第1章
量子力学三部曲
“未来”曾两度开启：1900年12月14日和1928年8月26日。1900年12月14日，马克斯·普朗克在德国物理学会的例会上做了有关“紫外灾难”问题解决方案的报告。他指出，原子只有在不连续跃迁的过程中才会触发能量损失。这一新的理论观点推倒了多米诺骨牌中的第一块，最终在20世纪20年代中期将物理学引向量子力学这一新的发展领域。1928年8月26日，在夏季之末，巴克·罗杰斯在通俗科幻杂志《惊奇故事》（Amazing Stories）上完成了他的处女秀。
创刊于1926年的《惊奇故事》，是第一本专门刊载科幻故事的杂志，出版人雨果·根斯巴克将此类故事命名为“科幻小说”（scientifiction）。该刊的座右铭是：“今日奇谈怪论……明日冷酷现实”。普朗克的突破性研究标志着一个新兴科学领域的诞生，它是一个属于“书呆子”的研究领域。而巴克·罗杰斯的登场则开启了极客们想象中的未来世界。（我在此声明，作为一位痴迷于科幻小说和漫画书的物理学教授，我既是书呆子，又是极客。）
20世纪初，科学技术取得了迅猛发展，电报、电话和汽车的发明颠覆了我们的时空观，技术使世界不断浓缩。因此，《惊奇故事》的读者在1928年会对个人飞行座驾和分解射线的成功发明抱有期待，也许不足为奇。
菲利普·弗朗西斯·诺兰在他的中篇小说《大决战——公元2419年》（Armageddon 2419 A. D.）中描写了巴克·罗杰斯的第一次冒险，这篇小说发表在《惊奇故事》杂志的1928年8月刊上。次年，安东尼·罗杰斯这位20世纪兼25世纪的公民形象，以连环漫画的形式被刊登在多家报纸上，因此获得了“巴克·罗杰斯”的绰号。在探索斯克兰顿附近的一处废弃矿洞时，前空军军官巴克·罗杰斯因吸入了某种泄漏气体而进入假死状态，直到25世纪才苏醒，并且很快就适应了新时代的生活。诺兰笔下这位去到未来的英雄，就像马克·吐温笔下穿越回到亚瑟王朝的康州美国佬一样足智多谋。
在故事中，凭借未来世界的武器和在第一次世界大战中培养的军事才能，罗杰斯与一众士兵共同抵抗来自亚洲的邪恶“匈奴”侵略者，这些侵略者在22世纪早期征服了美国。事实上，20世纪三四十年代刊登在通俗科幻杂志上的很多故事中都存在两种截然不同的态度：它们对未来科学技术的持续发展保持乐观，对国际（或星系）关系的发展却保持悲观。
历史验证了科学的进步，也见证了持续不断的国际冲突。在第一次世界大战和第二次世界大战之间，欧洲各国战事稍歇，一场物理学革命于此时掀起，为《惊悚故事》（Startling Stories）中那些看起来不可思议的创新技术奠定了理论基础。“咆哮的二十年代”（RoaringTwenties）前半期，量子力学领域取得了新的进展，在普朗克、尼尔斯·玻尔以及阿尔伯特·爱因斯坦等人的初步猜测与尝试性探索的启发下，埃尔温·薛定谔和沃纳·海森堡分别独立建构了关于原子性质，以及光与原子之间相互作用的正式而严谨的理论。就在他们的科学论文发表的同一年，雨果·根斯巴克开始出版《惊奇故事》。量子力学绝非我们对自然的最终解释，但对固体物理学的发展而言却不可或缺。通过与19世纪电磁理论的结合，量子力学为当下的无线通信技术提供了蓝图。目前，致力于21世纪纳米技术研究的科学家们，仍然要仰仗量子物理学家在20世纪20年代所取得的那些成就。
或许，正是两次世界大战之间的短暂和平期，为物理学的上述发展提供了机会。德国、法国、意大利、英国、丹麦、荷兰和美国科学家之间的合作与交流，使物理学迎来了前所未有的繁荣发展时期，直到1938年欧洲战火重燃。物理学在与时间赛跑，并随着20世纪30年代原子核结构的发现而加快了脚步。就在德军突袭波兰的前一年，德国和奥地利的物理学家们发现，将某些质量较大的不稳定原子核分裂为质量较小的原子核时会释放出巨大的能量，比如，一磅铀由此产生的破坏力相当于8 000吨TNT炸药（一种烈性炸药）。随后，量子物理领域的科学合作因地缘政治轴心的形成而破裂。20世纪40年代，物理学的研究重心从欧洲转移到美国。固体物理学的发展则不得不等到第二次世界大战结束，主要是在英、美两国。遗憾的是，在通俗科幻小说作者们描写的那些发生于遥远时空的军事冲突中，他们已精确地预见了一个残酷的事实：人性的发展将远远落后于技术进步。
