的人類(lèi)直覺(jué)的象征，這要看你怎么看。對(duì)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，量子力學(xué)是支持我們認(rèn)識(shí)大自然的三大支柱之一，其他兩個(gè)是愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。愛(ài)因斯坦的理論處理空間和時(shí)間的性質(zhì)與引力。量子力學(xué)處理除此之外的一切。有人可能主張，不管量子力學(xué)是令人困惑的或是令人著迷的，這都不要緊；它只是一個(gè)描述事物行為方式的物理學(xué)理論。用這個(gè)實(shí)用主義的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量，它的精準(zhǔn)度和解釋能力是令人滿(mǎn)意的。有一個(gè)量子電動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)，是一個(gè)最古老的和最好地理解現(xiàn)代量子理論的實(shí)驗(yàn)，其中包括測(cè)量磁鐵附近的電子的行為方式。理論物理學(xué)家努力工作了許多年，用筆、紙和計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)這個(gè)實(shí)驗(yàn)會(huì)發(fā)現(xiàn)什么。實(shí)驗(yàn)者設(shè)計(jì)和進(jìn)行精密的實(shí)驗(yàn)來(lái)找出大自然的精細(xì)的性質(zhì)。這兩支隊(duì)伍獨(dú)立地宣布了精確的結(jié)果，其準(zhǔn)確性可以和測(cè)量英國(guó)曼徹斯特與美國(guó)紐約之間的距離誤差只有幾厘米相比較。尤其值得注意的是，由一些實(shí)驗(yàn)者返回的數(shù)值與理論家的計(jì)算精確一致；測(cè)量與計(jì)算完美吻合。
這些事實(shí)給人的印象是深刻的，但也是難以理解的，如果量子理論描繪的僅僅是微小的模型，你可能會(huì)忘記懷疑所有那些大驚小怪的事情。雖然科學(xué)不是一下子就能派上用場(chǎng)的，但許多改變了我們生活的技術(shù)和社會(huì)的變化，都是源于現(xiàn)代的探索者所進(jìn)行的基礎(chǔ)研究，他們的唯一動(dòng)機(jī)是更好地了解他們周?chē)�的世界。這些由于好奇心引導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)，遍布了所有的科學(xué)學(xué)科，結(jié)果是增加了人類(lèi)的預(yù)期壽命，實(shí)現(xiàn)了洲際航空旅行和現(xiàn)代通訊，免除了農(nóng)場(chǎng)和清掃的苦役。這些結(jié)果使我們受到鼓舞，同時(shí)又讓我們清楚地認(rèn)識(shí)在這個(gè)無(wú)限星辰的大海中我們的位置。但所有這些在某種意義上都是一些副產(chǎn)物。我們探索是因?yàn)槲覀兒闷妫�而不是因�(yàn)槲覀兿Ｍ�得到宏偉的現(xiàn)實(shí)結(jié)果，或把我們的生活點(diǎn)綴得更好。
量子理論或許是從最神秘莫測(cè)變成非常有用的最好例子。它之所以神秘，是因?yàn)樗�描述了一個(gè)粒子可以同時(shí)存在于世界的幾個(gè)地方，并且通過(guò)同時(shí)探測(cè)宇宙，一個(gè)粒子可以立即從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方。它之所以有用，是因?yàn)閷?duì)建造宇宙的最小建筑磚塊行為的理解，加強(qiáng)了我們對(duì)其他一切事物的理解。這種說(shuō)法近乎有些主觀(guān)，因?yàn)檫@個(gè)世界充滿(mǎn)了多樣性和復(fù)雜性的現(xiàn)象。盡管有這樣的復(fù)雜性，我們發(fā)現(xiàn)一切都是按照量子理論規(guī)則的、由到處移動(dòng)的一些極小粒子構(gòu)成的。這個(gè)規(guī)則是如此之簡(jiǎn)單，以至于可以在一個(gè)信封的背面寫(xiě)上幾句話(huà)，就把它們概括出來(lái)。事實(shí)上，我們不需要一整座圖書(shū)館的書(shū)去解釋事物的基本性質(zhì)，這是所有秘密中最大的奧秘。
