愛(ài)因斯坦與玻爾的世紀(jì)交鋒
下一場(chǎng)科技產(chǎn)業(yè)革命的原爆點(diǎn)
自誕生以來(lái),量子物理一直讓大眾甚至物理學(xué)家都困惑不已,薛定諤的貓這一思想實(shí)驗(yàn)曾被用來(lái)檢驗(yàn)量子理論隱含的不確定性?烧茄Χㄖ@的這只貓,如夢(mèng)魘一般讓物理學(xué)家不得安寧。于是,愛(ài)因斯坦、玻爾、薛定諤、海森堡、貝爾、玻姆、費(fèi)曼、埃弗里特等聞名遐邇的物理學(xué)家一次又一次論證、實(shí)驗(yàn)和碰撞,拼攢出不斷完善的量子物理學(xué)。
《誰(shuí)找到了薛定諤的貓?》是關(guān)于這些物理學(xué)家思想論戰(zhàn)的扣人心弦的故事,更是他們敢于探索未知、追尋真理的故事。貝克爾用生動(dòng)的語(yǔ)言,講述了這些物理學(xué)家的思想和人生如何像量子般糾纏在一起,勾勒出量子物理學(xué)波瀾壯闊的百年探索史。
如今,新時(shí)代的科學(xué)家已經(jīng)為量子理論打開(kāi)一扇通往實(shí)際運(yùn)用的大門,從激光、核能、晶體管到量子計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)材料、量子加密通信,量子物理學(xué)不斷推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,新的科技產(chǎn)業(yè)革命也將由此引爆。
推薦理由1:
這本書講述了一個(gè)關(guān)于20世紀(jì)物理學(xué)家思想論戰(zhàn)的扣人心弦的故事,更是他們敢于探索未知、追尋真理的故事。
他們的思想與人生如量子般糾纏在一起,勾勒出量子物理學(xué)波瀾壯闊的百年探索史。
推薦理由2:
超有料、超嚴(yán)謹(jǐn),用通俗的語(yǔ)言和精彩的故事,帶你看盡量子物理學(xué)探索史:
愛(ài)因斯坦、費(fèi)曼、玻爾、薛定諤……
眾多著名量子物理奠基者與研究學(xué)者的驚人理論和思想背后的有趣故事。
引言:同一把鑰匙為什么不能同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方?
有一件挺讓人困擾的事我們?nèi)粘I钪械奈锲肥遣荒芡瑫r(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方的。如果你把鑰匙落在了外套口袋里,它就不會(huì)在門口的掛鉤上等著你。這一現(xiàn)象再正常不過(guò),因?yàn)檫@些物品本就平淡無(wú)奇,不具備什么神秘的超能力。
不過(guò),這些稀松平常的物品背后,卻暗藏了諸多不凡的現(xiàn)象。你的鑰匙由千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)原子組成,而其中的每一個(gè)都來(lái)自億萬(wàn)年前某顆瀕死的恒星。它們沐浴過(guò)早期太陽(yáng)劇烈運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的熾熱光輝,見(jiàn)證了我們星球上所有生命的興衰。原子簡(jiǎn)直是史詩(shī)!
