《量子世界：寫(xiě)給所有人的量子物理》

《量子世界：寫(xiě)給所有人的量子物理》

[美]肯尼斯·福特 著 王菲 譯

外語(yǔ)教學(xué)與研究出版社/2024.1/79.00元

[美]肯尼斯·福特

退休物理學(xué)教授。早年畢業(yè)于哈佛大學(xué)，在普林斯頓大學(xué)取得博士學(xué)位，曾任美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)（AIP）負(fù)責(zé)人，退休后曾在杰曼鎮(zhèn)中學(xué)教物理。著有多部物理學(xué)方面的教材和著名物理學(xué)家約翰·惠勒的傳記《約翰·惠勒自傳：京子、黑洞和量子泡沫》。

王菲

博士，北京理工大學(xué)物理學(xué)院教授。研究方向?yàn)樵优c分子物理。參與編寫(xiě)《原子結(jié)構(gòu)與光譜》《大學(xué)物理》，翻譯《物理學(xué)：卷2（電磁學(xué)、光學(xué)與近代物理）》等教材、《愛(ài)因斯坦草坪上的不速之客》等科普?qǐng)D書(shū)。曾獲首屆北京市高等學(xué)校青年教學(xué)名師獎(jiǎng)、霍英東基金會(huì)全國(guó)高等院校優(yōu)秀青年教師獎(jiǎng)，多次榮獲省部級(jí)教學(xué)比賽一等獎(jiǎng)。

微觀粒子是宏觀世界的“磚石”，但粒子世界的規(guī)律卻與我們習(xí)以為常的宏觀世界相悖，這說(shuō)明我們基于直接感知的日常世界觀是有限的。本書(shū)分析了這兩個(gè)世界的不同之處，以及物理學(xué)家們?yōu)榻忉屃Ｗ有袨楹土Ｗ訕?gòu)成所提出的奇思妙想。由于受到了物理教師們的歡迎，為滿(mǎn)足他們的要求，作者在書(shū)的最后增加了“量子練習(xí)題”部分，可供教師們使用。

應(yīng)該指出的是，在量子物理中，要想把是什么（比如粒子）和發(fā)生了什么（即定律）區(qū)分開(kāi)來(lái)并不容易。在20世紀(jì)之前，經(jīng)典物理已經(jīng)發(fā)展了三個(gè)世紀(jì)，是什么與發(fā)生了什么之間的區(qū)分是非常清晰的。例如，地球（是什么）按照力和運(yùn)動(dòng)定律圍繞太陽(yáng)作軌道運(yùn)動(dòng)（發(fā)生了什么），至于地球由什么組成、地球上是否存在生物、地球上的火山巖漿是在噴發(fā)還是在休眠等等這些特點(diǎn)，對(duì)于地球圍繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律毫無(wú)影響。再舉個(gè)例子，一個(gè)振動(dòng)中的電荷將產(chǎn)生電磁輻射，而這輻射根本不“關(guān)心”電荷的攜帶者是電子、質(zhì)子還是電離態(tài)原子，抑或是乒乓球，它只“知道”某種帶電體正在以某種方式振動(dòng)，但并不“知道”也并不需要“知道”到底是什么東西在振動(dòng)。振動(dòng)物體的種類(lèi)（是什么）對(duì)發(fā)射出的輻射（發(fā)生了什么）毫無(wú)影響。

但是對(duì)于粒子，事情就沒(méi)這么簡(jiǎn)單了。粒子是什么和它們?nèi)绾芜\(yùn)動(dòng)是緊密關(guān)聯(lián)在一起的，這正是亞原子世界的全部奇妙所在。因此，在接下來(lái)的幾章中，凡是粒子性質(zhì)與粒子行為攪在一起之時(shí)，都將是你們（以及我）不得不小心處理之處。

我們暫且不去探究亞原子世界為何如此奇妙、如此不可思議和令人驚奇，問(wèn)題在于那些有關(guān)極微小和極高速領(lǐng)域的定律為何與常識(shí)如此截然不同，它們何以將我們的思維擴(kuò)展到了極限？它們的奇妙無(wú)法預(yù)期。經(jīng)典物理學(xué)家們（處在1900年之前的物理學(xué)家）曾想當(dāng)然地認(rèn)為，那些來(lái)自我們周?chē)澜缫约拔覀兯芨兄氖澜绲钠胀ǜ拍钜矔?huì)作為知識(shí)的積累而繼續(xù)適用于自然界中那些超出我們感知范疇以外的領(lǐng)域——小到無(wú)法觸及，快到轉(zhuǎn)瞬即逝。另一方面，那些經(jīng)典物理學(xué)家也沒(méi)有辦法去了解這些規(guī)則是否還將保持不變。那么他們?nèi)绾未_定——或者說(shuō)我們中任何一個(gè)人如何確定——這些源于普通觀察的“常識(shí)”是否還適合于對(duì)那些我們看不見(jiàn)、聽(tīng)不到、摸不著的現(xiàn)象進(jìn)行解釋?zhuān)?/p>

事實(shí)上，過(guò)去百年的物理學(xué)發(fā)展已經(jīng)告訴我們，常識(shí)對(duì)于新知識(shí)領(lǐng)域的引導(dǎo)作用微乎其微。沒(méi)有人能夠預(yù)知結(jié)果，但人們也不必因此而感到驚訝。日常的經(jīng)驗(yàn)形成了我們對(duì)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)以及時(shí)空的看法，常識(shí)告訴我們：固體是堅(jiān)固的，所有精確的鐘表都是保持同步的；物質(zhì)碰撞前后的質(zhì)量是保持不變的；自然界是可預(yù)測(cè)的。也就是說(shuō)，只要我們輸入足夠精確的信息，就能得到可靠的預(yù)測(cè)結(jié)果。但是當(dāng)科學(xué)延伸到日常經(jīng)驗(yàn)范疇之外時(shí)——例如進(jìn)入亞原子世界——事情就截然不同了。固體物質(zhì)內(nèi)大部分空間是空蕩蕩的；時(shí)間是相對(duì)的；質(zhì)量在碰撞中將會(huì)獲得或失去；無(wú)論輸入多么完備的信息，其結(jié)果都是不確定的。

