量子物理學(xué)史上的重大時(shí)刻

張文卓

量子物理學(xué)的發(fā)展貫穿了整個(gè)二十世紀(jì)。以第二次世界大戰(zhàn)為分水嶺，可粗略分為兩個(gè)時(shí)代。第一個(gè)時(shí)代是“二戰(zhàn)”之前的量子力學(xué)的建立時(shí)期，按照楊振寧先生的觀點(diǎn)，這一時(shí)期可稱為現(xiàn)代物理學(xué)的“黃金時(shí)代”，現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱—量子力學(xué)和相對(duì)論—都是在這一時(shí)期建立的。第二個(gè)時(shí)代是“二戰(zhàn)”之后到二十世紀(jì)末的量子力學(xué)的發(fā)展時(shí)期，包括粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的建立，凝聚態(tài)物理學(xué)和量子光學(xué)的發(fā)展等。楊振寧先生把這一時(shí)期稱為現(xiàn)代物理學(xué)的“白銀時(shí)代”。一本貫穿“黃金”和“白銀”兩個(gè)時(shí)代，詳述了整整一個(gè)世紀(jì)的量子物理學(xué)發(fā)展史的書(shū)是難能可貴的。吉姆·巴戈特（Jim Baggott）用翔實(shí)史料撐起的《量子通史：量子物理史上的40個(gè)重大時(shí)刻》（以下簡(jiǎn)稱《量子通史》）正是這樣一本書(shū)。這是一部五百多頁(yè)的巨著，也是我見(jiàn)過(guò)最厚重的一本講述量子物理學(xué)歷史的書(shū)。巴戈特是牛津大學(xué)化學(xué)物理專業(yè)的博士，在雷丁大學(xué)化學(xué)系做過(guò)講師，現(xiàn)在是專業(yè)的科學(xué)史作家。他雖長(zhǎng)期浸潤(rùn)于化學(xué)和物理學(xué)交叉的專業(yè)，但以科學(xué)史家的專業(yè)素養(yǎng)，對(duì)量子物理學(xué)的歷史同樣了如指掌。

“黃金時(shí)代”可以細(xì)分為三個(gè)部分，分別體現(xiàn)在本書(shū)的前三章里。

《量子通史：量子物理史上的 40 個(gè)重大時(shí)刻》[ 英 ] 吉姆·巴戈特著 于秀秀譯中信出版集團(tuán) 2020 年版

第一個(gè)部分是早期量子理論的建立時(shí)期，時(shí)間從一九○○年普朗克提出量子說(shuō)，到海森堡和薛定諤提出正式的量子力學(xué)為止。這期間還有六個(gè)“重大時(shí)刻”：一九○五年，愛(ài)因斯坦用普朗克的量子說(shuō)解釋了光電效應(yīng);一九一三年，玻爾進(jìn)一步用量子說(shuō)解釋了盧瑟福團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的原子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的原因;一九二四年，德布羅意（Louis de Broglie）把波粒二象性從光子推廣到所有粒子;一九二五年，泡利（Wolfgang Pauli）提出了電子的不相容原理。這些早期的工作積累激發(fā)了海森堡，他與玻恩、約當(dāng)（Ernst Pascual Jordan）三人在一九二五年提出了量子力學(xué)的矩陣形式，也促使薛定諤在一九二六年提出了量子力學(xué)的波動(dòng)形式，即“薛定諤方程”。如果用“量子物理史上的四十個(gè)重大時(shí)刻”來(lái)描述二十世紀(jì)的量子物理學(xué)發(fā)展，這一部分就占了近兩成。量子物理學(xué)在奠基階段即已俊采星馳，他們以天才般的智慧標(biāo)定了量子物理學(xué)發(fā)展軌跡的重要坐標(biāo)，創(chuàng)造了發(fā)展史上一個(gè)又一個(gè)偉大的時(shí)刻。

“黃金時(shí)代”的第二個(gè)部分，也就是本書(shū)的第二章“量子詮釋”，用了五個(gè)重大時(shí)刻講述量子力學(xué)的完善過(guò)程。這一過(guò)程僅僅只有兩年時(shí)間，但確立了量子力學(xué)作為一門(mén)學(xué)科的理論形式。理論形式的確立，即是為這個(gè)學(xué)科立了法，確定了學(xué)科發(fā)展的基本范式。玻爾作為旗幟性人物，以哥本哈根大學(xué)為基地，招募海森堡和泡利為助手，并不斷邀請(qǐng)薛定諤和玻恩等人進(jìn)行學(xué)術(shù)訪問(wèn)，在一次次探討和爭(zhēng)論中逐漸完善了量子力學(xué)的理論形式。這也是“哥本哈根學(xué)派”的由來(lái)。

