罗伯特·P.克里斯、阿尔弗雷德·沙夫·戈德哈伯著的这本《量子时刻（奇妙的不确定性）》以量子力学中的物理学术语如何出现在日常语言、文学以及艺术作品中为线索，讲述了量子力学的历史以及它对哲学、文学以及艺术的影响。中间穿插着与量子力学发展相关的物理学家的故事，例如普朗克、玻尔、爱因斯坦、海森堡、薛定谔、泡利、玻色等。本书从不同的视角审视量子力学的发展以及它对社会科学、人文精神的影响，适合所有类型的读者阅读。

量子这个想法于 20 世纪早期诞生在物理学的一个偏远角落里，它说能量是一份一份具有有限大小的而不是无限可分的。这在大众的想象中植入了丰富的比喻和象征。量子意象和语言现在就像一连串无穷无尽的光子一样轰击着我们。诸如平行宇宙、量子跃迁、不确定性原理以及薛定谔猫这样的说法不断出现在漫画、电影、小说、哲学、艺术以及日常生活中，被每一代新的艺术家和作家重新解释。

量子跃迁是大还是小？不确定性原理有多不确定？这种量子词汇的密集轰击是做作古怪的，抑或是我们思考方式的一个根本改变？在《量子时刻（奇妙的不确定性）》这本开创性的图书中，哲学家罗伯特·P.克里斯和物理学家阿尔弗雷德·沙夫·戈德哈伯把量子从科学理论到公众理解的艰难之路生动地展现在我们面前。他们追溯了量子理论的发展历程，对比分析了量子领域和传统领域的不同之处，探讨了量子在每件事物中的表现形式，揭示了量子世界的奇异之处及其对科学和当代世界的影响。科学和人文领域的读者都可以从中受到启发。

引言

第1章 牛顿时刻

 插节 大设计

第2章 一个像素化的世界

 插节 普朗克引入量子

第3章 量子跃迁

 插节 玻尔用量子跃迁让原子运转起来

第4章 随机性

 插节 爱因斯坦演示上帝怎样掷骰子

第5章 全同性的问题：还没有掉的量子鞋

 插节 泡利与不相容原理，玻色与玻色子

第6章 鲨鱼和老虎：矛盾体

 插节 薛定谔的地图与海森堡的地图

第7章 不确定性

 插节 不确定性原理

第8章 实在性破碎了：立体主义和互补性

 插节 互补性、客观性以及双缝实验

第9章 不行

 插节 约翰·贝尔和他的定理

第10章 薛定谔猫

 插节 边界战争

第11章 兔子洞：对平行世界的渴望

 插节 多重宇宙

第12章 拯救物理

结语 现在时刻

注释

参考文献

图片及引文出处

致谢

“量子跃迁”这个概念在很大程度上是由尼尔斯·玻尔在将量子思想应用于原子理论时引入物理学的。

尼尔斯·玻尔是物理学上的传奇人物，20世纪最有影响的科学家之一。他有一张长长的、椭圆形的脸，两颊粗大，一头浓密的卷发从前额开始直直地梳向脑后。从体格上来说，玻尔气势逼人，看起来冷漠严厉，但他的同事知道他是一个和蔼和惯于深思的人。玻尔具有一种不懈的甚至大胆的好奇心，就像他的学生、俄罗斯裔美国物理学家乔治·伽莫夫讲述的故事那样。玻尔和他的学生们一样喜欢看好莱坞西部片。玻尔注意到，尽管这些电影中的反面人物总是先拔枪，但好人仍然总是能做到先射击并干掉坏蛋。玻尔很好奇这背后的原因，他提出一个理论说这有心理上的因素：先拔枪的反面人物需要思索，这会让他的行动变慢，而正面人物是在不自觉地、反射式地行动，因此动作更快。伽莫夫和他的同学们半信半疑。第二天，伽莫夫到玩具店买了两支西部风格的玩具手枪和两副枪套，坚持要玻尔用实验来验证他的理论。伽莫夫说：“我们和玻尔互相射击，他演英雄，他把所有的学生都‘干掉’了。”

