pdf资源网 http://pdf.018zy.com 爱书网 http://www.aibook01.com pdf资源网 http://pdf.018zy.com 爱书网 http://www.aibook01.com 图书在版编目（CIP）数据 上帝掷骰子吗？：量子物理史话：升级版／曹天元著．—北京：北 京联合出版公司，2019.6 ISBN 978-7-5596-3061-2 Ⅰ．①上…　Ⅱ．①曹…　Ⅲ．①量子论－物理学史　Ⅳ． ①O413-09 中国版本图书馆CIP数据核字（2019）第057311号 上帝掷骰子吗？：量子物理史话 作　　者：曹天元 责任编辑：史　媛 特约监制：何　寅 内文插图：Sheldon科学漫画工作室 绘 装帧设计：xtangs@foxmail.com 北京联合出版公司出版 （北京市西城区德外大街83号楼9层 100088） 天津旭丰源印刷有限公司印刷 新华书店经销 字数410　千字　700毫米×980毫米　1/16　31印张 2019年6月第1版　2019年6月第1次印刷 ISBN 978-7-5596-3061-2 定价： 59.80元 未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书部分或全部内容 版权所有，侵权必究 pdf资源网 http://pdf.018zy.com 爱书网 http://www.aibook01.com 本书若有质量问题，请与本公司图书销售中心联系调换。电话：01082069336 pdf资源网 http://pdf.018zy.com 爱书网 http://www.aibook01.com Preface　序 如果要评选物理学发展史上最伟大的那些年代，那么有两个时期是 一定会入选的：17世纪末和20世纪初。前者以牛顿《自然哲学之数学 原理》的出版为标志，宣告了近代经典物理学的正式创立；而后者则为 我们带来了相对论和量子论，并彻底推翻和重建了整个物理学体系。所 不同的是，今天当我们再次谈论起牛顿的时代，心中更多的已经只是对 那段光辉岁月的怀旧和祭奠。而相对论和量子论却至今仍然深深地影响 和困扰着我们，就像两颗青涩的橄榄，嚼得越久，反而愈加滋味无穷。 我在这里要给大家讲的是量子论的故事。这个故事更像一个传奇， 由一个不起眼的线索开始，曲径通幽，渐渐地落英缤纷，乱花迷眼。正 在没头绪处时，突然间峰回路转，天地开阔，如河出伏流，一泻汪洋， 但还未来得及一览美景，转眼间却又大起大落，误入白云深处不知归 路……量子力学的发展史是物理学上最激动人心的篇章，我们会看到物 理大厦在狂风暴雨下轰然坍塌，却又在熊熊烈焰中得到了洗礼和重生。 我们会看到最革命的思潮席卷大地，带来了让人惊骇的电闪雷鸣，同时 却又展现出震撼人心的美丽。我们会看到科学如何在荆棘和沼泽中艰难 地走来，却更加坚定了对胜利的信念。 量子理论是一个极为复杂而又难解的谜题。她像一个神秘的少女， 我们天天与她相见，却始终无法猜透她的内心世界。今天，我们的现代 文明，从电脑到激光，从核能到生物技术，几乎没有哪个领域不依赖量 子论。但量子论究竟带给了我们什么？这个问题却至今依然难以回答。 在自然哲学观上，量子论带给了我们前所未有的冲击和震撼，甚至改变 了整个物理世界的基本思想。它的观念是如此地革命，乃至最不保守的 科学家都在潜意识里对它怀有深深的惧意。现代文明的繁盛是理性的胜 利，而量子论无疑是理性的最高成就。但是它被赋予的力量太过强大， 以致连它的创造者本身都难以驾驭，连量子论的奠基人之一玻尔 （Niels Bohr）都要说：“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没 有理解量子论。” 掐指算来，量子概念的诞生已经有一个多世纪，但不可思议的是， 它的一些基本思想却至今不为普通的大众所熟知。那么，就让我们再次 回到那个伟大的年代，回顾那场史诗般壮丽的革命吧。我们将沿着量子 论当年走过的道路展开这次探险，我们将和20世纪最伟大的物理天才 pdf资源网 http://pdf.018zy.com 爱书网 http://www.aibook01.com 们同行，去亲身体验一下他们当年曾经历过的那些困惑、激动、恐惧、 狂喜和震惊。这将注定是一次奇妙的旅程，我们将穿越幽深的森林和广 袤的沙漠，飞越迷雾重重的峡谷和惊涛骇浪的狂潮。你也许会感到晕 眩，可是请千万跟紧我的步伐，不要随意观光而掉队，否则很有可能陷 入沼泽中无法自拔。请记住我的警告。 不过现在已经没时间考虑那么多了。请大家坐好，系好安全带，我 们的旅程开始了。 pdf资源网 http://pdf.018zy.com 爱书网 http://www.aibook01.com 目录 Preface　序 1　Golden Age　黄金时代 2　Dark Clouds　乌云 3　Falling Fireball　火流星 4　Into the Mist　白云深处 5　The Dawn　曙光 6　Two Sides of One Coin　殊途同归 7　Uncertainty Principle　不确定性 8　The Duel　决战 9　At the Crossroads　歧途 10　Back to Eden　回归经典 11　Judgement of the Inequality　不等式的判决 12　New Adventures　新探险 Finale　尾声 Encore　外一篇　海森堡和德国原子弹计划 Acknowledgements　后记 Bibliography　主要参考资料 Index　书中的人名翻译与原名对照 pdf资源网 http://pdf.018zy.com 爱书网 http://www.aibook01.com 1　Golden Age　黄金时代 Part. 1 我们的故事要从1887年的德国小城―卡尔斯鲁厄（Karlsruhe） 讲起。