前言

20世纪是由物理学所定义的。全球顶尖物理学家的头脑，汇聚成一条思想之流，忽而将人类带到奇迹的巅峰，忽而又一路降至绝望的谷底。20世纪伊始，人类对绝对知识是那样确定，然而在世纪之末，却又发现并没有绝对的确定性。人类曾以为能够正确地把握物理实在的本质，但就在20世纪，物理学家发展的理论，却又否定了完全理解实在的可能性。依然是在20世纪，人类还造出了能把物理实在完全毁灭的武器。

我们对世界本质的认识，几乎全都来自同一个物理理论。这个理论在20世纪前30年得到发现并不断完善和发展，逐渐变成物理学史上最成功的理论。在21世纪的今天，我们对于很多技术都感到习以为常，但这些技术中，有很多都是以这个理论为基石的。

不过，成功是有代价的，因为这一理论也彻底剥夺了人类从世界的最基本构成层面了解这个世界的能力。

阿尔伯特·爱因斯坦拒绝接受这一新理论提出的不确定性和随机性的说法，他曾说过一句经典名言：“上帝不掷骰子。”尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）断言：“一个人，无论是谁，若没有对这个理论感到震惊，就说明他还没有理解它。”美国天才物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）则更进一步：他断言没人能理解它。对任何一个受过经典物理学语言和逻辑训练的人来说，这个理论在数学上颇具挑战性，其诡谲令人发狂，而其完美又令人惊叹。

这，就是量子理论，本书讲述的就是量子理论的历史故事。

如果我们把量子理论的历史渊源追溯到马克斯·普朗克（Max Planck）发现“作用量量子”的1900年12月，那么这个理论已经走过一百多个年头了。你可能觉得，一百年时间，足够物理学家认真研究并理解它的意义了；也足够搞清量子理论对物理实在中的随机和因果有何影响，以及对物理实在的本质有何影响了。然而事实正好相反，随着时间的流逝，量子理论给人带来的震惊有增无减。

虽然没有人真正理解量子理论到底是如何运行的，但在应用中，其规律是无可置疑的，量子理论预测的正确性和精确性，在整个科学史上是无可比拟的。虽然对于如何诠释量子理论的争论依旧激烈，但对于量子理论根本性上的对错，却没什么可争论的。

在过去400多年的时间里，人类产生了一个信念（或许应该叫信仰？）：基于实证的调查研究如果符合严格的科学标准，就能够揭示大自然运行的真正机制。然而当自然机制揭开面纱，展示出量子机制时，科学和哲学两个世界不可避免地发生了碰撞。我们所面对的不是真理和理解，而是令人不安的问题，那些关于这个世界我们到底有望了解多少的问题。量子理论把人类推到了认识论悬崖的边缘。20世纪20年代中期以来，人类一直战战兢兢，担心从这个边缘掉落。

这个理论神奇又令人不安，本书就是献给它的：1900年，它从研究黑体辐射实验的陶瓷炉中诞生，经过了一个世纪，欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机又带来了发现新的量子现象的曙光。本书把量子通史分成40个“时刻”来讲述，这40个时刻都是量子理论发展的关键时刻或转折点。

本书将带我们踏上一段漫长的旅程。第一章介绍了普朗克1900年的发现，追溯了早期量子理论的发展历程，包括爱因斯坦的光量子假说、玻尔的原子的量子理论、路易·德布罗意（Louis de Broglie）的波动―粒子假说、维尔纳·海森伯（Werner Heisenberg）的矩阵力学、令人迷惑不解的电子自旋现象及沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）的不相容原理。第一章以埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）迟来的“艳福”收尾，那是在1925年，薛定谔创立了波动力学。

第二章追溯了量子理论的哥本哈根诠释的发展过程。1926年，马克斯·玻恩（Max Born）诠释了薛定谔波函数的重要意义，我们由此出发，旁观玻尔、海森伯和薛定谔关于量子跃迁的激烈论战，再目睹海森伯发展出不确定性原理，然后欣赏1927年玻尔在科莫的演讲。

到了这个阶段，量子理论的先驱爱因斯坦却成了这一理论最坚定的批评者之一。第三章讲述了玻尔―爱因斯坦论战，这也是科学史上最深刻的论战之一。1927年10月，第五届索尔维会议召开，爱因斯坦在会上概述了自己最初的几个思想实验，令与会人员陷入了沉思。稍后我们会讲到爱因斯坦―波多尔斯基―罗森论证，即EPR悖论，以及1935年薛定谔的那只闻名遐迩的猫的悖论。途中我们稍做停留，去一览“绝对奇迹”——保罗·狄克（Paul Dirac）关于电子的相对论性量子力学。

