薛定谔的小猫：对量子物理和真实性的探索

    既有思想深度，路数又非常清晰。是非常难得的高级科普读物。完全读懂这两本书是不容易的，但却非常值得一读。

    ——中国科学院自然科学史研究所 方在庆

 

    只要你有一点点耐心，你一定可以看懂。这两本书写得的确很好，是目前有关这一内容写得最好的书。我可以保证这一点。

    ——华中科大物理系教授 杨建邺

      量子理论到底是什么?在这里你将会找到理解这个理论所需要的一切知识，不管你是否曾经读过关于这个主题的文章。你将读到这样一些看起来是自相矛盾的现象：例如光子(光的粒子)可以在同一时刻位于两个位置，原子能够同时通过两条路径，对于一个以光速运动的粒子来说时间是静止的，等等。同时你还会发现量子理论是可能实现星际传送的理论依据。
      量子世界的所有奇异性都可以通过考察那只原始猫的两个孪生后代的历险过程来获得最清楚的理解。在重新考虑光的本质问题之后(这个问题在量子论和相对论中都是一个关键问题),一些新的思想便出现了。这些思想能够解释真实性的本质和解决所有的量子之谜。

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既有思想深度，路数又非常清晰。是非常难得的高级科普读物。完全读懂这两本书是不容易的，但却非常值得一读。
      ——中国科学院自然科学史研究所 方在庆

只要你有一点点耐心，你一定可以看懂。这两本书写得的确很好，是目前有关这一内容写得最好的书。我可以保证这一点。
      ——华中科大物理系教授 杨建邺

    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。

前言 / 1

序章问题 / 1
光的奇异性电子干涉标准观点深水盒子中的猫真实性的另一面薛定谔猫的儿女

第一章古代光学 / 35
第一个现代科学家从伍尔西索普到剑桥再到伍尔西索普在牛顿的遮蔽下牛顿的世界观扬的观点菲涅耳、泊松及亮斑书籍装订商的学徒法拉第的场神秘的颜色惊人的麦克斯韦方程组

第二章现代 / 73
以太之死走向狭义相对论爱因斯坦的洞见超光速与时间倒退进入光子世界教爱因斯坦计算光子的人有关光子与物质的新理论量子电动力学的胜利未来的光学

第三章奇异而真实 / 117
看到不可能的光深入探索光子行为兼顾双方无中生有“赶紧发送我，斯科特”量子密码术深入光子内部观察量子奇妙的电子回路什么时候是光子?

第四章绝望中的补救 / 155
哥本哈根解释的垮台我想，因此冯诺依曼的愚蠢的错误不可分割的整体宇宙的扩散量子主题的多元性绝望中的忠告相对性的一个方面一个与时间有关的实验