“黃金時(shí)代”的第三個(gè)部分，即本書(shū)的第三章“量子論戰(zhàn)”，同樣以五個(gè)重大時(shí)刻來(lái)勾勒。量子論戰(zhàn)的兩條線，都與愛(ài)因斯坦有關(guān)。一條是愛(ài)因斯坦與玻爾的“世紀(jì)論戰(zhàn)”，爭(zhēng)論量子力學(xué)是否完備。另一條線是量子力學(xué)和狹義相對(duì)論的結(jié)合，狄拉克（P. A. M. Dirac）提出了他的量子力學(xué)相對(duì)論形式（即狄拉克方程），同時(shí)他的二次量子化方法也帶領(lǐng)“哥本哈根學(xué)派”一起建立了量子場(chǎng)論的基礎(chǔ)。

1927 年第五屆索爾維會(huì)議參加者的合影：愛(ài)因斯坦（一排中間）、普朗克（一排左二）、玻爾（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）、薛定諤（三排中間）

“黃金時(shí)代”在物理學(xué)史上的地位如此重要，以至于每次評(píng)選歷史上最偉大的物理學(xué)家的時(shí)候，都是愛(ài)因斯坦和牛頓爭(zhēng)第一，而玻爾、海森堡、薛定諤、狄拉克等人也都會(huì)牢牢占據(jù)前十的位置。

第二次世界大戰(zhàn)成為現(xiàn)代物理學(xué)的分水嶺，直接原因就是核裂變的發(fā)現(xiàn)。昔日在大學(xué)里從事破解自然奧秘的物理學(xué)家們，在戰(zhàn)爭(zhēng)年代紛紛被招募來(lái)制造核武器。德軍陣營(yíng)有海森堡和哈恩（Otto Hahn，核裂變的發(fā)現(xiàn)者），愛(ài)因斯坦、玻爾還有那個(gè)年代最厲害的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家費(fèi)米等猶太血統(tǒng)的科學(xué)家們則來(lái)到了美國(guó)。當(dāng)?shù)谝活w原子彈爆炸的時(shí)候，物理學(xué)家們無(wú)比震驚，這個(gè)一直在紙面上、在實(shí)驗(yàn)室里游蕩的幽靈，在瞬間爆發(fā)出難以想象的威力。

第二次世界大戰(zhàn)之后，物理學(xué)家們?cè)俅螕炱鹆孔訄?chǎng)論（即量子力學(xué)和狹義相對(duì)論的結(jié)合），用了整整三十年在此基礎(chǔ)上又建立了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型。這就是量子物理學(xué)也是整個(gè)現(xiàn)代物理學(xué)的“白銀時(shí)代”。這個(gè)時(shí)代的幾位代表理論物理學(xué)家，前有費(fèi)曼、朗道、楊振寧、蓋爾曼等人，后有溫伯格、格拉肖、威爾遜、格羅斯等人。本書(shū)的第四章“量子場(chǎng)”和第五章“量子粒子”各用了六個(gè)重大時(shí)刻來(lái)講述這一段歷史。從二十世紀(jì)七十年代開(kāi)始，一代代粒子對(duì)撞機(jī)的發(fā)展，使得標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的基本粒子一個(gè)個(gè)被發(fā)現(xiàn)，直到二○一二年希格斯玻色子被發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)全了標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的最后一個(gè)粒子。可惜這本《量子通史》完成于二○一○年，錯(cuò)過(guò)了這個(gè)重大時(shí)刻。

“黃金時(shí)代”，講述了十七個(gè)重大歷史時(shí)刻;“白銀時(shí)代”，講述了十二個(gè)重大時(shí)刻。量子物理史的四十個(gè)重大歷史時(shí)刻的另外十一個(gè)，巴戈特則用了其中的六個(gè)時(shí)刻，記錄了二十世紀(jì)最后二十年進(jìn)行的那些驗(yàn)證量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)，也就是本書(shū)的第七章“量子實(shí)在”。這六個(gè)時(shí)刻連起來(lái)看，主要是為驗(yàn)證“量子糾纏”的貝爾不等式實(shí)驗(yàn)以及驗(yàn)證“量子疊加態(tài)”和“量子退相干”的若干實(shí)驗(yàn)，無(wú)一例外都驗(yàn)證了量子力學(xué)的正確性。全書(shū)的最后五個(gè)重大時(shí)刻則屬于量子物理最前沿的問(wèn)題，主要體現(xiàn)在第八章“量子宇宙學(xué)”中，除了“量子力學(xué)多世界”詮釋以外，重點(diǎn)介紹了試圖統(tǒng)一量子場(chǎng)論和廣義相對(duì)論的“超弦理論”，以及對(duì)其發(fā)起挑戰(zhàn)、與其爭(zhēng)鳴的其他理論。