要想研究量子理论，就得研究创立量子理论的物理学家。起初，我打算写一本量子理论界的“传记”，也就是以创立和完善量子理论的物理学家为基础的传记。但是其中涉及的很多物理学家，在世界上第一个核武器的研发中也扮演了关键角色，因此我就想把他们在战争期间的探索也包括进去，写一个很长的章节。本书的写作计划本就野心勃勃，再把这些内容包括进去就有些过分宏大了。于是我就把战争期间的故事拿出来单独成书，名为《原子：物理学第一次大战和原子弹秘史，1939―1949》（ Atomic: The First War of Physics and the Secret History of the Atom Bomb，1939 ― 1949 ），由图标图书（Icon Books）于2009年出版。后经出版社允许，我在本书中插入了一段插曲，而这段插曲就是从《原子》中提炼出来的，重点放在了1941年9月玻尔和海森伯在哥本哈根的那场声名狼藉的会面，当时哥本哈根已被纳粹占领。

战后，物理学家们重拾学术研究，而量子理论却陷入了危机之中。第四章讲述了由朱利安·施温格（Julian Schwinger）、理查德·费曼、朝永振一郎和弗里曼·戴森（Freeman Dyson）发起的一系列讨论危机的会议，这些会议的巅峰成果是促成了量子电动力学的发展。随后在1954年，杨振宁和罗伯特·米尔斯（Robert Mills）基于局域规范对称性发展了量子场论，这是人们始料未及的。1960年，谢尔顿·格拉肖（Sheldon Glashow）、阿卜杜勒·萨拉姆（Abdus Salam）和斯蒂芬·温伯格（Stephen Weinberg）继续深入研究，提出了电弱统一理论（unified electro-weak theory）的早期版本，并预言了“重光子”，即W粒子和Z粒子的存在。虽然这些努力大部分都被物理学界草率地否定了，但这段时期是理论物理学史上前所未有的高产期。这一时期的巅峰成果包括1963年默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）提出的夸克理论、引入对称破缺的概念及1967年提出的希格斯机制。

此时，量子物理学与粒子物理学融为一体。本书的第五章详细探讨了体积越来越大、耗资越来越多的粒子加速器和对撞机的重要作用，它们目前为止为证明量子场论收集的论据，逐渐形成了粒子物理学中大名鼎鼎的标准模型。1968年，斯坦福直线加速器中心研究发现，质子具有内部结构。我们在第五章中由此出发，接着去了解一种科学家猜测存在的粲夸克的发现，以及由盖尔曼和哈拉尔德·弗里奇（Harald Fritzsch）的量子色动力学理论描述的色力。

1974年，J/ψ介子（由一个粲夸克和一个反粲夸克组成）由斯坦福直线加速器中心和布鲁克黑文国家实验室在所谓的“十一月革命”中发现。随后，在1983年，欧洲核子研究中心观测到了W粒子和Z粒子。这些发现把物理学家引向了通往标准模型的道路。标准模型基于三“代”物质粒子的相互作用，这些粒子包括轻子（电子和中微子）和通过传递力的粒子相互作用的夸克。传递力的粒子包括光子、W粒子和Z粒子及传递色力的胶子。但到目前为止，标准模型中仍没有引力的一席之地。在第五章最后，我们来到2003年9月，物理学家在欧洲核子研究中心会聚一堂，庆祝他们取得的成功。

接下来，本书要退回到1951年，当时大卫·玻姆（David Bohm）对哥本哈根诠释可能带来的影响越来越不安。受爱因斯坦的鼓励，玻姆继续研究爱因斯坦、波多尔斯基和罗森的论点，将其进一步完善，把三人的思想实验带入了现实的王国。玻姆继续发展出了一套传统量子理论的替代理论，这套内容详尽的理论便是“隐变量”理论。

从这些故事出发，第六章追溯了当代实验的发展轨迹，而当代实验的目标就在于探求物理实在的本质。1964年，约翰·贝尔（John Bell）提出了贝尔定理和贝尔不等式，揭示了爱因斯坦质疑的本质问题，直截了当地检验了局域与非局域问题。具有决定性的实验，首先由阿兰·阿斯派克特（Alain Aspect）与其同事在1981年和1982年做出。该实验证明，量子世界确定无疑是非局域的。

