约翰·R．格里宾是一位著名的科学家，同时又是一位优秀的科学作家，他以浅显易懂的文字向读者展现了现代物理学最幽深美丽的一面。
薛定谔这只离奇的、著名的“猫”从何而来？
约翰·格里宾著的《寻找薛定谔的猫(量子物理的奇异世界)》跨越量子力学、物理学及哲学等多学科。它就像一个科学向导，带着读者领略20世纪物理学的发展过程：它又仿佛是一本思想史，把物理学家们的思维过程非常清晰地展现出来，让读者看到科学家成功前的一次次失败。格里宾在书中生动地描述了科学家得出他们理论的过程，让读者轻松地理解瞬间的真实性和一般量子力学。

约翰·格里宾，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，现在是萨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年他以其关于气候变迁的作品获得了英国最佳科学著作奖。
约翰·格里宾著有50多部科普和科幻作品，其中的科学三部曲《薛定谔之猫探秘》、《双螺旋探秘》和《大爆炸探秘》尤为脍炙人口。此外，他还与妻子合著了一系列著名科学家的传记，而反映“科学顽童”费曼科学生涯的《迷人的科学风采——费曼传》更是广受好评。他还撰写了许多畅销书，其中包括《深奥的简洁》《欧米伽点》《大爆炸之探索》《起始》《宇宙指南》和《Q代表量子》。他的书已被译成多种语言，并在英国和美国得过奖。

引言
序言 真实并不存在
第一部分 量子理论
第一章 光
是波还是粒子？·波动理论的胜利
第二章 原子
19世纪的原子论·爱因斯坦的原子论·电子·离子·X射线·放射性·原子的内部
第三章 光与原子
黑体线索·不期而至的革命·h是什么？·爱因斯坦、光和量子
第四章 玻尔的原子论
电子的跃迁·得到解释的氢原子·一个偶然的要素：上帝的骰子·透视原子·得到解释的化学
第二部分 量子力学
第五章 光子和电子
光的粒子性·波粒二象性·电子波·与过去决裂·泡利和不相容原理·下一步去何方
第六章 矩阵和波
黑利格兰德的突破·量子数学·薛定谔的理论·一次退步·量子调制术
第七章 用量子进行调制
反物质·原子核的内部·激光器和受激辐射微波放大器·功能强大的显微术·超导体·生命本身
第三部分 题外话
第八章 可能性和不确定性
不确定性的意义·哥本哈根解释·双孔实验·坍塌的波·互补性原理
第九章 悖论和可能性
匣子里的钟表·“EPR悖论”·时间旅行·爱因斯坦的时间·无中生有·薛定谔的猫·参与的宇宙
第十章 布丁的验证
自旋悖论·偏振方面的迷惑·贝尔实验·证据·这到底意味着什么？·确认和应用
第十一章 多个世界
谁观察观察者？·薛定谔的猫·超越科幻小说·超越爱因斯坦了吗？·回顾一下·超越埃弗雷特·我们的特殊位置
后记 未完的工作
时空的扭曲·对称性破缺·超引力·宇宙是真空涨落的产物吗？·膨胀和当今宇宙
参考文献
量子理论·科幻小说

将写给外行人看的有关相对论的书和文章排列起来的
话，很有可能要从地球连接到月亮。“每个人都知道”爱
因斯坦的相对论是20世纪科学的最大成就，那所有的人都
错了。如果将所有写给外行人看的详细的量子理论方面的
书和文章拿出来的话，也许仅能摆满我的桌子，但这并不
能说量子理论在学术界之外名声较小。实际上，在近二十
几年的时间里，量子力学已经相当普及，用以解释诸如远
程搬运、弄弯匙子等一些现象，并且为许多科幻小说提供
了丰富的思路。一般认为，量子力学是一个谜，如同超自
然和超感，已成为一门不可思议、神秘莫测、无人理解、
无人能够实际运用的科学分支。
本书的写作目的是在更基本、更重要的科学研究领域
里对这种观点进行反击。本书的产生出自1982年夏天凑在
一起的几个原因：首先，我刚刚完成了一本有关相对论的
书《空间扭曲》，觉得应该做些工作，来解释20世纪其他
科学分支中的秘密；其次，在科学界以外存在的一些对量
子理论的误解使我越来越感到恼怒，弗里特夫·卡普拉的
《物理学之“道”》引起了许多效仿者，这些人既不懂道
，也不懂物理，而只是认识到将西方科学和东方哲学联系
在一起可以弄到很多钱；最后是1982年8月从巴黎传来消息
说，一个小组成功地进行了一次关键性的实验，这个实验
使得那些尚持怀疑态度的人确认了量子力学世界观的准确
性。
不要在这里寻找“东方神秘主义”、匙子变弯和超感
。要在本书中找出量子力学的真正故事，这与一些小说中
的做法大相径庭。科学正是这样，它不需要穿上从别处得
来的哲学外衣，因为它自身就充满光明、神秘和惊奇。本
书提出的一个问题是“什么是真实的？”答案会使你大吃
一惊，你可能不敢相信。但你会发现现代科学是如何看待
这个世界的。

这只不死不活的猫总是像噩梦一样让物理学家们不得安宁……
约翰·格里宾著的《寻找薛定谔的猫(量子物理的奇异世界)》全面论述了量子理论的基本概念，并赋予那些无限复杂又伤脑筋的实验以生机，使我们可以毫不费力地把握现代量子力学之谜。只要你有一点点耐心，你一定可以看懂。

