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编辑推荐

在这里你将找到理解量子理论所需要的一切知识。

内容简介

量子理论到底是什么?在这里你将会找到理解这个理论所需要的一切知识，不管你是否曾经读过关于这个主题的文章。你将读到这样一些看起来是自相矛盾的现象：例如光子(光的粒子)可以在同一时刻位于两个位置，原子能够同时通过两条路径，对于一个以光速运动的粒子来说时间是静止的，等等。同时你还会发现量子理论是可能实现星际传送的理论依据。

量子世界的所有奇异性都可以通过考察那只原始猫的两个孪生后代的历险过程来获得清楚的理解。在重新考虑光的本质问题之后(这个问题在量子论和相对论中都是一个关键问题),一些新的思想便出现了。这些思想能够解释真实性的本质和解决所有的量子之谜。

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——中国科学院自然科学史研究所 方在庆

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——华中科大物理系教授 杨建邺

作者简介

约翰?格里宾(John Gribbin)，英国著名科学读物专业作家，萨塞克斯大学天文学访问学者。他毕业于剑桥大学，获天体物理学博士学位,现在是苏塞克斯大学的客座天文学研究员。曾先后在《自然》志和《新科学家》周刊任职。1974年他以其关于气候变迁的作品获得了英国科学著作奖。经常替《泰晤士报》、《卫报》和《独立报》撰写有关科学的文章，著作等身（50多部）其中包括《寻找薛定谔的猫》（海南出版社）、《大宇宙百科全书》（海南出版社）、《探索大爆炸》、《漫画时间史》（与凯特?查尔斯沃思合著）等书。

目录

前言 / 1

序章问题 / 1

光的奇异性?电子干涉?标准观点?深水?盒子中的猫?真实性的另一面?薛定谔猫的儿女

第一章古代光学 / 35

第一个现代科学家?从伍尔西索普到剑桥再到伍尔西索普?在牛顿的遮蔽下?牛顿的世界观?扬的观点?菲涅耳、泊松及亮斑?书籍装订商的学徒?法拉第的场?神秘的颜色?惊人的麦克斯韦方程组

第二章现代 / 73

以太之死?走向狭义相对论?爱因斯坦的洞见?超光速与时间倒退?进入光子世界?教爱因斯坦计算光子的人?有关光子与物质的新理论?量子电动力学的胜利?未来的光学

第三章奇异而真实 / 117

看到不可能的光?深入探索光子行为?兼顾双方?无中生有?“赶紧发送我，斯科特”?量子密码术?深入光子内部?观察量子?奇妙的电子回路?什么时候是光子?

第四章绝望中的补救 / 155

哥本哈根解释的垮台?我想，因此?冯?诺依曼的愚蠢的错误?不可分割的整体?宇宙的扩散?量子主题的多元性?绝望中的忠告?相对性的一个方面?一个与时间有关的实验

第五章思考之思考 / 201

构造夸克?认识爱因斯坦?描述不可描述的?了解现实世界?进驻量子实在的整体进路

结语解决方案：我们这一时代的秘密 / 243

充分利用质量?把万有引力串起来?复杂性的简单方面?与宇宙握手?拿出时间去制造时间

参考书目 / 269

精彩书摘

第一章 古代光学

　　牛顿的世界观

　　牛顿颜色理论的重要性不仅在于他是对的，而且在于他得到结论的方法。在牛顿之前，哲学家主要是通过思辨来发展自己的世界观。例如笛卡儿虽然考虑了光传播的可能方式，但他并没有做实验来验证他的观点。当然，牛顿也并非第一个实验家，伽利略便在他对球从斜面上滚下来的运动方式的研究和单摆的工作中开创了实验的先河。但牛顿首先明确表述了科学方法的基础，即思想(假定)、观测和实验相结合的方法。现代科学正是建立在这一基础之上。