看來(lái)，我們了解世界的基本性質(zhì)越多，它看上去就越簡(jiǎn)單。我們將在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候解釋這些基本規(guī)則是什么，這些極小的建筑磚塊是怎樣巧妙地形成世界的。但是，為了避免宇宙的這個(gè)基本的簡(jiǎn)單性不使我們太吃驚，我們要提醒一句：雖然游戲的基本規(guī)則很簡(jiǎn)單，其結(jié)果卻不一定容易計(jì)算。我們?nèi)粘��?duì)世界的經(jīng)驗(yàn)，是從由億萬(wàn)個(gè)原子組成的巨大物體之間的關(guān)系得來(lái)的，因此試圖從基本原理得出行星和人類(lèi)的行為將會(huì)是愚蠢的。承認(rèn)這一點(diǎn)并不會(huì)減弱我們的主要觀(guān)點(diǎn)，即一切現(xiàn)象實(shí)際上是以極小粒子的量子物理為基礎(chǔ)的。
想想你周?chē)�的世界。你拿著一本由紙做的�?shū)，即一棵樹(shù)的碎漿做的書(shū)。[1]樹(shù)子是能供應(yīng)原子和分子的機(jī)器，將它們打碎并重新排列成由億萬(wàn)個(gè)單獨(dú)部分構(gòu)成共同的一個(gè)群體。它們是用稱(chēng)為葉綠素的分子完成這項(xiàng)工作的，一個(gè)葉綠素由100多個(gè)碳、氫和氧原子組成，扭結(jié)成一個(gè)復(fù)雜的形狀，靠一些鎂和氮原子結(jié)合在一起的。這些粒子組合在一起可以捕捉從比我們地球大100萬(wàn)倍的核火爐，我們的太陽(yáng)發(fā)出的，經(jīng)過(guò)了9300萬(wàn)英里（14967萬(wàn)公里）的光線(xiàn)，并把這個(gè)能量轉(zhuǎn)移到細(xì)胞的內(nèi)部，利用這個(gè)能量將二氧化碳和水建造成分子，并在此過(guò)程中制造充實(shí)生命的氧。正是這些分子鏈形成樹(shù)子的上層結(jié)構(gòu)和所有的生物，以及你書(shū)中的紙。你能閱讀這本書(shū)和了解書(shū)中的內(nèi)容，是因?yàn)槟愕难劬�可以將�?yè)面的散射光轉(zhuǎn)化為電脈沖，由宇宙中我們所知道的最復(fù)雜的大腦進(jìn)行解釋。我們發(fā)現(xiàn)這些東西正是原子的集合，并且各種各樣的原子僅由3種粒子構(gòu)成：電子、質(zhì)子和中子。我們還發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子和中子本身是由更小的稱(chēng)為夸克的實(shí)體組成的，這是我們目前所知道的事情。而支撐所有這一切的是量子理論。
因此，正如現(xiàn)代物理學(xué)所揭示的，透過(guò)宏觀(guān)世界的視野和多樣性，我們所居住的宇宙的圖像是一個(gè)潛在的簡(jiǎn)單優(yōu)雅的現(xiàn)象。這也許是現(xiàn)代科學(xué)最大的成就；將世界，包括人類(lèi)在內(nèi)的巨大的復(fù)雜性簡(jiǎn)化為描述一些微小的亞原子粒子的行為，和作用在它們之間的4種力。4種力中的3種力已經(jīng)得到最好的描述：在原子核內(nèi)部深處運(yùn)行的強(qiáng)核力和弱核力，和將原子與分子黏在一起的電磁力，都是量子理論給出的。只有萬(wàn)有引力，這個(gè)最弱的卻為我們最熟悉的力，目前還沒(méi)有滿(mǎn)意的量子理論描述。
