春天的早晨，从窗户涌进来的空气带着花园里的清新气息，这个 “奇迹”是如何发生的？
分子如何被微风吹动，又如何经鼻子转化成令人感到愉悦的气味？
每天早晨醒来的“我”是谁 ？当这个“我” 睁开双眼时，周围的宇宙又是什么？
……
在这个量子力学的时代，关于我们的存在以及我们与这个世界之间关系的这些基本的问题，仍是未解之谜。而爱因斯坦和其他现实主义者相信：量子力学理论是不完备的。
在《量子力学的真相(爱因斯坦尚未完成的科学革命)》一书中，斯莫林教授用3幕故事带领我们走进量子力学的世界，了解那些自量子力学诞生以来就一直困扰着人们的概念问题和严重分歧。第一幕他会讲述我们在探究量子力学发展轨迹时所需的基本的量子力学概念。第二幕他将带我们追溯了从20世纪50年代开始的现实主义量子力学方法的复兴，并且阐述它们的优缺点。斯莫林认为：正确且完备的量子力学理论不仅能够解决量子引力的问题，还能给出一套完整的宇宙学理论。第三幕斯莫林将介绍包括自己在内的当代物理学家为构建现实主义的万物理论所付出的努力。
量子力学，是一个充满悖论与神秘色彩之地，欢迎所有人来到新的科学时代。

李·斯莫林是，美国著名理论物理学家，在量子引力学领域做出了十分突出的贡献。生于纽约的他曾在罕普什尔大学和哈佛大学深造。他是加拿大圆周理论物理研究所创始人之一。李·斯莫林早期著作主要探究当代物理学和宇宙学引发的哲学问题，如《宇宙生命》、《量子引力学之路》、《物理学之困》和《时间重生》等。

前言
量子物理学，一个充满悖论与神秘色彩之地
第一幕 量子力学的真相
01 热爱隐藏的大自然
02 量子
03 量子的变化方式
04 量子的共享方式
05 量子力学无法解释的事物
06 反现实主义的胜利
第二幕 现实主义的重生
07 德布罗意和爱因斯坦:现实主义的挑战
08 戴维·玻姆:现实主义的又一次尝试
09 量子态的物理坍缩
10 魔幻现实主义
11 批判现实主义
第三幕 超越量子力学
12 革命的替代品
13 经验教训
14 第一步，原理
15 因果论观点
结语 完成爱因斯坦未竟的革命
致谢
术语表
注释