史詩(shī)中的英雄總要面對(duì)一些凡人沒(méi)有的問(wèn)題,原子也一樣。我們?nèi)祟愌?guī)蹈矩,在任一時(shí)間只會(huì)出現(xiàn)在一個(gè)地方,但原子卻常常劍走偏鋒。一個(gè)原子在實(shí)驗(yàn)室里沿著一條路徑漫步時(shí),遇到一個(gè)分叉,它可以向左或向右移動(dòng)。若換作你我,就必須選擇是往左還是往右,可原子在這時(shí)卻會(huì)猶豫再三,無(wú)法決斷。于是,在生存與毀滅之間,小小的哈姆雷特原子決定兩個(gè)都選。它并不會(huì)將自己劈成兩半,也不會(huì)先往左再往右,而是會(huì)在同一時(shí)間邁上兩條不同的道路,以表示對(duì)常規(guī)邏輯的蔑視。原子屬于另一個(gè)世界,主宰你我和丹麥王子哈姆雷特的物理定律并不能主宰它它屬于迥然不同的、微觀的量子世界。
量子物理探索的是屬于原子、分子以及亞原子粒子等微觀物質(zhì)的世界,是科學(xué)界最成功的理論。通過(guò)量子物理,我們能夠以驚人的準(zhǔn)確度預(yù)測(cè)出一系列神奇的自然現(xiàn)象,而它的影響也已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了微觀的范疇,延伸到了我們的日常生活中。
20世紀(jì)早期量子物理領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)直接催生了我們手機(jī)里的硅晶體管、手機(jī)屏幕里的發(fā)光二極管、空間探測(cè)器的核心技術(shù)和超市里用來(lái)掃碼的激光。量子物理能夠解釋為什么太陽(yáng)會(huì)發(fā)光,也能解釋為什么我們的眼睛可以看見(jiàn)光。它能夠完整地闡述包括元素周期表在內(nèi)的整個(gè)化學(xué)學(xué)科,甚至還能解釋為什么固體是固體(比如你現(xiàn)在坐的椅子,還有你的骨頭和皮膚)。這一切的一切都源于微觀物質(zhì)的一系列奇特性質(zhì)。
奇怪的是,量子物理好像并不適用于人類,或者任何與人類體積接近的物質(zhì)。我們的世界是由人以及鑰匙這類平凡的事物組成的。可是,我們這些在某一時(shí)間點(diǎn)只能出現(xiàn)在唯一一個(gè)地方的普通人,卻偏偏是由量子物理主宰的粒子組成的。那么,到底是什么讓我們的世界與量子的世界天差地別?為什么量子物理只在微觀物質(zhì)的世界里成立?
這些問(wèn)題的重點(diǎn)并不在于量子物理是一門奇怪的學(xué)科。這世界本就千奇百怪,怪事到處都是;問(wèn)題在于我們?cè)谌粘I钪胁⒉荒芸匆?jiàn)量子物理導(dǎo)致的種種奇觀。這又是為什么呢?
或許量子物理只適用于微小的物質(zhì),一旦物體的尺寸超過(guò)了一定范圍,它就會(huì)失效。若真是這樣,這個(gè)范圍到底是什么,又是由什么決定的?
如果并沒(méi)有這樣的一個(gè)范圍,如果量子物理真的適用于我們,就像它適用于原子和亞原子粒子一樣,那么量子物理為何與我們身邊的物理現(xiàn)象如此不同?我們的鑰匙為什么不能同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方?
薛定諤的貓
80年前,量子物理的奠基人之一埃爾溫·薛定諤(Erwin Schrdinger)深受這些問(wèn)題的困擾。他為了向同事闡述他的迷惑,設(shè)計(jì)了一個(gè)著名的思想實(shí)驗(yàn):薛定諤的貓。
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,薛定諤把一只貓和一只裝著氰化物的玻璃瓶放進(jìn)同一個(gè)盒子里,并在玻璃瓶上方懸掛一把錘子,使其與一個(gè)用來(lái)探測(cè)核輻射的蓋格計(jì)數(shù)器(Geiger Counter)相連,而計(jì)數(shù)器正對(duì)著一小塊放射性金屬放置。一旦金屬放出射線,這個(gè)繁復(fù)的機(jī)械組合就會(huì)被激活,蓋格計(jì)數(shù)器會(huì)松開(kāi)錘子,將下面的玻璃瓶砸碎,從而毒死旁邊的貓。當(dāng)然,動(dòng)物保護(hù)協(xié)會(huì)的人不用擔(dān)心,薛定諤并沒(méi)有要把這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)付諸實(shí)踐的打算。薛定諤準(zhǔn)備把貓放進(jìn)盒子后,先擱置一會(huì)兒;然后,他會(huì)打開(kāi)盒子,看看它命數(shù)幾何(見(jiàn)圖0.1)。
