《上帝擲色子嗎：量子化學(xué)雜記》:一場(chǎng)精妙絕倫的科學(xué)之旅
這是一部號(hào)稱中國(guó)版《時(shí)間史話》的優(yōu)秀科學(xué)史作品。十分害怕你們看見(jiàn)這個(gè)標(biāo)題就被嚇倒，為了去除你們的擔(dān)憂，首先帶來(lái)這本書(shū)的“官方”介紹：
這本書(shū)是關(guān)于量子論的故事。量子論是一個(gè)極為奇妙的理論：從數(shù)學(xué)角度來(lái)說(shuō)，它在科學(xué)屋內(nèi)間造成了最為激烈的爭(zhēng)議和關(guān)注；從現(xiàn)實(shí)角度來(lái)說(shuō)，它給我們的社會(huì)帶來(lái)了無(wú)與倫比的變化和進(jìn)步；從科學(xué)史角度來(lái)說(shuō)，也幾乎沒(méi)有哪段歷史比量子論的成立得到了更為徹底的研究。但是不可思議的是，它的基本觀點(diǎn)和假說(shuō)至今沒(méi)有滲透到大眾的意識(shí)中去，這無(wú)疑又給它平添了一道神秘的光環(huán)。
這本書(shū)帶讀者做一次量子之旅，從神話時(shí)代出發(fā)，順著量子發(fā)展的公路，親身去經(jīng)歷科學(xué)史上的烏云和洪水，追逐流星的輝光，穿越重重迷霧和險(xiǎn)阻，和最偉大的數(shù)學(xué)學(xué)家們并肩作戰(zhàn)。不僅回顧基本的歷史背景，還將奔向未來(lái)探險(xiǎn)，去逐一摸索量子論面前的不同公路，闖進(jìn)人跡罕至的未知窘境，和先行者們一起開(kāi)疆?dāng)U土。讓人驚訝的，不僅僅是沿途那令人眼花繚亂的瑰麗景色，更來(lái)自于人內(nèi)心深處的思考和啟示——那是科學(xué)植根在每位人心里不可抗拒的魅力。
這本書(shū)適宜任何有學(xué)校基本數(shù)學(xué)概念的讀者。（對(duì)于我們這類(lèi)普研讀者，毋須過(guò)分考量專業(yè)的理論或名詞，只需掌握大致的思想和理論的來(lái)龍去脈即可上帝投骰子嗎 量子物理史話，這也是作者寫(xiě)作此書(shū)的原則之一。）
讓我們先回溯“上帝擲色子”說(shuō)法的出處：
圖：1927年索爾維大會(huì)合照
相片中獲得過(guò)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的有：洛倫茲1902，居里夫人1903，布喇格1915，普朗克1918，愛(ài)因斯坦1921，玻爾1922，康普頓1927，海森伯1932，薛定諤1933，狄拉克1933，泡利1945，玻恩1954。獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)的有：居里夫人1911，德拜1936。
1927年群星閃耀的第五屆索爾維大會(huì)，幾乎當(dāng)時(shí)世界上所有的數(shù)學(xué)學(xué)界領(lǐng)軍人物都聚首于此，這堪稱數(shù)學(xué)學(xué)界的“超奢華陣容”。但從后來(lái)的結(jié)果來(lái)看上帝投骰子嗎 量子物理史話，此次大會(huì)的主角無(wú)疑是玻爾為首的阿姆斯特丹派和她們的量子論。
在爭(zhēng)辯中，愛(ài)因斯坦說(shuō)道：“玻爾，親愛(ài)的上帝不擲色子！”玻爾則反擊道：“愛(ài)因斯坦，別去指揮上帝應(yīng)當(dāng)怎樣做！”
我們曉得，正是愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的研究，燃起了量子熱學(xué)革命的星星之火。那位以前是量子化學(xué)開(kāi)創(chuàng)者的科學(xué)大師，面對(duì)量子熱學(xué)此后諸多魚(yú)貫而出、匪夷所思的推論，甚至站到了量子論的對(duì)立面！這實(shí)在是由于量子論的一系列結(jié)果，實(shí)在太過(guò)革命，太過(guò)匪夷所思。
假如要推選數(shù)學(xué)學(xué)發(fā)展史上最偉大的年代，這么有兩個(gè)時(shí)期一定會(huì)榮獲：17世紀(jì)末和20世紀(jì)初。后者以牛頓《自然哲學(xué)的物理原理》的出版為標(biāo)志，宣告的精典數(shù)學(xué)學(xué)的即將成立；而前者則為我們帶來(lái)了相對(duì)論和量子論，并最終徹底推翻和重建了整個(gè)數(shù)學(xué)學(xué)體系，也造成了我們?nèi)缃癖姸嗫茖W(xué)技術(shù)的盛行與繁榮。
