量子物理学

作者简介

迈克尔·G.雷默（Michael G. Raymer），美国物理学会会士，美国光学学会会士，美国俄勒冈大学物理学教授。主要研究方向为量子力学、量子信息科学、非线性光学和激光物理。曾担任《物理评论快报》(Physical Review Letters）和《现代光学杂志》(Journal of Modern Optics）编委会成员。

内容简介

1什么是量子物理学？ 量子物理学是在“量子领域”里研究物质世界的基本组成——物质和能量。量子领域包含了自然界量子领域”里研究物质世界的基本组成——物质和能量。量子领域包含了自然界中无法用经典物理学解释的各个方面。我们讲的经典物理学，指的是17世纪以来由艾萨克·牛顿(Isaac Newton)和其他物理学家“推导”出的自然科学理论。推动这个理论发展的原因，主要是人们需要用它来解释各种各样的宏观物理现象，特别是针对那些人们所熟悉的物体，例如岩石、行星、海洋、云层、车轮、齿轮、滑轮、时钟和蒸汽机等。由于这些物体的力学本质，经典物理学理论又被称为经典力学。经典物理学理论在19世纪以后得以扩展，涵盖了电学和磁学。相比人们熟悉的物体，电磁场更难被看见，甚至很难被想象。但是在那个年代，人们还是或多或少地用力学概念来解释它们，也就是说，用到了经典物理学理论的基本概念。所以，自然科学的经典物理学理论在很大程度上关注所谓的“粒子”——在时间、空间内移动的独立个体，以及“力场”——使不直接接触的物体之间产生力的作用。比如，电场和磁场使带电物体之间形成力的作用，引出了诸如无线电信号和光波这样的现象，而它们存在于比单个粒子大得多的空间区域中。在1900年左右，科学家们第一次提出了原子的组成和构造，当时他们自然而然地认为，电子、质子和中子必然是基本粒子，而且它们的行为可以很好地用经典力学来描述。他们把电子想象成小小的行星，围绕着就像是太阳一样的原子核不停地旋转。但是，科学家们惊奇地发现，当他们试图使用牛顿的经典力学理论和电磁理论对原子的结构进行推算时，得出的理论预测结果却和真实世界的实验结果不一致。这个历史状况促使科学家们在1900年到1925年间进行了一场物理学的认知革命。这场革命对人类的影响甚至可以与法国大革命和美国独立战争相提并论。在这期间，科学家们为经典力学补充了更加强有力的理论，被称为量子力学，或者叫作量子理论。在这里我用了“补充”这个词，而不是“推翻”，这是因为经典力学还是非常有用的，它可以精确描述在人类可见范围内的各种物理现象。例如，我们没必要用量子力学来描述飞机、火车和汽车的运动。但是，我们需要用量子力学来解释电子和其他原子量级的物理现象。我们工作的难点在于，量子力学是一门极其抽象的理论，我们很难真正窥探到它的确切含义。令人欣慰的是，迄今为止，每次物理学家们直接运用量子理论，都可以很准确地解释各种物理现象。比如，沿着量子理论的思路，物理学家们成功理解了电子如何在半导体晶体中运动，从而利用半导体晶体制造出大部分现代化电子设备。如果没有这些知识，工程师们就无法发明计算机，也就不会有互联网以及信息社会。本书试图简单明了地回答下面几个重要问题：原子量级的物体和与其相关的力场，它们的哪些性质和表现不能用经典物理学理论来描述？我们如何用量子理论来理解这些物理现象？这些量子理论的知识怎样才能被好好地运用？最后一个问题会引出一些非常有趣的量子物理学的实际应用，这也就是我们所说的一个新研发热点——量子技术。 量子物理学怎样影响着我们的日常生活？ 对量子物理学的深入理解使人们研发了很多熟悉的科学技术、设备或仪器：激光，发光二极管(LED)，晶体管，包括计算机和智能手机在内的半导体电子设备，高存储量的电脑磁盘驱动器，闪存中用到的全电子内存，无磁盘化的笔记本电脑和在信息技术领域里随处可见的液晶显示屏(LCD)。近年在量子物理学的研究领域中出现了一项不太为人所熟知的发明，那就是高度安全的数据加密法。