為什么會(huì)這樣？我們不知道原因。常識(shí)本應(yīng)延伸到我們的感知范圍之外，但實(shí)際上卻沒(méi)有。這說(shuō)明我們基于直接感知的日常世界觀是有限的。我們只能重復(fù)資深電視新聞節(jié)目主持人沃爾特·克朗凱特（Walter Cronkite）的告別語(yǔ)：“事實(shí)就是如此。”你或許會(huì)著迷，或許會(huì)困惑，或許會(huì)迷惘，但你不該感到驚訝。

在我50歲那年，也就是1976年，已知的亞原子粒子已經(jīng)達(dá)到數(shù)百種，其中一些在20世紀(jì)30年代已被發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)40年代發(fā)現(xiàn)了更多的亞原子粒子，到五六十年代，亞原子粒子的發(fā)現(xiàn)更如潮涌。物理學(xué)家們已經(jīng)不再把這些粒子稱(chēng)為“基本粒子”或“基礎(chǔ)粒子”，因?yàn)橐延刑嗔Ｗ颖蝗绱朔Q(chēng)呼。不過(guò)隨著粒子數(shù)量逐漸失控，物理學(xué)家們也逐漸提出了簡(jiǎn)化方案，似乎只有易于處理的少數(shù)粒子才是真正的基本粒子（包括人們至今仍無(wú)法直接看到的夸克）。大部分已知的粒子包括我們的老朋友質(zhì)子都是可分的，也就是說(shuō)，是由基本粒子組合構(gòu)成的。

我們還可以看到，在較之更早的數(shù)十年前我們對(duì)于原子和原子核的理解與此多么地相似。1932年發(fā)現(xiàn)中子（一種不帶電荷的中性粒子，質(zhì)子的同胞）時(shí)，已知的原子核的數(shù)量已達(dá)到數(shù)百種。每種原子核都通過(guò)其質(zhì)量和所帶正電荷進(jìn)行區(qū)分，原子核的電荷數(shù)決定了原子數(shù)，或者說(shuō)決定了原子核在周期表中所處的位置。換言之，就是決定了元素的種類(lèi)（元素是具有獨(dú)特化學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)）。氫原子核帶有1個(gè)正電荷，氦原子核帶有2個(gè)正電荷，氧原子核帶有8個(gè)正電荷，鈾原子核帶有92個(gè)正電荷等。有些原子核帶有相同電荷（因而屬于同種元素）卻有不同質(zhì)量，圍繞這些核形成的原子被稱(chēng)為同位素。這數(shù)百種原子核中大約有90種原子核平均每個(gè)有兩到三個(gè)同位素，科學(xué)家們認(rèn)為它們應(yīng)該由少數(shù)更基本的結(jié)構(gòu)組成，但是在發(fā)現(xiàn)中子之前，他們還無(wú)法確定那些結(jié)構(gòu)是什么。中子的發(fā)現(xiàn)使得一切都明朗了（盡管后來(lái)發(fā)現(xiàn)中子還可再分），原子核僅由兩種粒子構(gòu)成，即質(zhì)子和中子。質(zhì)子提供電荷，并且與中子一起提供質(zhì)量。整個(gè)原子中，在更大空間內(nèi)圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的是電子。所以，只需要3種基本的粒子就可以說(shuō)明數(shù)百種不同原子的結(jié)構(gòu)。

對(duì)于亞原子粒子，夸克的“發(fā)現(xiàn)”與原子中的中子的發(fā)現(xiàn)極其相似。我給“發(fā)現(xiàn)”一詞打上引號(hào)是因?yàn)橥诩又堇砉W(xué)院的默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）和喬治·茨威格（George Zweig）的確分別在1964年提出了夸克存在的假設(shè)，但是夸克的存在并沒(méi)有通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察得以驗(yàn)證（“夸克”這個(gè)名字還應(yīng)歸功于默里·蓋爾曼）。盡管到目前為止，夸克存在的證據(jù)還都是間接的，但其存在本身已不容置疑。今天，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到夸克是組成質(zhì)子、中子乃至所有其他粒子的基本粒子。

之后，物理學(xué)家們又提出了亞原子粒子的標(biāo)準(zhǔn)模型。這一模型中共有包括電子、光子以及6種夸克在內(nèi)的24種基本粒子，可對(duì)所有已觀測(cè)到的粒子和它們之間的相互作用進(jìn)行說(shuō)明。（注：這24種粒子不包括引力子——假設(shè)的引力粒子——或其他假設(shè)粒子以及希格斯粒子〔粒子園中唯一以人名命名的粒子〕，反粒子也不計(jì)入其中。）24不像3（1926年時(shí)所知道的基本粒子數(shù)目）這樣小的數(shù)字那么令人滿(mǎn)意，但是迄今為止這24種基本粒子仍頑強(qiáng)地保持著它們的“基本”身份，尚未發(fā)現(xiàn)它們中任何一個(gè)是由其他更基本的物質(zhì)組成的。然而假如超弦理論家們能夠證明超弦理論的正確性（我將在后邊討論他們的觀點(diǎn)），那么或許還將有更小、更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)等待發(fā)現(xiàn)。