故事從人們對(duì)于光本性（如：光是許多粒子的集合；光是電磁波）的猜測(cè)、研究與爭(zhēng)辯開(kāi)始；從19世紀(jì)最后三天開(kāi)爾文展望新世紀(jì)數(shù)學(xué)學(xué)時(shí)“兩朵烏云”的講話埋下伏筆；1900年普朗克引入量子化能量的宋體幅射公式、1905年愛(ài)因斯坦引入“光量子”成功解釋光電效應(yīng)、1913年玻爾的量子化氫原子模型將故事進(jìn)一步展開(kāi)；到了1924、1925、1926、1927四年間，德布羅意的“物質(zhì)波”，“波粒二象性”、海森堡等人的矩陣熱學(xué)、泡利的不相容原理、薛定諤多項(xiàng)式、波恩的“概率波”、海森堡不確定性原理以及玻爾的互補(bǔ)原理，短時(shí)間內(nèi)這一系列理論的提出，將故事推向高潮，量子論迎來(lái)了真正意義上的爆發(fā)。
量子論的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)就是在那一段時(shí)間被杰出的化學(xué)學(xué)家們所打下，然而，自量子論誕生以來(lái)，它曾一度遭到“反對(duì)派”的指責(zé)和挑戰(zhàn)。直至明天，它和相對(duì)論一起成為了支撐數(shù)學(xué)學(xué)的兩大支柱。但它是又這么地與眾不同，即使已經(jīng)在好多領(lǐng)域取得了巨大的成功，但近90年前就被成立的它仍然沒(méi)有被最后完成！許多理論學(xué)家仍在為了它而爭(zhēng)執(zhí)不休，為怎樣“解釋”其意義而鬧得焦頭爛額，這愈發(fā)凸現(xiàn)出量子論獨(dú)一無(wú)二的神秘知性。在這么漫長(zhǎng)的時(shí)光過(guò)去以后，我們不但沒(méi)有對(duì)量子論了解得更清楚，反倒越來(lái)越覺(jué)得到它的獨(dú)特和不可思議。“聲稱自己懂得量子熱學(xué)的人，雖然還在量子熱學(xué)的門(mén)檻之外”。
書(shū)的旁邊部份，作者對(duì)后來(lái)盛行的幾種對(duì)量子現(xiàn)象的新“解釋”作出了表述，也述說(shuō)了20世紀(jì)后期理論化學(xué)學(xué)家們基于量子熱學(xué)，對(duì)構(gòu)建統(tǒng)一宇宙四種基本力的終極理論所進(jìn)行的探求。
圖：我們的理論結(jié)構(gòu)（摘自書(shū)中第12章）
本書(shū)的有趣之處除了在于作者對(duì)無(wú)法理解的數(shù)學(xué)學(xué)理論所作出的精彩比喻和演繹，讓你們稍加思索才能讀懂其思想，更在于對(duì)科學(xué)家本身的性格和事跡的描寫(xiě)。一個(gè)故事精彩，正是在于人物的精彩。化學(xué)學(xué)家有人類(lèi)中最為聰明的腦子，同時(shí)也有著奇特的個(gè)性。書(shū)中以量子熱學(xué)的發(fā)展為主線，其中串著一個(gè)個(gè)偉大的科學(xué)家，她們每一個(gè)人，又都有著奇特的故事，這無(wú)疑使歷史愈發(fā)引人入勝。
據(jù)悉，書(shū)前面部份對(duì)化學(xué)學(xué)理論上升到哲學(xué)層面的一些闡述也值得我們思索。書(shū)中一些章節(jié)結(jié)尾處的“飯后閑談”欄目也饒有趣味，作者要么對(duì)科學(xué)史上的一些“神話”（如伽利略斜塔擊球、牛頓的蘋(píng)果、凱庫(kù)勒的蛇等等）進(jìn)行有理有據(jù)地剖析；要么介紹一些科學(xué)家的軼聞；要么進(jìn)行一些內(nèi)容補(bǔ)充，這種也算是我們旅途中一道道別樣的景色。
精彩章節(jié)
海森堡后來(lái)在獻(xiàn)給法國(guó)學(xué)者范德沃登（Vander）的信中追憶道，當(dāng)他在哪個(gè)石頭小島上的時(shí)侯，有一晚突然想到體系的總能量應(yīng)當(dāng)是一個(gè)常數(shù)。于是他試著用他那規(guī)則來(lái)解這個(gè)多項(xiàng)式以求得振子能量。求解并不容易，他做了一個(gè)熬夜，只求下來(lái)的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)符合得特別好。于是他爬上一個(gè)懸崖去看日出，同時(shí)倍感自己十分辛運(yùn)。是的，曙光早已出現(xiàn)，太陽(yáng)正從海平線上冉冉升起，萬(wàn)道霞光染紅了水面和空中的云彩，在天地間流動(dòng)著魔幻的輝光。在高高的石崖頂上，海森堡面對(duì)著壯麗的日出景色，他腳下碧海潮生，仍然延展到無(wú)窮無(wú)盡的遠(yuǎn)方。是的，他曉得，thisisthe（是時(shí)侯了），他早已做出生命中最重要的突破，而化學(xué)學(xué)的黎明也總算到來(lái)。
