走進量子物理的世界

《量子物理如何改變世界》

[ 意] 卡洛·羅韋利 著

王子昂 譯

浙江科學技術(shù)出版社

2023年5月

“最終的計算結(jié)果呈現(xiàn)在我面前時，已將近凌晨三點。我被深深震撼，情緒激蕩，根本無法入睡。我走出家門，開始在黑暗中緩慢前行。我行至海岬，爬上海邊聳立著的一塊礁石，靜候太陽升起……”

我經(jīng)常問自己，北海中荒蕪多風的黑爾戈蘭島上，年輕的海森堡在第一個隱約窺見人類有史以來首次看見的大自然最令人目眩神迷的秘密之一后，行至海岬，爬上那塊礁石，凝視著廣袤海面上的巨浪，靜候日出時，心里會涌起何種想法和情感。

那年，海森堡23 歲。

原子之謎

他是為了減輕過敏癥到黑爾戈蘭島去的。黑爾戈蘭島上—島嶼名字的意思是“神圣之島”—幾乎沒有植被，因此花粉很少。喬伊斯在《尤利西斯》中稱它為“只有一棵樹的黑爾戈蘭島”。而海森堡到那里主要是為了能夠?qū)Ｐ乃伎祭_他的問題。

這個燙手山芋是尼爾斯·玻爾放到他的手中的。海森堡睡得極少，大多時間都孤身一人，試圖計算出能證實玻爾那令人難以理解的定律的結(jié)果。他時不時地中斷計算，去攀爬島上的礁石。在這短暫的休息期間，他還記誦了《西東詩集》中的詩歌—德國最偉大的詩人歌德在這部詩集中歌頌了他對伊斯蘭教文化的熱愛。

尼爾斯·玻爾當時已是成名的科學家，他寫下了一些簡單卻奇特的公式，甚至未經(jīng)測算便預(yù)料到了化學元素的特征，例如化學元素被加熱時釋放出的光的頻率，即光呈現(xiàn)出的顏色。這是一項了不起的成就。但這些公式并不完整，比方說，它們無法算出這些被加熱了的元素的發(fā)光強度。

但最主要的問題是，這些公式中有些看似十分荒謬的東西：它們毫無原因地假設(shè)原子內(nèi)部的電子僅在某些特定的軌道上、在距原子核某些特定的距離上，帶著某些特定水平的能量圍繞原子核運動，隨后會魔法般地從一個軌道“跳躍”到另一個軌道上。這就是最初的“量子躍遷”。

為什么偏偏是這些軌道？這種從一個軌道到另一個軌道的無法解釋的“躍遷”是什么？是怎樣一種未知的力引發(fā)了電子如此離奇的表現(xiàn)？

原子是構(gòu)成一切物質(zhì)的最小基石。它是如何構(gòu)成事物的？電子是如何在原子內(nèi)部運動的？玻爾和他的同事們圍繞這一問題研究了十多年，仍一無所獲。

像文藝復(fù)興時期的畫家組建工作室一樣，在哥本哈根，玻爾將他所能找到的最優(yōu)秀的年輕物理學家聚集在自己身邊，共同探索原子之謎。在這些年輕物理學家中，就有海森堡的同校同學，極其出色、聰明、傲慢自負的沃爾夫?qū)づ堇１M管泡利驕傲自大，但他還是將他的朋友海森堡引薦給了偉大的玻爾，說要想研究獲得進展，就必須叫上海森堡。

玻爾聽從了他的建議，并于1924 年邀請海森堡前往哥本哈根。當時海森堡還在哥廷根大學給物理學家馬克斯·玻恩（1882—1970）做助手。海森堡在哥本哈根停留了幾個月，其間一直在寫滿公式的黑板前與玻爾討論。年輕的海森堡經(jīng)常和老師在山間長途散步，一同討論原子、物理和哲學的謎題。

海森堡整個人陷進了那個問題里，無法自拔。與其他人一樣，他也嘗試了所有的方法，卻沒有一種奏效。似乎沒有任何一種合理的力能夠引發(fā)電子在玻爾設(shè)定的那些奇怪的軌道上發(fā)生奇怪的跳躍。但通過這些軌道和跳躍可以很好地預(yù)測原子現(xiàn)象。這實在是令人困惑。

沮喪和挫敗會使人尋求極端的解決方式。在這個北海島嶼上，獨自一人的海森堡決意要探索一些激進的想法。

海森堡的發(fā)現(xiàn)

其實愛因斯坦在20 年前就曾提出過激進的想法，當時舉世震驚。而事實證明，愛因斯坦的激進是卓有成效的。泡利和海森堡為他的物理學深深著迷。愛因斯坦是一個神話。他們問自己，是否已經(jīng)到了這樣的時刻，應(yīng)該放手一搏，激進地跨出一步，以打破原子中的電子問題的僵局？如果他們能成功跨出這一步呢？二十幾歲的青年，總是敢于無拘無束地做夢的。

愛因斯坦的成功證實，那些最根深蒂固的、被人所堅信的東西都有可能是錯的，而看上去顯而易見的東西也可能不是正確的。拋棄那些顯而易見的假設(shè)可能會更有助于理解。愛因斯坦教會了我們，一切都只應(yīng)以親眼所見的事實為基礎(chǔ)，而不應(yīng)以我們假定其應(yīng)該存在的東西為基礎(chǔ)。

泡利時常向海森堡反復(fù)強調(diào)這些觀點。兩個年輕人飲下這種思辨上的毒蜜并甘之如飴。二人持續(xù)探討的，是一個20 世紀初整個奧地利和德國的哲學界一直在探究的問題：真實與經(jīng)驗之間的關(guān)系。對愛因斯坦的思想有決定性影響的恩斯特·馬赫曾宣稱，只有剝離了任何“形而上學”假設(shè)的實證觀測才能作為知識的基礎(chǔ)。于是，1925 年夏天，非常年輕的海森堡到黑爾戈蘭島躲避花粉時，這幾種思想在他的頭腦中混合到了一起，它們像是化學元素，一旦反應(yīng)便能引發(fā)爆炸。

而他的想法正是從這一爆炸中誕生的。一個只有在年輕人無拘無束的激進主義中才能誕生的想法。一個注定要顛覆整個物理學、整個科學，甚至于我們對世界的整體認知的想法。我相信，人類至今仍未完全消化這個想法。

海森堡的這一躍既大膽又簡單。沒人能找到致使電子做出如此離奇運動的推動力？好的，那我們就先不去想什么新的力。我們就用已知的力：將電子吸引到原子核周圍的電力。我們找不到能解釋玻爾的電子運行軌道和“躍遷”的規(guī)律？好的，那我們就繼續(xù)使用已知的運動學定律，不去改變它。

需要改變的是我們看待電子的方式。我們要放棄將電子視為沿著一條軌道運動的物體。放棄描述電子的運動，只描述我們從外界能觀測到的東西，即電子發(fā)光的強度和頻率。我們僅以可觀測量為基礎(chǔ)。這就是他的主要想法。

海森堡嘗試只使用觀測得來的量：光的頻率和波幅，來重新計算電子的表現(xiàn)。他試圖從此出發(fā)，重新計算電子的能量。

（本文獲出版社授權(quán)，標題為編者所加）

責任編輯董可馨 dkx@nfcmag.com