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上帝与天才的游戏:量子力学史话

aokaji 2019年10月11日 科普 347 views 0

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前言

20世纪初,物理学家开始探索原子、原子核以及基本粒子这个无声无形的世界,继理论和实验探讨之后,出现了一个新的王国——量子力学(Quantum Mechanics)。

我们可以毫不夸张地说量子力学是历史上最成功的理论。它的起源可以追溯到一百多年以前,但是直到20世纪末,由于量子工程和技术的广泛运用,而且与人们日常生活息息相关,介绍“量子”方面的书才逐渐增多,众多读者才慢慢熟悉“量子”(quanta)这个词。

量子力学始于普朗克的量子论(创立于1900年),接着爱因斯坦向前大大推进了量子论,玻尔的进入更是大大加快了量子理论的进展。在量子理论对这光怪陆离的世界的描述中,人们习惯的定律经常失效。一个粒子可以同时处于多个位置,还可以无阻碍地穿过障碍物;所有的物体都有“波粒二象性”,它既是粒子又是波;两个分得很开的物体也可以进行某种“纠缠”(entaglement),类似“精神性”的合作。如此种种,使得量子理论听起来总是令人不可思议。量子理论的创立者之一丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr,1885—1962,1922年获得诺贝尔物理学奖)就曾经说过:“如果一个人没有被量子力学弄糊涂,那他就还没有真正懂得量子力学。”

1988年获得诺贝尔物理学奖的莱德曼(Leon Lederman,1922— )在他写于1993年的《上帝粒子——假如宇宙是答案,究竟什么是问题》一书中谈到量子力学引起的种种困惑时写道:

 

这件事引发了一个更加深刻的问题,人类的大脑是否已为理解量子物理学的神秘做好了准备呢?这个问题直到20世纪90年代还困扰着一些非常优秀的物理学家。理论家帕格尔斯(Heins Pagels,年前悲惨地死于一次登山事故)1在他写得非常好的《宇宙密码》(The Cosmic Code)一书中指出:“人的大脑可能还没有进化得足够完善,以至于现在还无法理解量子实在。”他可能是对的,尽管他的几个同行似乎自认为比我们中的其他人进化得更加完善一些。

 

正因为如此,多少年来,量子理论的神秘面纱使得它始终不为科学研究领域以外的大众所了解。

实际上,量子理论是门非常实用的学科,早在第二次世界大战之前,它的原理就已经被运用于超导、分析金属和半导体的电学和热学性质。战后,晶体管和激光器这两个运用量子理论原理的广为人知的装置,更是极大地推动了信息革命的发展。

现在,我们的周围到处都是直接或间接运用量子理论的技术和装置。从最简单的CD唱片机到庞大的现代光纤通信系统,从无水涂料到激光制动车闸,从医院的核磁共振成像仪到隧道扫描显微镜,量子技术已经成为一种具有极大商业利润的行业,因量子理论的成功运用而获得的巨大收益占据了工业国家国民生产总值的很大一部分。

在21世纪未来的日子里,量子技术将提供更多惊人的进展,例如在纳米技术装置领域,它的目标是设计和制造分子尺寸的机器,其潜在运用包括医学、计算机以及新型奇异材料的构造;量子技术专家已经可以俘获单个原子了,并且还可以利用可控的电磁场操纵原子,进行量子雕刻甚至是晶体的单原子成像;还有正处于设想中的量子计算机、量子运输……真是前途无量!

本书除了介绍量子力学艰难成长过程和为之做出了卓越贡献的物理学家们,还将以适当的篇幅介绍量子力学带来的伟大的技术革命。

当读者看完这本书以后,也许能更深刻体会莱德曼说的一段话:

 

作为一门在20世纪90年代占统治地位的精妙的理论,量子力学行得通。它在原子领域行得通。它在分子领域行得通。它在复杂的固体、金属、绝缘体、半导体、超导体,以及已应用它的任何领域内都行得通。但对我们来说更重要的是,量子理论是我们目前在研究原子核、原子核结构及其下面的更基本的物质——在那里我们将遇到“原子”和上帝粒子——中所拥有的唯一工具。也正是在那里,量子理论的概念性难题将扮演一个重要的角色,虽然这些难题常常被大多数物理学家视为只是“哲学问题”而避而不谈。

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