作者：约翰？格里宾 日期：2015-06-13 22:59:35
《寻找薛定谔的猫》是一本跨越量子力学、物理学及哲学等多学科的科普图书。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《寻找薛定谔的猫》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。
作者简介：
约翰·格里宾(John Gribbin)，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,现在是苏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年约翰？格里宾以其关于气候变迁的作品获得了英国最佳科学著作奖。经常替《泰晤士报》、《卫报》和《独立报》撰写有关科学的文章，著作等身（50多部）其中包括《寻找薛定谔的猫》（海南出版社）、《大宇宙百科全书》（海南出版社）、《探索大爆炸》、《漫画时间史》（与凯特·查尔斯沃思合著）等书。
目录：
引言/1
序言真实并不存在/3
第一部分量子理论/1
第一章光/3
是波还是粒子?·波动理论的胜利
第二章原子/13
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/25
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/39
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/61
第五章光子和电子/63
目录：
引言 / 1
序言真实并不存在 / 3
第一部分量子理论 / 1
第一章光 / 3
是波还是粒子?·波动理论的胜利
第二章原子 / 13
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 / 25
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 / 39
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 / 61
第五章光子和电子 / 63
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 / 82
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 / 102
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 / 129
第八章可能性和不确定性 / 131
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 / 151
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 / 185
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 / 203
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 / 223
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
参考前言序言
真实并不存在
我们题目中的猫是个神奇的动物，而薛定谔却是个真实的人。厄尔文·薛定谔是一位奥地利科学家。他在20世纪20年代中期创立了现在被称为量子力学的科学分支中的一个方程。这个分支几乎不能算是个正确的描述，但是量子力学却为所有现代科学提供了基础。这个方程描述很小的物体，一般说来是原子大小或者比原子更小的物体。这为微观世界提供了唯一一种解释。没有这些方程，物理学家将无法建设核电站(或制造原子弹)，制造激光器，或者解释太阳为什么是炽热的。没有量子力学，化学家们将仍然停留在黑暗年代，也不会有分子生物学，不会有对DNA的理解，不会有遗传工程——不会有任何科学。
序言
真实并不存在
我们题目中的猫是个神奇的动物，而薛定谔却是个真实的人。厄尔文·薛定谔是一位奥地利科学家。他在20世纪20年代中期创立了现在被称为量子力学的科学分支中的一个方程。这个分支几乎不能算是个正确的描述，但是量子力学却为所有现代科学提供了基础。这个方程描述很小的物体，一般说来是原子大小或者比原子更小的物体。这为微观世界提供了唯一一种解释。没有这些方程，物理学家将无法建设核电站(或制造原子弹)，制造激光器，或者解释太阳为什么是炽热的。没有量子力学，化学家们将仍然停留在黑暗年代，也不会有分子生物学，不会有对DNA的理解，不会有遗传工程——不会有任何科学。
量子理论代表着科学的最大进展，比相对论具有更大的意义，也更直接更实用，甚至能引发许多奇特的预言。量子力学世界是那么神奇，实际上连阿尔伯特·爱因斯坦也发现其难以理解，因而拒绝接受由薛定谔及其同事创立的理论结果。爱因斯坦及许多其他科学家发现将量子力学方程视为一种数学上的简单表述更为合适，认为它仅是对原子及亚原子粒子行为的一个合理的描述。但其本身隐藏了更深的真理，这些真理更接近于日常的真实性。因为量子力学给出的是：没有什么是真实的，我们不去观察它们时，则什么也不能说。薛定谔那奇怪的猫用来区别量子世界以及日常生活中所见到的世界。