或許是出于對(duì)量子物理相關(guān)理論歷史的濃厚興趣，巴戈特沒(méi)有過(guò)多地交待那些在“白銀時(shí)代”由量子物理學(xué)催生的重大發(fā)明。這些發(fā)明徹底改變了世界，也推動(dòng)人類步入了信息時(shí)代。循著巴戈特的量子物理學(xué)四十個(gè)重大歷史時(shí)刻接著說(shuō)，就不得不提到量子物理發(fā)展的兩種路徑。

在“白銀時(shí)代”，以量子場(chǎng)論為基礎(chǔ)領(lǐng)域，走的是一條“自上而下”不斷深入微觀世界探索基本粒子的研究道路，《量子通史》的第四章、第五章將這種研究的路徑展示了出來(lái)，充滿了哲學(xué)的意味。而以非相對(duì)論性量子力學(xué)為基礎(chǔ)的領(lǐng)域走的是另一條“自下而上”的路，即認(rèn)識(shí)身邊的各種物質(zhì)背后的量子力學(xué)規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展各種新技術(shù)改變世界。

當(dāng)今世界的信息技術(shù)究其本質(zhì)就是來(lái)自這條“自下而上”的路產(chǎn)生的凝聚態(tài)物理和量子光學(xué)等學(xué)科方向。其中凝聚態(tài)物理帶來(lái)了半導(dǎo)體，以此為基礎(chǔ)發(fā)展出了半導(dǎo)體集成電路（即芯片），成了計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)等所有電子設(shè)備的核心。量子光學(xué)為我們帶來(lái)了激光，而激光除了用來(lái)切割材料和手術(shù)，更重要的是作為通信手段通過(guò)海底光纜和光纖入戶建立了整個(gè)全球互聯(lián)網(wǎng)。這兩個(gè)重大發(fā)明使人類文明全面進(jìn)入信息時(shí)代，因此也成了第三次科技革命（也稱信息革命）的標(biāo)志。

正是得益于這些信息技術(shù)的發(fā)展，書(shū)中第六章介紹的那些實(shí)驗(yàn)才變成可能。如果這本《量子通史》可以進(jìn)一步展開(kāi)，讓?xiě)?yīng)用物理學(xué)也占有一席之地，我希望能給凝聚態(tài)物理和量子光學(xué)以一定的重點(diǎn)篇幅，例如半導(dǎo)體晶體管、集成電路、激光器、原子鐘、CCD的發(fā)明，超導(dǎo)BCS理論的提出，巨磁阻的發(fā)現(xiàn)，以及激光冷卻原子、玻色-愛(ài)因斯坦凝聚等效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)，等等。通過(guò)這些篇幅，建立起“量子力學(xué)—凝聚態(tài)物理和量子光學(xué)—集成電路和激光器發(fā)明—實(shí)驗(yàn)技術(shù)—驗(yàn)證量子力學(xué)”這樣一個(gè)邏輯鏈，第六章的實(shí)驗(yàn)就不會(huì)顯得那么突兀，也可以讓非專業(yè)讀者對(duì)這些神奇的實(shí)驗(yàn)有更透徹的了解。

此外，在量子力學(xué)的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們還建立了量子信息學(xué)，給信息技術(shù)的未來(lái)發(fā)展指明了方向，即量子信息技術(shù)。畢竟是基于量子力學(xué)的基礎(chǔ)上建立的，或許不在作者心目中的“重大時(shí)刻”之列。和量子信息領(lǐng)域相關(guān)的量子通信BB84協(xié)議，量子計(jì)算Shor算法，離子阱量子比特操作，衛(wèi)星量子通信實(shí)驗(yàn)，超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)“量子稱霸”等都是足以入選重大時(shí)刻的科學(xué)成果。

相比于霍夫曼那本經(jīng)典的《量子史話》，這本《量子通史》足足厚了一倍。也是我讀過(guò)的最厚的一本講述量子物理學(xué)歷史的書(shū)。但如果想面面俱到介紹量子物理學(xué)的發(fā)展歷史，本書(shū)所涉及的四十個(gè)重大時(shí)刻依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，至少可以寫(xiě)出六十個(gè)重大時(shí)刻。那樣的話這本書(shū)會(huì)變得更為厚重。無(wú)論如何，這本《量子通史》已然是目前市面上介紹量子物理學(xué)歷史最詳細(xì)的一本書(shū)，想通過(guò)讀一本書(shū)來(lái)了解量子物理學(xué)發(fā)展的真實(shí)歷史，非它莫屬。