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| 編輯推薦： |
◆量子物理发展史上的“人类群星闪耀时”
◆一本让文科生也能一窥量子物理发展史的科普书
◆献给9-99岁对世界充满好奇的人们
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| 內容簡介： |
量子物理学是当年出色和富激情的一代物理学家们集体努力的成果，是由众多耀眼的群星共同创建起来的丰碑。量子力学的建立及发展过程不愧为一个奇迹，其历时之久、人物之众、概念之深、争论之剧，都是科学史上前所未有的。
那是一段群星璀璨、人才辈出的年代。普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、薛定谔、泡利、海森堡、狄拉克、贝尔……一个个闪光的名字!有开天辟地的老前辈、有思想深邃的大师、有初出茅庐的年轻学子、有奇思妙想的幻想者、也有埋头苦干的书呆子……
他们是时代的巨人，用思维丈量着宇宙，追求科学是枯燥、浪漫、艰辛、残酷……这种探索让他们着迷。
作者以章回体结构、非常生动的语言，描述了科学家们如何颠覆性地从无到有，创建量子物理学的过程，这段的科学发展历程被作者写出了一股悬念丛生、高潮迭起的武侠风，读起来让人欲罢不能，是一本阅读体验极佳的科学史作品。
读者从本书中不仅可以了解到量子力学诞生和发展的来龙去脉，也能学到量子力学的基本概念和知识。更重要的是，从众多科学家们创建和发展量子力学的思考过程中，体会科学精神，明白科学方法，同时了解科学研究之艰辛，学会像物理学家们一样思考，同物理学家们一起享受成功的乐趣。
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| 關於作者： |
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张天蓉，女，四川成都人。科普作家，美国得州奥斯汀大学理论物理博士。研究方向黑洞辐射、费曼路径积分、毫微微秒激光、高频及微波通讯的EDA集成电路软件等。发表专业论文三十余篇。所著科普著作《永恒的诱惑：宇宙之谜》入围2016中国好书奖，并获得科技部2017年全国优秀科普作品奖。
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| 目錄：
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部分 萌芽期（旧量子论）//001
一、黑体辐射叛逆经典 普朗克释放量子妖精 //002
二、爱因斯坦破解光电效应 波粒二象概念创新 //013
三、互补性原理玻尔模型 年轻人齐聚哥本哈根 //022
四、贵族公子转行攻科学 德布罗意提出物质波 //034
五、桃李满天下为大师之师 无缘于诺贝尔奖成无冕之王 //044
第二部分 创建期（量子力学）//057
六、建矩阵力学奠基新量子论 不确定原理颠覆经典概念 //058
七、唇枪加舌剑众人称“上帝鞭子” 不相容原理泡利探物质奥秘 //070
八、风流倜傥薛定谔建立方程 思想实验虚拟猫纠缠世人 //084
九、协建矩阵力学奠基量子论 提出概率诠释解释波函数 //098
十、把玩数学狄拉克惜字如金 假设能海正电子预言成真
第三部分 伟人纠缠（玻爱辩论）//119
十一、玻尔兹曼创统计力学 得意门生步大师后尘 //120
十二、概率解释量子力学 玻尔对决爱因斯坦 //132
十三、玻色因错误发现量子统计 费米被誉为理论实验通才 //142
十四、出光子盒难题难倒玻尔 用相对论反击爱因斯坦 //154
十五、布洛赫应用量子力学 伽莫夫提出穿隧效应 //164
十六、爱神使出 EPR 撒手锏 玻尔反驳经典哲学观 //174
第四部分 实验、哲学、数学 //183
十七、玻姆思考隐变量 贝尔导出不等式 //185
十八、费曼是物理顽童 惠勒为一代宗师 //195
十九、鬼魅作用量子纠缠 实验验证贝尔定理 //217
二十、量子启迪了思考 物理联想到哲学 //229
二十一、玩游戏的数学大师 证电子有自由意志 //249
后记 //259
附录 量子大事记 //260
参考文献 //265
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| 內容試閱：
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超越经典（代序）
如今，人们经常提到量子，这个词也出现在本书的标题中，但量子到底是什么呢? 有人说:“量子不就是电子、光子什么的，很小很小的粒子吗?”这句话不全对:量子不是任何粒子，但的确和“很小”有关!