量子物理学，一个充满
悖论与神秘色彩之地
我们总是看不清现实与
幻想之间的边界，为了解
释这个世界的运作机制，
我们编造了各种各样的故
事。因为我们都是优秀的
故事讲述者，所以就被这
些自编的故事迷住了，并
把自己对世界的诠释同世
界本身混淆了起来。这对
科学家和公众都产生了很
大的影响，实际上，对科
学家的影响要更大一些，
毕竟在科学家的工具包中
有非常多具有说服力的故
事。
随着我们把注意力转到
更小且更基础的现象上，
我们对自然界的理解也越
来越深入，然而，我们所
取得的一系列成功其实给
我们的进一步发展设置了
障碍。为了避免陷入困境
，我们必须在以下两个方
面取得平衡：一是对已有
知识的力量保持理性的认
知；二是敏锐地意识到即
便是我们最具说服力的假
设也只是假设。我们的感
官部分由现实引起，但完
全由大脑构建，目的则是
以一种探索自然所需的形
式把这个世界呈现在我们
面前。这是我们必须学习
的艰深一课。在我们的感
官之外，神秘莫测的大自
然从本质上来看是摇摆不
定的，且处于我们的认知
范围的边缘。
如今，我们对大自然最
重要的特征已有所理解，
但在过去，这些特征则不
为人知。我们已知的关于
这个世界最基本的事实，
例如，物质是由原子构成
的；地球是一个包裹着熔
融核心的岩石球体，并被
一层薄薄的大气所笼罩，
同时在近乎真空的空间中
围绕着一座“天然热核反应
堆”运转。实际上，这些我
们从小就学到的简单事实
是不计其数的科学家和学
者数个世纪以来辛勤耕耘
的结果。它们在刚被提出
时，全都是近乎疯狂的想
法，与明显得多且合理得
多的但最终证明是错误的
想法相矛盾。
所谓的科学思维就是要
尊重一些人所共知的事实
，它们是前人们不断努力
探究出的结果，同时还要
对未知之物保持开放的态
度。这样做有助于我们在
世界的核心奥秘前保持谦
逊，因为当我们对其进行
更加深入地探索时，那些
已知的领域也会变得神秘
起来。我们知道的越多，
就会越发对未知的世界感
到好奇。自然界中的一切
都如此非凡，对它们的沉
思无不是通往奇迹和感恩
的无言之路，而我们获得
的也只是其内涵的一小部
分。
在春天的早晨，从窗户
涌进来的空气带着花园里
的清新气息，这个“奇迹”是
如何发生的呢？分子如何
被微风吹动，接着又如何
经鼻子转化成令人感到愉
悦的气味？我们看到鲜艳
的色彩便会回想起那个关
于不同波长的光如何激发
不同神经元的故事，但是
，受到刺激的不同神经元
又是如何引发人产生红色
或蓝色这些感觉的呢？什
么样的事物才算得上具有
不同颜色或是不同气味的
感觉—用哲学家的语言来
说就是“主观体验特性”？气
味与颜色的区别又是什么
？既然它们都是神经元中
的电脉冲，那为什么又会
出现这种差异？每天早晨
醒来的“我”又是谁？当这个
“我”睁开双眼时，周围的宇
宙又是什么？此外，我们
的存在以及我们与这个世
界之间的关系这些最基本
的问题也仍是未解之谜。
接下来，让我们踮起脚
尖，小心翼翼地避开这些
意识方面的难题，把目光
放到更简单的问题上，作
为一名科学家，我相信这
是取得突破的最佳途径。
让我们从一个非常基本的
问题开始：什么是物质？
比如，桌子上放着一块岩
石，我把它拿了起来，对
我来说，它的重量和形状
都有一种熟悉的感觉。不
过，岩石到底是什么？
我们知道岩石的外形和
触感，但这些无论对我们
还是对岩石来说都是最表
面的信息。岩石的外形和
触感几乎无法告诉我们从
本质上是什么构成了岩石
。从物理学角度看，岩石
大部分是由原子排列其中
的空旷空间构成的，而把
岩石看作坚硬的固体则是
我们人类思维的产物。相
对于原子尺度来说，我们
的思维是在相当宽泛的尺
度上整合了各类知觉。
物质的存在形式多种多
样，我们知道其中的一部
分肯定很复杂，比如岩石
和编织成毯子、床单和衣
物的有机材料。因此，我
们可以先探究一种简单一
些的物质形式，比如玻璃
杯中的水是什么？
从我们的视觉和触觉的
角度看，水似乎是平滑、
连续的，直到一个多世纪
前，物理学家还认为水是
完全连续的。在20世纪初
，爱因斯坦则证明这种观
点是错误的，并证明了水
是由巨量的原子构成的。
在水中，这些原子每3个一
组结合成分子，每个水分
子包含2个氢原子和1个氧
原子。
接着，我们可能会问：“
什么是原子？”在爱因斯坦
做出上述发现后不到10年
，人们就知道了原子就像
一个微型太阳系，原子核
就像太阳一样处于中心位
置，而电子则像行星一样
围绕着原子核运动。
问题又来了，什么是电
子？我们目前已经知道电
子以离散单位存在，每个
电子都拥有确定的质量和
电荷，且一定会处于空间
中的某个位置，但它是处
于不断的运动状态中的：
我们刚开始观察时，它可
能在这里，过一会儿再观
察时，它可能又跑到了那
里。
这些性质都还算容易理
解，但电子的其他性质就
没那么容易弄明白了，

继畅销书《时间重生》后，当代物理学领军人李·斯莫林量子理论新见解，欢迎大家来到量子力学的新世界。斯莫林教授用3幕故事带领我们走进量子力学的世界，了解那些自量子力学诞生以来就一直困扰着人们的概念问题和严重分歧。
量子力学“横行”的时代，如何解决相对论时代未解决的问题，李·斯莫林完成爱因斯坦尚未完成的科学革命，用优美诗意的文字唤醒你对科学世界的好奇心，带你超越量子力学，抵达科学的最前沿。
知名科技史学家、畅销书《图灵的大教堂》作者乔治·戴森，圣达菲研究所复杂系统研究员斯图尔特·考夫曼，美国国家公共电台、《自然》杂志重磅推荐。