随着各种相关的社会新闻所反映出的人们保护信息内容的困难程度，以及个人或组织试图窃取互联网信息的猖獗程度，人们越发能感受到这个发明的重要性。现代电子设备，包括计算机和智能手机，都依赖电子的量子效应。广泛应用于消费品里的激光技术，则是利用了光子的量子效应。你也许会问，什么是电子和光子？它们的表现分别是什么？物理学家如何利用量子理论来解释它们看似奇怪的行为？“量子”这个词到底如何理解？你也许还会对现在新闻报道中提到的所谓量子计算或者量子技术的突破感到好奇。你也许会问，为什么量子这个词会让一些技术专家感到兴奋？什么是量子技术能够做到，而经典物理技术却做不到的？新的突破会不会创造出未来科技？本书将会探讨这些问题的答案。 什么是物理学理论，以及什么是物理学课题？ 一个物理学理论就是一种推理方式，它由一套已经被证实的概念和原理组成。我们用这些概念或原理来搭建一些“模型”，这些模型是自然现象的抽象表示。一个好的理论通常包含或者抓住了许多属于不同类别的物理系统的特征和表现。几乎所有的物理学理论都使用数学方法来表达。从这个观点上看，物理其实就是人类建造的物质世界的一个数学模型。如果一个理论要成为被证实的科学理论，它必须首先通过严格的实验检验。这些检验就是试图发现这个理论在某种情形下是否会失效。如果一个物理学理论通过了所有的实验测试，那么它就有可能被认为是“正确的”，从而人们可以放心地用它来为某些特定的情形建立物理模型。但需要指出的一点是，科学家们永远不可能真正证明一个理论绝对正确——他们只能说这个理论在目前所有能做的实验中都成功了。这个理论将来有可能会被一个更好、更完整的理论所代替。反之，如果实验结果和理论预测的结论截然相反，科学家们则有可能认为这个理论是错误的。物理学的各种理论并不只是简单地预测在某种情形下会发生什么。在理想状况下，物理学理论将通过它们之间的许多关联性来试图解释一个现象是如何发生的，以及在某种程度上，为什么这个现象会发生。诚然，当物理学家们需要解释自然界中那些超出人类知识范围的现象时，他们给出的“为什么”的答案其实只是“情况就是如此”。人们正是通过实验得知“情况就是如此”的。所以，什么是物理学课题？也就是说，物理学家们想努力得到什么？为什么人类需要建造物质世界的数学模型？有两个主要原因：为了满足好奇心，以及为了把知识加以利用。所有的物理发现，虽然绝大部分都是出于好奇心的驱使，但都有机会被广泛应用于现实生活中。只是有的很早就被利用，而有的却很晚。比如，根据半导体物理技术开发出的晶体管，就很快被用到了微型电路上，从而开始了现代计算机革命。而爱因斯坦1915年提出的广义相对论却直到约80年后才有实际意义的应用——它是建立全球定位系统(GPS)的理论依据之一，而GPS已经深深地影响着我们生活的各个方面。 为什么当我们谈论物理时会使用“模型”这个词？ 这个问题涉及了科学这个词的核心含义和它所扮演的角色。很久以前，哲学家们相信，自然哲学可以揭示世界上很多事物的本质，所以他们把自然哲学称为科学。近代以来，人们对科学的看法有了改变。现在，一个常见的观点是，科学并不能揭示世界内在的本质(即世界“到底是什么”)，而只是为世界的表现提供各种概念化的模型。在科学领域里，一个“模型”就是一种意识或概念化的结构体，人们用它来代表现实世界中到底发生了什么。所以，科学模型被设计成允许我们用它来预测被建模系统是如何真正演变的。这样的模型通常通过数学方法来描述。典型的例子就是，气象学家设计出的用来预测二氧化碳的增加对地球大气产生影响的算法程序。然而，重要的一点是区分概念化模型和这个模型本身代表的系统。打个比方，一个玩具火车可能是真火车的优质模型，但没有人会把玩具火车和真火车混淆。量子物理学所试图模型化的是自然界中最基本的要素，但是我们不能把量子物理模型(也就是一整套概念和数学表达式)和真正的事物(自然界)混淆。如果我们无法区分这两者，严重的话有可能陷入一个误区，用著名的科普作家吉姆·巴戈特(Jim Baggott)的话来说，就是“物理童话”。