未完的工作
除了选用哥本哈根解释还是多世界解释这个半哲学问
题以外，我现在所讲的量子故事看起来是非常精简了。虽
然并非完全对，但本书的叙述是对这个故事的最好安排。
量子故事并未到此结束，现在，理论家们还在继续寻找着
一些问题的答案。而这可能会导致像玻尔在对原子能级作
量子化时所取得的那样一些最基本的进步。由这项尚未完
成的工作而整理成的书是凌乱和不尽如人意的。人们的一
些观点，例如“什么是重要的”，以及“什么是可以安全
的忽略的”，这些完全可以随着当时的报道而改变。但是
为了让你感觉到一点将来会怎么发展，在本后记中我记人
了一些未完的量子故事，以及将来会如何发展的一些迹象
。
最清楚不过的是，量子理论的一个分支已经取得了最
辉煌的成绩，这个分支通常被誉为皇冠上的明珠。对于这
个分支，与我们所见到的这些相比，我们尚有更多的工作
需要做。这个分支就是量子电动力学，简记为QED。这个理
论用量子的术语来解释电磁相互作用。量子电动力学在20
世纪40年代得到了蓬勃发展。它是如此的成功，以至于它
已经成为解释原子核内强相互作用的一个理论模型。由于
这个理论涉及了一种称为夸克的粒子间的相互作用，而这
些夸克具有一些特性，理论家们为了区别这些特性，竞荒
诞地使用了颜色的名字来定义它们，因而这个理论又被称
为量子色动力学，简记为QcD。但是，量子电动力学本身也
有很大的缺点。它虽然能管用，但仅仅是在杜撰一些数学
，使其与我们的观察相符合。
这个问题涉及在量子理论中处理电子的方式，它不再
是经典理论中的裸粒子，而是被一团赝粒子云包围着。这
个赝粒子必定影响电子的质量。我们可以给出相应于“电
子+云团”的量子方程，但是无论从数学上如何解释，这些
方程总是给出一些无限大的结果。从量子调制术的基石—
—薛定谔方程出发，正确的数学处理总是给出无穷大的质
量，无穷大的能量和无穷大的电荷。没有合理的数学方法
能将这些无穷大排除，但我们可以自欺欺人地把这些无穷
大的项扔掉，我们可以通过实验测量的办法直接获得电子
的质量，并且我们知道这是在理论处理中“电子+云团”应
该给出的质量。所以理论家们就从方程中将这些无穷大的
项扔掉，相当于用一个无穷大的量去除另一个无穷大的量
。从数学上来说，用无穷大去除无穷大，可以得到你想要
的任何值，所以他们说其答案就是他们想要的答案，也就
是电子的测量质量。这个技巧称为重正化。
为了获得重正化如何进行的一个图像，我们设想一个
体重为150磅的人到了月球上。月球表面的引力仅为地球表
面引力的1/6。在地球上将弹簧秤标定好，将他带到月球上
，再称这个旅行者的体重时发现他仅仅25磅，尽管这个旅
行者的质量并没有任何损失。在这种情况下，也许会有人
想到可以把称的标度作——“重整化”，在控制称的标度
的地方调节一下，使其显示150磅。使用这个技巧之所以见
效是因为我们知道旅行者在地球上的实际重量，而我们又
想保持在地球上的称重记录不变。如果在月球上得到的重
量是无穷大，那么要回到真实的重量就必须做无穷大的校
正，这就是理论家们在量子电动力学中所采取的做法。不
幸的是，虽然150除以6给出精确的答案25，可是25乘以无
穷再除以无穷就不能毫无含糊地给出答案25，而是可以给
出任何答案。
……
我们谈论的是宇宙形成的早期，大约在10-35秒之前
，那时的温度为1028K。由对称性破缺产生的膨胀是指数性
的，通过10-35秒就能将空间体积扩大一倍。在不到一秒的
时间内，这种不断向前的膨胀将质子尺寸大小的空间胀成
我们今天所观测到的宇宙大小。接着在时空膨胀区中，我
们认识的时空通过进一步的相变从小泡中生长出来。
高斯的最早的膨胀宇宙理论不想解释开始的小泡来自
何处。将这个原因与泰恩描述的那种真空涨落等同起来是
很具有吸引力的。
这幅生动的宇宙观解决了许多天文学家的疑惑，我们
的时空小泡似乎以一种维持在开放和封闭边界上的速率膨
胀着，这并非巧合。膨胀宇宙格调要求只有这种平衡才能
够持续，这是因为小泡的质／能密度与膨胀力的关系。更
让人大吃一惊的是，这种格调将我们托付给宇宙中无关紧
要的规则，将我们能看到的东西都纳人了一个小泡，这个
小泡比整个扩展的整体还要大。
我们生活在一个激动人心的时代，很明显处在对宇宙
作出有意义的理解将要突破的界面上，正处于狄拉克预言
的，一种从像玻尔的原子到量子力学过渡的时候。我发现
将寻求薛定谔的猫结束于大爆炸，宇宙学、超引力及膨胀
的宇宙很有意思，因为我前一本书《空间扭曲》中讲述了
引力和广义相对论的故事，也在此处结束。这两种情况都
不是预先计划的；两种情况下，超引力似乎是个自然的统
一的开始，但是没有一个整齐的结尾，我们也希望永远不
要有。正如理查德·费曼所讲“一种使科学停滞不前的办
法是对你已知道的东西做实验”。物理就是要探索未知，
而且：

既有思想深度，路数又非常清晰。是非常难得的
高级科普读物。完全读懂这两本书是不容易的，但却
非常值得一读。
——中国科学院自然科学史研究所 方在庆
只要你有一点点耐心，你一定可以看懂。这两本
书写得的确很好，是目前有关这一内容写得最好的书
。我可以保证这一点。
——华中科大物理系教授 杨建邺

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。
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