你讀得懂的量子力學

提到量子力學，人們總有高深莫測之感。但中科院物理研究所研究員曹則賢希望用這本《量子力學（少年版）》告訴讀者，其實量子力學的世界并非想象中那樣難以接近。

雖然名為少年版，但這本書并不僅僅適用于少年讀者，任何對量子力學感興趣、想入門的人，無論年齡、知識水平如何，都能從這本書中有所收獲。

1.兩個作者序

《量子力學（少年版）》開篇有兩個作者序和一篇補充說明，連曹則賢自己都笑言“這有點荒唐”。

第一篇作者序?qū)懹?005年，那時曹則賢正計劃為自己快10歲的兒子寫一本有關(guān)量子力學的書。此前已經(jīng)有日本作者作了有益的嘗試，科普作家都筑卓司撰寫了《十歲學量子理論》，雖然那本更像量子力學簡史。曹則賢的一些同事也認為，應該有一本給中國少年們的量子力學入門書?！案匾氖牵趯W習物理的過程中，我常常為那些偉大的發(fā)現(xiàn)所震撼，忍不住為那些天才的想法擊節(jié)叫好。我想對量子力學最好的贊美方式，是讓更多人知道量子力學的美妙?！辈軇t賢說。

沒想到，序言寫完后，書稿寫作卻一拖再拖。2007年，曹則賢寫下了第二篇作者序，“歡迎親愛的小朋友開始閱讀這本書”?？捎捎谥T多原因，直到2016年春本書的書稿才得以完成。此時，那個快10歲的少年已經(jīng)長成了大三的學生。

雖然遲了11年，但對于更廣泛的讀者來說，這本有關(guān)量子力學的書卻來得恰逢其時。如今，隨著信息傳播時代的來臨，量子力學的成果不時出現(xiàn)在新聞報道中，關(guān)于量子力學的各種爭論也展現(xiàn)在更多人面前。量子力學到底是什么，是很多人好奇的問題。

“量子力學和相對論是20世紀物理學的兩大支柱，相對論隨著愛因斯坦的名字不斷地出現(xiàn)在各種場合，為世人普遍知曉，量子力學則似乎一直居于高高的學術(shù)象牙塔中?！辈軇t賢表示，但其實，量子力學離我們并不遙遠，它的研究成果已經(jīng)主導了我們的生活，到處都能看到量子力學改變生活的證據(jù)。激光，基于半導體技術(shù)的各種電子學，光電子學器件如計算機、太陽能電池、手機等，還有醫(yī)用的核磁共振儀，都是在利用量子力學理解物質(zhì)、改造物質(zhì)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的?！皩τ诮裉斓纳倌陚儊碚f，量子力學應該是基礎(chǔ)知識，而不再是高深的學問。”

曹則賢還想通過這本書糾正“量子力學是物理學領(lǐng)域的革命”的說法?！拔锢韺W里沒有革命，而是一條綿密的思想的河流，是連續(xù)發(fā)展的。”曹則賢說，在過去的教學和研究中，他把量子力學創(chuàng)立過程中經(jīng)典的文獻，包括英語、德語、法語等版本翻完之后，更驗證了這種想法。“量子力學創(chuàng)立過程中的每一個想法都是有一定基礎(chǔ)的。量子力學到底是怎么創(chuàng)造的、它面對的是什么問題、創(chuàng)立者用了什么方法和工具、他們?nèi)绾螄L試去解決量子力學的問題從而構(gòu)造量子力學體系，我很想嚴肅地去談?wù)勥@些問題?！?/p>

2.帶著腳手架的物理學

正是帶著這樣的理念，曹則賢在這本書里循著量子力學發(fā)展的歷史脈絡(luò)，用關(guān)鍵的人物、物理事件與數(shù)學思想，構(gòu)筑量子力學的知識體系，強調(diào)量子力學在經(jīng)典物理的基礎(chǔ)上被創(chuàng)建的過程細節(jié)，從而引導讀者走進量子力學的世界。

其實這也源自曹則賢自己的困惑。“從1982年進入中國科學技術(shù)大學物理系算起，近30年的物理學習生涯中，我一直為自己不能很好地理解一些物理概念、不能夠早早地建立起正確的物理圖像而懊惱不已。”曹則賢說，所以他一直有個愿望，想編一本物理學教科書，把物理學的概念置于其自身發(fā)展的歷史背景中，看它產(chǎn)生、演化、改進甚至被摒棄的過程，討論它的發(fā)展或應用的可能性。換句話說，就是去看“帶著腳手架的物理學”，而不是只呈現(xiàn)那些“完美”的結(jié)果。

于是，在書的開篇，曹則賢就寫“宇宙如棋局”，告訴讀者物理學家探索量子世界的秘密的過程，就好像一個孩子看別人下象棋，要很久才能記住整個棋盤上一共有幾個棋子，然后再慢慢琢磨出下象棋的規(guī)則，這個過程并不是一蹴而就的。