美丽的莱茵河从阿尔卑斯山区缓缓流下，在山谷中辗转向北，把 南方温暖湿润的风带到这片土地上。它本应是法、德两国之间的一段天 然边界，但16年前，雄才大略的俾斯麦通过一场漂亮的战争击败了拿 破仑三世，攫取了河对岸的阿尔萨斯和洛林，也留下了法国人的眼泪和 我们课本中震撼人心的《最后一课》的故事。和阿尔萨斯隔河相望的是 巴登邦，神秘的黑森林从这里延展开去，孕育着德国古老的传说和格林 兄弟那奇妙的灵感。卡尔斯鲁厄就安静地躺在森林与大河之间，无数辐 射状的道路如蛛网般收聚，指向市中心那座著名的18世纪的宫殿。这 是一座安静祥和的城市，据说，它的名字本身就是由城市的建造者卡尔 （Karl）和“安静”（Ruhe）一词所组成。对于科学家来说，这里实 在是一个远离尘世喧嚣，可以安心做研究的好地方。 现在，海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）就站 在卡尔斯鲁厄大学的一间实验室里，专心致志地摆弄他的仪器。那时 候，赫兹刚刚30岁，新婚燕尔，也许不会想到他将在科学史上成为和 他的老师亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）一样鼎鼎有名的人 物，不会想到他将和汽车大王卡尔·本茨（Karl Benz）一起成为这个 小城的骄傲。现在他的心思，只是完完全全地倾注在他的那套装置上。 赫兹给他的装置拍了照片，不过在19世纪80年代，照相的网目铜 版印刷技术还刚刚发明不久，尚未普及，以致连最好的科学杂志如《物 理学纪事》（Annalen der Physik ）都没能把它们印在论文里面。但 是我们今天已经知道，赫兹的装置是很简单的：它的主要部分是一个电 火花发生器，有两个大铜球作为电容，并通过铜棒连接到两个相隔很近 的小铜球上。导线从两个小球上伸展出去，缠绕在一个大感应线圈的两 端，然后又连接到一个梅丁格电池上，将这套古怪的装置连成了一个整 体。 pdf资源网 http://pdf.018zy.com 爱书网 http://www.aibook01.com 赫兹的装置Schleiermacher 1901 赫兹全神贯注地注视着那两个几乎紧挨在一起的小铜球，然后合上 了电路开关。顿时，电的魔力开始在这个简单的系统里展现出来：无形 的电流穿过装置里的感应线圈，开始对铜球电容进行充电。赫兹冷冷地 注视着他的装置，在心里面想象着电容两端电压不断上升的情形。在电 学的领域攻读了那么久，赫兹对自己的知识是有充分信心的。他知道， 当电压上升到2万伏左右，两个小球之间的空气就会被击穿，电荷就可 以从中穿过，往来于两个大铜球之间，从而形成一个高频的振荡回路 （LC回路）。但是，他现在想要观察的不是这个。 果然，过了一会儿，随着细微的“啪”的一声，一束美丽的蓝色电 花爆开在两个铜球之间，整个系统形成了一个完整的回路，细小的电流 束在空气中不停地扭动，绽放出幽幽的荧光来。火花稍纵即逝，因为每 一次的振荡都伴随着少许能量的损失，使得电容两端的电压很快又降到 击穿值以下。于是这个怪物养精蓄锐，继续充电，直到再次恢复饱满的 精力，开始另一场火花表演为止。 pdf资源网 http://pdf.018zy.com 爱书网 http://www.aibook01.com 装置简图 赫兹更加紧张了。他跑到窗口，将所有的窗帘都拉上，同时又关掉 了实验室的灯，让自己处在一片黑暗之中。这样一来，那些火花就显得 格外醒目而刺眼。赫兹揉了揉眼睛，让它们更为习惯于黑暗的环境。他 盯着那串间歇的电火花，还有电火花旁边的空气，心里面想象了一幅又 一幅的图景。他不是要看这个装置如何产生火花短路，他这个实验的目 的，是为了求证那虚无缥缈的“电磁波”的存在。那是一种什么样的东 西啊，它看不见，摸不着，到那时为止谁也没有见过、验证过它的存 在。可是，赫兹对此是坚信不疑的，因为它是麦克斯韦（Maxwell）理 论的一个预言，而麦克斯韦理论……哦，它在数学上简直完美得像一个 奇迹！仿佛是上帝之手写下的一首诗歌。这样的理论，很难想象它是错 误的。赫兹吸了一口气，又笑了：不管理论怎样无懈可击，它毕竟还是 要通过实验来验证的呀。他站在那里看了一会儿，在心里面又推想了几 遍，终于确定自己的实验无误：如果麦克斯韦是对的话，那么每当发生 器火花放电的时候，在两个铜球之间就应该产生一个振荡的电场，同时 引发一个向外传播的电磁波。赫兹转过头去，在不远处，放着两个开口 的长方形铜环，在接口处也各镶了一个小铜球，那是电磁波的接收器。 如果麦克斯韦的电磁波真的存在的话，那么它就会飞越空间，到达接收 器，在那里感生一个振荡的电动势，从而在接收器的开口处也同样激发 出电火花来。 pdf资源网 http://pdf.018zy.com 爱书网 http://www.aibook01.com 赫兹Heinrich Rudolf Hertz 1857—1894 实验室里面静悄悄的，赫兹