　　牛顿的颜色理论，产生于他不得不离开剑桥回家休假的这段时间里所做的一系列实验。到1665年，一束阳光经过一个三角透镜后会变成一条像彩虹一样的光谱的现象已被普遍认识。对这一现象的标准解释基于亚里士多德的观点，即白光代表纯净的，没有杂质的形式，经过玻璃则导致这种形式发生混乱。当光进入棱镜时，它会发生弯曲，然后沿一条直线到达三角形的另一边，在那里它再次弯曲后进入空气。同时光会发生扩散，从一个白色的光点变成一条彩色的线，沿三角形顶点向下，上面的光折曲最小，在玻璃中经过较短的距离出射成为红光。在下面三角形的边要宽一些，光进入棱镜时要折曲的多一些，在玻璃中经过较长的距离到达另一边进入空气而变成紫色。在两者之间存在着彩虹中所有的颜色——红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。在一个黑暗的房子里，让光通过窗帘上的一个小孔射进来，把一个棱镜挡在光束前面，对着窗户的墙上就会出现彩色的光谱。

　　亚里士多德认为，在玻璃中传播距离最短的白光变化最小，成为红光，而传播距离稍长则变化稍大，是黄色，然后以此类推直到紫色。

　　实际上牛顿用自制的棱镜和透镜对这些观点进行了验证，通过改变透镜的形状，力图减小颜色的变化。他第一个区分了光谱中不同颜色的光，并命名了7种颜色(他有意选择了7种颜色，因为7是一个带有某种神秘意义的素数，如果你发现在彩虹中在蓝色和紫色之间难以区分单独的靛色，你绝对不属于少数了)。

　　但是牛顿这次进行的最重要的一个实验只不过是在第一个棱镜后面放了第二个棱镜，只不过放的方式不同，第一个棱镜尖朝上放，将一束光谱展开成彩色的光谱，第二个棱镜尖朝下放，将展开的彩色光谱变回了一束白光。虽然光经过了更厚的玻璃，但它并没有变得更混乱，而是回到了原来的纯净状态。

　　牛顿认为，这说明白光一点也不“纯净”，而是由彩虹中所有颜色的光混合成的，不同颜色的光在折射时弯曲程度不同，但是在原来的白光中包含所有颜色的光。这是一个革命性的观点，因为它不仅推翻了亚里士多德哲学的一项基础，而且还是建立在可信的实验基础之上。但牛顿并不急于向世界宣布他的发现，他在1665年所获得的对光本性的认识使他致力于一种新型望远镜的研究。

　　用大透镜做成的望远镜(折射望远镜)存在一个问题，因为透镜同样会把白光分解成有色的光谱。这样所观察的物体的图像上会产生彩色条纹，使图像模糊不清，使我们在观察星星时非常不便，这种现象称之为“色散”。牛顿发现要做出一个没有色散的透镜系统很困难(但并非不可能，如所谓的消色差透镜系统，是利用两片或多片折射性质不同的玻璃来制作望远镜，它不会产生色散)，因此，牛顿设计并制作了用曲面镜而不是大透镜的望远镜——反射望远镜。

　　牛顿的反射器想法很简单，用望远镜后部的一片大曲面镜把光反射到一个斜度45角放置的平面镜上，使光改变方向穿过镜壁上的一个小孔射出来，观察者可以通过这个小孔来观察，而不必担心头部会挡住星光。这个想法十分卓越，因为它非常简单，但用现有的材料制作一面精确的镜子是一项实验工作，作为一个专业的工匠，牛顿自己动手完成了镜子。最后他做成了一台长约20厘米(6英寸)的仪器，这台仪器产生的图像比用四倍长的反射器产生的图像大九倍，而且没有色散。

　　这时，瘟疫已经渐渐过去，大学重新开学，牛顿回到了剑桥。他在1667年当选为三一学院的研究员。同年，英国和荷兰爆发了战争，荷兰舰队在泰晤士成功地袭击了英国人，剑桥也听到了枪炮声，大家都知道是怎么回事;牛顿断言荷兰取得了胜利(事实果然如此)，这给他的同事留下了深刻的印象。他的理由是，枪炮声越来越大，这说明战场越来越近，英军正在撤退。

　　到1669年，由于他在数学上的工作，牛顿的声望渐渐超出了剑桥的范围。同年，第一位卢卡斯数学教授，艾萨克?巴罗(于1663年任职)退休，实际上是为了牛顿。巴罗虽然是一位有成就的数学家，但他却有另外的雄心。他很快成了国王的第一牧师，然后是三一学院院长。他对亨利?卢卡斯——是他设立的卢卡斯教职——的遗嘱执行人有足够的影响，使得他的继任者也是一个三一学院人，并作为一个知名的数学家开始留下足迹。