隨后，曹則賢從牛頓用三棱鏡發(fā)現(xiàn)白色光的七色彩虹分解講起，通過夫瑯和費在太陽光譜中發(fā)現(xiàn)暗線的歷史故事，講到了量子力學中的原子吸收問題。接著，他又介紹了普朗克的黑體輻射曲線以及對能量量子化的解釋，隨后則介紹了愛因斯坦用光量子的觀點解釋了光電效應的奇特現(xiàn)象。

對于光譜線的強度，曹則賢寫到了克拉默斯的努力，以及克拉默斯建立的那個不太正確的模型。隨后，他以一貫犀利的風格評價了海森堡的“半截子論文”——海森堡是在思考光譜線的強度的問題時得到了量子力學的“矩陣形式”的。但整個思維過程海森堡其實自己也是懵懂的。海森堡自己也沒有完全想清楚到底是怎么一回事，只是寫了一個論文發(fā)表出去了，卻陰差陽錯地成了量子力學的奠基人。

此后，從德布羅意的物質(zhì)波，到薛定諤得到波動方程的思考過程，從科學史上第一個人為設(shè)計的觀測量子態(tài)的實驗——斯特恩—蓋拉赫實驗，到古德斯密特與烏倫貝克提出的“自旋”假說，再到泡利對自旋的矩陣描述，曹則賢將量子力學創(chuàng)立和發(fā)展過程中的關(guān)鍵人物和事件一一呈現(xiàn)，最后還介紹了量子力學的實際用處，比如說激光與半導體的發(fā)明。

“我就是要把科學創(chuàng)造的過程展現(xiàn)出來，包括做對的，也包括做錯的?！辈軇t賢說。

3.讀起來更像是故事

讓少年讀量子力學，能讀得懂嗎？對此，曹則賢則是信心滿滿，在他看來，如今少年的見識和智力遠超以往，而且，讓孩子們早早接觸到像量子力學這樣有挑戰(zhàn)性的內(nèi)容，無疑對培養(yǎng)孩子的科學素養(yǎng)是有益的，“但前提是孩子自己要有興趣”。

曹則賢希望，自己的這本書讀起來更像是故事，而不是物理的專業(yè)教科書，更不是冷冰冰地向人灌輸高深的學問?！爱斎唬猛ㄋ椎恼Z言介紹量子力學這樣的學問必定有不精確、不到位的地方，因此本書除了解釋關(guān)于量子力學初步的、直觀的知識外，還將用到一些數(shù)學?！辈軇t賢說，當然，也不能指望小朋友去演算特別難的方程，所以他用了最少量的方程，把重點放在介紹量子力學的實驗基礎(chǔ)、思想邏輯和應用成就上。

“所有的復雜數(shù)學內(nèi)容你都可以跳過，然后接著看下去?！辈軇t賢說，孩子們可以通過本書記住一些偉大的名字，那些改變了人類認知的偉大事件及其哲學、方法論的背景，那些不同尋常的大腦里的古怪想法。等他們長大了，就能更深入地理解量子力學的內(nèi)容，一起經(jīng)歷和理解未來那些激動人心的發(fā)現(xiàn)。即使不想成為物理學家，量子理論訓練的思維方式仍然有助于他們認識世界。

1938年，科幻作家杰克·威廉森出版了科幻小說《無邊的時間》，故事中說人類的未來有希望和墮落兩種可能，選擇將由一個男孩作出。他可能會在草地上撿起一塊小磁鐵，成為了一個偉大的科學家，或者撿起一塊小石子，成為一個流浪漢。這個故事讓曹則賢深有感觸：“我們有太多的擁有成為偉大科學家天賦的小朋友，他們需要的只是一塊撩起好奇心的小磁鐵。我衷心希望，我的這本小書會是這樣的一塊小磁鐵，能撩起許多小朋友對科學的好奇?！?/p>

同時，曹則賢也強調(diào)，這本書雖然名為少年版，但它并不僅僅適用于少年讀者，他希望任何對量子力學感興趣、想入門的人，無論年齡、知識水平如何，都能從這本書中有所收獲。

在曹則賢看來，量子力學是人類天才的精神創(chuàng)造，為的是揭示我們存身其中的宇宙的秘密，它同其他學科一樣富有藝術(shù)性、創(chuàng)造時的冒險性和美感?！鞍蚜孔恿W描繪成晦澀難懂的、充滿怪異符號和復雜公式的、只供科學‘怪物’們理解的怪誕臆造物，無疑是個天大的誤會。它不過是人類在過去某個階段的思想的結(jié)晶，不會超過現(xiàn)代人的理解力太遠。我也不認為任何一門學科非要裝出一副拒人于千里之外的架勢不可?！辈軇t賢說，如果時間和能力允許，他還將繼續(xù)寫作《相對論（少年版）》《熱力學（少年版）》和《電磁學（少年版）》。