人们渐渐地改变了对科学的看法，意识到科学只能提供概念化的模型，这个历史进程和量子物理学的形成过程有着紧密的联系。由于我们无法看到、直接触摸到、甚至推断出像电子之类的微小物体到底是什么，因此，当涉及量子层面的自然界时，我们被迫在更抽象、更远离现实的层次里进行研究。由于所有的事物都是由某种“量子物质”组成，许多科学家相信同一种理解最终会适用于一切事物。 为什么2015年是量子物理学特别成功的一年？ 当我还在写这本书的时候，3组科学家团队宣布，他们在实验中第一次确认了，两个精心准备的、具有相关性的物体产生的实验结果无法用经典物理学理论解释。具体来说，来自荷兰的代尔夫特(Delft)、美国科罗拉多州的波德(Boulder)，以及奥地利维也纳(Vienna)的物理学家们，对空间上分离但具有关联性的物体进行了测量，他们的实验结果一劳永逸地终结了经典物理学世界观中所谓的“本地现实性”。经典物理学世界观本身是基于下面的假设：当具有物理属性的物体被测量时，这些物体携带有特定的属性或者“指令”来指导它们如何对测量产生反应这就是“本地现实性”。——译者注，而所有对任何物体产生物理影响的行为都无法以超光速传播这就是“因果关系”。——译者注。在经典物理学世界观中，两个物体可以有相关性。例如，两个球体被涂上相同的颜色，虽然具体是什么颜色没有人知道，但是，球的颜色在被观测前已经确定了。如果有人看到了一个球的颜色，那么，他也会立即知道另外一个球的颜色。用来测试“本地现实性”的实验被称作“贝尔实验”，它因物理学家约翰·贝尔(John Bell)而得名。现在，作为经典物理学理论基础的“本地现实性”这个假设，被“贝尔实验”的结果证明是错误的。这个意义深远的结论来自对两个遥远的物体分别进行测量，虽然单个物体的测量显示出了无序而随机的结果，但是把两个物体的测量结果进行比较时，却显示出惊人的相关性。这样的实验结果公然违抗了自然界如何运转的常识性观点(同样，在经典物理学的观点中，测量结果看起来可能是随机的，但它们在实际测量之前就已经确定了)。另一方面，量子理论却可以被用来完美地模拟上述实验，并且给出合理的解释。它无须用到测量前实验结果已经确定的准则。这就意味着量子理论和“本地现实性”不一致。20世纪60年代，约翰·贝尔首次从理论上证实了这一点。以上我提出的这些论点，似乎给“现实性”的真正意义提出了深刻的哲学启示。但到目前为止，下面的问题仍然是个谜：既然不能把两个远程实验的结果想象成揭开各自被测物理量预先确定好的数值，那为什么强大的关联性还会出现呢？本书中的一些章节将着重解释贝尔实验，以及所谓的量子纠缠是如何解释具有相关性的实验结果的。 为什么有些物体可以用经典物理模型来描述，而有些却需要用量子物理模型来描述？ 这个问题很难用一句话来回答，所以贯穿本书我将着重笔墨来给出这个问题的答案。简洁地说，主要有两个原因：微小性和相干性。在这里有必要扼要地总结一下这两个性质。微小性既可以指物体的体积大小，也可以指物体所具有的能量大小。如果物体的体积大小是在原子量级的(大约是10-10米)，那么我们几乎可以肯定它不能用经典力学模型来描述，而必须用量子理论。然而，有趣的是，反之则未必正确：在实验中，人们观察到，物体体积大到毫米量级依旧能显示出量子性。举个例子，能量微小(或者说是低能量)可以指在略高于绝对零度(-273 ℃)的环境下金属导线(超导体)中电流所具有的特性。低温就意味着低能量。另外，低能量又可以指微弱的闪光，其能量微弱到只有一个100瓦的灯泡在1秒内的发光量的非常非常小的一部分(大约是10-21)。这样的闪光被称作一个光子，指的是一种特定颜色的光所具有的最小的、独立的单位能量。这个独立的单位能量也经常被称作“光量子”。如果一束闪光具有较高的能量，那么我们就认为它具有很多个光量子。我们将会在以后章节中更详细地描述光能量的可独立单位化，因为它就是“量子物理学”名称的来源。从原则上来说，一个像光子这样的单独的量子个体，可以跨越很大的一个区域，比如，长达若干千米的区域。