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量子通史:量子物理史上的40个重大时刻

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作者:[英] 吉姆·巴戈特

出版社:中信出版社

出版时间:2020年03月

ISBN:9787521713084

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编辑推荐

1. 现代人都要懂的量子物理通识课,21世纪每个人都应有的知识标配。量子理论是21世纪极受关注的科学话题,它不仅颠覆和重建了人的世界观,也主宰了新的前沿科技动向,量子隧道、量子计算机、5G、量子通信……已然要将我们包围!了解量子物理,不仅让你轻松看懂科幻电影,还能解锁黑科技、新技能,拥有领先于人的快乐感。

 

2. 全面梳理波澜壮阔的量子物理百年史,生动讲述伟大物理学家的传奇轶事。在这里,你会看到爱因斯坦E=MC2、波粒二象性、薛定谔的猫、黑洞辐射等理论的诞生过程,也会看到普朗克、爱因斯坦、玻尔、海森伯、薛定谔、杨振宁、霍金等物理学家之间如何争奇斗艳,探索复杂理论背后的思维故事,见证开尔文勋爵所说的“乌云”绽放成礼炮的绚烂时刻。不同于时下流行的框架式极简科普书,这本书在科学性和故事性之间达成了罕见的平衡,既有足够的理论深度,又妙趣可读。

 

3. 硬核定制量子年表,一分钟理清量子理论发展大事记。浓缩量子理论一百年发展的里程碑式事件,正面记录1900年到2010年来的40个重大事件,反面是标志性的第五届索尔维会议合照,展开就是一张大海报,有知识、有内涵、可观瞻。

 

4. 《华尔街日报》、《今日物理》、《新科学家》、《科克斯书评》、《经济学人》、《出版人周报》等权威期刊媒体盛赞,goodreads读者高分推荐,适合每个人阅读的量子物理读本。

 

5. “牛津科学里程碑”经典书系之一。了解前沿物理学动向,助益每个读者的知识拓展、思维跃升。

 

 

内容简介

19、20世纪之交,经典物理学大厦看起来依旧坚不可摧。20世纪伊始,量子理论的种子悄然萌发,以破竹之势迅猛发展,在接下来的几十年里倾覆了几个世纪以来构建的经典世界图景,重塑了我们的科学观和世界观。我们今天对世界本质的认知,几乎都源自这一理论;我们今天应用的很多高新科技,也都以这一理论为基石。量子理论与我们每个现代人都息息相关。

 

从1900年的黑体辐射实验,到21世纪初CERN大型强子对撞机发现新的量子现象,量子理论经历了波澜壮阔、异彩纷呈的一百年,逐渐演变成现代物理学*重要、也*成功的理论之一,其诡谲令人发狂,其优美又令人神往。本书就带我们开启这段跨越百年的非凡旅程,以时间和地点为锚定,划分7大主题40个关键节点,追溯量子假说、哥本哈根诠释、玻尔-爱因斯坦论战、量子场论、标准模型、阿斯派克特实验、超弦革命等震古烁今的大事件,遍览普朗克、爱因斯坦、玻尔、海森伯、薛定谔、费曼、杨振宁、霍金等闻名遐迩的物理学家如何在困惑与危机中重构新理论,一步一步攀上物理学之巅。

 

吉姆·巴戈特拥有20多年的科学研究和写作经验,他以严谨的数理思维、精湛的写作手法,全面呈现量子理论从无到有的整个历史,生动讲述坎坷与荣光交织的传奇轶事。他带我们亲临现场,与物理学家并肩而行,与“上帝”般的理论深度碰撞,用一次次的论证、实验和交战,定义量子物理学的黄金时代。

 

作为牛津科学里程碑书系之一,《量子通史》是我们了解21世纪前沿物理学动向的奠基之作。它凝聚了物理学史上的伟大思想,塑造并改变着我们理解世界的方式。

书摘 · 插画

吉姆·巴戈特Jim Baggott,英国科学史作家。牛津大学化学物理学博士。著作有《希格斯:上帝粒子的提出与发现》《量子往事》等。常有作品刊登于《新科学人》《自然》等重要科学刊物。

书摘 · 插画

奇迹之年

 

伯尔尼

1905年3月

 

普朗克通过运用自己的辐射定律,取得了举世瞩目的成就。1901 年,他利用当时的实验数据,对普朗克常数和玻尔兹曼常数都做了估算。接着,他运用玻尔兹曼常数的估值计算了阿伏伽德罗常数(1 摩尔的纯物质中所含的原子或分子的数量)。1 之后他又运用阿伏伽德罗常数的估值确定了电子的电荷数。他对这些基本常数的估值相当精确,与目前的公认值只相差1%~3%。这一转变让他成了一个十足的原子论者:普朗克开始把原子和分子当成真实的存在了。