正如第二次世界大战后物理学活动的温室从欧洲转移到美国一样，科幻小说的中心也经历了一次类似的转移。雨果·根斯巴克在1928年春季出版的《惊奇故事》上发表了一篇题为“科学化的兴起”的文章。他写道：“有一件事令我们感到满足。可以毫不谦虚地说，在杰出的科幻小说作者群体中，90%都是美国人，其余则散布于世界各地。”这一断言忽视了儒勒·凡尔纳、赫伯特·乔治·威尔斯等欧洲科幻小说先驱们对科幻小说的开创性贡献。
尤其是凡尔纳，他被很多人称为“科幻小说之父”，因其对未来技术的精准描述（如“比空气重的飞行交通工具”、长距离水下航行、火箭探月等）和不可思议的异域场景构建（比如，中空的地球和“神秘岛”）而为人称道。这源于他遵循的是与科学研究相同的指导原则：无论是揭示新的科学规律还是创作一种新型推理小说，人们必须涉足未知的领地。只在安全而熟悉的道路上前行，终究无法抵达新大陆。爱德华·威尔逊曾经忠告世人：对于普通人来说，既然我们无法完成牛顿、爱因斯坦式的创举，那么最好从已知的世界出发，进行小范围的探索。比方说，假如世界真是平的，就应该避免离家远航，而尽量确保海岸线始终在我们的视线范围内。凡尔纳常常在既有科学发展的基础上展开合理推断，对一些细节（或者某种符合自然规律的神奇例外）进行巧妙处理，从而构想出一项有可能实现的技术。
儒勒·凡尔纳的冒险故事通常以该作品的出版年代为创作背景，传奇英雄将被在物理学看来不可能实现的传输方式带入充满异域风情的场所。他的第一部成功小说——《气球上的五星期》（Five Weeks in a Balloon），就是以这种模式创作的，故事中的三位冒险家于1863年前往未知的非洲地区探险。此后，他的《地心游记》（Journey to the Center of the Earth）、《海底两万里》（20,000 Leagues Under the Sea）、《从地球到月球》（From the Earth to the Moon）、《神秘岛》（The Mysterious Island）和《征服者罗比尔》（Robur the Conqueror）等作品，也都沿用了这一模式。然而，在他写作的第二部小说（尽管出版时间最晚）《二十世纪的巴黎》（Paris in the Twentieth Century）中，凡尔纳设计了一场他认为最与众不同的冒险。
这部小说是凡尔纳作品中的一个异类，写于1863年，讲述了在1960年的巴黎，一位年轻大学毕业生的日常生活和世俗体验。与凡尔纳对技术进步一贯持有的乐观态度相反，这部小说流露出他对未来世界的悲观绝望：人们将商业和工程技术视为最高价值，对文学、音乐等文化上的追求却不屑一顾。凡尔纳的出版商认为这份手稿谴责了商业的胜利，无法带来商业价值，便说服凡尔纳将它锁进了保险箱。直到20世纪90年代末，人们用喷灯熔开了钥匙已遗失且一直被认为空无一物的保险箱，这部作品才重见天日。
这部短篇小说当然不可能被误认为典型的凡尔纳式冒险故事：故事的主人公是一位年轻的诗人，丢掉了在他叔叔银行的工作，无以为生，还与他仅有的几个朋友和爱人失去了联系。小说的结尾是，在一场凛冽的暴风雪中，这个年轻人漫无目的地在巴黎街头游荡，最终在一处葬有众多19世纪法国著名作家的公墓里失去了知觉。然而，它对20世纪的生活进行的惟妙惟肖的刻画，却是凡尔纳小说的典型特征。这部写于1863年的小说描述了依靠内燃机技术安静、有效地行驶的汽车（比尼考罗斯·奥托发明四冲程发动机早了13年，比亨利·福特开始大规模生产汽车早了40多年），其能量来源涉及氢气的燃烧；高架列车由压缩空气驱动（伦敦地铁在这部小说写作的当年开通，高架轨道直到5年后才真正开始建设）；城市的夜晚被电灯照亮（5年后，俄亥俄州的克利夫兰获得了“第一个电灯之城”的称号）；摩天大楼里有电梯（这又比纽约8层高的公平人寿大厦安装电梯的时间早了5年）。