第五章思考之思考 / 201
构造夸克认识爱因斯坦描述不可描述的了解现实世界进驻量子实在的整体进路

结语解决方案：我们这一时代的秘密 / 243
充分利用质量把万有引力串起来复杂性的简单方面与宇宙握手拿出时间去制造时间

参考书目 / 269

    第一章  古代光学
　　牛顿的世界观
　　牛顿颜色理论的重要性不仅在于他是对的，而且在于他得到结论的方法。在牛顿之前，哲学家主要是通过思辨来发展自己的世界观。例如笛卡儿虽然考虑了光传播的可能方式，但他并没有做实验来验证他的观点。当然，牛顿也并非第一个实验家，伽利略便在他对球从斜面上滚下来的运动方式的研究和单摆的工作中开创了实验的先河。但牛顿首先明确表述了科学方法的基础，即思想(假定)、观测和实验相结合的方法。现代科学正是建立在这一基础之上。
　　牛顿的颜色理论，产生于他不得不离开剑桥回家休假的这段时间里所做的一系列实验。到1665年，一束阳光经过一个三角透镜后会变成一条像彩虹一样的光谱的现象已被普遍认识。对这一现象的标准解释基于亚里士多德的观点，即白光代表纯净的，没有杂质的形式，经过玻璃则导致这种形式发生混乱。当光进入棱镜时，它会发生弯曲，然后沿一条直线到达三角形的另一边，在那里它再次弯曲后进入空气。同时光会发生扩散，从一个白色的光点变成一条彩色的线，沿三角形顶点向下，上面的光折曲最小，在玻璃中经过较短的距离出射成为红光。在下面三角形的边要宽一些，光进入棱镜时要折曲的多一些，在玻璃中经过较长的距离到达另一边进入空气而变成紫色。在两者之间存在着彩虹中所有的颜色——红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。在一个黑暗的房子里，让光通过窗帘上的一个小孔射进来，把一个棱镜挡在光束前面，对着窗户的墙上就会出现彩色的光谱。
　　亚里士多德认为，在玻璃中传播距离最短的白光变化最小，成为红光，而传播距离稍长则变化稍大，是黄色，然后以此类推直到紫色。
　　实际上牛顿用自制的棱镜和透镜对这些观点进行了验证，通过改变透镜的形状，力图减小颜色的变化。他第一个区分了光谱中不同颜色的光，并命名了7种颜色(他有意选择了7种颜色，因为7是一个带有某种神秘意义的素数，如果你发现在彩虹中在蓝色和紫色之间难以区分单独的靛色，你绝对不属于少数了)。
　　但是牛顿这次进行的最重要的一个实验只不过是在第一个棱镜后面放了第二个棱镜，只不过放的方式不同，第一个棱镜尖朝上放，将一束光谱展开成彩色的光谱，第二个棱镜尖朝下放，将展开的彩色光谱变回了一束白光。虽然光经过了更厚的玻璃，但它并没有变得更混乱，而是回到了原来的纯净状态。
　　牛顿认为，这说明白光一点也不“纯净”，而是由彩虹中所有颜色的光混合成的，不同颜色的光在折射时弯曲程度不同，但是在原来的白光中包含所有颜色的光。这是一个革命性的观点，因为它不仅推翻了亚里士多德哲学的一项基础，而且还是建立在可信的实验基础之上。但牛顿并不急于向世界宣布他的发现，他在1665年所获得的对光本性的认识使他致力于一种新型望远镜的研究。
　　用大透镜做成的望远镜(折射望远镜)存在一个问题，因为透镜同样会把白光分解成有色的光谱。这样所观察的物体的图像上会产生彩色条纹，使图像模糊不清，使我们在观察星星时非常不便，这种现象称之为“色散”。牛顿发现要做出一个没有色散的透镜系统很困难(但并非不可能，如所谓的消色差透镜系统，是利用两片或多片折射性质不同的玻璃来制作望远镜，它不会产生色散)，因此，牛顿设计并制作了用曲面镜而不是大透镜的望远镜——反射望远镜。
　　牛顿的反射器想法很简单，用望远镜后部的一片大曲面镜把光反射到一个斜度45角放置的平面镜上，使光改变方向穿过镜壁上的一个小孔射出来，观察者可以通过这个小孔来观察，而不必担心头部会挡住星光。这个想法十分卓越，因为它非常简单，但用现有的材料制作一面精确的镜子是一项实验工作，作为一个专业的工匠，牛顿自己动手完成了镜子。最后他做成了一台长约20厘米(6英寸)的仪器，这台仪器产生的图像比用四倍长的反射器产生的图像大九倍，而且没有色散。
　　这时，瘟疫已经渐渐过去，大学重新开学，牛顿回到了剑桥。他在1667年当选为三一学院的研究员。同年，英国和荷兰爆发了战争，荷兰舰队在泰晤士成功地袭击了英国人，剑桥也听到了枪炮声，大家都知道是怎么回事;牛顿断言荷兰取得了胜利(事实果然如此)，这给他的同事留下了深刻的印象。他的理由是，枪炮声越来越大，这说明战场越来越近，英军正在撤退。