譯注：對(duì)于這樣一個(gè)偉大的數(shù)學(xué)學(xué)家而言，當(dāng)他完美地解決了一個(gè)困惑世人已久的科學(xué)問(wèn)題的時(shí)侯，他所得到的快樂(lè)，已非其他任何事情才能與之相比。所謂“朝聞道，夕死可矣”。
人們的確有理由倍感奇怪，為何在這么漫長(zhǎng)的時(shí)光過(guò)去以后，我們不但沒(méi)有對(duì)量子論了解得更清楚，反倒越來(lái)越覺(jué)得到它的獨(dú)特和不可思議。最杰出的量子論專家們各執(zhí)一詞，人人都宣稱只有他的理解才是正確的，而他人都錯(cuò)了。量子謎團(tuán)已然成為化學(xué)學(xué)中一個(gè)最神秘和不可飄忽的部位，有一次說(shuō)：“我做實(shí)驗(yàn)的惟一目的，就是給別的數(shù)學(xué)學(xué)家瞧瞧，量子論到底有多奇怪。”到目前為止，我們手里早已攥下了超過(guò)一打的所謂“解釋”，并且它的數(shù)量一直有望不斷地降低。很顯著，在這種花樣繁雜的提議中，不僅一種以外，絕大多數(shù)都是錯(cuò)誤的。甚至很可能，到目前為止所有的解釋都是錯(cuò)誤的，但這卻并沒(méi)有阻礙化學(xué)學(xué)家們把它們創(chuàng)造下來(lái)！我們只能說(shuō)，化學(xué)學(xué)家的想像力和創(chuàng)造力是非凡的，但這也導(dǎo)致了我們深深的擔(dān)憂：究竟在多大程度上，化學(xué)理論就像人們所驕傲地聲稱的那樣，是對(duì)于大自然的深刻“發(fā)現(xiàn)”，而不屬于化學(xué)學(xué)家們杰出的智力“發(fā)明”？但從另外一方面看，我們對(duì)于量子論本身的確是沒(méi)有哪些好挑剔的。它的成功是這么巨大，以至于我們不僅咂舌之外，根本就來(lái)不及對(duì)它的獨(dú)特之處有過(guò)多的評(píng)頭論足。從它被成立之初，它就挾著雷霆萬(wàn)鈞的力量橫掃整個(gè)數(shù)學(xué)學(xué)，把每位角落都打造得煥然一新。其實(shí)如同狄更斯說(shuō)的那樣，這是最壞的時(shí)代，但也是最好的時(shí)代。
摒棄量子場(chǎng)論的勝利不談，量子論在數(shù)學(xué)界的幾乎每一個(gè)角落都喚起興奮人心的浪花，引起一連串美麗的漣漪。它深入固體化學(xué)之中，使我們對(duì)于固體機(jī)械和熱性質(zhì)的認(rèn)識(shí)形成了翻天覆地的變化，更打開(kāi)了通向匯聚態(tài)化學(xué)這一嶄新世界的房門(mén)。在它的指引下，我們才真正認(rèn)識(shí)了電壓的傳導(dǎo)，促使對(duì)于半導(dǎo)體的研究成為可能，而最終率領(lǐng)我們邁向微電子學(xué)的完善。它造訪分子化學(xué)領(lǐng)域，成功地解釋了物理鍵和軌道介孔，進(jìn)而開(kāi)創(chuàng)了量子物理學(xué)科。現(xiàn)在我們關(guān)于物理的幾乎一切知識(shí)，都構(gòu)建在這個(gè)基礎(chǔ)之上。而材料科學(xué)在插上了量子論的雙翼以后，才真正振翅翱翔上去，開(kāi)始深刻地影響社會(huì)的方方面面。在量子論的指引之下，我們認(rèn)識(shí)了超導(dǎo)和超流，我們把握了激光技術(shù)，我們?cè)斐隽司w管和集成電路，為一整個(gè)新時(shí)代的將至真正做好了打算。量子論讓我們得以一探原子內(nèi)部那最為精細(xì)的奧秘，我們不但愈發(fā)深刻地理解了電子和原子核之間的作用和關(guān)系，還進(jìn)一步拆開(kāi)原子核，感受到了大自然那更為令人驚訝的神奇。在廣袤的星空之中，我們必須利用量子論能夠掌握星體的命運(yùn)會(huì)何去何從：當(dāng)它們的燃料用盡以后，它們會(huì)不可防止地向內(nèi)坍縮，這時(shí)支撐起它們最后骨架的就是源自泡利不相容原理的一種簡(jiǎn)并壓力。