虽然每个光子在尺寸上是很大的，但它具有的能量却是很低的，所以说量子理论仍然适用于光子。一个物体需要用到量子理论而不是经典物理学理论的另外一个原因是“量子相干性”。这是一个非常微妙的概念。量子态是量子理论里用来描述物体状态的用语。在理解量子态的含义之前，量子相干性的含义通常是很难被正确理解的。这里我提前透露一下后几章将要讲到的内容：量子物体的表现看上去是完全随机的，虽然这种随机性并没有任何内在的物理机制。对于像电子这样的物体来说，量子相干性是量子理论中用来解释为什么电子在被观测到之前是有可能处在不同的空间位置的。从某种意义上来说，人们常用的逻辑思维方式，如“电子在这里或者不在这里”，并不适用于量子物体。相反，“电子在这里或者不在这里”的两种可能性必须以叠加的方式存在于我们的思考中，而不是说这两种可能性只能取其一。量子相干性使“可能性叠加”成为物理上可实现的量，我在以后的章节中会解释这一点。 什么是组成物理世界的最基本实体？ 这是一个很大的问题，过去几个世纪的物理研究就是为了能够回答这个问题。最简洁的答案是，几乎所有我们人类可以直接感知的物质都是由原子组成的，而原子又是由电子、质子和中子组成。电子被认为是物质的最“基本”成分是因为电子不能由更小的成分组成。(注意，在这里我没有使用“基本粒子”这个词。我不想让这个词所表达的意思产生任何歧义。)另一方面，质子和中子又由更小的基本成分夸克组成。夸克很有意思，除了聚合在一起形成质子或中子外，它无法单独存在。夸克是在始于1968年的高速电子撞击质子的实验中被发现的。撞击后电子的偏转图案显示质子内部具有精细结构。根据实验结果，人们建立了一个具体的量子物理模型，其中每个中子和质子都由三个不同类型的夸克组成。这个模型也为后续实验提供了具体的预测，并且这些预测都得到了证实。所以我们有充分的理由相信夸克模型是正确的。另外一个重要的实体就是电磁场，它指的是在带电体或者磁体周围环绕着的电场和磁场的组合体。电磁场也是“势力场”，它不仅仅只是传导静态电磁力，它还构成了无线电波和光波。在前面我已经提到了这一点。无线电波和光波具有能量，而能量最简单的定义就是有能力造成物体的运动。举个例子，当一束无线电波被天线捕捉到时，它造成了电子在金属天线里的运动(这个运动可以被探测到，并被放大从而驱动扩音器)。这个现象已经在经典力学中被详细描述了。在量子领域里，光被看成由光子组成，而光子又被大致想象成无线电波或者光波中像粒子一样的具有能量的实体。光子是基本的，因为它们没有其他组成成分。甚至对于光子来说，它们不具备精确的“空间位置”或者“地点”这个概念——一个我们通常和粒子联系在一起的概念。尽管如此，我们在以后的例子中仍会看到，光子在某种情况下表现得像粒子一样。与此同时，我们知道光有时又表现得像波一样，所以光子也有波动性。因此，在经典物理学中光子既不是粒子也不是波。你们也许感觉到了，我使用了避重就轻的语言来描述光子，这其实就是因为很难说清楚什么才是真正的光子，也很难精确地观察光子的运动表现。对于光子的这种模糊性，物理学家们早就习惯了。他们知道如何调配适当的数学工具，来预测与光子有关的各种实验结果。然而，物理学家们还是无法简单地描绘出这样的场景是如何形成的。对于某些人，比如我，这种困惑使得我们觉得量子物理学变得越发有趣而且引人入胜。现实中还存在其他像粒子一样的基本实体，比如介子、μ子、正电子，以及中微子。同时，除了电磁场外还存在其他类似场一样的基本实体，比如在原子核中把质子和中子结合在一起的强力场。在粒子物理学领域里，“标准模型”是具有完备体系的理论模型，它基于量子力学，包含了所有我在这里提到的和未提到的基本实体。这个高度抽象的数学模型，成功地预测了在自然界中与已知基本实体有关联的所有现象和过程。在2012年，科学家们首次探测到了希格斯玻色子的存在，这个里程碑式的发现是支持标准模型最有力的证据。标准模型的发现以及对它进行的实验验证，是人类历史上的一个杰出成就。然而，在宇宙中仍然有很多未知领域等待我们探索：例如，所谓的暗物质和暗能量。