一般地说，量子不是实物，而只是一种理论，一种说法，一种概念。固然，历史上也用过“光量子”一词，但实际上它就是光子。所以，一般不将“量子”看作粒子，而用它代表对量子力学、量子理论、量子现象等这些描述微观世界之物理概念的一种泛称。
量子一词来源于拉丁语，原意是不可分割，指的是物理量的不连续性，表征微观粒子运动状态的物理量只能采取某些分离的数值，也叫作被“量子化”。
可以用日常生活中的例子，如斜坡和楼梯，来比喻量子化。斜坡代表连续的高度变化，而楼梯则是“量子化”了的高度变化。
20世纪初期的物理学，接连经历了两次革命——相对论和量子力学。它们在人类科学发展史上，写下了浓墨重彩的一笔。相对论描述高速运动，量子力学描述微观规律，这两场革命突破了牛顿力学及麦克斯韦电磁场理论的经典观念，在许多方面改变了人类对大自然，对物质、时空、因果性等的基本认识，带动了20世纪整个自然科学和技术的发展，为人类文明开辟了新纪元。
然而，这两次物理学革命有一个显著不同的特点:相对论的建立几乎是爱因斯坦一个人 的功劳，或者加上其他几个人的少量贡献。而量子力学却是群体的产物，它是当年出色和富激情的一代物理学家们集体努力的成果，是由众多耀眼的群星共同创建起来的丰碑。量子 力学的建立及发展过程不愧为一个奇迹，其历时之久、人物之众、概念之深、争论之剧，都是科学史上前所未有的。
回顾当年量子力学创建的历史，那是一段群星璀璨、人才辈出的年代。普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、薛定谔、泡利、海森堡、狄拉克、贝尔 …… 一个个闪光的名字! 其中有开天辟地的老前辈，有思想深邃的大师，有初出茅庐的年轻学子，有奇思妙想的幻想者，也有埋头苦干的书呆子……
那一代物理人的共同特点中，令人瞩目的是他们的年龄。看看当年那一批争奇斗艳，光彩夺目的科学明星们吧，当他们对量子力学作出重要贡献时，大多数是20~30岁的年龄。
爱因斯坦1905年提出光量子假说，26岁。
玻尔1913年提出原子结构理论，28岁。
德布罗意1923年提出德布罗意波，31岁。
海森堡1925年创立矩阵力学，24岁;1927年提出测不准原理，26岁。
还有更多的年轻人:泡利25岁，狄拉克23岁，乌仑贝克25岁，古德施密特23岁，约尔当23岁……和他们比起来，36岁的薛定谔，43岁的波恩，42岁的普朗克，该算是老叔叔、老爷爷了。
因此，量子力学是一首少年英雄们谱成且奏响了一百多年的宏伟交响曲!
当我们回望量子论的历史，就像远航的水手回望当年给他(或他的祖先)指点航道的一座座灯塔。灯塔上的灯光忽明忽暗。年轻的水手们一个个航行远去，后方的灯塔越来越多，远处灯塔的灯光显得越来越暗淡，后水手自己也变成了一盏灯，隐藏在历史的灯海中……
漫漫百余年，量子物理学跨越了一个又一个里程碑，成果斐然，而又百般不易，每前进一步似乎都举步维艰。
量子力学的建立和发展分为几个阶段。开始20几年是萌芽阶段，从经典物理碰到了与实验不符合的困难，晴朗天空上出现小乌云开始。1900年，普朗克在经典框架下引进“量子化”的想法来解决黑体辐射问题，之后，爱因斯坦、玻尔、索末菲等人继承其方法，解决了许多诸如此类的问题。这段时间之学说被称为“旧量子论”，标志着尚未建立系统的理论，只是对经典物理的某种“修补”方法。这是本书部分所描述的人物和时间段。
