上帝擲骰子嗎？

前言

序如果要評選物理學(xué)發(fā)展史上最偉大的那些年代，那么有兩個時期是一定會入選的：17世紀(jì)末和20世紀(jì)初。前者以牛頓《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》的出版為標(biāo)志，宣告了近代經(jīng)典物理學(xué)的正式創(chuàng)立；而后者則為我們帶來了相對論和量子論，并徹底地推翻和重建了整個物理學(xué)體系。所不同的是，今天當(dāng)我們再次談?wù)撈鹋ｎD的時代，心中更多的已經(jīng)只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困擾著我們至今，就像兩顆青澀的橄欖，嚼得越久，反而更加滋味無窮。我在這里要給大家講的是量子論的故事。這個故事更像一個傳奇：由一個不起眼的線索開始，曲徑通幽，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(zhuǎn)，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(zhuǎn)眼又大起大落，誤入白云深處不知歸路……量子力學(xué)的發(fā)展史是物理學(xué)上最激動人心的篇章，我們會看到物理大廈在狂風(fēng)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卷大地，帶來了讓人驚駭?shù)碾婇W雷鳴，同時卻又展現(xiàn)出震撼人心的美麗。我們會看到科學(xué)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(fù)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(nèi)心世界。今天，我們的現(xiàn)代文明，從電腦到激光，從核能到生物技術(shù)，幾乎沒有哪個領(lǐng)域不依賴于量子論。但量子論究竟意味著什么？這個問題至今卻依然難以回答。在自然哲學(xué)觀上，量子論帶給了我們前所未有的沖擊和震動，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(xué)家都在潛意識里對它懷有深深的懼意?，F(xiàn)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(qiáng)大，以致連它的創(chuàng)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困惑，那他就是沒有理解量子論?！逼杆銇?，量子概念的誕生已經(jīng)超過整整100年，但不可思議地是，它的一些基本思想?yún)s至今不為普通的大眾所熟知。那么，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。我們將沿著量子論當(dāng)年走過的道路展開這次探險，我們將和20世紀(jì)最偉大的物理天才們同行，去親身體驗一下他們當(dāng)年曾經(jīng)歷過的那些困惑、激動、恐懼、狂喜和震驚。這將注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，飛越迷霧重重的峽谷和驚濤駭浪的狂潮。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(xiàn)在，已經(jīng)沒時間考慮這么多了。請大家坐好，系好安全帶，我們的旅程開始了。

內(nèi)容概要

《上帝擲骰子嗎?量子物理史話》是關(guān)于量子論的故事。量子論是一個極為奇妙的理論：從物理角度來說，它在科學(xué)家中間引起了最為激烈的爭議和關(guān)注；從現(xiàn)實角度來說，它給我們的社會帶來了無與倫比的變化和進(jìn)步；從科學(xué)史角度來說，也幾乎沒有哪段歷史比量子論的創(chuàng)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(huán)。
《上帝擲骰子嗎?量子物理史話》將帶你做一次量子之旅。我們從神話時代出發(fā)，沿著量子發(fā)展的道路，親身去經(jīng)歷科學(xué)史上的烏云和暴雨，追逐流星的輝光，穿越重重迷霧和險灘，和最偉大的物理學(xué)家們并肩作戰(zhàn)。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?dāng)U土。讓你驚嘆的，不僅僅是沿途那令人眼花繚亂的絢麗風(fēng)景，更來自于你內(nèi)心深處的思索和啟示——那是科學(xué)深植在每個人心中不可抗拒的魅力。
《上帝擲骰子嗎?量子物理史話》以極具詼諧但又不乏科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目谖菙⑹隽私?jīng)典物理和量子力學(xué)的碰撞，以及量子力學(xué)從無到控制整個微觀世界的艱難發(fā)展歷程，回顧了一些我們曾經(jīng)學(xué)過的經(jīng)典實驗.
書稿特色——
作者其實是在用“80后”的語言描寫科學(xué)家們的江湖，雖然這本書寫的是量子力學(xué)史，并且清晰勾勒出這門物理學(xué)中讓專業(yè)人士都覺得最難懂的學(xué)科的脈絡(luò)，但書的主要內(nèi)容其實卻不是科學(xué)，而是學(xué)術(shù)江湖?！坝腥司陀薪?，他在講人與人之間的關(guān)系，在講科學(xué)家和科學(xué)家之間的關(guān)系。中國人更關(guān)心江湖，這本書的作者就是用了這個特別符合中國人思維習(xí)慣的方式來敘述科學(xué)。
誰可以談科學(xué)，誰有資格談科學(xué)？這本書用它的出現(xiàn)，向我們表明，不是物理學(xué)家也可以談物理學(xué)，而且可以談這么好。