當(dāng)電子簡(jiǎn)并壓力足夠抵御坍縮時(shí)，星體就演變?yōu)榘装恰Ｒ请娮颖徽鞣恐凶酉聛?lái)抵抗時(shí)，星體就變?yōu)橹凶有恰Ｗ詈螅热粢磺蟹谰€都被突破，這么它就不可防止地坍縮成一個(gè)黑洞。但雖然黑洞也不是完全“黑”的，假如充分考慮量子不確定誘因的影響，黑洞雖然也會(huì)形成幅射而漸漸消失，這就是以其鼎鼎大名的發(fā)覺(jué)者史蒂芬?霍金而命名的“霍金蒸發(fā)”過(guò)程。……霍金對(duì)此說(shuō)了一句同樣有名的話：“上帝不但擲色子，他還把色子擲到我們看不見(jiàn)的地方去！”
展望和結(jié)語(yǔ)
作者在書(shū)中提及了現(xiàn)今量子論研究的兩大熱門(mén)領(lǐng)域——量子估算和量子通訊。
說(shuō)到量子估算，量子比特不同于精典比特，它可以同時(shí)處于兩個(gè)邏輯態(tài)0和1的相干疊加態(tài)。“考慮一個(gè)N個(gè)數(shù)學(xué)比特的儲(chǔ)存器，若它是精典儲(chǔ)存器，則它只能儲(chǔ)存2^N個(gè)可能數(shù)據(jù)當(dāng)中的任一個(gè)，若它是量子儲(chǔ)存器，則它可以同時(shí)儲(chǔ)存2^N個(gè)數(shù)，但是隨著N的降低，其儲(chǔ)存信息的能力將指數(shù)上升，比如，一個(gè)250量子比特的儲(chǔ)存器（由250個(gè)原子構(gòu)成）可能儲(chǔ)存的數(shù)量比現(xiàn)有已知的宇宙中全部原子數(shù)量還要多！因?yàn)槲锢聿僮骺梢酝瑫r(shí)對(duì)儲(chǔ)存器中全部的數(shù)據(jù)進(jìn)行，為此，量子計(jì)算機(jī)在施行一次的運(yùn)算中可以同時(shí)對(duì)2^N個(gè)輸入數(shù)進(jìn)行物理運(yùn)算。其療效相當(dāng)于精典計(jì)算機(jī)要重復(fù)施行2^N次操作，或則采用2^N個(gè)不同處理器施行并行操作。可見(jiàn)，量子計(jì)算機(jī)可以節(jié)約大量的運(yùn)算資源（如時(shí)間、記憶單元等）。”
量子計(jì)算機(jī)將給人類(lèi)文明帶來(lái)的改革，即便根本沒(méi)法想象。“一句話，商業(yè)級(jí)量子計(jì)算機(jī)會(huì)成為未來(lái)科技的引擎。如同蒸氣機(jī)是工業(yè)文明的象征一樣，量子計(jì)算機(jī)帶來(lái)的估算能力突破將會(huì)有類(lèi)似的意義。”
但是量子估算的實(shí)現(xiàn)卻在技術(shù)上遇見(jiàn)嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，真正實(shí)現(xiàn)量子估算必須解決量子算法、量子編碼、實(shí)現(xiàn)量子估算的數(shù)學(xué)體系這三大問(wèn)題，這當(dāng)中的好多領(lǐng)域一直處于起步探求階段。堪稱路漫漫其修遠(yuǎn)兮。目前俄羅斯幾大大鱷對(duì)量子估算的投入早已比其他所有國(guó)家加上去還多得多。
而量子通訊呢？我國(guó)的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星早已于2016年8月16日升空，它將進(jìn)行一系列長(zhǎng)距離的量子糾纏和量子隱型傳態(tài)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。該項(xiàng)目由中科大的潘建偉教授主導(dǎo)，對(duì)構(gòu)建基于量子糾纏態(tài)的量子通訊網(wǎng)路具有重要意義（因?yàn)榱孔拥钠婷钚再|(zhì)，該通訊方法理論上不能被“竊聽(tīng)”）。在這一領(lǐng)域，中國(guó)走在了世界的最上面！
了解到這種，我由衷希望那些領(lǐng)域能在不遠(yuǎn)的將來(lái)取得重大突破；也期盼將來(lái)量子計(jì)算機(jī)推動(dòng)的新一輪科技革命的到來(lái)。
見(jiàn)到這種，你們確定不來(lái)了解一下量子論及其完善的歷史嗎？快上車(chē)，一起開(kāi)始這一趟奇妙的旅程吧！