德布罗意提出的物质波思想，大大启发了物理学家们的灵感。海森堡一马当先，和玻恩、约尔当一起创建了矩阵力学;不久后，薛定谔波动方程问世，并且被证明与海森堡等创建的矩阵力学是完全等效的;又过了几年，英国物理学家狄拉克导出了将相对论和电子自旋包括在内的狄拉克方程。因此，在不到十年的时间内，量子理论如井喷似地创建和发展起来。有别于普朗克时代的旧量子论，人们将这一时期的理论称为新量子论，也就是如今我们所说的量子力学。量子力学的创建是本书第二部分的内容。
如何解释波粒二象性? 如何诠释波函数? 玻恩提出的概率解释，以及玻尔的互补原理、海森堡的不确定性原理等，共同构成了成为当年物理学界主流的“哥本哈根诠释”的理论基础。但这种观点却遭到了爱因斯坦的强烈反对。本书第三部分便围绕玻尔和爱因斯坦的几次论战，介绍两位创始人对量子力学的不同观点。玻爱之争中谁也说服不了谁，直到爱因斯坦去世，甚至可以说延续到现在，物理大师们对量子力学的理解仍然未能统一。
狄拉克为了解决从他的方程得到的负能量问题，提出了狄拉克海的假设，从而预言了正电子以及更进一步其他反粒子的存在。之后，这些粒子逐一被实验所证实，狄拉克的假设也成为量子电动力学和量子场论的基础。量子场论后来被扩展应用到两个不同的方向——粒子物理和固体(凝聚态)物理。
当年热烈论战的爱因斯坦和玻尔两位大师虽然都早已驾鹤西去，但物理学界对量子力学基础理论的研究及诠释问题的思考从未停止。玻姆于1952年发展了德布罗意的导波概念，提出隐变量理论，之后启发约翰·贝尔于1964年导出了著名的贝尔不等式，将爱因斯坦对量子力学的质疑，与玻尔的分歧，变成一个可以在实验室中验证的实验问题。如今，又是50多年过去了，贝尔不等式的实验进行得如何呢? 得出了怎样的结论? 我们在第四部分中将探讨某些实验问题，并且也同时对量子力学所引发的一些哲学思考，以及启发数学家们进行的工作，做一个总结性的描述。
在回顾历史，在为量子英雄们画像、树碑立传的过程中，读者从本书中不仅可以了解到量子力学诞生和发展的来龙去脉，也能学到量子力学的基本概念和知识。更重要的是，从众多科学家们创建和发展量子力学的思考过程中，体会科学精神，明白科学方法，同时了解科学研究之艰辛，学会像物理学家们一样思考，同物理学家们一起享受成功的乐趣。
量子力学发展的百年历程中，还伴随着两次世界大战。特别是第二次世界大战中，许多犹太裔科学家包括爱因斯坦在内，都受到纳粹的迫害。在艰苦的学术生涯中他们还饱受战乱之苦，许多人被迫远走他乡、流离失所。他们不仅亲历了物理学的这场伟大革命，也切身体会到人类社会的灾难，见证了几十年历史的沧桑。此外，又正是这一代科学家们创建的量子力学和相对论，被应用到核物理中，并促使美国启动了曼哈顿计划，成功造出原子弹，胜利结束了战争。
后，在附录中总结了一下量子力学一百多年中的大事记。
2.2 解光电效应，一鸣便惊人
厚积多发，一鸣惊人! 爱因斯坦在他的奇迹年———1905年，终于突然迸发出天才伟人的耀眼光辉。那一年，他接连发表了4篇论文，篇篇逆天，篇篇惊人，篇篇伟大，篇篇都是里程碑。
一解光电之效应，开继量子天地;
二算布朗的运动，发展随机统计;
三建狭义相对论，时空合为一体;
四立质能间关系，揭示深层原理。
下面说说与量子论有关的光电效应。1887年，德国物理学家海因里希·赫兹发现，紫外线照到金属电极上，会产生电火花，后人称此为光电效应。
根据当时被物理学界接受的“光的电磁波理论”，光是连续的电磁波。因此，光电效应中产生的光电子的能量，应该与光波的强度有关。但是，在1902年，菲利普·莱纳德做了一个非常重要的实验。他首先利用真空管里的光，在某种材料表面打出光电子，然后用一个非常简单的电路来测量光电子的能量。从实验结果，他惊奇地发现光电子的能量和光的强度毫无关系，只与频率有关。