放射性金屬發(fā)出的輻射由亞原子粒子組成,它們從金屬中的原子中分離出來(lái),隨后高速飛離。跟所有足夠小的東西一樣,這些亞原子粒子是遵循量子物理定律的。它們并不在意莎士比亞的生還是死,而是像 The Clash 樂(lè)隊(duì)唱的《是去是留》(Should I Stay Or Should I Go)一樣,無(wú)法決定自己此時(shí)該何去何從。于是,它們決定既走又留。在盒子關(guān)著的時(shí)候,這塊猶豫不決的放射性金屬既發(fā)出了輻射,又沒(méi)有發(fā)出輻射。
由于這些粒子滿懷朋克精神,蓋格計(jì)數(shù)器既會(huì)探測(cè)到輻射,又不會(huì)探測(cè)到輻射;而這又會(huì)導(dǎo)致那個(gè)錘子既會(huì)砸碎裝著氰化物的玻璃瓶,同時(shí)又不會(huì)砸碎;這么一來(lái),這只貓也既會(huì)死掉,又不會(huì)死掉。薛定諤指出,這是一個(gè)很嚴(yán)重的問(wèn)題。盡管一個(gè)原子可以同時(shí)走在兩條不同的路徑上,但貓不會(huì)同時(shí)既是死的又是活的。我們打開(kāi)盒子之后會(huì)看到,這只貓要么活,要么死。因此,在打開(kāi)盒子之前的一瞬,這只貓必然只能處于這兩種狀態(tài)中的一種。
當(dāng)時(shí)的許多科學(xué)家都一致反對(duì)這一看法。有人認(rèn)為:在打開(kāi)盒子之前,貓都處于一種既生又死的狀態(tài)之中,因?yàn)橛辛舜蜷_(kāi)盒子往里面看的這個(gè)行為,貓才被迫在生死之間做出抉擇。還有人認(rèn)為:因?yàn)殚]合的盒子內(nèi)部無(wú)法被觀測(cè),而無(wú)法被觀測(cè)的事件并不具備意義,所以在打開(kāi)盒子之前討論盒子里的事是枉然的。對(duì)于這些人來(lái)說(shuō),無(wú)法觀測(cè)就無(wú)須討論。就好比如果一棵樹(shù)倒在了森林里,而旁邊沒(méi)有人,那么探究它當(dāng)時(shí)有沒(méi)有發(fā)出聲音就是沒(méi)有意義的。
薛定諤對(duì)他的貓的擔(dān)心并沒(méi)有因?yàn)檫@些爭(zhēng)論而減輕。他覺(jué)得其他人都沒(méi)抓住問(wèn)題的關(guān)鍵:量子物理的理論之所以無(wú)法與現(xiàn)實(shí)世界完全吻合,是因?yàn)閮?nèi)容有所缺失。數(shù)量巨大的原子究竟是如何通過(guò)量子物理的定律組成我們身邊的世界的?在最基礎(chǔ)的層面上,到底什么才是真實(shí),這其中又有怎樣的規(guī)律?然而,薛定諤的反對(duì)者贏得了勝利,薛定諤對(duì)量子世界實(shí)際發(fā)生的事情的擔(dān)憂被忽視了。物理學(xué)的其他部分繼續(xù)前進(jìn)。
[美]亞當(dāng)·貝克爾(Adam Becker)
- 美國(guó)科學(xué)公共圖書館的開(kāi)源科學(xué)內(nèi)容出版人
- 美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)傳播專員
- 《科學(xué)美國(guó)人》撰稿人
- 密歇根大學(xué)天體物理學(xué)博士
亞當(dāng)·貝克爾先后獲得康奈爾大學(xué)的哲學(xué)和物理學(xué)學(xué)士學(xué)位,以及密歇根大學(xué)的天體物理學(xué)博士學(xué)位。畢業(yè)后,貝克爾投身于物理學(xué)科普事業(yè),他與英國(guó)廣播公司、美國(guó)國(guó)家公共電臺(tái)、《紐約時(shí)報(bào)》《科學(xué)美國(guó)人》和《新科學(xué)家》等電視臺(tái)、媒體和學(xué)術(shù)期刊合作,撰寫大量科普文章。其中,為英國(guó)廣播公司撰寫的諸多文章被制作成一系列的視頻,在互聯(lián)網(wǎng)上傳播。
此外貝克爾被聘任為美國(guó)科學(xué)公共圖書館的開(kāi)源科學(xué)內(nèi)容出版人。貝克爾還是加州量子詮釋網(wǎng)絡(luò)的成員,該網(wǎng)絡(luò)由加州地區(qū)高校聯(lián)合組成,致力于推動(dòng)量子物理學(xué)的發(fā)展。2021 年,貝克爾成為美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)傳播和媒體關(guān)系專員,該實(shí)驗(yàn)室隸屬于美國(guó)能源部,是美國(guó)最杰出的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室之一。
引 言 同一把鑰匙為什么不能同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方?
第一部分
哥本哈根詮釋引發(fā)的思想糾纏
愛(ài)因斯坦為什么極力反對(duì)哥本哈根詮釋
量子物理與牛頓的經(jīng)典力學(xué)有哪些不同
為什么薛定諤方程只在沒(méi)有測(cè)量行為時(shí)成立?