　　到1669年，由于他在数学上的工作，牛顿的声望渐渐超出了剑桥的范围。同年，第一位卢卡斯数学教授，艾萨克巴罗(于1663年任职)退休，实际上是为了牛顿。巴罗虽然是一位有成就的数学家，但他却有另外的雄心。他很快成了国王的第一牧师，然后是三一学院院长。他对亨利卢卡斯——是他设立的卢卡斯教职——的遗嘱执行人有足够的影响，使得他的继任者也是一个三一学院人，并作为一个知名的数学家开始留下足迹。
　　这项任命保证了牛顿在剑桥的地位，但同时要求他作定期演讲。他第一期演讲的题目并不是数学而是光学和颜色理论，其中特别提到了透镜的色散问题。同时他自豪地向剑桥及周围的同事展示了他的新望远镜。实际上，现存的牛顿最早的信(写给一个不知名者)写于1669年，主要内容就是描述望远镜。
　　1671年底，皇家学会(1662年正式建立，实际上已于1645年非正式成立)得知了这项非凡仪器的消息。皇家学会秘书，亨利奥登堡要求看一下这台望远镜，巴罗代替牛顿把它交给了在伦敦的学会。1672年1月奥登堡给牛顿写了一封过分恭维的信，表达了学会对他这项发明的赞美，并告诉他，关于望远镜的消息已经通知了当时在巴黎的惠更斯。作为新式望远镜的发明者，牛顿逐渐开始享誉欧洲大陆。由于这项发明，他于1672年1月11日当选为皇家学会会员，并于数周后发表了他的第一篇物理学论文，形式上是给奥登堡的一封信，信中牛顿阐述了他的颜色理论。这篇论文于1672年2月19日发表在学会的“哲学会刊”上，并导致了牛顿第一次著名的学术争论。
　　罗伯特胡克，生于1635年，死于1703年，当时是皇家学会的实验馆馆长。他在科学上已经久负盛名，并对光和颜色有自己的观点(他自己的光波动论发表于1665年，但没有惠更斯完善)，他总希望自己的任何工作都能抢到优先权。在一封给牛顿的回信中以居高临下的措辞，他首先否定了光是由微粒构成的概念，并认为牛顿的颜色理论与粒子假设无关，并不值得如此夸赞，胡克用词尖刻，暗指牛顿理论中原创的东西是错的，而对的东西不是原创的。
　　争论的结果有两个：第一，它使牛顿从学术界躲避出来，把自己关在剑桥，很长时间里拒绝发表更多的东西(他把自己完善的光学理论留在手中，直到胡克死后，确信不会发生问题时才全部发表);第二是牛顿的那句名言——“如果我看得更远，那是因为我站在巨人的肩上”，尖刻地讽刺了胡克矮小的个子，同时暗指胡克才智不佳。（此句话与牛顿引力论无关，而是出自1675年他写给胡克的一封信，距他的《原理》一书发表有12年。关于牛顿与胡克争论的详情，参见格里宾的《寻找时间的边缘》第一章。）
　　另一项批评则使牛顿提出了对自己工作方法的认识——什么是科学的方法。法国天主教耶稣会教士让加斯东帕拉第斯从巴黎给牛顿写了一封信，质疑了牛顿理论中几点牛顿认为恰当的方法。牛顿并没有把帕拉第斯当成傻瓜对待，而是回信详述了自己的观点，他写道：
　　“哲学最好和最安全的方法似乎应该是，首先努力探索事物的性质，然后用实验来验证这些性质，接着逐渐提出假设来解释这些性质。假设只能被用来解释事物的性质，而不是决定它们，它只是实验的奴仆。”（引自维斯弗《永不停息》，242页。）
　　这就是科学之全部。无论你的理论多么完美，如果它与实验不符，那它就不是正确的。例如，牛顿的光的理论(可能应称之为“假设”，当胡克用这个词来定性牛顿的思想时，牛顿很不高兴)，它将折射归因于光从一种媒质进入另一种媒质时的速度变化，但与惠更斯的理论不同，微粒说要求光在稠密的媒质中运动得更快。这就有了一种很明确的方法来区分这两种思想;如果牛顿在有生之年能看到实验显示光在稠密的媒质中运动的更慢时，他肯定会接受光是以波的形式传播的观点。
　　牛顿不仅建立了考察世界的科学方法，他(和惠更斯等同时代的人一起)还提出了第一个客观世界的模型，它表明宇宙遵守确定的规律(或定律)，不同的现象，大到行星绕太阳的运动，小至光束的弯曲，都可以用这些规律来解释，而不必借助于反复无常的神的一时兴致。
　　17世纪的巨匠留给我们的图景常被十分准确的称为“时钟宇宙”，遵从永世不变的定律。但这里的时钟并不是现在的钟或手表的样子，一秒一秒地走过，实际上我们应该想象一下17世纪教堂里的那种大钟，按照惠更斯的设计，由一个巨大的钟摆驱动，包括很多连在一起的大小齿轮，不仅驱动了时间嘀嗒的流逝，同时还驱动了一个复杂的系统，能让舞台上的圣人像跳舞，能撞击铃铛，在特定的时间产生特定的运动。17世纪的科学认为，与此类似的钟表系统支撑着行星绕太阳的运转以及其他自然现象。
　　在牛顿留给我们的思想遗产中，第一点是宇宙中任何事物的行为都是可以预测的，正如教堂的大钟在舞台上人像的运动是可以预测的;第二点是用人脑可以理解的简单定律就可以理解宇宙是如何运作的。因此，尽管对光本性的进一步理解似乎表明牛顿的微粒说是错的，但与取得的成就相比，这似乎显得无关紧要，当然这仍然是很重要的一步。