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量子物理学史上的重大时刻

作者:张文卓 来源:书城 202009期 时间:2020-10-18

量子物理学的发展贯穿了整个二十世纪。以第二次世界大战为分水岭,可粗略分为两个时代。第一个时代是“二战”之前的量子力学的建立时期,按照杨振宁先生的观点,这一时期可称为...

  量子物理学的发展贯穿了整个二十世纪。以第二次世界大战为分水岭,可粗略分为两个时代。第一个时代是“二战”之前的量子力学的建立时期,按照杨振宁先生的观点,这一时期可称为现代物理学的“黄金时代”,现代物理学的两大支柱—量子力学和相对论—都是在这一时期建立的。第二个时代是“二战”之后到二十世纪末的量子力学的发展时期,包括粒子物理标准模型的建立,凝聚态物理学和量子光学的发展等。杨振宁先生把这一时期称为现代物理学的“白银时代”。一本贯穿“黄金”和“白银”两个时代,详述了整整一个世纪的量子物理学发展史的书是难能可贵的。吉姆·巴戈特(Jim Baggott)用翔实史料撑起的《量子通史:量子物理史上的40个重大时刻》(以下简称《量子通史》)正是这样一本书。这是一部五百多页的巨著,也是我见过最厚重的一本讲述量子物理学历史的书。巴戈特是牛津大学化学物理专业的博士,在雷丁大学化学系做过讲师,现在是专业的科学史作家。他虽长期浸润于化学和物理学交叉的专业,但以科学史家的专业素养,對量子物理学的历史同样了如指掌。

  “黄金时代”可以细分为三个部分,分别体现在本书的前三章里。

  《量子通史:量子物理史上的 40 个重大时刻》[ 英 ] 吉姆·巴戈特著 于秀秀译中信出版集团 2020 年版

  第一个部分是早期量子理论的建立时期,时间从一九○○年普朗克提出量子说,到海森堡和薛定谔提出正式的量子力学为止。这期间还有六个“重大时刻”:一九○五年,爱因斯坦用普朗克的量子说解释了光电效应;一九一三年,玻尔进一步用量子说解释了卢瑟福团队发现的原子结构稳定的原因;一九二四年,德布罗意(Louis de Broglie)把波粒二象性从光子推广到所有粒子;一九二五年,泡利(Wolfgang Pauli)提出了电子的不相容原理。这些早期的工作积累激发了海森堡,他与玻恩、约当(Ernst Pascual Jordan)三人在一九二五年提出了量子力学的矩阵形式,也促使薛定谔在一九二六年提出了量子力学的波动形式,即“薛定谔方程”。如果用“量子物理史上的四十个重大时刻”来描述二十世纪的量子物理学发展,这一部分就占了近两成。量子物理学在奠基阶段即已俊采星驰,他们以天才般的智慧标定了量子物理学发展轨迹的重要坐标,创造了发展史上一个又一个伟大的时刻。

  “黄金时代”的第二个部分,也就是本书的第二章“量子诠释”,用了五个重大时刻讲述量子力学的完善过程。这一过程仅仅只有两年时间,但确立了量子力学作为一门学科的理论形式。理论形式的确立,即是为这个学科立了法,确定了学科发展的基本范式。玻尔作为旗帜性人物,以哥本哈根大学为基地,招募海森堡和泡利为助手,并不断邀请薛定谔和玻恩等人进行学术访问,在一次次探讨和争论中逐渐完善了量子力学的理论形式。这也是“哥本哈根学派”的由来。

  “黄金时代”的第三个部分,即本书的第三章“量子论战”,同样以五个重大时刻来勾勒。量子论战的两条线,都与爱因斯坦有关。一条是爱因斯坦与玻尔的“世纪论战”,争论量子力学是否完备。另一条线是量子力学和狭义相对论的结合,狄拉克(P. A. M. Dirac)提出了他的量子力学相对论形式(即狄拉克方程),同时他的二次量子化方法也带领“哥本哈根学派”一起建立了量子场论的基础。

  1927 年第五届索尔维会议参加者的合影:爱因斯坦(一排中间)、普朗克(一排左二)、玻尔(二排右一)、玻恩(二排右二)、狄拉克(二排右五)、海森堡(三排右三)、泡利(三排右四)、薛定谔(三排中间)

  “黄金时代”在物理学史上的地位如此重要,以至于每次评选历史上最伟大的物理学家的时候,都是爱因斯坦和牛顿争第一,而玻尔、海森堡、薛定谔、狄拉克等人也都会牢牢占据前十的位置。

  第二次世界大战成为现代物理学的分水岭,直接原因就是核裂变的发现。昔日在大学里从事破解自然奥秘的物理学家们,在战争年代纷纷被招募来制造核武器。德军阵营有海森堡和哈恩(Otto Hahn,核裂变的发现者),爱因斯坦、玻尔还有那个年代最厉害的实验物理学家费米等犹太血统的科学家们则来到了美国。当第一颗原子弹爆炸的时候,物理学家们无比震惊,这个一直在纸面上、在实验室里游荡的幽灵,在瞬间爆发出难以想象的威力。