　　这项任命保证了牛顿在剑桥的地位，但同时要求他作定期演讲。他第一期演讲的题目并不是数学而是光学和颜色理论，其中特别提到了透镜的色散问题。同时他自豪地向剑桥及周围的同事展示了他的新望远镜。实际上，现存的牛顿最早的信(写给一个不知名者)写于1669年，主要内容就是描述望远镜。

　　1671年底，皇家学会(1662年正式建立，实际上已于1645年非正式成立)得知了这项非凡仪器的消息。皇家学会秘书，亨利?奥登堡要求看一下这台望远镜，巴罗代替牛顿把它交给了在伦敦的学会。1672年1月奥登堡给牛顿写了一封过分恭维的信，表达了学会对他这项发明的赞美，并告诉他，关于望远镜的消息已经通知了当时在巴黎的惠更斯。作为新式望远镜的发明者，牛顿逐渐开始享誉欧洲大陆。由于这项发明，他于1672年1月11日当选为皇家学会会员，并于数周后发表了他的第一篇物理学论文，形式上是给奥登堡的一封信，信中牛顿阐述了他的颜色理论。这篇论文于1672年2月19日发表在学会的“哲学会刊”上，并导致了牛顿第一次著名的学术争论。

　　罗伯特?胡克，生于1635年，死于1703年，当时是皇家学会的实验馆馆长。他在科学上已经久负盛名，并对光和颜色有自己的观点(他自己的光波动论发表于1665年，但没有惠更斯完善)，他总希望自己的任何工作都能抢到优先权。在一封给牛顿的回信中以居高临下的措辞，他首先否定了光是由微粒构成的概念，并认为牛顿的颜色理论与粒子假设无关，并不值得如此夸赞，胡克用词尖刻，暗指牛顿理论中原创的东西是错的，而对的东西不是原创的。

　　争论的结果有两个：第一，它使牛顿从学术界躲避出来，把自己关在剑桥，很长时间里拒绝发表更多的东西(他把自己完善的光学理论留在手中，直到胡克死后，确信不会发生问题时才全部发表);第二是牛顿的那句名言——“如果我看得更远，那是因为我站在巨人的肩上”，尖刻地讽刺了胡克矮小的个子，同时暗指胡克才智不佳。（此句话与牛顿引力论无关，而是出自1675年他写给胡克的一封信，距他的《原理》一书发表有12年。关于牛顿与胡克争论的详情，参见格里宾的《寻找时间的边缘》第一章。）

　　另一项批评则使牛顿提出了对自己工作方法的认识——什么是科学的方法。法国天主教耶稣会教士让?加斯东?帕拉第斯从巴黎给牛顿写了一封信，质疑了牛顿理论中几点牛顿认为恰当的方法。牛顿并没有把帕拉第斯当成傻瓜对待，而是回信详述了自己的观点，他写道：

　　“哲学最好和最安全的方法似乎应该是，首先努力探索事物的性质，然后用实验来验证这些性质，接着逐渐提出假设来解释这些性质。假设只能被用来解释事物的性质，而不是决定它们，它只是实验的奴仆。”（引自维斯弗《永不停息》，242页。）

　　这就是科学之全部。无论你的理论多么完美，如果它与实验不符，那它就不是正确的。例如，牛顿的光的理论(可能应称之为“假设”，当胡克用这个词来定性牛顿的思想时，牛顿很不高兴)，它将折射归因于光从一种媒质进入另一种媒质时的速度变化，但与惠更斯的理论不同，微粒说要求光在稠密的媒质中运动得更快。这就有了一种很明确的方法来区分这两种思想;如果牛顿在有生之年能看到实验显示光在稠密的媒质中运动的更慢时，他肯定会接受光是以波的形式传播的观点。

　　牛顿不仅建立了考察世界的科学方法，他(和惠更斯等同时代的人一起)还提出了第一个客观世界的模型，它表明宇宙遵守确定的规律(或定律)，不同的现象，大到行星绕太阳的运动，小至光束的弯曲，都可以用这些规律来解释，而不必借助于反复无常的神的一时兴致。

