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一提到量子這個詞就立刻讓人感到困惑，又讓人著迷和回味無窮。它或者是科學巨大成功的證明，或者是在我們解開亞原子領域不可避免的奇怪現象與有限范圍的人類直覺的象征，這要看你怎么看。對物理學家來說，量子力學是支持我們認識大自然的三大支柱之一，其他兩個是愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論。愛因斯坦的理論處理空間和時間的性質與引力。量子力學處理除此之外的一切。有人可能主張，不管量子力學是令人困惑的或是令人著迷的，這都不要緊；它只是一個描述事物行為方式的物理學理論。用這個實用主義的標準來衡量，它的精準度和解釋能力是令人滿意的。有一個量子電動力學的實驗，是一個最古老的和好地理解現代量子理論的實驗，其中包括測量磁鐵附近的電子的行為方式。理論物理學家努力工作了許多年，用筆、紙和計算機預測這個實驗會發現什么。實驗者設計和進行精密的實驗來找出大自然的精細的性質。這兩支隊伍獨立地宣布了的結果，其性可以和測量英國曼徹斯特與美國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，由一些實驗者返回的數值與理論家的計算一致；測量與計算吻合。

這些事實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，你可能會忘記懷疑所有那些大驚小怪的事情。雖然科學不是一下子就能派上用場的，但許多改變了我們生活的技術和社會的變化，都是源于現代的探索者所進行的基礎研究，他們的動機是更好地了解他們周圍的世界。這些由于好奇心引導的發現，遍布了所有的科學學科，結果是增加了人類的預期壽命，實現了洲際航空旅行和現代通訊，免除了農場和清掃的苦役。這些結果使我們受到鼓舞，同時又讓我們清楚地認識在這個無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物。我們探索是因為我們好奇，而不是因為我們希望得到宏偉的現實結果，或把我們的生活點綴得更好。

量子理論或許是從最神秘莫測變成非常有用的好例子。它之所以神秘，是因為它描述了一個粒子可以同時存在于世界的幾個地方，并且通過同時探測宇宙，一個粒子可以立即從一個地方移動到另一個地方。它之所以有用，是因為對建造宇宙的最小建筑磚塊行為的理解，加強了我們對其他一切事物的理解。這種說法近乎有些主觀，因為這個世界充滿了多樣性和復雜性的現象。盡管有這樣的復雜性，我們發現一切都是按照量子理論規則的、由到處移動的一些極小粒子構成的。這個規則是如此之簡單，以至于可以在一個信封的背面寫上幾句話，就把它們概括出來。事實上，我們不需要一整座圖書館的書去解釋事物的基本性質，這是所有秘密中較大的奧秘。

看來，我們了解世界的基本性質越多，它看上去就越簡單。我們將在適當的時候解釋這些基本規則是什么，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基本的簡單性不使我們太吃驚，我們要提醒一句：雖然游戲的基本規則很簡單，其結果卻不一定容易計算。我們日常對世界的經驗，是從由億萬個原子組成的巨大物體之間的關系得來的，因此試圖從基本原理得出行星和人類的行為將會是愚蠢的。承認這一點并不會減弱我們的主要觀點，即一切現象實際上是以極小粒子的量子物理為基礎的。

想想你周圍的世界。你拿著一本由紙做的書，即一棵樹的碎漿做的書。[1] 樹子是能供應原子和分子的機器，將它們打碎并重新排列成由億萬個單獨部分構成共同的一個群體。它們是用稱為葉綠素的分子完成這項工作的，一個葉綠素由100多個碳、氫和氧原子組成，扭結成一個復雜的形狀，靠一些鎂和氮原子結合在一起的。這些粒子組合在一起可以捕捉從比我們地球大100萬倍的核火爐，我們的太陽發出的，經過了9 300萬英里(14 967萬公里)的光線，并把這個能量轉移到細胞的內部，利用這個能量將二氧化碳和水建造成分子，并在此過程中制造充實生命的氧。正是這些分子鏈形成樹子的上層結構和所有的生物，以及你書中的紙。你能閱讀這本書和了解書中的內容，是因為你的眼睛可以將頁面的散射光轉化為電脈沖，由宇宙中我們所知道的最復雜的大腦進行解釋。我們發現這些東西正是原子的集合，并且各種各樣的原子僅由3種粒子構成：電子、質子和中子。我們還發現，質子和中子本身是由更小的稱為夸克的實體組成的，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，正如現代物理學所揭示的，透過宏觀世界的視野和多樣性，我們所居住的宇宙的圖像是一個潛在的簡單優雅的現象。這也許是現代科學較大的成就；將世界，包括人類在內的巨大的復雜性簡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種力已經得到好的描述：在原子核內部深處運行的強核力和弱核力，和將原子與分子黏在一起的電磁力，都是量子理論給出的。只有萬有引力，這個最弱的卻為我們最熟悉的力，目前還沒有滿意的量子理論描述。