在量子力学世界中，日常所见的熟悉的物理定律不再成立。取而代之的是事件发生的概率性。例如具有辐射性的原子可能衰变放出电子，也可能不。可以这样设计一个实验：具有辐射能力的物质具有50%的机会在某一特定时间内发生衰变。如果其衰变，就会被探测器记录下来。薛定谔也像爱因斯坦那样，被量子力学结果弄得心神不安，尝试着用一个假想的实验来检验理论隐含的晦涩之外。设想在一个封闭的房子中或匣子里，有一只活猫及一瓶毒药。当衰变发生时，药瓶被打破，猫将被毒死。也就是说，在现实世界中，猫有50%的机会被毒死。
不用看匣子，我们就会肯定地说，猫可能死了也可能还活着。这就是量子力学的奇异之处。这理论说，这两种机会取决于辐射物质，因而对猫来说除非被观察到否则就没有真实性。原子可能衰变，也可能不；猫可能死，也可能活。除非我们向匣子中看，发生了什么。坚持量子力学直接解释的理论学者认为存在一个中间态，猫既不死也不活，直到进行观察看看发生了什么。除非进行观测，否则一切都不是真实的。
这个观点对爱因斯坦和其他科学家来说无非是麻醉剂。当引述世界由一大堆量子层次上的随机选择决定的理论时，他说道：“上帝不会掷骰子。”他不承认薛定谔的猫的非真实态之说，认为一定有一内在的机制组成了事物的真实本性。他花了数年时间企图设计一个实验来检验这种内在真实性是否在起作用，但他没有完成这种设计就去世了。也许他没有活着看到他的思路所引发的结果会更好一些。
在1982年夏天，在法国南巴黎大学，由艾伦·艾斯派克特领导的研究小组完成了意将探测量子非真实世界的内在真实性的系列实验。内在真实性——基本机制——被取名为“隐变量”，实验对象是从源中朝相反方向飞出的两个质子或粒子(在第十章中对其有完整的描述)。但基本上可以认为是对真实性的检验。两个从同一源中飞来的质子可以被两个检测器检测到，可测量它的偏振性质。根据量子理论，这种性质是不存在的，除非实施了测量。根据隐变量观点，每个质子从它产生就有“真实的”极性。由于它们同时发射，所以它们的极性是相互关联在一起的。但是实际测量到的在与真实性的两种观点不一致。
这些关键的实验结果是没有含糊的。没有发现由隐变量理论所预言的那种关联，却发现了由量子理论所预言的那种关联。而且正如量子理论所预言的那样，对一个质子的测量对另一质子具有瞬间效应的影响。一些作用关联在一起，纠缠不清，虽然它们以光速飞离。相对论告诉我们没有信号能超过光速传播。实验证明世界没有内在的真实性。日常所谓的“真实性”在描述组成世界的基本粒子行为时不是一个好的方法，而且这些粒子同时联成不可分离的整体，每一个都能觉察到别的粒子发生的事。
探索薛定谔的猫就是寻找量子的真实性。简单总结说，好像这种寻求是没有什么结果的，因为不存在日常词汇中的真实性。但这不能算完，寻找薛定谔的猫可引导我们对瞬间的真实性及一般量子力学有新的理解。路是漫长的，但它却是始于那些科学家们。如果他们发现了自己苦苦寻找的、正是我们现在所获得的答案的话，他们会比爱因斯坦更加惊恐。艾萨克·牛顿在3个世纪前研究光的本质时，不会想到他那时就已经踏上了寻求薛定谔之猫的征程。 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。适当地计入摩擦力，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。而波动要转弯或散射，以某种方式绕进暗影里(想象一下，水塘中的涟漪是能够绕过石头的)。300年前，这种现象很明显对粒子论有利，而波动理论虽未被忘记却也给抛弃了。然而到了19世纪，两种观点的状况则完全反过来了。
图1.1水波的衍射
平行水波通过挡板上的小孔后，在小孔之后形成圆形波，不会形成“阴影”。
在18世纪，很少人能认真地看待光的波动说。在这极少数人中，当时数学的带头人，曾对几何、微积分和三角几何做出主要贡献的瑞士数学家雷纳德·欧拉(Leonhard Euler)不仅认真地对待光的波动说，而且还写文章支持这种学说。说起欧拉，现代数学与物理全由算术项和方程描述，数学描述所依赖的技巧大部分是由欧拉创立的。在此过程中，他创立了至今仍被使用的符号缩写，如π表示圆周率；i表示-1的开方根(我们还会与π一起遇到它)；被数学工作者使用的积分运算符号等等。奇怪的是，在《大英百科全书》的欧拉条目中没有提到他的波动观点。这个观点在他同时代中没有一个“著名物理学家”支持。在欧拉同时代人中，赞同这个观点的唯一名人是本杰明·富兰克林；直到19世纪初英国人托马斯·扬完成他的关键实验之前，物理学家对待这个观点，都不屑一顾。不久法国人奥古斯汀·菲涅尔又重做了这些实验。
波动理论的胜利
扬根据通过水塘表面水波的运动知识，设计实验检验了是否光也同样传播。我们都知道水波是什么样的，虽然为了精确分析起见考虑的是小波而非大波。波的明显特征是在波传过时会抬高水位然后又压低水位；波峰高出平静的水面的高度为它的波幅，对理想的波来说，波传过时，水面被压下的幅度也与之相同。一系列波纹，就像在水塘中扔下一颗石子激起的涟漪那样，一个接一个具有相等的问题，此间距叫做波长，可表示为从一个波峰到另一个波峰的距离。当石子落入水塘时，激起的波纹环绕着源点，从中心向外一圈圈地传播；可是海中的波浪或在湖中由风拂起的水波由系列平行直线一条接一条地向前传播。这两种方式下，1秒钟内通过一个固定点——比如说石头的波峰数是个不变的数目，称为波的频率。频率表示1秒钟通过的波纹数，因此每一个波峰向前运动的速度都是波长乘以频率。
