你读得懂的量子力学

2017年08月25日 10:11:03
来源: 中国科学报 作者: 张文静

  虽然名为少年版,但这本书并不仅仅适用于少年读者,任何对量子力学感兴趣、想入门的人,无论年龄、知识水平如何,都能从这本书中有所收获。

  提到量子力学,人们总有高深莫测之感。但中科院物理研究所研究员曹则贤希望用这本《量子力学(少年版)》告诉读者,其实量子力学的世界并非想象中那样难以接近。

  两个作者序

  《量子力学(少年版)》开篇有两个作者序和一篇补充说明,连曹则贤自己都笑言“这有点荒唐”。

  第一篇作者序写于2005年,那时曹则贤正计划为自己快10岁的儿子写一本有关量子力学的书。此前已经有日本作者作了有益的尝试,科普作家都筑卓司撰写了《十岁学量子理论》,虽然那本更像量子力学简史。曹则贤的一些同事也认为,应该有一本给中国少年们的量子力学入门书。“更重要的是,在学习物理的过程中,我常常为那些伟大的发现所震撼,忍不住为那些天才的想法击节叫好。我想对量子力学最好的赞美方式,是让更多人知道量子力学的美妙。”曹则贤说。

  没想到,序言写完后,书稿写作却一拖再拖。2007年,曹则贤写下了第二篇作者序,“欢迎亲爱的小朋友开始阅读这本书”。可由于诸多原因,直到2016年春本书的书稿才得以完成。此时,那个快10岁的少年已经长成了大三的学生。

  “推开键盘,只想郑重地对自己的孩子说一声:对不起,那活泼好学的小男孩,在他的少年时代到底是没能看到这本少年版的量子力学。”曹则贤不无遗憾地说。

  虽然迟了11年,但对于更广泛的读者来说,这本有关量子力学的书却来得恰逢其时。如今,随着信息传播时代的来临,量子力学的成果不时出现在新闻报道中,关于量子力学的各种争论也展现在更多人面前。量子力学到底是什么,是很多人好奇的问题。

  “量子力学和相对论是20世纪物理学的两大支柱,相对论随着爱因斯坦的名字不断地出现在各种场合,为世人普遍知晓,量子力学则似乎一直居于高高的学术象牙塔中。”曹则贤表示,但其实,量子力学离我们并不遥远,它的研究成果已经主导了我们的生活,到处都能看到量子力学改变生活的证据。激光,基于半导体技术的各种电子学,光电子学器件如计算机、太阳能电池、手机等,还有医用的核磁共振仪,都是在利用量子力学理解物质、改造物质的基础上实现的。“对于今天的少年们来说,量子力学应该是基础知识,而不再是高深的学问。”

  曹则贤还想通过这本书纠正“量子力学是物理学领域的革命”的说法。“物理学里没有革命,而是一条绵密的思想的河流,是连续发展的。”曹则贤说,在过去的教学和研究中,他把量子力学创立过程中经典的文献,包括英语、德语、法语等版本翻完之后,更验证了这种想法。“量子力学创立过程中的每一个想法都是有一定基础的。量子力学到底是怎么创造的、它面对的是什么问题、创立者用了什么方法和工具、他们如何尝试去解决量子力学的问题从而构造量子力学体系的,我很想严肃地去谈谈这些问题。”

  带着脚手架的物理学

  正是带着这样的理念,曹则贤在这本书里循着量子力学发展的历史脉络,用关键的人物、物理事件与数学思想,构筑量子力学的知识体系,强调量子力学在经典物理的基础上被创建的过程细节,从而引导读者走进量子力学的世界。

  其实这也源自曹则贤自己的困惑。“从1982年进入中国科学技术大学物理系算起,近30年的物理学习生涯中,我一直为自己不能很好地理解一些物理概念、不能够早早地建立起正确的物理图像而懊恼不已。”曹则贤说,所以他一直有个愿望,想编一本物理学教科书,把物理学的概念置于其自身发展的历史背景中,看它产生、演化、改进甚至被摒弃的过程,讨论它的发展或应用的可能性。换句话说,就是去看“带着脚手架的物理学”,而不是只呈现那些“完美”的结果。

  于是,在书的开篇,曹则贤就写“宇宙如棋局”,告诉读者物理学家探索量子世界的秘密的过程,就好像一个孩子看别人下象棋,要很久才能记住有整个棋盘上一共几个棋子,然后再慢慢琢磨出下象棋的规则,这个过程并不是一蹴而就的。

