走進(jìn)量子物理的世界

《量子物理如何改變世界》

[ 意] 卡洛·羅韋利 著

王子昂 譯

浙江科學(xué)技術(shù)出版社

2023年5月

“最終的計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)在我面前時(shí)，已將近凌晨三點(diǎn)。我被深深震撼，情緒激蕩，根本無(wú)法入睡。我走出家門，開始在黑暗中緩慢前行。我行至海岬，爬上海邊聳立著的一塊礁石，靜候太陽(yáng)升起……”

我經(jīng)常問自己，北海中荒蕪多風(fēng)的黑爾戈蘭島上，年輕的海森堡在第一個(gè)隱約窺見人類有史以來(lái)首次看見的大自然最令人目眩神迷的秘密之一后，行至海岬，爬上那塊礁石，凝視著廣袤海面上的巨浪，靜候日出時(shí)，心里會(huì)涌起何種想法和情感。

那年，海森堡23 歲。

原子之謎

他是為了減輕過敏癥到黑爾戈蘭島去的。黑爾戈蘭島上—島嶼名字的意思是“神圣之島”—幾乎沒有植被，因此花粉很少。喬伊斯在《尤利西斯》中稱它為“只有一棵樹的黑爾戈蘭島”。而海森堡到那里主要是為了能夠?qū)Ｐ乃伎祭_他的問題。

這個(gè)燙手山芋是尼爾斯·玻爾放到他的手中的。海森堡睡得極少，大多時(shí)間都孤身一人，試圖計(jì)算出能證實(shí)玻爾那令人難以理解的定律的結(jié)果。他時(shí)不時(shí)地中斷計(jì)算，去攀爬島上的礁石。在這短暫的休息期間，他還記誦了《西東詩(shī)集》中的詩(shī)歌—德國(guó)最偉大的詩(shī)人歌德在這部詩(shī)集中歌頌了他對(duì)伊斯蘭教文化的熱愛。

尼爾斯·玻爾當(dāng)時(shí)已是成名的科學(xué)家，他寫下了一些簡(jiǎn)單卻奇特的公式，甚至未經(jīng)測(cè)算便預(yù)料到了化學(xué)元素的特征，例如化學(xué)元素被加熱時(shí)釋放出的光的頻率，即光呈現(xiàn)出的顏色。這是一項(xiàng)了不起的成就。但這些公式并不完整，比方說(shuō)，它們無(wú)法算出這些被加熱了的元素的發(fā)光強(qiáng)度。

但最主要的問題是，這些公式中有些看似十分荒謬的東西：它們毫無(wú)原因地假設(shè)原子內(nèi)部的電子僅在某些特定的軌道上、在距原子核某些特定的距離上，帶著某些特定水平的能量圍繞原子核運(yùn)動(dòng)，隨后會(huì)魔法般地從一個(gè)軌道“跳躍”到另一個(gè)軌道上。這就是最初的“量子躍遷”。

為什么偏偏是這些軌道？這種從一個(gè)軌道到另一個(gè)軌道的無(wú)法解釋的“躍遷”是什么？是怎樣一種未知的力引發(fā)了電子如此離奇的表現(xiàn)？

原子是構(gòu)成一切物質(zhì)的最小基石。它是如何構(gòu)成事物的？電子是如何在原子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的？玻爾和他的同事們圍繞這一問題研究了十多年，仍一無(wú)所獲。

像文藝復(fù)興時(shí)期的畫家組建工作室一樣，在哥本哈根，玻爾將他所能找到的最優(yōu)秀的年輕物理學(xué)家聚集在自己身邊，共同探索原子之謎。在這些年輕物理學(xué)家中，就有海森堡的同校同學(xué)，極其出色、聰明、傲慢自負(fù)的沃爾夫?qū)づ堇１M管泡利驕傲自大，但他還是將他的朋友海森堡引薦給了偉大的玻爾，說(shuō)要想研究獲得進(jìn)展，就必須叫上海森堡。

玻爾聽從了他的建議，并于1924 年邀請(qǐng)海森堡前往哥本哈根。當(dāng)時(shí)海森堡還在哥廷根大學(xué)給物理學(xué)家馬克斯·玻恩（1882—1970）做助手。海森堡在哥本哈根停留了幾個(gè)月，其間一直在寫滿公式的黑板前與玻爾討論。年輕的海森堡經(jīng)常和老師在山間長(zhǎng)途散步，一同討論原子、物理和哲學(xué)的謎題。

