一提到量子這個詞就立刻讓人感到困惑，又讓人著迷和回味無窮。它或者是科學(xué)巨大成功的證明，或者是在我們解開亞原子領(lǐng)域不可避免的奇怪現(xiàn)象與有限范圍的人類直覺的象征，這要看你怎么看。對物理學(xué)家來說，量子力學(xué)是支持我們認(rèn)識大自然的三大支柱之一，其他兩個是愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論。愛因斯坦的理論處理空間和時間的性質(zhì)與引力。量子力學(xué)處理除此之外的一切。有人可能主張，不管量子力學(xué)是令人困惑的或是令人著迷的，這都不要緊；它只是一個描述事物行為方式的物理學(xué)理論。用這個實用主義的標(biāo)準(zhǔn)來衡量，它的精準(zhǔn)度和解釋能力是令人滿意的。有一個量子電動力學(xué)的實驗，是一個最古老的和最好地理解現(xiàn)代量子理論的實驗，其中包括測量磁鐵附近的電子的行為方式。理論物理學(xué)家努力工作了許多年，用筆、紙和計算機(jī)預(yù)測這個實驗會發(fā)現(xiàn)什么。實驗者設(shè)計和進(jìn)行精密的實驗來找出大自然的精細(xì)的性質(zhì)。這兩支隊伍獨立地宣布了精確的結(jié)果，其準(zhǔn)確性可以和測量英國曼徹斯特與美國紐約之間的距離誤差只有幾厘米相比較。尤其值得注意的是，由一些實驗者返回的數(shù)值與理論家的計算精確一致；測量與計算完美吻合。
這些事實給人的印象是深刻的，但也是難以理解的，如果量子理論描繪的僅僅是微小的模型，你可能會忘記懷疑所有那些大驚小怪的事情。雖然科學(xué)不是一下子就能派上用場的，但許多改變了我們生活的技術(shù)和社會的變化，都是源于現(xiàn)代的探索者所進(jìn)行的基礎(chǔ)研究，他們的唯一動機(jī)是更好地了解他們周圍的世界。這些由于好奇心引導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)，遍布了所有的科學(xué)學(xué)科，結(jié)果是增加了人類的預(yù)期壽命，實現(xiàn)了洲際航空旅行和現(xiàn)代通訊，免除了農(nóng)場和清掃的苦役。這些結(jié)果使我們受到鼓舞，同時又讓我們清楚地認(rèn)識在這個無限星辰的大海中我們的位置。但所有這些在某種意義上都是一些副產(chǎn)物。我們探索是因為我們好奇，而不是因為我們希望得到宏偉的現(xiàn)實結(jié)果，或把我們的生活點綴得更好。
量子理論或許是從最神秘莫測變成非常有用的最好例子。它之所以神秘，是因為它描述了一個粒子可以同時存在于世界的幾個地方，并且通過同時探測宇宙，一個粒子可以立即從一個地方移動到另一個地方。它之所以有用，是因為對建造宇宙的最小建筑磚塊行為的理解，加強(qiáng)了我們對其他一切事物的理解。這種說法近乎有些主觀，因為這個世界充滿了多樣性和復(fù)雜性的現(xiàn)象。盡管有這樣的復(fù)雜性，我們發(fā)現(xiàn)一切都是按照量子理論規(guī)則的、由到處移動的一些極小粒子構(gòu)成的。這個規(guī)則是如此之簡單，以至于可以在一個信封的背面寫上幾句話，就把它們概括出來。事實上，我們不需要一整座圖書館的書去解釋事物的基本性質(zhì)，這是所有秘密中最大的奧秘。
看來，我們了解世界的基本性質(zhì)越多，它看上去就越簡單。我們將在適當(dāng)?shù)臅r候解釋這些基本規(guī)則是什么，這些極小的建筑磚塊是怎樣巧妙地形成世界的。但是，為了避免宇宙的這個基本的簡單性不使我們太吃驚，我們要提醒一句：雖然游戲的基本規(guī)則很簡單，其結(jié)果卻不一定容易計算。我們?nèi)粘�對世界的�?jīng)驗，是從由億萬個原子組成的巨大物體之間的關(guān)系得來的，因此試圖從基本原理得出行星和人類的行為將會是愚蠢的。承認(rèn)這一點并不會減弱我們的主要觀點，即一切現(xiàn)象實際上是以極小粒子的量子物理為基礎(chǔ)的。
想想你周圍的世界。你拿著一本由紙做的書，即一棵樹的碎漿做的書。[1]樹子是能供應(yīng)原子和分子的機(jī)器，將它們打碎并重新排列成由億萬個單獨部分構(gòu)成共同的一個群體。它們是用稱為葉綠素的分子完成這項工作的，一個葉綠素由100多個碳、氫和氧原子組成，扭結(jié)成一個復(fù)雜的形狀，靠一些鎂和氮原子結(jié)合在一起的。這些粒子組合在一起可以捕捉從比我們地球大100萬倍的核火爐，我們的太陽發(fā)出的，經(jīng)過了9300萬英里（14967萬公里）的光線，并把這個能量轉(zhuǎn)移到細(xì)胞的內(nèi)部，利用這個能量將二氧化碳和水建造成分子，并在此過程中制造充實生命的氧。正是這些分子鏈形成樹子的上層結(jié)構(gòu)和所有的生物，以及你書中的紙。你能閱讀這本書和了解書中的內(nèi)容，是因為你的眼睛可以將頁面的散射光轉(zhuǎn)化為電脈沖，由宇宙中我們所知道的最復(fù)雜的大腦進(jìn)行解釋。我們發(fā)現(xiàn)這些東西正是原子的集合，并且各種各樣的原子僅由3種粒子構(gòu)成：電子、質(zhì)子和中子。我們還發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子和中子本身是由更小的稱為夸克的實體組成的，這是我們目前所知道的事情。而支撐所有這一切的是量子理論。