沒(méi)有量子物理,就不懂如何制造芯片
海森堡的矩陣力學(xué)給量子物理界帶來(lái)希望
相對(duì)論:愛(ài)因斯坦發(fā)起的物理學(xué)革命
愛(ài)因斯坦的追問(wèn),嚇到了海森堡
玻爾:再權(quán)威的物理學(xué)家都覺(jué)得他很厲害
與海森堡的理論爭(zhēng)辯讓薛定諤病倒
既相斥又互補(bǔ)的波動(dòng)性與粒子性
法國(guó)公爵的理論在索爾維會(huì)議上引發(fā)軒然大波
無(wú)法觀測(cè)的現(xiàn)象就不科學(xué)?
簡(jiǎn)單的局域性思想實(shí)驗(yàn)震驚索爾維會(huì)議全場(chǎng)
EPR論文挑戰(zhàn)哥本哈根詮釋
- 物理學(xué)研究中心轉(zhuǎn)移至美國(guó)
制造原子彈:把整個(gè)美國(guó)變成一個(gè)大工廠
曼哈頓計(jì)劃:搶先納粹德國(guó)一步造出核彈
美國(guó)物理學(xué)研究因核彈項(xiàng)目改變
新一代物理學(xué)家摒棄了量子物理的詮釋問(wèn)題
第二部分
尋求真實(shí)的量子異見(jiàn)者
從移民之家走上科研之路
愛(ài)因斯坦啟發(fā)玻姆產(chǎn)生新理論
導(dǎo)波理論:玻姆破解雙縫實(shí)驗(yàn)之謎
該不該尋找哥本哈根詮釋之外的另一種詮釋?
愛(ài)因斯坦認(rèn)為導(dǎo)波理論很廉價(jià)
阿哈羅諾夫-玻姆效應(yīng)
著迷于博弈論的埃弗里特
人人都有分身:荒唐的多世界詮釋
埃弗里特對(duì)學(xué)術(shù)界毫無(wú)興趣
被物理學(xué)界遺忘的宇宙波函數(shù)
- 貝爾反傳統(tǒng)理論學(xué)者的啟發(fā)者
馮·諾依曼的證明不僅不成立,還很愚蠢!
量子物理具有互文性
貝爾定理科學(xué)中最深刻的發(fā)現(xiàn)
貝爾是如何得出這個(gè)違背常識(shí)的定理的?
物理學(xué)家為什么不肯承認(rèn)非局域性?
貝爾的論文引發(fā)針對(duì)哥本哈根詮釋的革命
維也納學(xué)派宣揚(yáng)邏輯實(shí)證主義的雄心
被選擇性接受的改良版實(shí)證主義
實(shí)在主義∶真實(shí)世界都是存在的
與哲學(xué)分隔使物理學(xué)發(fā)展舉步維艱
第三部分
量子物理學(xué)的興盛時(shí)代
克勞澤執(zhí)意證明量子物理有誤
消相干:量子物理中暗藏的驚人秘密
用偏振糾纏的光子驗(yàn)證貝爾不等式
持續(xù)幾十年的消相干的黑世紀(jì)
地下學(xué)術(shù)刊物《知識(shí)論快報(bào)》
阿斯佩的實(shí)驗(yàn):壓垮哥本哈根詮釋的最后一根稻草
伯特曼的短襪與物理實(shí)在
量子信息技術(shù)突飛猛進(jìn)
不夠優(yōu)美的導(dǎo)波理論翻盤重生
消相干登上了物理界更大的舞臺(tái)
信息理論詮釋:萬(wàn)物源自比特
無(wú)視觀測(cè),完全隨機(jī)的自發(fā)坍縮理論
- 哥本哈根詮釋對(duì)戰(zhàn)整個(gè)宇宙
宇宙學(xué)的崛起凸顯出哥本哈根詮釋的不足
多世界詮釋重回大眾視野
消相干一歷史:多世界詮釋的延伸
弦圖景和宇宙暴脹論
如何計(jì)算多重宇宙中的概率?
不可證偽就不是科學(xué)?
皙學(xué)會(huì)搞壞你的腦子
哥本哈根詮釋就是閉上嘴,埋頭算
科學(xué)中也存在偏見(jiàn)
敢于突破認(rèn)知限制的想象才能解開(kāi)謎題
前沿科學(xué)重塑人類自我認(rèn)知
到底量子物理的哪一個(gè)詮釋是正確的?
附 錄 世上最奇詭的實(shí)驗(yàn)之四種解讀
參考文獻(xiàn)