不可否認(rèn)，量子理論是有些古怪，有些人認(rèn)為它在胡言亂語(yǔ)。貓?jiān)趺纯赡芗仁腔畹�，又是死的；粒子怎么可以同時(shí)在兩個(gè)地方；海森堡說(shuō)一切都是不確定的。然而這些事情都是真實(shí)的，只是因?yàn)樵谖⒂^(guān)世界發(fā)生的一些奇怪的事情使我們迷惑不解，所以得出的結(jié)論常常是最不確切的。超感知覺(jué)、神秘的愈合、振動(dòng)手鐲可以保護(hù)我們免受輻射，以及誰(shuí)知道還有什么稀奇古怪的事，都在“量子”這個(gè)詞的掩蓋之下常常被認(rèn)為是可能偷偷進(jìn)入神殿的。這些胡說(shuō)八道出自缺乏清晰的思維、一廂情愿的思考、真誠(chéng)的或惡作劇的誤解，或上述這一切的某些不幸的組合。量子理論精確地描述世界，它利用的數(shù)學(xué)定律像牛頓或伽利略提出的任何定律那樣具體。這就是為什么我們可以極其精確地計(jì)算一個(gè)電子的磁響應(yīng)（themagneticresponse）。量子理論提供了一個(gè)自然的描述，正如我們將會(huì)發(fā)現(xiàn)的，它有很大的預(yù)測(cè)能力和解釋能力，可解釋從硅片跨越到星星的廣闊范圍的現(xiàn)象。
我們寫(xiě)這本書(shū)的目的，是要使量子理論非神秘化；這個(gè)理論的框架已經(jīng)被證明是十分混亂的，甚至對(duì)它的早期實(shí)踐者來(lái)說(shuō)也是如此。我們的方法是采用現(xiàn)代觀(guān)點(diǎn)，利用一個(gè)世紀(jì)以來(lái)的了解和理論的發(fā)展。然而，為了做好準(zhǔn)備，我們從19世紀(jì)末和20世紀(jì)初開(kāi)始我們的旅程，考察一些導(dǎo)致物理學(xué)家從根本上背離過(guò)去的原因。
量子理論，像科學(xué)上的其他案例一樣，是由于發(fā)現(xiàn)的自然現(xiàn)象不能用當(dāng)時(shí)的科學(xué)范例來(lái)解釋而出現(xiàn)的。量子理論的種類(lèi)繁多，各有不同。一連串莫名其妙的結(jié)果引起激動(dòng)和混亂，并促成一個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)與理論創(chuàng)新并舉時(shí)期：一個(gè)黃金時(shí)代的到來(lái)。其主角的名字鐫刻在每一位物理學(xué)學(xué)生的意識(shí)中，并占據(jù)著時(shí)至今日的大學(xué)教學(xué)課程：盧瑟福、玻爾、普朗克、愛(ài)因斯坦、海森堡、保羅、薛定諤、狄拉克。在歷史上也許再也不會(huì)有這樣一個(gè)時(shí)期，如此眾多的科學(xué)家在尋求同一個(gè)目標(biāo)上取得了巨大的科學(xué)成就；建立了一個(gè)新的構(gòu)成物理世界的原子和力的理論。在1924年，新西蘭出生的物理學(xué)家，在曼徹斯特發(fā)現(xiàn)了原子核的歐內(nèi)斯特?盧瑟福（ErnestRutherford），在回顧之前幾十年的量子理論時(shí)寫(xiě)道：“1896這一年……恰當(dāng)?shù)貥?biāo)志著被稱(chēng)為物理科學(xué)英雄時(shí)代的到來(lái)。在此之前，物理學(xué)史上從未有過(guò)這樣一段劇烈的活動(dòng)時(shí)期，具有根本性的、重要性的發(fā)現(xiàn)以令人困惑不解的速度一個(gè)接一個(gè)地而來(lái)�！�
但在我們旅行到19世紀(jì)末的巴黎和量子理論誕生之前，“量子”（quantum）這個(gè)詞本身是什么呢？這個(gè)術(shù)語(yǔ)是在1900年通過(guò)馬克斯?普朗克（MaxPlanck）的工作進(jìn)入物理學(xué)的。普朗克那時(shí)關(guān)注的是找到一個(gè)熱物體所發(fā)出的輻射，對(duì)所謂的“黑體輻射”（black bodyradiation）的理論描述。德國(guó)一家電照明公司委派他做這件事情：一扇通往“宇宙”的大門(mén)就這樣悄然打開(kāi)了。在本書(shū)的后面，我們將更加詳盡地討論普朗克的偉大洞察力，為簡(jiǎn)短介紹起見(jiàn)，這里只說(shuō)他發(fā)現(xiàn)了，只有假定光是以他所說(shuō)的小能量包，即“量子”（quanta）的形式發(fā)射的，才有可能解釋黑體輻射的性質(zhì)。量子這個(gè)詞本身就意味著“包”或“離散”。最初，他認(rèn)為這是純粹的數(shù)學(xué)技巧，但隨后在1905年由阿爾伯特?愛(ài)因斯坦對(duì)稱(chēng)做光電效現(xiàn)象所做的工作進(jìn)一步支持了量子假說(shuō)。這些結(jié)果讓人產(chǎn)生聯(lián)想，因?yàn)樾∧芰堪�可以認(rèn)為是與粒子同義的。