因此，正如現(xiàn)代物理學(xué)所揭示的，透過宏觀世界的視野和多樣性，我們所居住的宇宙的圖像是一個潛在的簡單優(yōu)雅的現(xiàn)象。這也許是現(xiàn)代科學(xué)最大的成就；將世界，包括人類在內(nèi)的巨大的復(fù)雜性簡化為描述一些微小的亞原子粒子的行為，和作用在它們之間的4種力。4種力中的3種力已經(jīng)得到最好的描述：在原子核內(nèi)部深處運行的強(qiáng)核力和弱核力，和將原子與分子黏在一起的電磁力，都是量子理論給出的。只有萬有引力，這個最弱的卻為我們最熟悉的力，目前還沒有滿意的量子理論描述。
不可否認(rèn)，量子理論是有些古怪，有些人認(rèn)為它在胡言亂語。貓怎么可能既是活的，又是死的；粒子怎么可以同時在兩個地方；海森堡說一切都是不確定的。然而這些事情都是真實的，只是因為在微觀世界發(fā)生的一些奇怪的事情使我們迷惑不解，所以得出的結(jié)論常常是最不確切的。超感知覺、神秘的愈合、振動手鐲可以保護(hù)我們免受輻射，以及誰知道還有什么稀奇古怪的事，都在“量子”這個詞的掩蓋之下常常被認(rèn)為是可能偷偷進(jìn)入神殿的。這些胡說八道出自缺乏清晰的思維、一廂情愿的思考、真誠的或惡作劇的誤解，或上述這一切的某些不幸的組合。量子理論精確地描述世界，它利用的數(shù)學(xué)定律像牛頓或伽利略提出的任何定律那樣具體。這就是為什么我們可以極其精確地計算一個電子的磁響應(yīng)（themagneticresponse）。量子理論提供了一個自然的描述，正如我們將會發(fā)現(xiàn)的，它有很大的預(yù)測能力和解釋能力，可解釋從硅片跨越到星星的廣闊范圍的現(xiàn)象。
我們寫這本書的目的，是要使量子理論非神秘化；這個理論的框架已經(jīng)被證明是十分混亂的，甚至對它的早期實踐者來說也是如此。我們的方法是采用現(xiàn)代觀點，利用一個世紀(jì)以來的了解和理論的發(fā)展。然而，為了做好準(zhǔn)備，我們從19世紀(jì)末和20世紀(jì)初開始我們的旅程，考察一些導(dǎo)致物理學(xué)家從根本上背離過去的原因。
量子理論，像科學(xué)上的其他案例一樣，是由于發(fā)現(xiàn)的自然現(xiàn)象不能用當(dāng)時的科學(xué)范例來解釋而出現(xiàn)的。量子理論的種類繁多，各有不同。一連串莫名其妙的結(jié)果引起激動和混亂，并促成一個階段的實驗與理論創(chuàng)新并舉時期：一個黃金時代的到來。其主角的名字鐫刻在每一位物理學(xué)學(xué)生的意識中，并占據(jù)著時至今日的大學(xué)教學(xué)課程：盧瑟福、玻爾、普朗克、愛因斯坦、海森堡、保羅、薛定諤、狄拉克。在歷史上也許再也不會有這樣一個時期，如此眾多的科學(xué)家在尋求同一個目標(biāo)上取得了巨大的科學(xué)成就；建立了一個新的構(gòu)成物理世界的原子和力的理論。在1924年，新西蘭出生的物理學(xué)家，在曼徹斯特發(fā)現(xiàn)了原子核的歐內(nèi)斯特?盧瑟福（ErnestRutherford），在回顧之前幾十年的量子理論時寫道：“1896這一年……恰當(dāng)?shù)貥?biāo)志著被稱為物理科學(xué)英雄時代的到來。在此之前，物理學(xué)史上從未有過這樣一段劇烈的活動時期，具有根本性的、重要性的發(fā)現(xiàn)以令人困惑不解的速度一個接一個地而來�！�
但在我們旅行到19世紀(jì)末的巴黎和量子理論誕生之前，“量子”（quantum）這個詞本身是什么呢？這個術(shù)語是在1900年通過馬克斯?普朗克（MaxPlanck）的工作進(jìn)入物理學(xué)的。普朗克那時關(guān)注的是找到一個熱物體所發(fā)出的輻射，對所謂的“黑體輻射”（black bodyradiation）的理論描述。德國一家電照明公司委派他做這件事情：一扇通往“宇宙”的大門就這樣悄然打開了。在本書的后面，我們將更加詳盡地討論普朗克的偉大洞察力，為簡短介紹起見，這里只說他發(fā)現(xiàn)了，只有假定光是以他所說的小能量包，即“量子”（quanta）的形式發(fā)射的，才有可能解釋黑體輻射的性質(zhì)。量子這個詞本身就意味著“包”或“離散”。最初，他認(rèn)為這是純粹的數(shù)學(xué)技巧，但隨后在1905年由阿爾伯特?愛因斯坦對稱做光電效現(xiàn)象所做的工作進(jìn)一步支持了量子假說。這些結(jié)果讓人產(chǎn)生聯(lián)想，因為小能量包可以認(rèn)為是與粒子同義的。