也就是说，与普朗克当初研究的黑体辐射问题有些类似，光电效应的实验结果令物理学家们困惑。
不过，很快地，1905年6月，爱因斯坦发表了他的重磅论文《关于光的产生和转化的一个启示性的观点》，成功地解释了光电效应[2](图2-1)
爱因斯坦在这篇论文中，做了一个与普朗克解决黑体问题时类似的假定:假设电磁场能量本身就是量子化的，频率为ν 的电磁场的能量的小单位是hν。这儿的h，就是普朗克解决黑体辐射问题时使用的普朗克常数，爱因斯坦将这种一份一份的电磁能量称为“光量子”，也就是后来被人们所说的“光子”。
利用爱因斯坦的光量子能量关系式，就很容易正确地解释莱纳德发现的光电效应规律了。在同一年，爱因斯坦又接连发表了他的另外3篇论文，包括一篇狭义相对论的。
同为德国人的普朗克，当然注意到了这位物理界的年轻明星。不过，当时的普朗克仍然为自己释放的量子妖精而耿耿于怀，他还在努力，试图把量子化假设回归于经典物理的框架中。所以，他为推崇的是爱因斯坦的狭义相对论，而不是光电效应解释。
并且，普朗克自己也对狭义相对论的完成做出了重要的贡献。由于普朗克当时在物理界的影响力，相对论很快在德国得到认可。同时，普朗克也积极热心地向各个大学和研究所推荐爱因斯坦，以帮助他得到一份教职。他将爱因斯坦称为“20世纪的哥白尼”。
对爱因斯坦的光量子假说，普朗克则持那么一点点反对态度，因为他并不准备放弃麦克斯韦的电动力学，他顽固地坚信光是连续的波动，不是一颗一颗的粒子。普朗克如此驳斥爱因斯坦:
“君之光量子一说，使物理学理论倒退了非数十年，而是数百年矣! 惠更斯早已提出光为连续波动而非牛顿所言之微粒也!”
爱因斯坦的经历，也许能给我们一点启迪:何谓天赋? 需要谨慎定义之。表面看起来不言不语、发育迟缓的“笨”孩子，没准儿是个隐藏的天才哦! 可谓“大音稀声，大象无形”也。况且，人生一世成功与否，在于“六分努力，三分天赋，一分还靠贵人来相助”。
5.4 和蔼的同事，优秀的教师
量子力学的建立和发展，是一大批物理学家前仆后继、辛勤耕耘的结果。当年的量子物理学界，能够在物理思想上被称之为“学派”的，实际上只有玻尔研究所的哥本哈根一家，其他的大师级别人物，有像普朗克、爱因斯坦那样的单打独斗者，也有如法国的德布罗意、英国的狄拉克等一类散兵游勇之将。这些人都是时分时合，难以成“派”。
不过，索末菲的慕尼黑大学和玻恩的哥廷根大学，虽然不像玻尔的哥本哈根研究所那样，代表了量子理论中的一种具有特色的诠释，但也都有可观的理论物理中心，培养出了许多优秀的年轻物理学家，为量子理论做出了杰出的贡献。这三个地方，其功劳是不可抹杀的，成为量子力学发展过程中的“黄金三角”。图5-3是索末菲和玻尔的合影。
索末菲在慕尼黑大学任教32年，兼任物理学院主任一职，他与同事和学生们都相处融洽，是一位善于发掘人才的优秀教师，玻恩曾说，索末菲的技能中包括对“天赋的发掘”，对此，爱因斯坦也曾经说:“我特别佩服你的是，你一跺脚，就有一大批才华横溢的青年理论物理学家从地里冒出来。”
连泡利这样尖刻的“上帝的鞭子”，终其一生都对他的老师索末菲“极度敬重”! 据说只要索末菲走进他的屋子，泡利就会立刻站起，甚至鞠躬行礼。他对索末菲如此乖顺的举止，经常被习惯了被“鞭子”抽打的弟子们传为笑谈。对此，有历史记载为证。
其一，奥地利物理学家维克多· 韦斯科夫(VictorWeisskopf)在其自传中有过很有趣的记述:
当索末菲来到苏黎世访问时，一切就都变成了“是，枢密顾问先生”……对于太经常成为他(指泡利)霸气牺牲品的我们来说，看到这样一个规规矩矩、富有礼貌、恭恭敬敬的泡利是一件很爽的事情。
