《量子世界：写给所有人的量子物理》

《量子世界：写给所有人的量子物理》

[美]肯尼斯·福特 著 王菲 译

外语教学与研究出版社/2024.1/79.00元

[美]肯尼斯·福特

退休物理学教授。早年毕业于哈佛大学，在普林斯顿大学取得博士学位，曾任美国物理联合会（AIP）负责人，退休后曾在杰曼镇中学教物理。著有多部物理学方面的教材和著名物理学家约翰·惠勒的传记《约翰·惠勒自传：京子、黑洞和量子泡沫》。

王菲

博士，北京理工大学物理学院教授。研究方向为原子与分子物理。参与编写《原子结构与光谱》《大学物理》，翻译《物理学：卷2（电磁学、光学与近代物理）》等教材、《爱因斯坦草坪上的不速之客》等科普图书。曾获首届北京市高等学校青年教学名师奖、霍英东基金会全国高等院校优秀青年教师奖，多次荣获省部级教学比赛一等奖。

微观粒子是宏观世界的“砖石”，但粒子世界的规律却与我们习以为常的宏观世界相悖，这说明我们基于直接感知的日常世界观是有限的。本书分析了这两个世界的不同之处，以及物理学家们为解释粒子行为和粒子构成所提出的奇思妙想。由于受到了物理教师们的欢迎，为满足他们的要求，作者在书的最后增加了“量子练习题”部分，可供教师们使用。

应该指出的是，在量子物理中，要想把是什么（比如粒子）和发生了什么（即定律）区分开来并不容易。在20世纪之前，经典物理已经发展了三个世纪，是什么与发生了什么之间的区分是非常清晰的。例如，地球（是什么）按照力和运动定律围绕太阳作轨道运动（发生了什么），至于地球由什么组成、地球上是否存在生物、地球上的火山岩浆是在喷发还是在休眠等等这些特点，对于地球围绕太阳的运动规律毫无影响。再举个例子，一个振动中的电荷将产生电磁辐射，而这辐射根本不“关心”电荷的携带者是电子、质子还是电离态原子，抑或是乒乓球，它只“知道”某种带电体正在以某种方式振动，但并不“知道”也并不需要“知道”到底是什么东西在振动。振动物体的种类（是什么）对发射出的辐射（发生了什么）毫无影响。

但是对于粒子，事情就没这么简单了。粒子是什么和它们如何运动是紧密关联在一起的，这正是亚原子世界的全部奇妙所在。因此，在接下来的几章中，凡是粒子性质与粒子行为搅在一起之时，都将是你们（以及我）不得不小心处理之处。

我们暂且不去探究亚原子世界为何如此奇妙、如此不可思议和令人惊奇，问题在于那些有关极微小和极高速领域的定律为何与常识如此截然不同，它们何以将我们的思维扩展到了极限？它们的奇妙无法预期。经典物理学家们（处在1900年之前的物理学家）曾想当然地认为，那些来自我们周围世界以及我们所能感知的世界的普通概念也会作为知识的积累而继续适用于自然界中那些超出我们感知范畴以外的领域——小到无法触及，快到转瞬即逝。另一方面，那些经典物理学家也没有办法去了解这些规则是否还将保持不变。那么他们如何确定——或者说我们中任何一个人如何确定——这些源于普通观察的“常识”是否还适合于对那些我们看不见、听不到、摸不着的现象进行解释？

事实上，过去百年的物理学发展已经告诉我们，常识对于新知识领域的引导作用微乎其微。没有人能够预知结果，但人们也不必因此而感到惊讶。日常的经验形成了我们对于物质、运动以及时空的看法，常识告诉我们：固体是坚固的，所有精确的钟表都是保持同步的；物质碰撞前后的质量是保持不变的；自然界是可预测的。也就是说，只要我们输入足够精确的信息，就能得到可靠的预测结果。但是当科学延伸到日常经验范畴之外时——例如进入亚原子世界——事情就截然不同了。固体物质内大部分空间是空荡荡的；时间是相对的；质量在碰撞中将会获得或失去；无论输入多么完备的信息，其结果都是不确定的。

为什么会这样？我们不知道原因。常识本应延伸到我们的感知范围之外，但实际上却没有。这说明我们基于直接感知的日常世界观是有限的。我们只能重复资深电视新闻节目主持人沃尔特·克朗凯特（Walter Cronkite）的告别语：“事实就是如此。”你或许会着迷，或许会困惑，或许会迷惘，但你不该感到惊讶。

在我50岁那年，也就是1976年，已知的亚原子粒子已经达到数百种，其中一些在20世纪30年代已被发现，20世纪40年代发现了更多的亚原子粒子，到五六十年代，亚原子粒子的发现更如潮涌。物理学家们已经不再把这些粒子称为“基本粒子”或“基础粒子”，因为已有太多粒子被如此称呼。不过随着粒子数量逐渐失控，物理学家们也逐渐提出了简化方案，似乎只有易于处理的少数粒子才是真正的基本粒子（包括人们至今仍无法直接看到的夸克）。大部分已知的粒子包括我们的老朋友质子都是可分的，也就是说，是由基本粒子组合构成的。

我们还可以看到，在较之更早的数十年前我们对于原子和原子核的理解与此多么地相似。1932年发现中子（一种不带电荷的中性粒子，质子的同胞）时，已知的原子核的数量已达到数百种。每种原子核都通过其质量和所带正电荷进行区分，原子核的电荷数决定了原子数，或者说决定了原子核在周期表中所处的位置。换言之，就是决定了元素的种类（元素是具有独特化学性质的物质）。氢原子核带有1个正电荷，氦原子核带有2个正电荷，氧原子核带有8个正电荷，铀原子核带有92个正电荷等。有些原子核带有相同电荷（因而属于同种元素）却有不同质量，围绕这些核形成的原子被称为同位素。这数百种原子核中大约有90种原子核平均每个有两到三个同位素，科学家们认为它们应该由少数更基本的结构组成，但是在发现中子之前，他们还无法确定那些结构是什么。中子的发现使得一切都明朗了（尽管后来发现中子还可再分），原子核仅由两种粒子构成，即质子和中子。质子提供电荷，并且与中子一起提供质量。整个原子中，在更大空间内围绕原子核运动的是电子。所以，只需要3种基本的粒子就可以说明数百种不同原子的结构。

对于亚原子粒子，夸克的“发现”与原子中的中子的发现极其相似。我给“发现”一词打上引号是因为同在加州理工学院的默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）和乔治·茨威格（George Zweig）的确分别在1964年提出了夸克存在的假设，但是夸克的存在并没有通过实验观察得以验证（“夸克”这个名字还应归功于默里·盖尔曼）。尽管到目前为止，夸克存在的证据还都是间接的，但其存在本身已不容置疑。今天，人们已经认识到夸克是组成质子、中子乃至所有其他粒子的基本粒子。

之后，物理学家们又提出了亚原子粒子的标准模型。这一模型中共有包括电子、光子以及6种夸克在内的24种基本粒子，可对所有已观测到的粒子和它们之间的相互作用进行说明。（注：这24种粒子不包括引力子——假设的引力粒子——或其他假设粒子以及希格斯粒子〔粒子园中唯一以人名命名的粒子〕，反粒子也不计入其中。）24不像3（1926年时所知道的基本粒子数目）这样小的数字那么令人满意，但是迄今为止这24种基本粒子仍顽强地保持着它们的“基本”身份，尚未发现它们中任何一个是由其他更基本的物质组成的。然而假如超弦理论家们能够证明超弦理论的正确性（我将在后边讨论他们的观点），那么或许还将有更小、更简单的结构等待发现。