　　17世纪的巨匠留给我们的图景常被十分准确的称为“时钟宇宙”，遵从永世不变的定律。但这里的时钟并不是现在的钟或手表的样子，一秒一秒地走过，实际上我们应该想象一下17世纪教堂里的那种大钟，按照惠更斯的设计，由一个巨大的钟摆驱动，包括很多连在一起的大小齿轮，不仅驱动了时间嘀嗒的流逝，同时还驱动了一个复杂的系统，能让舞台上的圣人像跳舞，能撞击铃铛，在特定的时间产生特定的运动。17世纪的科学认为，与此类似的钟表系统支撑着行星绕太阳的运转以及其他自然现象。

　　在牛顿留给我们的思想遗产中，第一点是宇宙中任何事物的行为都是可以预测的，正如教堂的大钟在舞台上人像的运动是可以预测的;第二点是用人脑可以理解的简单定律就可以理解宇宙是如何运作的。因此，尽管对光本性的进一步理解似乎表明牛顿的微粒说是错的，但与取得的成就相比，这似乎显得无关紧要，当然这仍然是很重要的一步。

前言/序言

盒子中的猫

　　哥本哈根解释中最为奇怪的事情之一就是有意识的观察者在决定微观世界中发生了什么时的地位，这个问题在盒子中猫的实验中表现得最为清楚。这种情形的最简单例子就是假想一个盒子中只包含有一个电子。如果没有人往盒子里面看，那么根据哥本哈根解释，在盒子中的任何一处找到电子的机会是均等的——伴随着电子的概率波均匀地分布在盒子中。现在假设仍然没有人观察盒子，一块隔板自动落在盒子中间，将原来的盒子分隔成相等的两半。常识告诉我们，电子必定位于盒子的这边或那边。但是哥本哈根解释告诉我们，概率波仍然均匀分布在两个半盒子中。这意味着在盒子的任何一边找到电子的概率是相等的。只有当有人往盒子中看，并注意到电子位于盒子的一边时，波函数才发生坍塌，电子才变成“真实的”。同时盒子另一半中的概率波消失。如果你将盒子重新关闭起来，停止对电子的观察，这对概率波马上传播开去填满电子所在的那半个盒子，而不会传播回电子曾经所处的盒子的那一半中去。（至少不是等概率的。将有非常小的概率使电子位于盒子的另一半，或在整个盒子的外面。但是在本实验中那种概率可以忽略不计。）

　　物理学家鲍尔?戴维斯简明地概述了这种情况：在观察之前，有两个模糊不清的电子“幽灵”分别位于两个隔离室之中，等待一个观察者使得其中的一个变成“真实的”电子，同时导致另一个彻底地消失。（参见《原子中的幽灵》，第22页。）在这里“同时”一词也是非常重要的。它给出了非局域性在起作用的另一个例子。但是，在我进一步讨论它的含义之前，我想解释一下，即薛定谔是如何演示下述论断——观察者使得位于盒子的这一半或另一半的电子成为真实的——的荒谬性的。

　　薛定谔的迷惑最初于1935年以印刷品的形式出现。这个迷惑需要建立一个量子环境，其中有两种结果出现的概率是均等的。当进行这个实验时，它在原始的例子中使用了放射性衰减技术，因为放射源也符合概率规则。依据位于分隔后的盒子中的电子的问题，我们很容易想象这个实验。薛定谔本人也参考了在一个钢做的隔离室中进行的实验。这个实验用量子力学的术语来描述，那就是盒子中猫的问题(盒子中还有其他东西)。我希望在更一般的意义上解释术语“隔离室”。它能给猫提供一个空间，使猫在其中自由自在地生活。但这些丝毫不影响薛定谔论断中的要点。设想一下我刚才描述的整个系统——一个分隔成两半的盒子、一个电子和一块自动滑移的挡板——放置在一间没有窗户的、封闭的屋子里面的一张桌子上。挡板已经自动滑移，将盒子等分成两半。电子在任何一边出现的概率相等。在盒子外面有一个电子检测器，这个检测器连接到一个设备上。如果检测器检测到一个电子的话，这个设备将向屋子内释放毒气。在屋子的一个角落里有一只猫，在安静地享受它自己的生活。薛定谔将这个设备描述为“恶魔设备”，不过请记着，这仅仅是一个思想实验，并没有一只真正的猫曾遭受过我正要描述的侮辱。