 

然而,虽然普朗克的结果看似天衣无缝,但人们对其推导过程仍然心存疑虑,因为他的结论是采取迂回的方式反推出来的。很多人都迷惑不解。事后看来,其实他的做法本也不足为奇。普朗克从一种某方面来看完全是经典的框架里,提炼出了一种意义深远的非经典概念。不得不说,这必然会对经典物理学造成冲击。一个年轻的物理学家对普朗克的推导仍持怀疑态度。1905 年,这个年轻人还在伯尔尼(Bern)的瑞士专利局工作,头衔是“三级技术专家”。他,就是阿尔伯特· 爱因斯坦。

 

1902年6月16日,爱因斯坦进入瑞士专利局工作。对他来说,这个工作让他如释重负。1900 年8月,在苏黎世联邦理工学院完成研究生学业后,他试图在大学里谋个学术职位,德国、荷兰、瑞士的大学都走了一遍,但都没有成功。一段时间里,他一直没有工作,后来谋了一份高中老师的临时工作。

 

渐渐地,爱因斯坦对自己的教书前景越来越绝望,于是他向大学同学兼好友马塞尔· 格罗斯曼(Marcel Grossmann)求助。格罗斯曼知道专利局迫切需要人手,而他父亲刚好与专利局主任有私交,非常愿意介绍爱因斯坦过去。爱因斯坦搬到伯尔尼,一边盼着去专利局上班,一边通过担任私人数学和物理教师糊口,等待瑞士联邦委员会的决定。

 

同年,他的父亲赫尔曼(Hermann)去世。临终之际,赫尔曼终于答应了儿子的请求,同意他与同窗米列娃· 玛利奇(MilevaMari )结婚。1896 年的时候,爱因斯坦与米列娃一同被联邦理工学院录取,二人在学校初识。米列娃成了爱因斯坦的缪斯,两个人互传情书,他爱称她为“多丽”(Dollie),而她称他“约翰尼”(Johnnie)。然而,爱因斯坦的父母起初并不同意他俩在一起。1 9 0 3 年1 月6 日, 在爱因斯坦的朋友莫里斯· 索洛文(Maurice Solovine)和康拉德· 哈比希特(Conrad Habicht)的见证下,两人举行了婚礼。爱因斯坦刚到伯尔尼的时候,在报纸上登过辅导课(带免费试听课)的招生广告,索洛文和哈比希特当时都联系了爱因斯坦,三个人后来成了密友。他们经常坐在一起讨论,话题无所不包,还自称“奥林匹亚学院”三人组。他们三个人的友谊经得起时间和风雨的考验。但有个秘密,爱因斯坦连最亲密的挚友都没有透露过。他曾经和米列娃育有一女,名叫丽瑟尔(Lieserl)。孩子在爱因斯坦刚到伯尔尼几天后就出生了。米列娃怀孕后回到娘家待产,娘家在塞尔维亚的诺维萨德(Novi Sad)。爱因斯坦本来打算等自己在伯尔尼安顿好后,就把米列娃和孩子接过来同住,但计划赶不上变化。

 

虽然在专利局的薪水能够负担得起米列娃和孩子的生活,但毕竟身在瑞士传统的官僚体系中,未婚生子这样的事儿与当时的风俗格格不入,会让人瞧不起。因此米列娃独自返回了苏黎世,把丽瑟尔留给了亲戚,后来又交给朋友照看,这样做似乎是决定要放弃女儿,让别人领养了。爱因斯坦从未见过自己的长女,或者说从没有抱过她。之后,再没有关于丽瑟尔的记录了,她的存在成了严格保守的家族秘密。她最终的归宿也是个谜。

 

1904 年5 月14 日,米列娃和爱因斯坦的第二个孩子出生,取名为汉斯· 阿尔伯特(Hans Albert),算是填补了第一个孩子的位置。这时,爱因斯坦在专利局的工作已经稳定下来了。他发现工作很有趣,可以借此让自己的批判性思考更为锐利,并且可以通过直接的实践结果,夯实自己对物理学理论的见解。与“奥林匹亚学院”的朋友的交流,给他提供了丰富的哲学大餐,包括经验主义以及荷兰哲学家巴鲁赫· 斯宾诺莎(Baruch Spinoza)所持的“神即自然”的决定论哲学观。这些早期获得的知识,对爱因斯坦接下来的人生都有着极为深远的影响。

 

假如爱因斯坦当时成功申请了学术职位,那他未来应对学术生涯的挑战时很有可能就会持一种求稳的态度,选择相对“安全的”研究课题,发表令人钦佩但又缺少强烈革命色彩的研究论文。然而现实中,远离学术体系的制约、有一个安静的研究环境,这些都让爱因斯坦可以不受羁绊地思考,甚至建议他人也思考那些超乎想象的问题。