海森堡整個(gè)人陷進(jìn)了那個(gè)問題里，無(wú)法自拔。與其他人一樣，他也嘗試了所有的方法，卻沒有一種奏效。似乎沒有任何一種合理的力能夠引發(fā)電子在玻爾設(shè)定的那些奇怪的軌道上發(fā)生奇怪的跳躍。但通過這些軌道和跳躍可以很好地預(yù)測(cè)原子現(xiàn)象。這實(shí)在是令人困惑。

沮喪和挫敗會(huì)使人尋求極端的解決方式。在這個(gè)北海島嶼上，獨(dú)自一人的海森堡決意要探索一些激進(jìn)的想法。

海森堡的發(fā)現(xiàn)

其實(shí)愛因斯坦在20 年前就曾提出過激進(jìn)的想法，當(dāng)時(shí)舉世震驚。而事實(shí)證明，愛因斯坦的激進(jìn)是卓有成效的。泡利和海森堡為他的物理學(xué)深深著迷。愛因斯坦是一個(gè)神話。他們問自己，是否已經(jīng)到了這樣的時(shí)刻，應(yīng)該放手一搏，激進(jìn)地跨出一步，以打破原子中的電子問題的僵局？如果他們能成功跨出這一步呢？二十幾歲的青年，總是敢于無(wú)拘無(wú)束地做夢(mèng)的。

愛因斯坦的成功證實(shí)，那些最根深蒂固的、被人所堅(jiān)信的東西都有可能是錯(cuò)的，而看上去顯而易見的東西也可能不是正確的。拋棄那些顯而易見的假設(shè)可能會(huì)更有助于理解。愛因斯坦教會(huì)了我們，一切都只應(yīng)以親眼所見的事實(shí)為基礎(chǔ)，而不應(yīng)以我們假定其應(yīng)該存在的東西為基礎(chǔ)。

泡利時(shí)常向海森堡反復(fù)強(qiáng)調(diào)這些觀點(diǎn)。兩個(gè)年輕人飲下這種思辨上的毒蜜并甘之如飴。二人持續(xù)探討的，是一個(gè)20 世紀(jì)初整個(gè)奧地利和德國(guó)的哲學(xué)界一直在探究的問題：真實(shí)與經(jīng)驗(yàn)之間的關(guān)系。對(duì)愛因斯坦的思想有決定性影響的恩斯特·馬赫曾宣稱，只有剝離了任何“形而上學(xué)”假設(shè)的實(shí)證觀測(cè)才能作為知識(shí)的基礎(chǔ)。于是，1925 年夏天，非常年輕的海森堡到黑爾戈蘭島躲避花粉時(shí)，這幾種思想在他的頭腦中混合到了一起，它們像是化學(xué)元素，一旦反應(yīng)便能引發(fā)爆炸。

而他的想法正是從這一爆炸中誕生的。一個(gè)只有在年輕人無(wú)拘無(wú)束的激進(jìn)主義中才能誕生的想法。一個(gè)注定要顛覆整個(gè)物理學(xué)、整個(gè)科學(xué)，甚至于我們對(duì)世界的整體認(rèn)知的想法。我相信，人類至今仍未完全消化這個(gè)想法。

海森堡的這一躍既大膽又簡(jiǎn)單。沒人能找到致使電子做出如此離奇運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)力？好的，那我們就先不去想什么新的力。我們就用已知的力：將電子吸引到原子核周圍的電力。我們找不到能解釋玻爾的電子運(yùn)行軌道和“躍遷”的規(guī)律？好的，那我們就繼續(xù)使用已知的運(yùn)動(dòng)學(xué)定律，不去改變它。

需要改變的是我們看待電子的方式。我們要放棄將電子視為沿著一條軌道運(yùn)動(dòng)的物體。放棄描述電子的運(yùn)動(dòng)，只描述我們從外界能觀測(cè)到的東西，即電子發(fā)光的強(qiáng)度和頻率。我們僅以可觀測(cè)量為基礎(chǔ)。這就是他的主要想法。

海森堡嘗試只使用觀測(cè)得來(lái)的量：光的頻率和波幅，來(lái)重新計(jì)算電子的表現(xiàn)。他試圖從此出發(fā)，重新計(jì)算電子的能量。

（本文獲出版社授權(quán)，標(biāo)題為編者所加）

責(zé)任編輯董可馨 dkx@nfcmag.com