天文学家们通过对遥远星系运动的分析得知它们的存在。事实上，科学家们估计95%的宇宙是由这些未知物所组成的。当将来某一天，暗物质和暗能量被发现时，我们可以预计标准模型也需要升级换代。即便如此，很多科学家还是认为，用量子理论来模拟世界的基本方式并不需要改变。 光在经典物理学和量子物理学中的描述有何不同？ 每个人都很熟悉光，而且光是人们用量子理论所描述的第一个现象，所以就让我们选择光作为本书中详细讨论的第一个例子。就像我前面提到的，光是具有能量的电磁波。在经典物理学理论中，光的能量在光束所占有的空间里被想象成是平滑(指连续而又光滑)传播的。例如，当我们用激光笔瞄准屏幕时，光的能量在光束中平滑地在指针和屏幕之间扩展，以及在被光照亮的屏幕区域上光的能量也是平滑分布的。这有点像一艘船在湖面上荡起水波，水波的能量连续不断地分布到周围的水域中，并且最终以平滑分布的方式到达湖岸。任何波动都和“频率”有关。光波的频率是指光波在电磁场中振动的速度。光波的频率和光的颜色是直接联系在一起的：蓝光比红光的频率更高。以上关于光在经典物理学中的描述是可以直接应用到量子物理学中的，但是有一点重要的区别：尽管光波的能量在空间中扩散，但是当能量从光波中释放时，整个过程却是以很多小能量块的形式释放出来。我们把这样的表现称作光探测的离散性。 光探测的离散性具有什么物理意义？ 当你看到一个被灯泡照亮的物体时，你可以去观察该物体的形状、颜色，以及质地。如果它质地光滑，颜色均匀，你看到的物体将会拥有一个亮度均匀的表面。如果灯泡的亮度是可调节的，那么当你把灯泡调亮一点点时，你会看到物体的表面也会亮一点点。我们把这样的变化形式叫作“连续型”。与之相反的就是“离散型”，意思是指某些东西以“一步一步”或者“一块一块”的形式出现。比如，轮椅坡道是连续的，而台阶却是离散的。比如，一幅油画是连续的(至少对不小于油漆颗粒大小的尺度来说)，而这幅画的数码照片却不是，因为它在照相机上以液晶显示屏的每个像素(远大于油漆颗粒)为基础，以离散的形式呈现出来。想象一下，如果光源的亮度被大幅度减弱，情况会如何变化？在这种情况下，照片会显得很有“颗粒感”(几乎所有的摄影师都知道这个效果)。你可以试着在光线很暗的房间里拍一张照片，然后用软件把照片的亮度提高，你就能看到同样的效果。你会发现，照片的亮度会显得不是那么均匀。事实上，一些像素会显得太亮，而另外一些却又显得很暗。无论是使用数码摄影技术还是旧时的化学胶片摄影技术，照片都会出现这样的效果。“颗粒感”这个词其实就是从胶片中所含的感光成分——微小的氯化银晶体颗粒——而来。照相机的像素矩阵都是很均匀的。也就是说，所有的感光像素具有相同的大小和几乎相同的感光性。即便如此，如果曝光量低的话，照片也会呈现出颗粒感。这是因为，每一个像素都需要获得一定的最低光能，才能产生出一个传送至相机内存里的电信号。如果打到整个像素矩阵上的总光强过低，那么只有一小部分的像素能够产生电信号。所以，拍的照片就显得很有颗粒感。除此之外，另一种解释颗粒感形成的原因是，灯泡发出的光明暗不均，从而导致一些像素会获得更多的曝光。为了去除后面一种可能性，我们用激光取代灯泡。激光发射出一束很宽的光束，“照亮”了照相机的所有像素。激光产生的光束可以做到均匀分布在所有像素上。在经典物理学模型里，这意味着每一个像素都会获得来自激光的绝对稳定的功率。当然了，照相机的像素矩阵也可以做到吸收打在所有像素上的光能。假设像素矩阵在微弱的激光中的曝光时间仅仅是1秒，如果我们用经典物理学来分析，我们会预计当激光强度低于某种程度时，在这一秒钟的曝光时间内将没有像素可以获得足够的能量来“释放”出一个电信号到照相机的内存中。但是，我们观察到的结果却并非如此。事实上，当光强足够低时，我们观察到有一些像素“释放”了电信号而另外一些像素却没有。尽管激光是完全均匀地分布到所有像素上，但是当激光的能量被释放时，这个释放过程看上去却是离散的。如何正确理解我们观察到的结果呢？