图1.2小孔后产生新波源
就像在水塘中扔进一块石头能激起圆形波一样，圆形涟漪在通过挡板窄缝时也产生圆形波。
关键性的实验从平行波开始，正如到达海岸线之前的波线一样。你可以想象在水塘中扔一块石子并在远处观察它所激发出来的波纹。波纹的圆周越来越大，在离源点足够远的地方，波纹就像是平行的直线一样。我们很难观察到围绕扰动点的大圆的曲率，但却很容易观察到当波在传播路径上遇到障碍物时会出现什么情况。如果障碍物很小，由于波的衍射特性，波会绕过障碍物而几乎不留下“影子”；但是如果障碍物的尺寸比波纹的波长大得多时，波纹仅仅在障碍物边缘处弯进去一点点，留下一大块未受扰动的水面。光是波，就必然具有清晰的影子，只要光的波长比障碍物的尺寸小得多就行。
现在将这个问题倒过来思考。设想一系列细微的平面波在水槽中传播，遇到的不是一个障碍物而是一道墙，只不过墙的中间开了一个小孔。如果小孔直径比波长大得多，那么只有对着小孔区域的波能穿过，而大多数波纹，如同冲向码头的水波，无法穿墙而过。可是如果墙上孔的直径很小，那么这个小孔就会成为新的环状波的一个波源，就如在那里扔下了一块石头。波纹渐渐远离墙面，所形成的圆形波（确切地说是半圆形的）就在原先平静的水面上传播。
图1.3小物体后不会形成阴影
只要障碍物比波的波长不是大很多，它们可充满障碍物后的阴影，这是波能够绕过边角的一个结论。
好，现在我们可以谈到扬的实验了。设想象前述那样，平行水波传过水槽遇到一个阻板，在这个阻板上有两个孔。每个孔都成为一个激发半圆波的新波源，两列波都源于阻板的同一侧而向另一侧传播，它们不但频率相同，而且总是同相，在水面上传播形成较为复杂的涟漪图案。波在某处叠加，当两列波都处于波峰，我们得到增强的波峰，当一列波处于波峰，另一列波处于波谷，它们相互抵消。这种效应被分别称为相增干涉和相消干涉。由这种效应很容易看到，只要在水塘中同时扔下两块石子就可以了。如果光是波动的话，那么等效的实验就可以形成波纹的干涉条纹，这正是扬发现的。
图1.4光的双孔干涉
光能够通过衍射绕过边角，这可用单缝产生圆形波再通过双缝产生干涉图像验证。
图1.5光的双缝干涉
如水波通过小孔那样，光波通过第一个狭缝后产生圆形扩散，“相继”进入另一个。
扬将一束光照到具有两个狭缝的阻挡屏上，在屏的后面，光从两个小孔传播出来并相互干涉。如果光同水波一样也是波的话，那么由于相增干涉和相消干涉，在阻挡屏之后会形成明暗交错的区域。当扬将一个白屏放在窄缝之后，刚好看到他所寻找的——明暗相间的条纹。
可是扬的实验并未引起科学界的兴趣，特别在英国，创立任何被认为与牛顿观点相悖的理论几乎都会被认定为是异教徒的行为。牛顿逝世于1727年，在1705年，也就是离扬宣布他的发现不到一百年，牛顿是第一个因科学研究工作而被封为骑士的。在英国破除这个偶像还为时过早，而在拿破仑战争时期也许这是适合时宜的，于是法国人奥古斯汀·菲涅尔拾起他的“叛逆”思想，最终确立了光的波动学说。菲涅尔的工作虽比扬晚几年，但比扬的工作更完善，实际上，他几乎对光各个方面的现象用波动性来予以解释。除此之外，他还解释了对我们来说非常熟悉的日常现象——光照射到油膜上产生非常美丽的反射色彩。这个过程同样出于光的干涉。一部分光直接由油膜的上层反射回来，另一部分光透过油膜，从底层反射出来。因此，存在两束不同的反射光，它们之间相互干涉。由于每种颜色的光具有各不相同的波长，白光是由彩虹般的七色光叠加而成的，因此，从油膜上反射出来的白光能产生七色光的相增干涉或相消干涉，其效应依赖于眼睛相对于油膜的位置。
图1.6光的行为像波
圆形波双缝的每一个相互干涉，在视屏上产生明暗相间的斑纹。此实验清晰地证实了光的波动性。莱昂·傅科是一位法国物理学家，他最著名的发明是显示地球自转的傅科摆，在19世纪中叶提出了与牛顿粒子说相反的断言：光在水中的传播速度比在空气中传播的速度要慢，这也是一些著名科学家曾经所预计的。那时候，人人知道光是能在以太中传播的波，不管它是怎么进行的，可是要能够弄清楚在光流中是什么“波”在传播就更好了。从19世纪60年代到19世纪70年代，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦建立的电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，至此光的理论得以完善。麦克斯韦断言存在电磁辐射，磁和电的强度变化像水波那样峰谷交替。1888年，德国物理学家海因里希·赫兹成功地发射并接收了作为电波的电磁辐射，这种电波与光相同只不过具有更长的波长。经历牛顿和伽利略年代以来的一百多年，科学思想上最伟大的革命的冲击致使光的波动说趋于完善。在19世纪末期，有个天才或傻子想到了光是粒子，这个人叫阿尔伯特·爱因斯坦；我们在理解他何以迈出这勇敢的一步时，需要有一些19世纪物理学思路的背景知识。