不可否認，量子理論是有些古怪，有些人認為它在胡言亂語。貓怎么可能既是活的，又是死的；粒子怎么可以同時在兩個地方；海森堡說一切都是不確定的。然而這些事情都是真實的，只是因為在微觀世界發生的一些奇怪的事情使我們迷惑不解，所以得出的結論常常是最不確切的。超感知覺、神秘的愈合、振動手鐲可以保護我們免受輻射，以及誰知道還有什么稀奇古怪的事，都在“量子”這個詞的掩蓋之下常常被認為是可能偷偷進入神殿的。這些胡說八道出自缺乏清晰的思維、一廂情愿的思考、真誠的或惡作劇的誤解，或上述這一切的某些不幸的組合。量子理論地描述世界，它利用的數學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地計算一個電子的磁響應(the magnetic response)。量子理論提供了一個自然的描述，正如我們將會發現的，它有很大的預測能力和解釋能力，可解釋從硅片跨越到星星的廣闊范圍的現象。

我們寫這本書的目的，是要使量子理論非神秘化；這個理論的框架已經被證明是十分混亂的，甚至對它的早期實踐者來說也是如此。我們的方法是采用現代觀點，利用一個世紀以來的了解和理論的發展。然而，為了做好準備，我們從19世紀末和20世紀初開始我們的旅程，考察一些導致物理學家從根本上背離過去的原因。

量子理論，像科學上的其他案例一樣，是由于發現的自然現象不能用當時的科學范例來解釋而出現的。量子理論的種類繁多，各有不同。一連串莫名其妙的結果引起激動和混亂，并促成一個階段的實驗與理論創新并舉時期：一個黃金時代的到來。其主角的名字鐫刻在每一位物理學學生的意識中，并占據著時至今日的大學教學課程：盧瑟福、玻爾、普朗克、愛因斯坦、海森堡、保羅、薛定諤、狄拉克。在歷史上也許再也不會有這樣一個時期，如此眾多的科學家在尋求同一個目標上取得了巨大的科學成就；建立了一個新的構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家，在曼徹斯特發現了原子核的歐內斯特?盧瑟福(Ernest Rutherford)，在回顧之前幾十年的量子理論時寫道：“1896這一年……恰當地標志著被稱為物理科學英雄時代的到來。在此之前，物理學史上從未有過這樣一段劇烈的活動時期，具有根本性的、重要性的發現以令人困惑不解的速度一個接一個地而來。”

但在我們旅行到19世紀末的巴黎和量子理論誕生之前，“量子”(quantum)這個詞本身是什么呢？這個術語是在1900年通過馬克斯?普朗克(Max Planck)的工作進入物理學的。普朗克那時關注的是找到一個熱物體所發出的輻射，對所謂的“黑體輻射”(black body radiation)的理論描述。德國一家電照明公司委派他做這件事情：一扇通往“宇宙”的大門就這樣悄然打開了。在本書的后面，我們將更加詳盡地討論普朗克的偉大洞察力，為簡短介紹起見，這里只說他發現了，只有假定光是以他所說的小能量包，即“量子”(quanta)的形式發射的，才有可能解釋黑體輻射的性質。量子這個詞本身就意味著“包”或“離散”。最初，他認為這是純粹的數學技巧，但隨后在1905年由阿爾伯特?愛因斯坦對稱做光電效現象所做的工作進一步支持了量子假說。這些結果讓人產生聯想，因為小能量包可以認為是與粒子同義的。