 

1905 年春,哈比希特离开了伯尔尼。5 月底,爱因斯坦写信给他,告诉他自己最近的研究:

 

我承诺给你寄四篇论文。第一篇是关于辐射和光的能量性质的,很有突破性……第二篇是有关测定原子大小的……第三篇是关于悬浮在液体中尺度约为1/1000mm 的微小颗粒的,这篇论文证明这些悬浮在液体中的颗粒将在热运动的作用下发生可观测的随机运动。实际上,已有生理学家发现了悬浮颗粒的这类运动,他们称之为布朗运动。第四篇论文现在还只是个草稿,关于运动物体的电动力学,主要是对时间和空间理论做了修改。这四篇论文,无论是哪一篇,都可以给爱因斯坦带来永久的学术认可,甚至是名望。第一篇论文写于1905 年3 月,文中做了大胆的断言。爱因斯坦认为,只有把辐射本身看作是由不连续的能量包组成的,普朗克辐射定律才有意义,他把这些不连续的能量包称为光量子。第二篇和第三篇分别写于4 月和5 月,探讨了分子的物理实在和一些可观测的分子运动的结果。 第四篇完成于6 月,爱因斯坦在这篇论文中提出了狭义相对论。后来的第五篇论文,是对6 月狭义相对论论的补充,于1905 年9 月发表,在那篇论文中,他提出了名震世界的方程E =mc 2。

 

这一年,是爱因斯坦的奇迹之年(annus mirabilis)。当时他才26 岁。

 

普朗克对辐射定律的推导存在前后不一致的问题。普朗克最初遵循经典物理学的原则,认为能量是连续性的变量,后来他的观点又与之前完全相反,认为给定能量分布在空腔构成材料的振子上。1900 年6 月,英国物理学家瑞利勋爵(Lord Rayleigh),即威廉· 斯特拉特(William Strutt),发表了另一个空腔辐射的理论模型,对其进行了详细描述,推导出与维恩和普朗克的定律均有区别的辐射定律。在论文中,瑞利对经典物理学原理的应用方式,是普朗克没有应用过的。但瑞利的计算中出现了一个错误,英国人詹姆斯· 金斯(James Jeans)于1905 年6 月纠正了这一错误,结果就是我们现在熟知的瑞利 ― 金斯定律。尽管瑞利的推导和热力学原理的应用均符合逻辑,很有说服力,但结果简直就是个灾难。瑞利 ― 金斯定律指出,空腔辐射的强度与辐射频率的平方成正比,可以无限增大。该定律预言,在辐射频率较高,或者说波长较短时,辐射出的总能量会迅速增长至极高的水平。 相对来说,在低频率时,瑞利 ― 金斯定律给出的结果与实验数据非常一致,维恩定律却不吻合;而在高频率时,维恩定律给出的结果则与实验数据比较一致,瑞利 ― 金斯定律却不吻合。但普朗克定律给出的结果与所有频率的数据都一致,可见,两个定律都是普朗克定律的极端表现。

 

看来,真正遵循经典物理学推导出来的定律失败了。只有普朗克神秘的非经典的推导能够得出有效的定律。爱因斯坦很大程度上独自证明了这一点,独立推导出了瑞利 ― 金斯定律的正确形式。虽然这个问题已经够费解的了,但是爱因斯坦还在追寻一个更大的成就。在1905 年3 月发表的论文的开头,他是这样写的:

 

物理学家对气体和其他有重量的物体形成的理论概念,与麦克斯韦的在所谓真空中的电磁过程的理论,存在着极大的形式差异。对于一个由大量但有限的原子和电子构成的物体,我们认为其状态完全由这些粒子的位置和速度决定;但在确定空间的电磁状态时,我们需要利用连续的空间函数,因此有限数量的变量是不足以完全确定空间的电磁状态的。

 

原子和分子的证据变得越来越无可辩驳,这种物质的微粒说已经占了上风。此时,爱因斯坦把目光转向了两者的分歧,一边是微粒物质模型,一边是麦克斯韦电磁场理论中描述的辐射波。爱因斯坦即将迈出非常大胆的一步,后来他对朋友哈比希特说,这一步“非常具有革命性”。当时的问题在于,在经典理论的框架中找不到跨出这一步的理由,在瑞利 ― 金斯定律的制约条件中也找不到跨出这一步的理由。

 

为了解决这个问题,爱因斯坦采用了他称之为“启发性原则”的方法。他把它完全当作一个未经证实的假说:

 

就熵与体积的关系而言,如果单色光的辐射(密度足够低)是由大小为[hv ] 的能量子组成的不连续介质,那么就有理由开展研究,以确定有关光的发射与转化的定律是否也是基于光是由此类能量子组成的这一点。