作者簡介

曹天元（Capo），生于上海，足跡遍歷內(nèi)地、香港和美國，現(xiàn)居香港。本人不愿透綠具體身份，于是，便是一個謎一般的存在。

書籍目錄

量子物理史話序黃金時代 001烏云  027火流星  051白云深處  077曙光  101殊途同歸  127不確定性  151決戰(zhàn)  177歧途  263回歸經(jīng)典  233不等式的判決  261新探險  285尾聲  317外一篇海森堡和德國原子彈計劃    319后記  332主要參考資料  334人名索引  342

章節(jié)摘錄

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(qū)緩緩流下，在山谷中輾轉(zhuǎn)向北，把南方溫暖濕潤的風(fēng)帶到這片土地上。它本應(yīng)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(zhàn)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《最后一課》的故事。和阿爾薩斯隔河相望的是巴登邦，神秘的黑森林從這里延展開去，孕育著德國古老的傳說和格林兄弟那奇妙的靈感?？査刽敹蚓桶察o地躺在森林與大河之間，無數(shù)輻射狀的道路如蛛網(wǎng)般收聚，指向市中心那座著名的18世紀(jì)的宮殿。這是一座安靜祥和的城市，據(jù)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。對于科學(xué)家來說，這里實在是一個遠(yuǎn)離塵世喧囂，可以安心做研究的好地方?，F(xiàn)在，海因里希?魯?shù)婪?赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）就站在卡爾斯魯厄大學(xué)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(xué)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?，F(xiàn)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(jì)80年代，照相的網(wǎng)目銅版印刷技術(shù)還剛剛發(fā)明不久，尚未普及，以致連最好的科學(xué)雜志如《物理學(xué)紀(jì)事》（Annalen der Physik）都沒能把它們印在論文里面。但是我們今天已經(jīng)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(fā)生器，有兩個大銅球作為電容，并通過銅棒連接到兩個相隔很近的小銅球上。導(dǎo)線從兩個小球上伸展出去，纏繞在一個大感應(yīng)線圈的兩端，然后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。赫茲全神貫注地注視著那兩個幾乎緊挨在一起的小銅球，然后合上了電路開關(guān)。頓時，電的魔力開始在這個簡單的系統(tǒng)里展現(xiàn)出來：無形的電流穿過裝置里的感應(yīng)線圈，并開始對銅球電容進(jìn)行充電。赫茲冷冷地注視著他的裝置，在心里面想象著電容兩端電壓不斷上升的情形。在電學(xué)的領(lǐng)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(dāng)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，往來于兩個大銅球之間，從而形成一個高頻的振蕩回路（LC回路）。但是，他現(xiàn)在想要觀察的不是這個。果然，過了一會兒，隨著細(xì)微的“啪”的一聲，一束美麗的藍(lán)色電花爆開在兩個銅球之間，整個系統(tǒng)形成了一個完整的回路，細(xì)小的電流束在空氣中不停地扭動，綻放出幽幽的熒光來?；鸹ㄉ钥v即逝，因為每一次的振蕩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。于是這個怪物養(yǎng)精蓄銳，繼續(xù)充電，直到再次恢復(fù)飽滿的精力，開始另一場火花表演為止。