随后一系列的实验证明，量子世界的确存在一些令人无法理解的特性，这令坚定的实在论者陷入绝望，苦苦挣扎。这些实验中包括马朗·斯库利（Marlan Scully）和凯·德吕尔（Kai Drühl）的量子擦除实验及证明宏观量子物体相互干涉的实验，以及与薛定谔的猫类似的非生命体实验室版本。安东尼·莱格特（Anthony Leggett）曾设想出一个不等式，第六章的最后介绍了安东·蔡林格（Anton Zeilinger）与同事为了验证该不等式在2006年前后做的实验。实验结果充分表明，我们不能继续认为测量所得的粒子属性就必然反映或代表粒子的本质属性。

这些实验明确地告诉我们，人类永远无法感知现实的“庐山真面目”。我们只能解释经验现实的某些方面，而经验现实是由我们使用的工具和所问问题的性质决定的。看起来，量子物理学已经完成了向实验哲学的转变。

一直以来，物理学家都想把两大物理理论——量子理论和义相对论——结合起来，统一为量子引力理论，或者换种说法将两者统一为能够描述宇宙间万事万物的“万物理论”。第七章，也是本书的最后一章，将介绍物理学家为此所做的努力。第七章从正则量子引力（canonical quantum gravity）方法——其数学形是惠勒―德维特方程（Wheeler–DeWitt equation）——的发展开始1974年，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）把量子场论应用到黑洞附近的弯曲时空，发现黑洞“并没那么黑”。

1984年8月，第一次超弦革命爆发，超弦革命有望提供一套理论，这套理论不仅能够解释标准模型里的所有粒子，还能容纳进引力子（引力子是一种假想的传递引力的场粒子）。但是，随着不同版本的超弦理论的出现，超弦理论不再具有独特性，早期的希望也随之破灭。差不多同时，正则方法以圈量子引力论（loop quantum gravity）的形式重出江湖。1995年3月，超弦理论在某种程度上热火重燃，这就是第二次超弦革命，直至今天，它依然在理论物理学中占据主导地位。

但是，超弦理论总是抓着模糊的隐藏维度不放，也无法做出经得起检验的预言，人们对它也就越来越没有耐心。量子理论再次陷入了危机，不过这在它110年的光辉岁月中可算是家常便饭了。自量子理论兴起之时，物理学界就一直痴迷于诠释，第七章末尾探讨了它依然能够扮演的重要角色。

本书最后一节的标题充满积极色彩：慰藉人心的量子。欧洲核子研究中心坐落在日内瓦，2008年9月，这里的大型强子对撞机（LHC）正式启动，目前已经耗资35亿英镑（约合310亿人民币），虽然启动后不久就发生了严重事故，但它为解决当前的危机带来了一些希望。至少，大型强子对撞机将能够确定希格斯玻色子的存在，从而证实对称性自发破缺机制，解释粒子如何获得质量，并给标准模型锦上添花。至少，它能够给出答案。

最好的结果则是LHC能够发现一些奇异的、全新的实验事实。如果这些实验事实无法用目前构成标准模型的量子场论解释，危机将进一步加深。到那时，物理学或许会经历一次重生。人们似乎只有在绝望的低谷中才能看到突破，推动量子理论在漫漫征程上驶向下一个阶段。最好的结果就是，LHC能够发现问题。

我在本书中所选择的“时刻”，大部分毫无疑问是量子理论史上的关键时刻，而有些时刻的作用则不那么明显。对于自己的选择，我认为都是有其道理的，但我也深知其中的风险，把这些“时刻”放在一起，读者可能会感觉本书描述的是一个通往科学真理的一帆风顺、不可抵挡的必然过程。

但是科学的发展可没有这么简单。限于篇幅，我们无法一一描述其中的所有死胡同与瓶颈。有些理论曾一时占尽风头，最终却被更具数据说服力的后来者取代。事实上，科学探索的过程非常混乱，通常没有逻辑，深受情绪因素的影响，而且由参与其中的个人推动向前，这些人就似“梦游”一般，偶尔走到了通往暂时性科学真理的道路上。

我要向牛津大学出版社的编辑拉莎·梅农（Latha Menon）表示感谢，感谢她的耐心、勇气和能力，把我的“野心”引向可实践的康庄大道。还要向阅读手稿并给出意见的安东尼·莱格特、卡洛·罗韦利（Carlo Rovelli）及彼得·沃伊特（Peter Woit）表示感激。当然，毋庸赘言，书中如果存在偏差、误见、错解等，责任都应由我个人承担。

量子理论与我们理解世界的常识性概念存在天壤之别，给人类的知识和心理带来了挑战，我希望本书足以明鉴这些挑战，并向那些起身迎接挑战的伟大物理学家致敬。对于那些通过应用一个“无人可以理解”的理论而能获得的成果，我希望本书也能予以充分的说明。

吉姆·巴戈特

2010年7月于雷丁