  第二次世界大战之后,物理学家们再次捡起量子场论(即量子力学和狭义相对论的结合),用了整整三十年在此基础上又建立了粒子物理标准模型。这就是量子物理学也是整个现代物理学的“白银时代”。这个时代的几位代表理论物理学家,前有费曼、朗道、杨振宁、盖尔曼等人,后有温伯格、格拉肖、威尔逊、格罗斯等人。本书的第四章“量子场”和第五章“量子粒子”各用了六个重大时刻来讲述这一段历史。从二十世纪七十年代开始,一代代粒子对撞机的发展,使得标准模型预言的基本粒子一个个被发现,直到二○一二年希格斯玻色子被发现,补全了标准模型预言的最后一个粒子。可惜这本《量子通史》完成于二○一○年,错过了这个重大时刻。

  “黄金时代”,讲述了十七个重大历史时刻;“白银时代”,讲述了十二个重大时刻。量子物理史的四十个重大历史时刻的另外十一个,巴戈特则用了其中的六个时刻,记录了二十世纪最后二十年进行的那些验证量子力学的实验,也就是本书的第七章“量子实在”。这六个时刻连起来看,主要是为验证“量子纠缠”的贝尔不等式实验以及验证“量子叠加态”和“量子退相干”的若干实验,无一例外都验证了量子力学的正确性。全书的最后五个重大时刻则属于量子物理最前沿的问题,主要体现在第八章“量子宇宙学”中,除了“量子力学多世界”诠释以外,重点介绍了试图统一量子场论和广义相对论的“超弦理论”,以及对其发起挑战、与其争鸣的其他理论。

  或许是出于对量子物理相关理论历史的浓厚兴趣,巴戈特没有过多地交待那些在“白银时代”由量子物理学催生的重大发明。这些发明彻底改变了世界,也推动人类步入了信息时代。循着巴戈特的量子物理学四十个重大历史时刻接着说,就不得不提到量子物理发展的两种路径。

  在“白银时代”,以量子场论为基础领域,走的是一条“自上而下”不断深入微观世界探索基本粒子的研究道路,《量子通史》的第四章、第五章將这种研究的路径展示了出来,充满了哲学的意味。而以非相对论性量子力学为基础的领域走的是另一条“自下而上”的路,即认识身边的各种物质背后的量子力学规律,并在此基础上发展各种新技术改变世界。

  当今世界的信息技术究其本质就是来自这条“自下而上”的路产生的凝聚态物理和量子光学等学科方向。其中凝聚态物理带来了半导体,以此为基础发展出了半导体集成电路(即芯片),成了计算机、智能手机等所有电子设备的核心。量子光学为我们带来了激光,而激光除了用来切割材料和手术,更重要的是作为通信手段通过海底光缆和光纤入户建立了整个全球互联网。这两个重大发明使人类文明全面进入信息时代,因此也成了第三次科技革命(也称信息革命)的标志。

  正是得益于这些信息技术的发展,书中第六章介绍的那些实验才变成可能。如果这本《量子通史》可以进一步展开,让应用物理学也占有一席之地,我希望能给凝聚态物理和量子光学以一定的重点篇幅,例如半导体晶体管、集成电路、激光器、原子钟、CCD的发明,超导BCS理论的提出,巨磁阻的发现,以及激光冷却原子、玻色-爱因斯坦凝聚等效应的实现,等等。通过这些篇幅,建立起“量子力学—凝聚态物理和量子光学—集成电路和激光器发明—实验技术—验证量子力学”这样一个逻辑链,第六章的实验就不会显得那么突兀,也可以让非专业读者对这些神奇的实验有更透彻的了解。

  此外,在量子力学的基础上,科学家们还建立了量子信息学,给信息技术的未来发展指明了方向,即量子信息技术。毕竟是基于量子力学的基础上建立的,或许不在作者心目中的“重大时刻”之列。和量子信息领域相关的量子通信BB84协议,量子计算Shor算法,离子阱量子比特操作,卫星量子通信实验,超导量子计算实现“量子称霸”等都是足以入选重大时刻的科学成果。

  相比于霍夫曼那本经典的《量子史话》,这本《量子通史》足足厚了一倍。也是我读过的最厚的一本讲述量子物理学历史的书。但如果想面面俱到介绍量子物理学的发展历史,本书所涉及的四十个重大时刻依然远远不够,至少可以写出六十个重大时刻。那样的话这本书会变得更为厚重。无论如何,这本《量子通史》已然是目前市面上介绍量子物理学历史最详细的一本书,想通过读一本书来了解量子物理学发展的真实历史,非它莫属。

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