后記

這個有關(guān)量子論的系列全部是本人業(yè)余時間在網(wǎng)上完成的，最初發(fā)表在新浪的論壇上，前后陸    續(xù)用了一年左右的時間。原先的構(gòu)想只是一篇四五萬字的極簡介紹，但不料讀者的反應(yīng)異常熱烈，自    己興頭上來后也有些收不住筆，結(jié)果最終有了這篇近30萬字的稿子。    這并非一篇專業(yè)的科普文章，事實上，我的本意是更注重歷史，而不是科學(xué)方面。不過如果你讀完了全文，我也希望它可以帶給你一些最基本的量子論的科學(xué)概念。這本是網(wǎng)上的消遣文章，供大眾茶余飯后娛樂所用，因此我努力使它成為極通俗的讀物。事實上，我僅僅假定讀者具有初中的數(shù)學(xué)水平和一點點高中物理知識(如果你具有以上水平但仍看不懂某些內(nèi)容，那一定是我寫作的問題)。即使是對數(shù)理完全不通，我也希望你可以從中得到一點感染和啟示。但不可避免地，運用日?；恼Z言會使一些描述顯得牽強(qiáng)附會，不符合物理上的概念。所以再次強(qiáng)調(diào)，這不是專業(yè)的科普，如果想獲得對量子論更好更準(zhǔn)確的認(rèn)識，各位還是參考一些專業(yè)書籍。上帝是數(shù)學(xué)家，唯一能夠描述字宙的語言是數(shù)學(xué)！    另外，本文是利用業(yè)余時間斷斷續(xù)續(xù)而成的作品，其信息全部來自于各種媒體，沒有任何第一手的資料。因為時間和水平有限，所以難免包含了許多錯誤。雖然我已經(jīng)盡量使描述符合歷史與事實(一般來說，除了一些明顯的虛構(gòu)情節(jié)外，本文中的歷史場景都是有依據(jù)的)，但仍可能在某些舫查證得不夠，對于那些態(tài)度認(rèn)真的讀者來說，也需要小心對待。其實，我和各位一樣是門外漢，只是想和大家一起分享科學(xué)的快樂。如果各位也從中體味到了一點點量子論曾經(jīng)給我?guī)淼募雍腕@奇，此文的目的便已經(jīng)達(dá)到。    作為網(wǎng)絡(luò)作品，我有意使文字風(fēng)格靠近同齡人的語境，也就是七八十年代的風(fēng)格。這是一種取巧的辦法，因為這些是網(wǎng)上的主要人口。雖然經(jīng)過修訂，最后字里行間的網(wǎng)絡(luò)特色已經(jīng)減少了許多，不過我很高興它仍然帶有一些可以辨認(rèn)的痕跡，可以讓人回憶起當(dāng)初那樣熱烈的討論。為了追求可讀性，在不改變基本事實的前提下，我有的時候做了一點文字上的夸張(比如歷史上的玻爾一愛因斯坦之爭很可能沒有我所描寫得那樣戲劇化)，我為此表示抱歉，也希望這不會損害讀者對我的信心。    關(guān)于本文任何的意見，比如知識錯誤，信息過時，文字風(fēng)格，遺漏與補充，哲學(xué)觀與討論，都可以發(fā)信castor_v_pollux@yahoo.com，我很樂意聽取各位的意見，也算是網(wǎng)絡(luò)文字遺留的一種互動形式。    在這里要特別感謝熱情支持和鼓勵過我的那些相識和不相識的網(wǎng)友們。本文會引起如此的熱潮，是我所始料不及的，也教我深深感動：雖然時代變遷，帶來了無邊的喧囂和煩躁，但人們心中對于自然的好奇和向往，卻終究不曾更改。    最后，把這篇文章送給那個女孩，以回贈她曾經(jīng)送給我的那些可愛笑容。    CAPO    2005年5月于香港

媒體關(guān)注與評論

曹天元兼具科學(xué)素質(zhì)和文學(xué)修養(yǎng)?！跤迳ㄖ袊萍拣^研究員、北京市科協(xié)副主席）量子世界像骰子一樣難以預(yù)測，迄今還沒有誰敢說真正理解了它，任何科學(xué)探險都不如量子之旅驚險和神奇?！拦忤担ㄖ袊茖W(xué)院自然科學(xué)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(xué)家談?wù)摽茖W(xué)的作品。它表明：科學(xué)不是科學(xué)家的禁臠，科學(xué)對于公眾來說，經(jīng)過努力也是可以親近的?！瓡栽ㄉ虾＝煌ù髮W(xué)教授、科學(xué)史系主任、人文學(xué)院院長）曹天元這部很特別的量子物理學(xué)史話，可謂獻(xiàn)給國際物理年不可多得的禮物。他比起各地許多紀(jì)念性的儀式化（或者叫巫術(shù)式）的表演，要實在得多。此書功德無量?！獎⑷A杰（北京大學(xué)哲學(xué)系教授）

編輯推薦

《上帝擲骰子嗎?量子物理史話》編輯推薦：2006榮獲第三屆“吳大猷科普獎”；2005“科學(xué)時報讀書杯”最佳科普創(chuàng)作獎；2007國家圖書館文津圖書獎；80后，神秘客大話科學(xué)史，用“80后語言”敘述科學(xué)江湖。《量子物理史話——上帝之骰子嗎？》最新修訂版，給力上市。）

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