其二，出于泡利本人的文字。索末菲 70 岁生日临近时，泡利给索末菲写了一封信:
您紧皱的眉头总是让我深感敬畏。自从 1918 年我次见到您以来，一个深藏的秘密无疑就是，为什么只有您能成功地让我感到敬畏。
这个秘密毫无疑问是很多人都想从您那儿细细挖掘的，尤其是我后来的老板，包括玻尔先生。
索末菲是老派的德国教授，必定是十分注重礼仪的，也喜欢学生们在自己面前保持恭敬的礼节。但事实上，索末菲的威严中隐藏着和蔼，可以想象在讨论物理问题时，索末菲会把这些礼节都忘掉。正如迈克尔·埃克特(MichaelEckert)在他所作索末菲传记中总结的:
普朗克是权威，爱因斯坦是天才，索末菲是老师。
索末菲受聘于慕尼黑大学的记录中写着，“像玻尔兹曼、洛伦兹和维恩这样非常著名的理论物理学家”都支持索末菲，他被“描写为一位和蔼的同事和优秀的教师”。伟大而优秀的导师必定是谦和与博学共存的。索末菲喜欢用nursery来描述他自己领导的慕尼黑大学理论物理研究所。nursery可翻译成“保育院”，这个词语本身便充分表明了索末菲对他培育的学生们无尽的欣赏和关爱。我把这句话表述成，慕尼黑物理学院是培养“理论物理学家的摇篮”! 不是吗，算一算索末菲的20多个颇有成就的学生们就明白了。
5.5 诺贝尔奖，有缘无分
量子力学的发展基本上有3个阶段:旧量子论、量子力学、量子场论。玻恩在1924年的一篇论文里开始呼唤新量子论的出现。没料到这个召唤还卓有成效，之后的两三年里，量子论井喷式地蓬勃发展:德布罗意粒子波、海森堡矩阵力学、薛定谔波动力学、泡利原理、狄拉克方程等，共同结束了旧量子时代，开创了量子新理论，即量子力学，它吸引了无数年轻一代物理学家，也包括从索末菲的理论物理“摇篮”里，陆续“长大成熟”的学生们。
新量子论逐渐显示出它的巨大威力，薛定谔方程应用于氢原子，原来的玻尔-索末菲原子模型被薛定谔-玻恩电子云理论代替。电子云理论不仅完美地重现了原来模型的结论，并且原来尚存的缺陷与不足、原未解决的困难问题，也都全部迎刃而解! 稍后，狄拉克又在相对论的基础上，建立了描述高速运动微粒的相对论量子力学，成功地解释了自旋问题，亦促进了量子场论的建立。
那是一个充满传奇、令人心潮澎湃的年代，物理新星不断涌现，年轻人荣获诺贝尔奖的故事司空见惯。索末菲桃李满天下，优秀导师成果累累。在他的正式博士生和其他受其影响的学生中，先后有七八个人获得过诺贝尔奖，几十人成为流的教授，在自己的专业领域内做出了重要贡献。
1914年，硕士生劳厄获诺贝尔物理学奖。
1932年，博士生海森堡获诺贝尔物理学奖。
1936年，博士生德拜获诺贝尔化学奖。
1944年，硕士生拉比获诺贝尔物理学奖。
1945年，博士生泡利获诺贝尔物理学奖。
1954年，硕士生鲍林获诺贝尔化学奖。
1962年，硕士生鲍林获诺贝尔和平奖。
1967年，博士生贝特获诺贝尔物理学奖。
诺贝尔奖也没有忽略像索末菲这样的老前辈。在1917—1951年，索末菲一共获得诺贝尔物理学奖提名84次，比其他任何物理学家都多。然而，也许毕竟是属于旧量子论后的守卫者，难以超越量子领域中年轻的革命创新派，加上几次阴差阳错，命运作怪，索末菲后仍然与诺贝尔奖无缘，只能被学界誉为“大师之师，无冕之王”。
1951年4月26日，82岁的索末菲，与孙子外出散步时被车撞倒而意外去世，给世人留下无尽的遗憾。
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