　　薛定谔让我们想象一下，如果恰好是装有电子的盒子的那一边自行打开，允许电子跑出来，那将会发生什么事情?现在仍然没有人去观察在这间锁住的屋子里面到底发生了什么。根据哥本哈根解释，仍有50%的概率让电子位于仍然封闭着的盒子的那一边。但是现在也有50%的概率让电子跑到屋子里面。既然这是一个思想实验，我们就可以设想检测器非常敏感，以至于它可以精确地检测到跑到屋子中任何一个角落的电子。如果电子已经从盒子中跑了出来，那就应该被机器检测到，从而就将触发设备释放毒气，将猫杀死。

　　即使没有人去观察，你也可能会想象出事情的结果：要么电子从盒子中跑了出来，要么没有跑出来。如果电子已经从盒子中跑了出来，那么，当它被检测器“注意”到时，其波函数将会发生坍塌，从而猫就倒霉了。但是玻尔说：常识告诉我们的是这个观点错了。

　　量子理论的标准解释告诉我们，因为电子检测器自身也是由量子世界的微观单元(原子、分子等等)构成的，在这个水平上与电子发生相互作用，检测器也要遵从量子规则，包括概率规则。根据这个图像，只有当有人打开门往屋子里面看时，整个系统的波函数才会发生坍塌(这个人最好带上防毒面具，如果他还想保证自己处于清醒状态的话)。在那个时刻，也只有在那个时刻，电子才“决定”自己是在盒子里面还是外面，检测器才“决定”自己是否检测到了电子，猫才“决定”自己是死是活。哥本哈根解释将在有人往屋子里面看之前的状态称为“叠加态”——或者用薛定谔的话说：“活猫和死猫混合在一起，或者是以相等的份儿掺和在一起。”（参见《量子理论和测量》，第157页。）

　　你可以想象屋子里面有一只猫，在同一刻它既是死的又是活的，或者它既不是死的，又不是活的，暂停在地狱的边缘，随你怎么看。但是根据哥本哈根解释，你却不能想象为在有人观察之前，屋子里面有一只死猫，或者仅仅是一只活猫。

　　这个论断的所有用意就在于突出哥本哈根解释的悖论性，所以如果你能够在其中找到漏洞也不足以为怪。一个明显的迷惑就是你如何定义一个“有意识的”观察者。猫自身是否足以知道它自己是否已经吸入了毒气，已经死了呢?难道猫对于屋子中所发生事情的反应与一个作为观察者的人往屋子里面看有什么不同吗?你将在什么地方划分界线呢?从人的标度往下看，一直到量子世界。请问，一只蚂蚁可以使波函数发生坍塌吗?一个细菌呢?

　　换一个角度来看这个迷惑，即从量子世界往上看。因为电子设备是由量子实体例如原子和分子等构成的，所以我们有充足的理由说检测器不能使波函数发生坍塌。但是人(或猫)也是由原子和分子来构成的。如果检测器不能使波函数发生坍塌，那么为什么我们能呢?在这种意义上，生命对于有意识的观察者来说是必要的吗?当一个非常复杂的计算机往屋子里面看时能使波函数发生坍塌吗?

　　离开原始的电子，再往前走一步，如果一个人进入屋子去看猫是否被毒死了，这时这个人便是屋子里面唯一的一个人，那么这时的情况又会怎么样呢?严格的哥本哈根解释说，叠加态(薛定谔的涂片)包围着这个观察者。直到屋子外面的其他人来观看实验结果(或者打电话进来询问情况怎么样)时为止。在有人观察之前，不仅是猫，作为观察者的人也是处于地狱的边缘。那么又是谁来观察屋子之外的这个人，从而使其波函数发生坍塌呢?难道这整个的过程可以这么一直倒退着进行下去吗?

　　关键的问题是：在量子概率性和我们所认为的真实性之间的分界线在何处?一个系统在成为“真实的”、能够使波函数发生坍塌之前应该包含多少个分子?为了使系统完成这个功能，这些分子必须如何排布?

　　这就是那种目前还在使哲学家和量子力学家蒙受压力的迷惑。他们都知道量子力学是实用的;同时他们都想知道它为什么是实用的，都想为没有人观察时封闭屋子里所发生的事情构造一个可理解的图像。盒子中的猫这个简单实验带来这样大的迷惑，但量子迷惑不止这些。在我讲的量子力学的意义之前，我想借助于薛定谔的猫的儿女来揭示更深层次的神秘性。

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