《量子世界：寫給所有人的量子物理》

[美]肯尼斯·福特 著 王菲 譯

外語教學與研究出版社/2024.1/79.00元

[美]肯尼斯·福特

退休物理學教授。早年畢業(yè)于哈佛大學，在普林斯頓大學取得博士學位，曾任美國物理聯(lián)合會（AIP）負責人，退休后曾在杰曼鎮(zhèn)中學教物理。著有多部物理學方面的教材和著名物理學家約翰·惠勒的傳記《約翰·惠勒自傳：京子、黑洞和量子泡沫》。

王菲

博士，北京理工大學物理學院教授。研究方向為原子與分子物理。參與編寫《原子結構與光譜》《大學物理》，翻譯《物理學：卷2（電磁學、光學與近代物理）》等教材、《愛因斯坦草坪上的不速之客》等科普圖書。曾獲首屆北京市高等學校青年教學名師獎、霍英東基金會全國高等院校優(yōu)秀青年教師獎，多次榮獲省部級教學比賽一等獎。

微觀粒子是宏觀世界的“磚石”，但粒子世界的規(guī)律卻與我們習以為常的宏觀世界相悖，這說明我們基于直接感知的日常世界觀是有限的。本書分析了這兩個世界的不同之處，以及物理學家們?yōu)榻忉屃Ｗ有袨楹土Ｗ訕嫵伤岢龅钠嫠济钕?。由于受到了物理教師們的歡迎，為滿足他們的要求，作者在書的最后增加了“量子練習題”部分，可供教師們使用。

應該指出的是，在量子物理中，要想把是什么（比如粒子）和發(fā)生了什么（即定律）區(qū)分開來并不容易。在20世紀之前，經典物理已經發(fā)展了三個世紀，是什么與發(fā)生了什么之間的區(qū)分是非常清晰的。例如，地球（是什么）按照力和運動定律圍繞太陽作軌道運動（發(fā)生了什么），至于地球由什么組成、地球上是否存在生物、地球上的火山巖漿是在噴發(fā)還是在休眠等等這些特點，對于地球圍繞太陽的運動規(guī)律毫無影響。再舉個例子，一個振動中的電荷將產生電磁輻射，而這輻射根本不“關心”電荷的攜帶者是電子、質子還是電離態(tài)原子，抑或是乒乓球，它只“知道”某種帶電體正在以某種方式振動，但并不“知道”也并不需要“知道”到底是什么東西在振動。振動物體的種類（是什么）對發(fā)射出的輻射（發(fā)生了什么）毫無影響。

但是對于粒子，事情就沒這么簡單了。粒子是什么和它們如何運動是緊密關聯(lián)在一起的，這正是亞原子世界的全部奇妙所在。因此，在接下來的幾章中，凡是粒子性質與粒子行為攪在一起之時，都將是你們（以及我）不得不小心處理之處。

我們暫且不去探究亞原子世界為何如此奇妙、如此不可思議和令人驚奇，問題在于那些有關極微小和極高速領域的定律為何與常識如此截然不同，它們何以將我們的思維擴展到了極限？它們的奇妙無法預期。經典物理學家們（處在1900年之前的物理學家）曾想當然地認為，那些來自我們周圍世界以及我們所能感知的世界的普通概念也會作為知識的積累而繼續(xù)適用于自然界中那些超出我們感知范疇以外的領域——小到無法觸及，快到轉瞬即逝。另一方面，那些經典物理學家也沒有辦法去了解這些規(guī)則是否還將保持不變。那么他們如何確定——或者說我們中任何一個人如何確定——這些源于普通觀察的“常識”是否還適合于對那些我們看不見、聽不到、摸不著的現象進行解釋？

事實上，過去百年的物理學發(fā)展已經告訴我們，常識對于新知識領域的引導作用微乎其微。沒有人能夠預知結果，但人們也不必因此而感到驚訝。日常的經驗形成了我們對于物質、運動以及時空的看法，常識告訴我們：固體是堅固的，所有精確的鐘表都是保持同步的；物質碰撞前后的質量是保持不變的；自然界是可預測的。也就是說，只要我們輸入足夠精確的信息，就能得到可靠的預測結果。但是當科學延伸到日常經驗范疇之外時——例如進入亞原子世界——事情就截然不同了。固體物質內大部分空間是空蕩蕩的；時間是相對的；質量在碰撞中將會獲得或失去；無論輸入多么完備的信息，其結果都是不確定的。