《量子力学的真相》这
本书是对尚未被解释的事
物的解释。
——乔治·戴森 知名科
技史学家，畅销书《图灵
的大教堂》作者
《量子力学的真相》是
一本精彩绝伦的物理学佳
作。斯莫林不仅带我们去
探究了物理学大师尼尔斯·
玻尔、戴维·玻姆、休·埃弗
里特的关键思想，而且在
努力超越前人的理论，力
图将量子力学的研究引入
到量子引力的范畴。无疑
，《量子力学的真相》是
一部杰出的著作。
——斯图尔特·考夫曼
理论生物学家，圣达菲研
究所复杂系统研究员
李·斯莫林是一位富有创
造力的思想家，多年来他
一直是理论物理学领域的
领军人物。当然，斯莫林
也是一位天才作家，他善
于用引人入胜的语言和精
彩绝伦的故事，将自己关
于科学如何运作的新见解
传递给每一个读者……斯莫
林对量子力学运作机制的
描述既优雅又通俗。
美国国家公共电台

量子力学解释了物质的性质，比如是什么让金属成了导体，而让另一些物质成了绝缘体。量子力学还解释了光和放射性，这是核物理学的基础。没有量子力学，我们就无法理解恒星是如何发光的，也无法发明电子芯片或激光，而我们有许多技术以芯片或激光为基础。量子力学是我们用来书写量子物理学标准模型的语言，它包含了我们所知的有关基本粒子及其赖以产生相互作用的基本力的一切。
根据我们目前研究早期宇宙的最优理论，所有物质以及所有最后合并成了星系的物质结构，都会在早期宇宙快速膨胀的过程中因真空空间的量子随机性而突然诞生。你或许无法精确理解这番话背后的含义，但或许可以在脑海中生成一幅大概的画面。无论如何，倘若这就是事实，那么如果没有量子物理学，一切都将不存在了，只会剩下空空如也的时空。
尽管量子力学取得了如此辉煌的成就，其核心仍是一个极难解决的谜题。量子世界的行为方式对于我们的直觉来说是一种挑战。你常常可以听到这样的说法：在量子世界中，一个原子可以同时处于两个地点，但这还只是量子世界怪异性的开始，这种理论的完整描述可比这一说法奇怪得多。如果原子可能在这里，也可能在那里，那么从某种程度来说，我们就必须称它的状态是同时处于这里和那里，即原子处于一种“叠加态”（superpositionstate）。
如果你是刚接触量子世界，你一定会好奇“原子在某种程度上同时处于这里和那里”是什么意思。对这一问题提出质疑是明智之举，因为这正是量子力学的核心谜团之一。就目前来说，你只需要知道这是量子力学的未解之谜，并且我们创造了一个叫作“叠加态”的术语就行了。接下来。我们就会揭开它的神秘面纱。
当我们说某个量子粒子处于既在这里又在那里的叠加态时，我们指的是物质那种像波一样的性质。因为波是一种可以扩散出去的扰动，所以当然可以既在这里又在那里。
我们刚刚谈论的是基本粒子，但其实包括原子和分子在内的任何量子都既有粒子的性质，又有波的性质，这就是所谓的“波粒二象性”。我们可以通过下面这个例子细细品味这种特性背后的含义。如果我们通过实验寻找某个原子，得到的结果会是它在确定的某处。然而，在各次测量之间，也就是当我们不去寻找这个原子的时候，我们就不可能准确预测它的位置。这就像是找到粒子的概率或倾向在我们没有寻找它时像波一样扩散开来，但只要我们再次搜寻，它就一定会出现在某处。
你可以想象我们在和原子玩捉迷藏。我们“睁开眼睛”——启动探测器，接着就观察到了它出现在某处，但当我们闭上双眼时，它就扩散成了一道概率波，而当我们再次“睁开眼睛”时，原子就一定会再次在某处出现。
量子世界特有的另一大特征叫作“纠缠”（entanglement）。如果两个粒子发生了相互作用，然后又分开，它们仍会共享某些性质，而且这些性质不能拆分成可以分别由这两个粒子单独享有的形式。从这个意义上说，虽然它们分开了，但仍交织在一起。
P4-5