寻找薛定谔的猫

  

《寻找薛定谔的猫》是一本跨越量子力学、物理学及哲学等多学科的科普图书。它就像一个科学向导，带着读者领略20世纪物理学的发展过程。它又仿佛是一本思想史，把物理学家们的思维过程很好清晰地展现出来，让读者看到科学家成功前的一次次失败。格里宾在《寻找薛定谔的猫》中生动地描述了科学家得出他们理论的过程，让读者轻松地理解瞬间的真实性和一般量子力学。

约翰·格里宾(John Gribbin)，英国有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《进步科学家》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很好科学著作奖。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。

引言/1
序言真实并不存在/3
部分量子理论/1
章光/3
是波还是粒子?·波动理论的胜利
第二章原子/13
19世纪的原子论·爱因斯坦的原子论·电子·离子·X射线·放射性·原子的内部
第三章光与原子/25
黑体线索·不期而至的革命·h是什么?·爱因斯坦、光和量子
第四章玻尔的原子论/39
电子的跃迁·得到解释的氢原子·一个偶然的要素：上帝的骰子·透视原子·得到解释的化学
第二部分量子力学/61
第五章光子和电子/63
光的粒子性·波粒二象性·电子波·与过去决裂·泡利和不相容原理·下一步去何方
第六章矩阵和波/82
黑利格兰德的突破·量子数学·薛定谔的理论·一次退步·量子调制术
第七章用量子进行调制/102
反物质·原子核的内部·激光器和受激辐射微波放大器·功能强大的显微术·超导体·生命本身
第三部分题外话/129
第八章可能性和不确定性/131
不确定性的意义·哥本哈根解释·双孔实验·坍塌的波·互补性原理
第九章悖论和可能性/151
匣子里的钟表·“EPR悖论”·时间旅行·爱因斯坦的时间·无中生有·薛定谔的猫·参与的宇宙
第十章布丁的验证/185
自旋悖论·偏振方面的迷惑·贝尔实验·证据·这到底意味着什么?·确认和应用
第十一章多个世界/203
谁观察观察者?·薛定谔的猫·超越科幻小说·超越爱因斯坦了吗?·回顾一下·超越埃弗雷特·我们的特殊位置
后记未完的工作/223
时空的扭曲·对称性破缺·超引力·宇宙是真空涨落的产物吗?·膨胀和当今宇宙
参考文献/241
量子理论·科幻小说

序言          真实并不存在               我们题目中的猫是个神奇的动物，而薛定谔却是个真实的人。厄尔文·薛定谔是一位奥地利科学家。他在20世纪20年代中期创立了现在被称为量子力学的科学分支中的一个方程。这个分支几乎不能算是个正确的描述，但是量子力学却为所有现代科学提供了基础。这个方程描述很小的物体，一般说来是原子大小或者比原子更小的物体。这为微观世界提供了唯一一种解释。没有这些方程，物理学家将无法建设核电站(或制造原子弹)，制造激光器，或者解释太阳为什么是炽热的。没有量子力学，化学家们将仍然停留在黑暗年代，也不会有分子生物学，不会有对DNA的理解，不会有遗传工程——不会有任何科学。          量子理论代表着科学的优选进展，比相对论具有更大的意义，也更直接更实用，甚至能引发许多奇特的预言。量子力学世界是那么神奇，实际上连阿尔伯特·爱因斯坦也发现其难以理解，因而拒绝接受由薛定谔及其同事创立的理论结果。爱因斯坦及许多其他科学家发现将量子力学方程视为一种数学上的简单表述更为合适，认为它仅是对原子及亚原子粒子行为的一个合理的描述。但其本身隐藏了更深的真理，这些真理更接近于日常的真实性。因为量子力学给出的是：没有什么是真实的，我们不去观察它们时，则什么也不能说。薛定谔那奇怪的猫用来区别量子世界以及日常生活中所见到的世界。          在量子力学世界中，日常所见的熟悉的物理定律不再成立。取而代之的是事件发生的概率性。例如具有辐射性的原子可能衰变放出电子，也可能不。可以这样设计一个实验：具有辐射能力的物质具有50%的机会在某一特定时间内发生衰变。如果其衰变，就会被探测器记录下来。薛定谔也像爱因斯坦那样，被量子力学结果弄得心神不安，尝试着用一个假想的实验来检验理论隐含的晦涩之外。设想在一个封闭的房子中或匣子里，有一只活猫及一瓶毒药。当衰变发生时，药瓶被打破，猫将被毒死。也就是说，在现实世界中，猫有50%的机会被毒死。          不用看匣子，我们就会肯定地说，猫可能死了也可能还活着。这就是量子力学的奇异之处。这理论说，这两种机会取决于辐射物质，因而对猫来说除非被观察到否则就没有真实性。原子可能衰变，也可能不；猫可能死，也可能活。除非我们向匣子中看，发生了什么。坚持量子力学直接解释的理论学者认为存在一个中间态，猫既不死也不活，直到进行观察看看发生了什么。除非进行观测，否则一切都不是真实的。          这个观点对爱因斯坦和其他科学家来说无非是麻醉剂。当引述世界由一大堆量子层次上的随机选择决定的理论时，他说道：“上帝不会掷骰子。”他不承认薛定谔的猫的非真实态之说，认为一定有一内在的机制组成了事物的真实本性。他花了数年时间企图设计一个实验来检验这种内在真实性是否在起作用，但他没有完成这种设计就去世了。也许他没有活着看到他的思路所引发的结果会更好一些。          在1982年夏天，在法国南巴黎大学，由艾伦·艾斯派克特领导的研究小组完成了意将探测量子非真实世界的内在真实性的系列实验。内在真实性——基本机制——被取名为“隐变量”，实验对象是从源中朝相反方向飞出的两个质子或粒子(在第十章中对其有完整的描述)。但基本上可以认为是对真实性的检验。两个从同一源中飞来的质子可以被两个检测器检测到，可测量它的偏振性质。根据量子理论，这种性质是不存在的，除非实施了测量。根据隐变量观点，每个质子从它产生就有“真实的”极性。由于它们同时发射，所以它们的极性是相互关联在一起的。但是实际测量到的在与真实性的两种观点不一致。          这些关键的实验结果是没有含糊的。没有发现由隐变量理论所预言的那种关联，却发现了由量子理论所预言的那种关联。而且正如量子理论所预言的那样，对一个质子的测量对另一质子具有瞬间效应的影响。一些作用关联在一起，纠缠不清，虽然它们以光速飞离。相对论告诉我们没有信号能超过光速传播。实验证明世界没有内在的真实性。日常所谓的“真实性”在描述组成世界的基本粒子行为时不是一个好的方法，而且这些粒子同时联成不可分离的整体，每一个都能觉察到别的粒子发生的事。          探索薛定谔的猫就是寻找量子的真实性。简单总结说，好像这种寻求是没有什么结果的，因为不存在日常词汇中的真实性。但这不能算完，寻找薛定谔的猫可引导我们对瞬间的真实性及一般量子力学有新的理解。路是漫长的，但它却是始于那些科学家们。如果他们发现了自己苦苦寻找的、正是我们现在所获得的答案的话，他们会比爱因斯坦更加惊恐。艾萨克·牛顿在3个世纪前研究光的本质时，不会想到他那时就已经踏上了寻求薛定谔之猫的征程。