凡尔纳设想，到1960年全球通信将成为现实，一个世界范围的电报网将把巴黎、伦敦、法兰克福、阿姆斯特丹、都灵、柏林、维也纳、圣彼得堡、君士坦丁堡、纽约、瓦尔帕莱索、加尔各答、悉尼、北京和努库希瓦岛连接起来。不仅如此，他还想象出19世纪末才真正发明的“摄影电报”，这种电报“允许传送任何形式的文本和图像，无论是手写稿还是印刷稿；信用证或合同的签署可以在5 000里格以外完成”。现代传真机就是量子力学在现实中的一种应用！
凡尔纳还在这部小说中指出，机械上的进步将引发军备竞赛，带来具有超强破坏力的大炮以及同样难以应付的装甲防护技术，世界各国只能束手无策地放弃战争。小说主人公的朋友们哀叹军人这一崇高职业的消失，他们注意到“法国、英国、俄国和意大利已经解散了它们的军队。战争引擎在19世纪就已经如此完善，以至于整个战争过程都显得荒谬可笑”。凡尔纳的确精准地预测到由洲际弹道导弹带来的“确保相互摧毁”战略，但他低估了人类为发动战争寻找借口的能力。
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发明量子理论的那些年轻的物理学家和20世纪二三十年代的科幻小说迷之间有着深刻的相似之处，那就是他们都能超越现实——并非出于信仰，而是基于理性——像接纳现实一样接纳“不可能”，暂时放下内心的疑问。
科幻小说拥趸们津津乐道于那些几乎不可能存在的事物，诸如超光速宇宙旅行、外星生物、能够发出致命毁灭光束的手持式射线枪、飞行汽车以及人形机器人。在量子力学诞生之初，物理学家们想分析令人费解的实验数据，就需要借助更加异想天开的观点。譬如19世纪下半叶，尽管光已经在理论和实验方面均被证明是一种波，它却能够表现出粒子行为；而所有固体物质的运动则有像波一样的表现。
尽管这些理论对宇宙的内部运行状况做出了精准的预测，但物理学家们所面临的研究工作却艰深复杂。因此，他们不阅读玄妙奇异的科幻冒险故事，而是选择老套的廉价侦探小说和美国西部影片来减压，也在情理之中。事实上，基于这些西部影片情节的可预测性，尼尔斯·玻尔（量子理论的建立者之一）和他的同事们在与神秘的原子物理“斗争”之余，建立了一套关于西部片情节发展的理论。据一位参与者回忆，在西部片中，尽管总是恶棍先举枪，但英雄总能先干掉对方。对于这种后发优势，玻尔提出了一个假说，他认为正是求生、自卫的本能使得英雄可以对恶棍的举动迅速做出反应，而恶棍处心积虑地思考何时举枪射击的过程，实际上阻碍了自己。他的一些学生质疑这种解释，他就用科学家的方式解决了这个问题：用玩具手枪在哥本哈根研究所的走廊里开展了实证实验（实验数据证实了玻尔的假说）。
大多数关于量子力学的讨论，无论是在专业层面还是公众层面上，通常先介绍那些挑战现有理论的实验发现，再讲述这些实验数据如何促使物理学家们提出新的观点，以解释实验结果。在这本书中，我们不会这么做。借用20世纪70年代电视节目《揭秘哥伦布》的做法，我将先解释原子的奥秘，再描述相应的实验证据。
为了理解量子力学，我们必须接受三条貌似不可能的定律：
• 光实际上是由不连续的能量片段组成的一种电磁波。
• 物质由具有波动属性的不连续粒子组成。
• 无论光还是物质，任何事物都有“内禀角动量”或称“自旋”，且只有不连续值。
至此，我们有理由提出质疑：为什么我们没有更早地注意到这些？我们如此明察秋毫，怎么可能从未注意到光的粒子属性、物质的波动属性，以及二者持续存在的自旋？事实证明，这些在日常生活中很容易被我们忽视。尽管从生理结构上说人眼有能力探测到一个光粒子，但我们很少遇到单独或少量出现的光粒子。在晴朗的日子里，每平方厘米（大约相当于你拇指指甲的面积）范围内的光线，由每秒超过一万万亿的能量片段组成，所以它们的粒子属性不易显现。