為什么會這樣？我們不知道原因。常識本應延伸到我們的感知范圍之外，但實際上卻沒有。這說明我們基于直接感知的日常世界觀是有限的。我們只能重復資深電視新聞節(jié)目主持人沃爾特·克朗凱特（Walter Cronkite）的告別語：“事實就是如此?！蹦慊蛟S會著迷，或許會困惑，或許會迷惘，但你不該感到驚訝。

在我50歲那年，也就是1976年，已知的亞原子粒子已經達到數百種，其中一些在20世紀30年代已被發(fā)現，20世紀40年代發(fā)現了更多的亞原子粒子，到五六十年代，亞原子粒子的發(fā)現更如潮涌。物理學家們已經不再把這些粒子稱為“基本粒子”或“基礎粒子”，因為已有太多粒子被如此稱呼。不過隨著粒子數量逐漸失控，物理學家們也逐漸提出了簡化方案，似乎只有易于處理的少數粒子才是真正的基本粒子（包括人們至今仍無法直接看到的夸克）。大部分已知的粒子包括我們的老朋友質子都是可分的，也就是說，是由基本粒子組合構成的。

我們還可以看到，在較之更早的數十年前我們對于原子和原子核的理解與此多么地相似。1932年發(fā)現中子（一種不帶電荷的中性粒子，質子的同胞）時，已知的原子核的數量已達到數百種。每種原子核都通過其質量和所帶正電荷進行區(qū)分，原子核的電荷數決定了原子數，或者說決定了原子核在周期表中所處的位置。換言之，就是決定了元素的種類（元素是具有獨特化學性質的物質）。氫原子核帶有1個正電荷，氦原子核帶有2個正電荷，氧原子核帶有8個正電荷，鈾原子核帶有92個正電荷等。有些原子核帶有相同電荷（因而屬于同種元素）卻有不同質量，圍繞這些核形成的原子被稱為同位素。這數百種原子核中大約有90種原子核平均每個有兩到三個同位素，科學家們認為它們應該由少數更基本的結構組成，但是在發(fā)現中子之前，他們還無法確定那些結構是什么。中子的發(fā)現使得一切都明朗了（盡管后來發(fā)現中子還可再分），原子核僅由兩種粒子構成，即質子和中子。質子提供電荷，并且與中子一起提供質量。整個原子中，在更大空間內圍繞原子核運動的是電子。所以，只需要3種基本的粒子就可以說明數百種不同原子的結構。

對于亞原子粒子，夸克的“發(fā)現”與原子中的中子的發(fā)現極其相似。我給“發(fā)現”一詞打上引號是因為同在加州理工學院的默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）和喬治·茨威格（George Zweig）的確分別在1964年提出了夸克存在的假設，但是夸克的存在并沒有通過實驗觀察得以驗證（“夸克”這個名字還應歸功于默里·蓋爾曼）。盡管到目前為止，夸克存在的證據還都是間接的，但其存在本身已不容置疑。今天，人們已經認識到夸克是組成質子、中子乃至所有其他粒子的基本粒子。

之后，物理學家們又提出了亞原子粒子的標準模型。這一模型中共有包括電子、光子以及6種夸克在內的24種基本粒子，可對所有已觀測到的粒子和它們之間的相互作用進行說明。（注：這24種粒子不包括引力子——假設的引力粒子——或其他假設粒子以及希格斯粒子〔粒子園中唯一以人名命名的粒子〕，反粒子也不計入其中。）24不像3（1926年時所知道的基本粒子數目）這樣小的數字那么令人滿意，但是迄今為止這24種基本粒子仍頑強地保持著它們的“基本”身份，尚未發(fā)現它們中任何一個是由其他更基本的物質組成的。然而假如超弦理論家們能夠證明超弦理論的正確性（我將在后邊討論他們的觀點），那么或許還將有更小、更簡單的結構等待發(fā)現。