超越经典（代序）

如今，人们经常提到量子，量子到底是什么呢？有人说：“量子不就是电子、光子什么的，很小很小的粒子吗？”这句话不全对：量子不是任何粒子，但的确和“很小”有关！

一般地说，量子不是实物，而只是一种理论，一种说法，一种概念。固然，历史上也用过“光量子”一词，但实际上它就是光子。所以，一般不将“量子”看作粒子，而用它代表对量子力学、量子理论、量子现象等这些描述微观世界之物理概念的一种泛称。

量子一词来源于拉丁语，原意是不可分割，指的是物理量的不连续性，表征微观粒子运动状态的物理量只能采取某些分离的数值，也叫作被“量子化”。

可以用日常生活中的例子，如斜坡和楼梯，来比喻量子化。斜坡代表连续的高度变化，而楼梯则是“量子化”了的高度变化。

20世纪初期的物理学，接连经历了两次革命——相对论和量子力学。它们在人类科学发展史上，写下了浓墨重彩的一笔。相对论描述高速运动，量子力学描述微观规律，这两场革命突破了牛顿力学及麦克斯韦电磁场理论的经典观念，在许多方面改变了人类对大自然，对物质、时空、因果性等的基本认识，带动了20世纪整个自然科学和技术的发展，为人类文明开辟了新纪元。

然而，这两次物理学革命有一个显著不同的特点：相对论的建立几乎是爱因斯坦一个人的功劳，或者加上其他几个人的少量贡献。而量子力学却是群体的产物，它是当年最出色和最富激情的一代物理学家们集体努力的成果，是由众多耀眼的群星共同创建起来的丰碑。量子力学的建立及发展过程不愧为一个奇迹，其历时之久、人物之众、概念之深、争论之剧，都是科学史上前所未有的。

回顾当年量子力学创建的历史，那是一段群星璀璨、人才辈出的年代。普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、薛定谔、泡利、海森堡、狄拉克、贝尔……一个个闪光的名字！其中有开天辟地的老前辈，有思想深邃的大师，有初出茅庐的年轻学子，有奇思妙想的幻想者，也有埋头苦干的书呆子……

那一代物理人的共同特点中，最令人瞩目的是他们的年龄。看看当年那一批争奇斗艳、光彩夺目的科学明星们吧，当他们对量子力学做出重要贡献时，大多数是20~30岁的年龄。

爱因斯坦1905年提出光量子假说，26岁。

玻尔1913年提出原子结构理论，28岁。

德布罗意1923年提出德布罗意波，31岁。

海森堡1925年创立矩阵力学，24岁；1927年提出不确定性原理，26岁。

还有更多的年轻人：泡利25岁，狄拉克23岁，乌仑贝克25岁，古德施密特23岁，约尔当23岁……和他们比起来，36岁的薛定谔，43岁的玻恩，42岁的普朗克，该算是叔叔们了。

因此，量子力学是一首少年英雄们谱成且奏响了100多年的宏伟交响曲！

当我们回望量子论的历史，就像远航的水手回望当年给他（或他的祖先）指点航道的一座座灯塔。灯塔上的灯光忽明忽暗。年轻的水手们一个个航行远去，后方的灯塔越来越多，远处灯塔的灯光显得越来越暗淡，最后水手自己也变成了一盏灯，隐藏在历史的灯海中……

漫漫百余年，量子物理学跨越了一个又一个里程碑，成果斐然，而又百般不易，每前进一步似乎都举步维艰。

量子力学的建立和发展分为几个阶段。开始20多年是萌芽阶段，从经典物理碰到了与实验不符合的困难，晴朗天空上出现小乌云开始。1900年，普朗克在经典框架下引进“量子化”的想法来解决黑体辐射问题，之后，爱因斯坦、玻尔、索末菲等人继承其方法，解决了许多诸如此类的问题。这段时间之学说被称为“旧量子论”，标志着尚未建立系统的理论，只是对经典物理的某种“修补”方法。这是本书第一篇所描述的人物和时间段。

德布罗意提出的物质波思想，大大启发了物理学家们的灵感。海森堡一马当先，和玻恩、约尔当一起创建了矩阵力学；不久后，薛定谔波动方程问世，并且被证明与海森堡等创建的矩阵力学是完全等效的；又过了几年，英国物理学家狄拉克导出了将相对论和电子自旋包括在内的狄拉克方程。因此，在不到10年的时间内，量子理论如井喷似地创建和发展起来。有别于普朗克时代的旧量子论，人们将这一时期的理论称为“新量子论”，也就是如今我们所说的量子力学。量子力学的创建是本书第二篇的主要内容。

如何解释波粒二象性？如何诠释波函数？玻恩提出的概率解释，以及玻尔的互补原理、海森堡的不确定性原理等，共同构成了当年物理学界主流的“哥本哈根诠释”的理论基础。但这种观点却遭到了爱因斯坦的强烈反对。本书第三篇便围绕玻尔和爱因斯坦的几次论战，介绍两位创始人对量子力学的不同观点。玻爱之争中谁也说服不了谁，直到爱因斯坦去世，甚至可以说延续到现在，物理大师们对量子力学的理解仍然未能统一。

狄拉克为了解决从他的方程得到的负能量问题，提出了狄拉克海的假设，从而预言了正电子以及更进一步其他反粒子的存在。之后，这些粒子逐一被实验所证实，狄拉克的假设也成为量子电动力学和量子场论的基础。量子场论后来被扩展应用到两个不同的方向——粒子物理和固体（凝聚态）物理。

当年热烈论战的爱因斯坦和玻尔两位大师虽然都早已驾鹤西去，但物理学界对量子力学基础理论的研究及诠释问题的思考从未停止。玻姆于1952年发展了德布罗意的导波概念，提出隐变量理论，之后启发约翰·贝尔于1964年导出了著名的贝尔不等式，将爱因斯坦对量子力学的质疑，与玻尔的分歧，变成一个可以在实验室中验证的实验问题。如今，又是50多年过去了，贝尔不等式的实验进行得如何呢？得出了怎样的结论？我们在第四篇中将探讨某些实验问题，并且也同时对量子力学所引发的一些哲学思考，以及启发数学家们进行的工作，做一个总结性的描述。

在回顾历史，为量子英雄们画像、树碑立传的过程中，读者不仅可以了解到量子力学诞生和发展的来龙去脉，也能学到量子力学的基本概念和知识。更重要的是，从众多科学家们创建和发展量子力学的思考过程中，体会科学精神，明白科学方法，同时了解科学研究之艰辛，学会像物理学家们一样思考，同物理学家们一起享受成功的乐趣。

量子力学发展的百年历程中，还伴随着两次世界大战。特别是第二次世界大战中，许多犹太裔科学家包括爱因斯坦在内，都受到纳粹的迫害。在艰苦的学术生涯中他们还饱受战乱之苦，许多人被迫远走他乡、流离失所。他们不仅亲历了物理学的这场伟大革命，也切身体会到人类社会的灾难，见证了几十年历史的沧桑。此外，又正是这一代科学家们创建的量子力学和相对论，被应用到核物理中，并促使美国启动了曼哈顿计划，成功造出原子弹，胜利结束了战争。

最后，在附录中总结了一下量子力学100多年中的大事记。