寻找薛定谔的猫(量子物理的奇异世界)

作者简介

约翰·格里宾(John Gribbin)，英国著名科学读物专业作家，萨塞克斯大学天文学访问学者。他毕业于剑桥大学，获天体物理学博士学位,现在是苏塞克斯大学的客座天文学研究员。曾先后在《自然》志和《新科学家》周刊任职。1974年约翰？格里宾以其关于气候变迁的作品获得了英国最佳科学著作奖。经常替《泰晤士报》、《卫报》和《独立报》撰写有关科学的文章，著作等身（50多部）其中包括《寻找薛定谔的猫》（海南出版社）、《大宇宙百科全书》（海南出版社）、《探索大爆炸》、《漫画时间史》（与凯特·查尔斯沃思合著）等书。

内容简介

第一章 光 艾萨克·牛顿创立了物理学，实际上他创立了一切依 赖于物理的科学。当然牛顿的工作也是在其他人基础上的 ，但正是由于他在300年前发现的运动三大定律及引力理论 ，才使科学走向通往空间飞行、激光、原子能、基因工程 、化学及其他一切的里程。在200年的时间里，牛顿理论( 现在称为“经典”物理)高高在上，处于统治地位；在20世 纪革新中，对物理的见识已远远超过了牛顿时代。可是若 没有那200年的科学发展，就不会有这种深刻的理论。本书 不是科学史，它更关注新物理——量子物理，而不是经典 思想。但就是在300年前的牛顿的工作中已有将要发生变革 的迹象——不是出于其对行星运动及其轨道或是著名的三 大定律，而是出于对光本质的研究。 牛顿关于光的想法多出于对固定形状物体及行星轨道 的行为的看法。他认识到，我们日常对物体行为的经验可 能是一种误导，一个物体或粒子在不受别的东西的影响时 一定与在地球表面的粒子不同。这里，我们日常经验告诉 我们，除非你去推一个物体，它会待在那儿不动，如果一 旦你不推它，它就很快停止运动。那么，为什么像行星及 月亮等物体却不停在它们的轨道上呢？有什么东西在推动 它们吗？没有。这是因为行星处于它本来的状态，与外界 没有联系，而地球上的物体总是相互关联着。如果我想将 钢笔拉过桌面，我的推力与桌面同笔之间的摩擦力对抗着 ，正是这种力才在我不推动时让笔停下来的。如果没有摩 擦，笔就会一直运动下去。这就是牛顿第一定律：除非有 外力作用于其上，一个物体总保持静止或以恒定的速度运 动。牛顿第二定律告诉我们外力(这里指推力)对物体的效 果。力改变了物体的运动速度，速度的变化称为加速度； 你将力除以物体的质量，就得到此力作用于物体产生的加 速度。通常，第二定律被描绘为另一种形式：力等于质量 乘以加速度。牛顿第三定律告诉我们物体是怎样反作用于 推动它的物体的：对于每一个作用存在大小相等方向相反 的反作用。我用球拍去打一个网球时，球拍推向网球的力 刚好等于网球推向球拍的力，但方向刚好相反；在桌子上 的钢笔，受重力向下压，其压力刚好等于桌面弹向它的力 ；火箭的燃气室中，爆炸过程产生的气体向后冲去的力则 正好产生大小相等但方向相反的推动火箭的力。 这些定律连同牛顿的引力定律，解释了行星绕太阳及 月亮绕地球的运动。适当地计人摩擦力，也就可以解释地 球上物体的状况。这些就构成了力学的基础。但这仍有隐 含的哲学上的困惑。根据牛顿定律，一个粒子的行为可根 据其他粒子对它的作用力及它本身受到的作用力确定。那 么如果能够知道这个宇宙所有粒子的速度与位置，就能够 精确地预言每个粒子的未来行为，从而预言这个宇宙的未 来。这是否意味着这个宇宙就像钟表一样，被造物主上紧 了发条放在那儿，沿着一条完全可以预言的途径运动呢？ 牛顿的经典力学提供了这种确定性宇宙观有足够多的支持 ，这两种图像给人的自由意志没有留下多少机会。是否我 们真的就是沿着预设好的轨迹度过我们的一生而别无选择 呢？多数科学家都同意让哲学家们去争论这个问题。而他 们却全力转向20世纪新物理学的中心。 是波还是粒子？ 牛顿的粒子物理论是这么的成功，难怪当初解释光行 为时，他也按照粒子论方法处理。无论如何，观察到的光 是走直线的，并且光从镜面反射时如一个球碰在一个硬墙 上一样。牛顿制造了第一台反射式望远镜，解释了白光是 由七色光合成的，在光学中做了那么多工作，可他总是基 于光是由一种称为微粒的小粒子流组成的假说。光线在穿 过光疏质和光密质边界时传播方向发生变化，正如光从空 气到水或玻璃中变弯(这就是为何搅酒棍在酒杯或桶中看来 是弯的)，只要假设微粒在光密质中走得快一点就能解释光 的折射现象。即使在牛顿时代，仍有与之完全不同的解释 。 荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯生于1629年，比牛 顿大13岁，是同时代的人。他得出一个观点：光并非是粒 子流，而是一种波。就像水波在海面或湖面上传播一样， 光通过一种不可见的“透明的以太”传播。就像在湖塘里 扔一颗石子引起的波传播那样，光在以太中传播是从光源 出发到各个方向的。波理论在解释反射和折射时能同粒子 说一样合理。虽然说在光密质的物质中光波的传播速度不 是加快了而是减慢了，在当时的17世纪没有办法测量光速 ，因此这方面的差别不足以区分这两种理论的优劣。可是 ，有一个关键的方面，在这点上可得到可以观测到的不同 预测。当光通过一个尖锐的边界时，它形成一个明显的边 界影子。这极像粒子流的行为，因为它沿直线运动。 P3-5