答案是使用量子物理学模型，该模型告诉我们，尽管电磁波是完全均匀地分布在所有像素上的，但是当电磁波的能量被释放时，它的表现是“一块一块”的，也就是我们常说的“量子”性。量子物理学理论解释的奇妙之处在于，它暗示电磁波的能量可以被全部聚集在一个像素上，从而使这个像素获得足够高的能量来“释放”一个电信号，而经典物理学理论却认为没有任何一个像素可以获得足够的能量。平心而论，光在被像素矩阵探测时的表现，暗示了光场具有某种粒子属性。但这并不意味着光就是由小的粒子，或者说是光子组成的。这只是表明，在某种场合下，光表现得好像它就是完全由光子组成的一样。阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)因为发现光的这种表现而获得了诺贝尔物理学奖。 人们有可能制造出并且探测到单光子吗？ 答案是肯定的，而且有很多方法可以做到。这里举一个只是概念上的例子：在某个地方我们分离得到一个原子——假设是一个钠原子——并且把一束橘红色的短激光脉冲照射到这个原子上。尽管我们不知道光脉冲的能量含有多少个光子，但我们可以做到让那个原子仅仅吸收光脉冲中相当于一个光子的能量。经过一段时间以后，这个吸收了能量的原子将以发射出一个光子的形式把能量重新释放出来。我们可以使用透镜和反光镜把产生的单光子导向想要的方向。在实验中我们也可以测试，通过上述方法得到的是不是单光子：把产生的光投射到一个单面镀银的反光镜上。这个镜子其实就是一块透明的玻璃，它的一面镀上了一层薄薄的银。对于这样的镜子来说，大约有一半的光将透过镜子，而另一半的光将被镜子反射。这也就是为什么戴上镀银的太阳镜，是到光线弱了，但是你还能看得很清楚。在图1.1中，每个圆柱体代表了一个光探测器。每个光探测器都有可能接收到一些光信号。然而，在实验中，我们观测到每次只有一个光探测器接收到了光信号。其实这很好理解，尤其是如果简单地把光当作一束粒子，那么每个粒子要么穿过镜子，要么被镜子反射。如果只有一个粒子存在，那么每次就只有一个探测器会发出信号。图1.1从一台激光器中发出的光脉冲，把能量作用到一个单原子上，这个原子将以光的形式再把能量释放出来。释放出的光穿过一个半透明的镀银镜子，从而被分成两束，分别打到两个光探测器上。每次进行实验时，只有其中一个光探测器会发出信号。但是，把单光子想象成单个粒子，并且想象它到达镜子后可以自由选择去哪一个光探测器，这样的想象其实并不正确。因为如果把光探测器换成其他设备，实验结果有可能会让我们认为到达镜子上的光表现得更像是波而不是粒子。在后续章节中我们会讨论这类实验。在这里，如果换成量子力学的说法，就是单光子所包含的电磁场，虽然表现得像波一样，可以到达两个光探测器，但是，它所含的能量却只可以使其中一个光探测器发出信号。也就是说，一个光子的能量值不知何故被集中到了一个光探测器上。所以，尽管我们可以说，在上述实验中只有一个光子，但不能说一个光子就是一个粒子。在这里，更加准确的说法是，单光子的光包含了一个光子的能量；当光被探测时，它的能量无法再被分割。正因为如此，我们说光子是“基本的”——它无法再分成更小的几个部分。 量子物理学是如何被发现的？ 发现量子物理学的奇闻轶事引人入胜，有很多书已经详细描写过。但是回想起来，对我来说，20世纪初人类花大力气来创立量子理论，除了说明量子物理学本身很难以外，更重要的是，它指出了人类当时(其实现在也是)要跳出经典物理学的思维有多么困难。所以，这本书不会详谈物理学发展史，只会在需要澄清某个物理学知识时才会提及。在本节里，我将通过列举物理学中令人瞩目的成就来描述物理学发展史的缩影，并指出这些成就如何推动了量子物理学的发展。同时，我也会介绍一些前面没有提到的量子物理学的概念，尤其是量子场论。早期的哲学家和科学家，就像牛顿，都曾对光的本质有过浓厚兴趣——它到底是波还是粒子？或者两者都不是？直到20世纪，陆续的科学实验证据才使科学家们能够试着回答这个问题。