  随后,曹则贤从牛顿用三棱镜发现白色光的七色彩虹分解讲起,通过夫琅和费在太阳光谱中发现暗线的历史故事,讲到了量子力学中的原子吸收问题。接着,他又介绍了普朗克的黑体辐射曲线以及对能量量子化的解释,随后则介绍了爱因斯坦用光量子的观点解释了光电效应的奇特现象。

  对于光谱线的强度,曹则贤写到了克拉默斯的努力,以及克拉默斯建立的那个不太正确的模型。随后,他以一贯犀利的风格评价了海森堡的“半截子论文”——海森堡是在思考光谱线的强度的问题时得到了量子力学的“矩阵形式”的。但整个思维过程海森堡其实自己也是懵懂的。海森堡自己也没有完全想清楚到底是怎么一回事,只是写了一个论文发表出去了,却阴差阳错地成了量子力学的奠基人。

  此后,从德布罗意的物质波,到薛定谔得到波动方程的思考过程,从科学史上第一个人为设计的观测量子态的实验——斯特恩—盖拉赫实验,到古德斯密特与乌伦贝克提出的“自旋”的假说,再到泡利对自旋的矩阵描述,曹则贤将量子力学创立和发展过程中的关键人物和事件一一呈现,最后还介绍了量子力学的实际用处,比如说激光与半导体的发明。

  “我就是要把科学创造的过程展现出来,包括做对的,也包括做错的。”曹则贤说。

  读起来更像是故事

  让少年读量子力学,能读得懂吗?对此,曹则贤则是信心满满,在他看来,如今少年的见识和智力远超以往,而且,让孩子们早早接触到像量子力学这样有挑战性的内容,无疑对培养孩子的科学素养是有益的,“但前提是孩子自己要有兴趣”。

  曹则贤希望,自己的这本书读起来更像是故事,而不是物理的专业教科书,更不是冷冰冰地向人灌输高深的学问。“当然,用通俗的语言介绍量子力学这样的学问必定有不精确、不到位的地方,因此本书除了解释关于量子力学初步的、直观的知识外,还将用到一些数学。”曹则贤说,当然,也不能指望小朋友去演算特别难的方程,所以他用了最少量的方程,把重点放在介绍量子力学的实验基础、思想逻辑和应用成就上。

  “所有的复杂数学内容你都可以跳过,然后接着看下去。”曹则贤说,孩子们可以通过本书记住一些伟大的名字,那些改变了人类认知的伟大事件及其哲学、方法论的背景,那些不同寻常的大脑里的古怪想法。等他们长大了,就能更深入地理解量子力学的内容,一起经历和理解未来那些激动人心的发现。即使不想成为物理学家,量子理论训练的思维方式仍然有助于他们认识世界。

  1938年,科幻作家杰克·威廉森出版了科幻小说《无边的时间》,故事中说人类的未来有希望和堕落两种可能,选择将由一个男孩作出。他可能会在草地上捡起一块小磁铁,成为了一个伟大的科学家,或者捡起一块小石子,成为一个流浪汉。这个故事让曹则贤深有感触:“我们有太多的拥有成为伟大科学家天赋的小朋友,他们需要的只是一块撩起好奇心的小磁铁。我衷心希望,我的这本小书会是这样的一块小磁铁,能撩起许多小朋友对科学的好奇。”

  同时,曹则贤也强调,这本书虽然名为少年版,但它并不仅仅适用于少年读者,他希望任何对量子力学感兴趣、想入门的人,无论年龄、知识水平如何,都能从这本书中有所收获。

  在曹则贤看来,量子力学是人类天才的精神创造,为的是揭示我们存身其中的宇宙的秘密,它同其他学科一样富有艺术性、创造时的冒险性和美感。“把量子力学描绘成晦涩难懂的、充满怪异符号和复杂公式的、只供科学‘怪物’们理解的怪诞臆造物,无疑是个天大的误会。它不过是人类在过去某个阶段的思想的结晶,不会超过现代人的理解力太远。我也不认为任何一门学科非要装出一副拒人于千里之外的架势不可。”曹则贤说,如果时间和能力允许,他还将继续写作《相对论(少年版)》《热力学(少年版)》和《电磁学(少年版)》。

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网站编辑 - 孙思清