科学史书通常援引玻尔对物理学的主要贡献为“玻尔原子”。他在1912年到1914年间使用当时新近出现的量子思想来解答卢瑟福的发现所提出的问题：一个原子中的正电荷居于一个非常小的、有质量的“核心”中。但是玻尔的传奇地位来自于他和别人一对一交谈时的热烈程度。玻尔习惯通过大声说话来思考。他会吸引一位学生、朋友或者同事一起做漫长的散步，然后不是开始一段对话，而是开始无休止地阐述他的想法，陈述，再次思辨，然后又从头开始陈述。如果同行者反对，他会反复迫使他们重新思考他们的原理。如果玻尔感觉到他们不同意，他的声音会变得越来越大，而且在没有确定他们投降之前一直不会停下来。他曾逼迫埃尔温·薛定谔暂时撤回他的想法，而维尔纳·海森堡有一次在玻尔无休止的发问下被整哭了。对玻尔最有挑战性的、令其沮丧的对话者是阿尔伯特·爱因斯坦。这两个人进行了一场关于量子理论基础的长时间辩论，一直持续到爱因斯坦于1955年去世。我们在后面的章节中会提到。

仅仅在博士论文答辩两年之后，玻尔就提出了他那革命性的原子模型。他的博士论文于1911年在哥本哈根大学完成，主题与电子有关。借助于嘉士伯酿酒公司提供的一项资助（资助丹麦的优秀学生），玻尔来到英国剑桥的卡文迪许实验室。当时实验室的负责人是帮助发现了电子的实验学家约瑟夫·约翰·汤姆逊，但是汤姆逊没觉得玻尔的研究让人感兴趣，他对这个固执的丹麦人兴趣不大。1911年年底，玻尔在一次访问曼彻斯特时碰到了欧内斯特·卢瑟福。卢瑟福当时是世界上研究放射现象的第一流实验学家，他们俩发现彼此可以更好地合作。几个星期后，玻尔决定离开卡文迪许实验室，加入卢瑟福的实验室。1912年3月，玻尔搬到了曼彻斯特。在这里，玻尔为物理学的一次革命打下了基础，他将量子与原子结构结合到一起。历史学家约翰·海尔布伦写道：“玻尔的这次搬迁象征着一个时代的结束和另一个时代的开始。”

在那个时候，物理学家们仍然只能猜测原子是如何构成的。汤姆逊的工作表明原子里有称为电子的、带负电荷的粒子。质子（一种带正电荷的粒子）的存在已经被人提出，但还没有被广泛接受。卢瑟福提出原子里所有的正电荷都处于中心的核里，他认为电子绕着核旋转，有点像行星绕太阳运行的方式。但是这个想法没有引起多少注意，甚至连卢瑟福自己也没有大力推广这个想法。1 9 11年索尔维会议（卢瑟福参加了这个会议）的论文集里没有提到这个想法，而当时的科学期刊和通讯也只是简单提及。

科学家们有充足的理由对此持怀疑态度。电荷和行星不一样，当电荷在另一个电荷的影响下旋转时，它们会辐射能量。卢瑟福原子模型里的电子将很快降低它们的轨道，然后螺旋似的掉进核中。按照传统的运动定律和相互吸引作用，卢瑟福的想法行不通。

但是玻尔感觉到，量子在使原子稳定下来的过程中扮演了某个奇特的角色。他不是第一个这么想的人。玻尔有一次回忆道：“试图将普朗克的想法和这些事情联系起来的尝试正流传开来。”但是玻尔处境独特，从而发现了解决这个问题的正确途径。他非常了解卢瑟福的模型，知道关于量子的最新信息。1912年，在迈出了勇敢的几步后，玻尔找到了答案。

为什么电子不能绕核做任意它们喜欢的轨道运动，就像行星绕太阳运行一样？为什么它们没有辐射能量？玻尔感觉到，答案也许不得不与作用量的量子联系起来，即与相空间是一小块一小块的这个事实联系起来。作用量与能量乘以时间有关。在牛顿学说的世界里，作用量是连续变化的，说它有原子性的暗示是异乎寻常和难以构想的。当时一位著名的科学家写道：“设想一个世界中的作用量是有原子性的这种尝试会将心智引入一种无望的混乱状态。”玻尔的直觉正好相反，作用量的量子化也许能解释原子的稳定性。为了证明这一点，他必须找到在原子里旋绕的电子的动能和它的频率之间的联系。玻尔很激动，给卢瑟福发了一个有关这个想法的备忘录，尽管他承认要给这个想法找到一个“机械学的基础”（即一个模型）是“无望”的。玻尔在写给他的兄弟哈拉尔德的信中写道：“也许我已经发现了一点有关原子结构的东西，但不要向任何人说起这件事情。”