第二条定律讨论了物质的波动属性。我在这本书的第3章中将会提到，棒球被抛出所产生的波长小于原子核尺寸的万亿分之一，因而检测不到。相较而言，原子内一个电子的波长则与原子的尺寸相当，所以当我们试图理解原子内部电子的行为方式时，这种波动性不容忽视。
原子与光在微观世界中相互作用，原子中电子运动的波动性对于研究相互作用的过程中如何吸收或失去光中包含的能量极其关键。因此，任何仅凭我们的日常经验建立的原子或光的模型，都无法对实验结果做出准确说明。有关“内禀角动量”或称“自旋”的第三条定律，其影响非常微妙，当两个不同电子或原子十分靠近，以至于它们的物质波发生重叠时，这条定律的影响力将开始显现。这一效应至关重要，也是理解固体物理学、化学和核磁共振成像的关键所在。
量子力学的这三条基本定律貌似荒谬，但我们必须知道，对自然现象的反直觉假设并不是量子力学独创的。提出一个看似古怪的想法来描述物质世界的某个方面，然后展开逻辑推理，再通过实验对推理的结果加以验证；如果这一古怪的想法与检验结果相符，就接受它。这正是我们对“物理学”的定义。
至少在过去的400年间，“古怪的想法”一直是物理学的标志。17世纪中叶，牛顿第一运动定律指出，任何运动中的物体都将保持原来的运动状态，直到外力迫使它改变运动状态。就个人经验而言，当我以每小时88千米的速度驾车沿高速公路匀速直线行驶时，我必须持续施加动力才能保持此速度。如果我把脚从油门上移开，这种匀速直线运动将无法保持（即使我的轮胎是笔直向前的），而会逐渐减慢直到最终停下来。这自然是由于其他外力对我的汽车施加了影响，比如空气阻力或轮胎和地面间的摩擦力。我们并不觉得摩擦力的影响奇妙而神秘，因为我们已经花了几个世纪的时间去接受“耗散力”的概念。这些力对我们来说是“无形的”，因此牛顿需要惊人的洞察力和强大的抽象思维能力，去想象在没有这些力的作用下一个物体如何运动。有关阻力和摩擦力的这一古怪想法，适用于诸如人类和苹果等宏观世界的物体，它在与直觉相悖这一点上不亚于任何量子理论。
量子世界更加神秘，因为除了像原子队长和不可思议的收缩人这样的超级英雄之外，我们大多数人很少探索一个原子的内部。尽管如此，大约花了1 600年的时间，亚里士多德的观点才被牛顿第一运动定律推翻（亚里士多德认为，运动的物体减速并停下来不是因为摩擦力，而是因为它们渴望恢复到在地面上的“自然状态”）。
在量子理论出现之前的一个世纪里，迈克尔·法拉第和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦等物理学家认为，电荷和磁体之间的感应力是由不可见的电场和磁场产生的。法拉第率先指出，电荷和磁体产生的“力的区域”（简称“场”），只能间接地通过它们对其他电荷或磁体的影响进行观测。当时的科学家对这种古怪想法嗤之以鼻，对他们来说，比法拉第的理论更糟糕的是他的出身：他是一个自学成才的实验科学家，没在像牛津、剑桥这样体面的大学学习过。但是，麦克斯韦认真研究了法拉第的理论，并从理论上证实了可见光由电场和磁场振荡产生的电磁波组成。
通过改变不同电场和磁场的振荡频率，可以产生不同波长的电磁波：从波长可达几米的无线电波，到波长小于一个原子直径的X射线。这两种形式的光都超出了我们肉眼可见的范围，但可以用合适的仪器检测。法拉第和麦克斯韦的奇特理论是我们理解各种电磁波的基础，如果没有电磁波，生活中就不会有广播、电视、手机以及无线局域网（Wi–Fi）。
如果物理学的进步在本质上包含对奇特理论的引入和接纳，那么为什么唯独量子力学以令人费解著称？从某种程度上说，这是由人们对量子力学基础理论的不熟悉导致的。在我看来，“电荷在空间中产生场”“即使在一个黑暗的房间里，我们周围也都是不可见的电磁波”，这类说法并不比“光是由被称为‘光子’的一系列不连续的能量单元组成的”更直观易懂。然而，诸如“磁场”和“无线电波”这样的词语属于常见术语，而“波函数”和“物质波”则不是——至少目前是这样。读完这本书，这些术语也将成为你的日常生活用语的一部分。