接下来发生的故事是这样的：设想一个完全由黑色材料组成的物体(黑体)被加热到很高的温度时，它会发出不同颜色的光，这和厨房里做饭用的电热丝加热发光是一个道理。如果这个物体温度够高，那么它发出的光看上去是白色的。我们用一个棱镜把白色的光中所含的光谱分离出来，然后用光探测器测量不同颜色光的亮度。当科学家们把测量到的光谱亮度和根据经典物理学理论计算的结果进行比较时，发现两者并不吻合，这暗示着经典物理学理论需要进一步完善。德国物理学家马克斯·普朗克(Max Planck)发现，经典物理学理论的问题在于它的一个看似合理的假设。这个假设是指：在黑体辐射里热物质和光能之间存在着能量互换(也就是说，热物质吸收和发射光达到了动态平衡)，而且能量是以连续的形式存在的。为了使计算结果和实验相吻合，普朗克尝试改变经典物理学的理论模型。他的改动并不大，只是很小的一点。他做了新的假设(在他的那个时代，这个假设是非常大胆的)：物质和光之间可以互换的能量是以离散的形式存在的。他的具体假设是，这种离散型能量的单位能量和光的频率(与光的颜色有关)成正比，而比值就是现在为人熟知的普朗克常数。让物理学界惊讶的是，根据普朗克模型计算出的光谱亮度和实验结果完美吻合。普朗克模型的成功启发了阿尔伯特·爱因斯坦。他对光提出了一个宽泛的假想。他设定，一种颜色的光所含有的能量是离散的，而不是经典物理学中所预期的连续的。他把光的离散型能量的数值称作“光的量子数”。同时，他把其中单位能量的光称作光量子，这也是我们现在经常说的“光子”。爱因斯坦进一步假设光量子不可继续分割，并且它和光吸收材料之间的作用也是整体性的：每个光子要么被吸收，要么没有被吸收；它不存在一部分被吸收的情况。根据这些假设，爱因斯坦发现了一个可行的理论，正确地预测了原子是如何吸收和发射光的。普朗克公式在1960年成为科学家们发明激光的理论基础。这再一次印证，几乎所有的技术发明都是从基础科学里的某些重大发现中生根发芽的。尽管有的时候，两者之间有很长的时间差。在普朗克思索出如何解释热物体会发出平整的彩虹型光谱之后不久，其他科学家也研究了单一元素气体(比如氖气)在通电状态下发出的光，这样的光也是我们现在常见的灯泡中发出的荧光。但是在那个年代，氖原子被认为是由一个含有10个质子和10个中子的原子核，以及包围在其周围的10个电子所组成的。而且科学家们知道电子是一种“物质”，因为它有质量，这一点和光子不同(光子没有质量)。电子围绕原子核运动的方式通常被想象成一个微小的行星在绕着一个微小的太阳不停地旋转。通过这样的模型，经典物理学理论预测，当氖原子中电子所含能量被释放时，产生的光的颜色在一定范围内应该是连续的。但是，实验物理学家却发现，氖原子发出的光是由几种独立的颜色组成的，而不是平整的彩虹型光谱。这个无法用经典物理学解释的现象在当时是个巨大的谜团。长话短说，到了1925年，物理学家们已经意识到，通过把电子当成行星这个假设而得出的理论模型应该是有漏洞的。也就是说，电子的运动不应该是像行星绕着太阳转那样，或者说不是一团物质绕着既定的轨道在原子核周围运动。当时身为巴黎大学物理系研究生的路易斯·德布罗意(Louis de Broglie)首次提出了电子的运动可能和波有些相似——这是一个电子的非粒子性观点。埃尔温·薛定谔(Erwin Schrodinger)把德布罗意的这个观点用数学方程(薛定谔方程)演绎出来，并且完美地预测了电子在给定的原子类型中有可能产生的、像波一样的图像模式。他证明了每个波一样的图像模式和特定的波频率有关，根据普朗克的想法，也就是和特定的能量有关。他进一步发现，当电子从高能量的图像模式变迁到低能量的图像模式时，它发出了某种特定频率的光，也就是具有某种颜色的光。于是，薛定谔方程就能正确地预测在实验中观测到的原子气态灯泡所发出的、具有独立颜色性质的光谱。由于薛定谔方程是具有划时代意义的重大发现，同时对物理学家来说它显得那么的优美而动人心魄，因此我在脚注里写出了这个方程的具体形式。 