P58-61

量子力学是20世纪物理学的重大成就之一，其对物理学以及科学技术的发展产生了巨大的影响。例如量子力学与狭义相对论结合产生的量子场论，用于描述自然界中的3种基本相互作用：强、弱和电磁相互作用。量子力学是半导体技术革命的基础，没有量子力学，计算机、手机等现代生活中习以为常的东西都不会存在。尽管现在距离量子力学的诞生已过去了大约一个世纪的时间，但量子力学和量子技术仍处于蓬勃发展阶段，量子通信、量子计算机等有可能在将来影响每一个人的生活。

日常生活中人们熟悉的宏观低速世界可以非常好地由牛顿力学来描述，而微观世界物理现象（如原子）的描述则需要量子力学。量子力学中的不确定性原理告诉我们，不能同时精确地测量微观粒子的一对共轭变量，例如位置和动量。对其中一个变量的测量越精确，对它的共轭变量的测量就越不精确。而在牛顿力学中，物体的位置和速度（动量）是可以同时被知晓的。量子力学的这个以及其他不同于我们日常经验的性质引发了对实在性等哲学问题的讨论。

正因为量子力学具有不同寻常的性质，并且对现代社会和生活具有非常大的影响，对牛顿学说时代以来的哲学观念提出了挑战，所以一点都不奇怪它的一些专业用语甚至方程式会出现在文学、艺术和日常语言中，受到大家的广泛讨论。比如量子力学除了有玻尔、海森堡等物理学家主张的、“标准的”哥本哈根诠释外，还有其他诠释，其中的平行世界或多世界诠释为小说和电影提供了丰富的题材和巨大的想象空间。

本书以量子力学中的物理学术语如何出现在日常语言、文学以及艺术作品中为线索，讲述了量子力学的历史以及它对哲学、文学以及艺术的影响。中间穿插着与量子力学发展相关的物理学家的故事，例如普朗克、玻尔、爱因斯坦、海森堡、薛定谔、泡利、玻色等。本书从不同的视角审视量子力学的发展以及它对社会科学、人文精神的影响，适合所有类型的读者阅读。生活在现代社会的人不一定需要理解量子力学，但应该了解量子力学的历史及其对人类的影响。本书的两位作者分别为美国石溪大学哲学系和杨振宁理论物理研究所的教授，这本书源于他们合作开设的一门本科生课程“量子时刻(The Ouantum Moment)”，书中有不少生动的教学实例、幽默活泼的语言以及对物理概念和图像通俗易懂的解释。希望读者阅读本书时能有所收获，享受到阅读的乐趣。

感谢我的妻子暑业，她是译文的第一位读者，给我提了很多修改意见。感谢我们的孩子，他们给我的生活带来了很多乐趣，尽管有时候也让人抓狂。

限于水平，加上时间有限，译者对一些语句的理解和把握肯定有不到之处，书中可能存在错误和不妥的地方，敬请读者批评指正。译者电子邮箱：liuzf@ihep.ac.cn。  刘朝峰

2016年6月

现在时刻

在科学史上从来没有过一个理论像量子力学一样对人类的思想具有这样意义深远的影响，也从来没有过一个理论在预言这么多不同种类的现象上取得了这样引人注目的成功。

——马克斯·伽莫，《量子力学的哲学》

在完成这本书之前不久，我们在石溪大学的人文学院做了一个报告。在这里我们碰到了一个不满的提问者，这个提问者表示他不相信科学能为文化贡献任何东西。他愤愤不平地问道，量子力学给文化上的对话真的增加了些什么？也许它给了我们一些别致的、关于一些老问题的新比喻，但是，如果这些东西被拿掉的话，真的会失去什么呢？艺术家和哲学家不会找到另外的方式来表达他们自己吗？科学家们需要不确定性原理，而诗人们需要吗？

最直接的回答方式是用一个思想实验：设想牛顿学说的时刻从来就没有结束。假设在普朗克提出量子这个想法的几年之后，他和其他人想办法不用量子也解释了科学家们发现的大多数东西。在这之后，普朗克把量子给放弃了。比如他们发展了一个相当合理的方法来解释原子是由小块的物质组成的，它们相互之间通过微小的弹簧（我们在第1章里称这些弹簧为胡克定律弹簧）连在一起，它们的伸缩性是作用力的一个函数（我们喜欢这样的讽刺，就是用一个由牛顿的死对头胡克创造的东西来挽救牛顿时刻）。让我们设想胡克定律弹簧的理论加上其他牛顿学说的原理和热力学，以某种方式成功地证实了普朗克最初的信念，即量子只是一个数学上的技巧。量子很快从科学里消失了，只被历史学家们记得。也就是说，量子论和燃素论有同样的命运。燃素论是一个久已不再使用的猜测，它宣称一种称为燃素的物质引起燃烧。在我们的设想里，科学家认定微观世界和宏观世界一样遵循相同的基本定律，经典的微分方程仍然是每个物理学家主要的计算工具。