 

牛顿之后两百年,爱因斯坦准备回归光的“微粒”说了。他提出了这样的猜想:“从一个点光源发出来的光线,在传播过程中,能量不会连续地分布在不断增大的空间中。而是包含有限数量的能量子,以点的形式分布在空间之中,不加分割地运动,且只能以完整的单位被吸收或生成。”

 

爱因斯坦并非打算彻底抛弃辐射波动论。毕竟,证明光的波属性的实验证据比比皆是,比如光的衍射和干涉现象,只能通过波动模型来解释。爱因斯坦建议融合两个看似矛盾的描述,承认波动现象是一段时间内多次观察的平均结果。因此,波干涉反映的不是特定位置单个光量子运动的瞬时“快照”,而是许多光量子在一定时间内平均统计的集体运动。

 

虽然尚未得到证实,但爱因斯坦打算用他的光量子假说来解决物理学中的其他问题,这些问题依靠空腔辐射和普朗克定律都无法解释。此时他把注意力转向了光电效应。

 

这个现象也是一个长期困扰物理学界的问题。大家普遍认为,当光照在金属表面时,金属表面会射出电子。在光的波动模型中,光的能量与光波的振幅(或强度)是成正比的。这样一来,增加光的强度,射出电子的能量也应该随之增加。但实验结果并非如此。加大光的强度,增加的只是射出的电子的数量,单个电子的能量并没有增加。相反,实验发现,电子能量是随着光的频率增加而增加的,与之前普遍接受的电磁辐射理论完全相左。爱因斯坦认为打到金属表面的光量子把它所有的能量都传给了单个电子,这样这个问题就解决了。射出来的电子所带的能量等于光量子的能量减去电子在逃逸到金属表面所消耗的能量,后者是这种金属的属性(现在我们称这个量为功函数)。此时,爱因斯坦把注意力放在了普朗克方程ε=hν 上, 并赋予了它一个全新的意义。普朗克用这个简单方程来表述固定能量量子和振子频率之间的数学关系,而爱因斯坦则用它表述光量子的能量和(辐射)频率之间的关系。这样一来,爱因斯坦就彻底把普朗克公式与空腔辐射的问题分离开了。他用普朗克公式表述所有条件下光的基本属性。

 

由于每个光量子能把能量hν 传给金属中的电子,所以射出来的电子所具有的能量会随着辐射频率ν 的增加而增加。增加辐射强度会使射到金属表面的光量子的数量增加,射出来的电子的数量也会增加,但每个电子的能量不会增加。爱因斯坦的理论非常简单,但它做出了大量重要的、经得起检验的预言。根据爱因斯坦的预测,类似的实验产生的光电电压应该与1902 年德国物理学家菲利普· 莱纳德(Phillipp Lenard)实验中检测到的电压处于同一个数量级上,而实际情况确实如此。

 

随后,他接着预言,光打到金属表面射出的电子的电压与射入的光线的频率的函数图是一条直线,其斜率与实验中使用的金属性质没有关系。11对于这一点,物理学界一头雾水,不知如何解释。爱因斯坦的天赋在1905 年发表的5 篇论文中已经体现得淋漓尽致。普朗克成了狭义相对论积极的支持者,但对于光能量的量子化仍表示怀疑。在他看来,他在推导辐射定律时的计算,只是一个数学上的权宜之计,并没有现实依据。在这一点上,爱因斯坦走得太远了。


随后,爱因斯坦被推荐加入了大名鼎鼎的普鲁士科学院(Prussian Academy of Sciences),科学院的科学领袖(普朗克位列其中)对爱因斯坦在物理学上的重大贡献表示了认可。同时他们也认为他的判断存在一些错误,不过这些错误可以谅解。“他的推断有时不一定完全正确,比如光量子假说中的推断,但这不能真的怪他,因为即便是在最精确的科学中,有时如果不冒险尝试一把,是不可能引进真正新颖的观点的。”普朗克和爱因斯坦随后开始频繁通信。普朗克准备让步,承认固定的能量量子的特点是由空腔材料的原子的内在属性决定的,而这种属性尚未可知。换而言之,固定能量元素的出现,不是因为光由这类元素构成,而是构成空腔本身的原子只能发射出固定的能量元素。

 

1900 年12 月,普朗克已经点着了一根缓慢燃烧的导火线。五年后,量子革命开始,但在它开始时,声音微弱得很,人们对光量子假说的反应异常消极。爱因斯坦非常清楚光量子与光的波动理论之间存在着冲突,正因如此,他才非常谨慎,但也绝不放弃自己的观点。

 

1906 年,爱因斯坦升职为“二级技术专家”。