在这里我们还是略过很多重要的历史细节，再次把目光放到1925年，当时马克斯·玻恩(Max Born)、维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)以及帕斯夸尔·约尔旦(Pasqual Jordan)正在思考下面的问题：根据经典物理学理论中的麦克斯韦方程组，物理学家们相信电场和磁场是在这个世界里真正存在的“东西”。但是爱因斯坦却给漂亮的经典电磁场理论带来了挥之不去的困惑，也就是他所谓的那个表述很不清楚的光量子。光子的概念和场的概念有什么联系呢？玻恩、海森堡和约尔旦很想知道这一点。他们想，如果电磁场是真正的“东西”，那么这个“东西”必须要用量子理论来描述。他们建立了一套数学体系，也就是我们现在说的量子场论。他们的理论显示，如果假设电磁场，而不是光子，是自然界最基本的“东西”，那么量子场论就能自然而然地把光子的本质描述成光的粒子性。1927年，当时还只有25岁，刚从英国剑桥大学毕业的保罗·狄拉克(Paul Dirac)，第一次使用新的量子场论来回答原子是如何吸收和发射光量子的。他使用了自己的数学方法，成功推导出和爱因斯坦根据普朗克的观点提出的设想相一致的结论。狄拉克这一里程碑式的成果为量子场论的发展奠定了坚实的基础。不久之后，物理学家们，从帕斯夸尔·约尔旦和尤金·维格纳(Eugene Wigner)开始，试图把类似的方法运用到电子上。电子是一种物质，电子具有质量，而光子却没有。物理学家们认为，如果光的理论基于“电磁场是自然界中最基本的‘东西’”这个假设，而光子就是电磁场的量子特征，那么同样的逻辑也可以用在物质身上。也许存在着一种“类电子物质场”，而电子只不过是这个场的量子性的特征表现而已。物理学家们发现，这个想法从数学的角度来说讲得通。于是他们开始相信，也许各种物质场也是自然界中实实在在的那些有形的“东西”。但是当时没有实验可以验证这个观点是否正确。最终，到了20世纪60年代，实验结果显示，只有在理论中同时用到两种量子场——电磁场和物质场，一些物理效应才能获得最佳的解释。这些实验涉及了两种量子场的直接作用。举个例子，在实验中，物理学家们观测到，当一个能量非常高的电磁场和类电子物质场相互作用时，电磁场会失去一个光子的能量而类电子物质场会获得一个电子的能量。如果用类似粒子效应的语言，我们可以说一个光子被消灭了，同时一个电子被创造出来了。与此同时，实验中观察到了一个全新的物质场，也获取了能量，创造出一种叫作正电子的像粒子一样的物质。正电子具有电子的所有属性，只是它所带的是正电荷而不是负电荷。理论物理学家们发现，与其把这个物理过程说成粒子类的物体出现或者消失了，不如把它说成这些粒子类的场获得或者失去了一个量子等级的能量来得自然和贴切。这也意味着量子场——而不是基本粒子——被认为是自然界最真实的“东西”。所以，通过理论的提出和实验的验证，大部分物理学家已经承认量子场是组成物质宇宙的基本载体。在这个观点中，所谓的粒子只不过是量子场物质化的表现而已。量子场论最终演化成了粒子物理学中的标准模型。这点我们在前面几节中已经提到过。这个理论也是人类到目前为止所拥有的最先进的理论。在这个理论里，不同的基本粒子(电子、夸克、中微子等)都被认为是来自其自身所对应的量子场。也就是说，除了有类电子物质场，还有类夸克物质场、类中微子物质场等。这些量子场之间通过某些中介力场，比如说以光子为特征的量子电磁场，而发生相互作用。事实上，在标准模型中，所有已知物质种类以及已知力场都被表述为量子场。在这样的观点中，所有的东西，包括组成你的原子和把你黏合在一起的力，都是互相作用的量子场。你就是一个客观上能自主运动，而微观上却由许多互相作用的量子场组成的集合体！ 本书解答了像“量子纠缠的含义”这样宽泛的问题，和像“为什么世界各国政府都在花费数十亿美元开发量子技术研究”这样具体而又适时的问题。作者列出了涉及量子物理学的一系列问题和观点。从数据加密和量子计算的应用、原理到像“量子非定域性”这样的概念，再到海森堡的不确定性原理，本书形成了对一个几乎无处不在的科学话题的广泛介绍。