因此在20世纪初期，物理学家没有体验到什么特别的不安和危机感。几个未解之谜还在，尤其是关于光的本质，以及为什么物质的同类型基本组分都是全同的，但物理学家认为令人满意的答案最终是会出现的。他们的研究领域继续是有秩序的、可预言的和统一的，它的定律和性质在所有范围内和所有尺度上都是一样的。他们属于一个成长中的、适意的社会团体，并依然有信心能最终“把他们自己拿出”测量之外，找到一个关于自然和它的每个性质的客观描述。在20世纪第二个10年的开头，欧内斯特·索尔维因赞助发起一系列关于国际贸易方法和实践的会议（而不是关于物理学的会议）而出了名。

由于没有第一次量子革命，所以也没有第二次量子革命。物理学家们把1925年到1927年主要花在担忧宇宙射线的起源与本质上。大众文化从来就没有听说过什么量子跃迁、波粒二象性、不确定性原理、互补性、叠加、薛定谔猫、幽灵般的超距作用和平行世界。没有什么双缝实验，也没有贝尔定理。拉普拉斯侯爵被称颂为一个超级明星。爱因斯坦因为勇敢地站起来保卫因果性，反对一群目光短浅、没什么想象力的物理学家而著名。这群物理学家里包括玻尔、海森堡和狄拉克，他们在某一瞬间受到了诱惑要放弃因果性。因为这个，他们在职业生涯的剩余时间里得面对同事的嘲笑。

……

确实，在很多方面，牛顿时刻和量子时刻比它们所显现的要更相似。牛顿学说的世界知道有不确定性和不可预知性，量子的世界受到一个高度精确的数学上的决定论的强烈影响，此决定论解释了世界的严格性。那就是为什么科学家一直到进入20世纪也可以不需要后者的原因。然而这两个世界的特点又是很不相同的。牛顿世界就像一个坚硬的建筑物没有根基地漂浮着；量子世界则像一座牢固建造的树屋，连在地面上，但能在微风中摇摆。更为重要的是，这两个世界向人类提供了针对3个关键哲学问题的不同回答：我们能知道什么，我们应该怎么做，我们可以希望什么？

理解和欣赏量子语言和意象——以及能从水果圈式用法中识别其滥用的能力——是今天一个受过教育的人所代表的含义的一部分。这样的一个教育涉及对科学和人文学科两者要素的学习。获得那种教育需要跨越很多传统学科的边界，但这是现代世界文化素养的纠缠态。面对量子时刻需要有一个21世纪人文学科的新框架。

在第1章里，我们引述了历史学家贝蒂·多布斯和玛格丽特·雅各布的话，牛顿时刻提供了“现在大多数西方人和部分非西方人生活的物质和精神世界（工业的和科学的），这被贴切地描述为现代。”然而这个世界在缓慢地变化。什么是描述牛顿时刻之后的世界的正确方式？我们厌恶那个通常用到的字眼“后现代”，它被很多不同的人赋予了很多意思说来说去。我们也不喜欢这个词语被好些人接受的方式，如索卡在他众所周知的、我们在第8章里提到过的恶作剧中所揭示的那样。这些人是科学上的文盲甚或是反科学的，因为很清楚，科学与这个后牛顿学说文化世界的框架是紧密相连的，这是任何一个希望来理解它的人所必须面对的事实。我们问班上的学生，那个描写牛顿时刻之后所发生的事情的合适字眼是否可能是量子时刻？

在科学史上从来没有过一个理论像量子力学一样对人类的思想具有这样意义深远的影响，也从来没有过一个理论在预言这么多不同种类的现象上取得了这样引人注目的成功。

——马克斯·伽莫，《量子力学的哲学》作者

量子理论一些最有吸引力的概念之今生和来世的精彩之旅。

——戴维-凯泽，《嬉皮士怎样拯救了物理：科学、反主流文化和量子复兴》作者

让人快乐的一本书！一部既富于启发性又非常有可读性的精品力作。

——吉诺·塞格雷，《普通天才：两个标新立异的人怎样塑造了现代科学》作者

这对科学家和人文学者而言都是一本了不起的书！每一页都有惊喜，不仅仅有关量子物理的复杂历史，也有关量子物理对我们在日常生活中自我了解的影响。对所有关注以一种全新的认识来塑造人类命运的人而言，这是一本必读书。

——爱德华·凯西，《一眼看世界》作者