《上帝擲色子嗎：量子化學(xué)雜記》:一場精妙絕倫的科學(xué)之旅
這是一部號稱中國版《時間史話》的優(yōu)秀科學(xué)史作品。十分害怕你們看見這個標(biāo)題就被嚇倒，為了去除你們的擔(dān)憂，首先帶來這本書的“官方”介紹：
這本書是關(guān)于量子論的故事。量子論是一個極為奇妙的理論：從數(shù)學(xué)角度來說，它在科學(xué)屋內(nèi)間造成了最為激烈的爭議和關(guān)注；從現(xiàn)實角度來說，它給我們的社會帶來了無與倫比的變化和進(jìn)步；從科學(xué)史角度來說，也幾乎沒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，它的基本觀點和假說至今沒有滲透到大眾的意識中去，這無疑又給它平添了一道神秘的光環(huán)。
這本書帶讀者做一次量子之旅，從神話時代出發(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，還將奔向未來探險，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。
這本書適宜任何有學(xué)校基本數(shù)學(xué)概念的讀者。（對于我們這類普研讀者，毋須過分考量專業(yè)的理論或名詞，只需掌握大致的思想和理論的來龍去脈即可上帝投骰子嗎 量子物理史話，這也是作者寫作此書的原則之一。）
讓我們先回溯“上帝擲色子”說法的出處：
圖：1927年索爾維大會合照
相片中獲得過諾貝爾化學(xué)獎的有：洛倫茲1902，居里夫人1903，布喇格1915，普朗克1918，愛因斯坦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，幾乎當(dāng)時世界上所有的數(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”。但從后來的結(jié)果來看上帝投骰子嗎 量子物理史話，此次大會的主角無疑是玻爾為首的阿姆斯特丹派和她們的量子論。
在爭辯中，愛因斯坦說道：“玻爾，親愛的上帝不擲色子！”玻爾則反擊道：“愛因斯坦，別去指揮上帝應(yīng)當(dāng)怎樣做！”
我們曉得，正是愛因斯坦對光電效應(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)開創(chuàng)者的科學(xué)大師，面對量子熱學(xué)此后諸多魚貫而出、匪夷所思的推論，甚至站到了量子論的對立面！這實在是由于量子論的一系列結(jié)果，實在太過革命，太過匪夷所思。
假如要推選數(shù)學(xué)學(xué)發(fā)展史上最偉大的年代，這么有兩個時期一定會榮獲：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了相對論和量子論，并最終徹底推翻和重建了整個數(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。
故事從人們對于光本性（如：光是許多粒子的集合；光是電磁波）的猜測、研究與爭辯開始；從19世紀(jì)最后三天開爾文展望新世紀(jì)數(shù)學(xué)學(xué)時“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；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、薛定諤多項式、波恩的“概率波”、海森堡不確定性原理以及玻爾的互補原理，短時間內(nèi)這一系列理論的提出，將故事推向高潮，量子論迎來了真正意義上的爆發(fā)。
量子論的堅實基礎(chǔ)就是在那一段時間被杰出的化學(xué)學(xué)家們所打下，然而，自量子論誕生以來，它曾一度遭到“反對派”的指責(zé)和挑戰(zhàn)。直至明天，它和相對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有被最后完成！許多理論學(xué)家仍在為了它而爭執(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)出量子論獨一無二的神秘知性。在這么漫長的時光過去以后，我們不但沒有對量子論了解得更清楚，反倒越來越覺得到它的獨特和不可思議。“聲稱自己懂得量子熱學(xué)的人，雖然還在量子熱學(xué)的門檻之外”。
書的旁邊部份，作者對后來盛行的幾種對量子現(xiàn)象的新“解釋”作出了表述，也述說了20世紀(jì)后期理論化學(xué)學(xué)家們基于量子熱學(xué)，對構(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)（摘自書中第12章）
本書的有趣之處除了在于作者對無法理解的數(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，更在于對科學(xué)家本身的性格和事跡的描寫。一個故事精彩，正是在于人物的精彩。化學(xué)學(xué)家有人類中最為聰明的腦子，同時也有著奇特的個性。書中以量子熱學(xué)的發(fā)展為主線，其中串著一個個偉大的科學(xué)家，她們每一個人，又都有著奇特的故事，這無疑使歷史愈發(fā)引人入勝。
據(jù)悉，書前面部份對化學(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，作者要么對科學(xué)史上的一些“神話”（如伽利略斜塔擊球、牛頓的蘋果、凱庫勒的蛇等等）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)
海森堡后來在獻(xiàn)給法國學(xué)者范德沃登（Vander）的信中追憶道，當(dāng)他在哪個石頭小島上的時侯，有一晚突然想到體系的總能量應(yīng)當(dāng)是一個常數(shù)。于是他試著用他那規(guī)則來解這個多項式以求得振子能量。求解并不容易，他做了一個熬夜，只求下來的結(jié)果和實驗符合得特別好。于是他爬上一個懸崖去看日出，同時倍感自己十分辛運。是的，曙光早已出現(xiàn)，太陽正從海平線上冉冉升起，萬道霞光染紅了水面和空中的云彩，在天地間流動著魔幻的輝光。在高高的石崖頂上，海森堡面對著壯麗的日出景色，他腳下碧海潮生，仍然延展到無窮無盡的遠(yuǎn)方。是的，他曉得，thisisthe（是時侯了），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。
譯注：對于這樣一個偉大的數(shù)學(xué)學(xué)家而言，當(dāng)他完美地解決了一個困惑世人已久的科學(xué)問題的時侯，他所得到的快樂，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，為何在這么漫長的時光過去以后，我們不但沒有對量子論了解得更清楚，反倒越來越覺得到它的獨特和不可思議。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，而他人都錯了。量子謎團(tuán)已然成為化學(xué)學(xué)中一個最神秘和不可飄忽的部位，有一次說：“我做實驗的惟一目的，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)都是錯誤的。甚至很可能，到目前為止所有的解釋都是錯誤的，但這卻并沒有阻礙化學(xué)學(xué)家們把它們創(chuàng)造下來！我們只能說，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，我們對于量子論本身的確是沒有哪些好挑剔的。它的成功是這么巨大，以至于我們不僅咂舌之外，根本就來不及對它的獨特之處有過多的評頭論足。從它被成立之初，它就挾著雷霆萬鈞的力量橫掃整個數(shù)學(xué)學(xué)，把每位角落都打造得煥然一新。其實如同狄更斯說的那樣，這是最壞的時代，但也是最好的時代。
摒棄量子場論的勝利不談，量子論在數(shù)學(xué)界的幾乎每一個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，使我們對于固體機械和熱性質(zhì)的認(rèn)識形成了翻天覆地的變化，更打開了通向匯聚態(tài)化學(xué)這一嶄新世界的房門。在它的指引下，我們才真正認(rèn)識了電壓的傳導(dǎo)，促使對于半導(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，都構(gòu)建在這個基礎(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，開始深刻地影響社會的方方面面。在量子論的指引之下，我們認(rèn)識了超導(dǎo)和超流，我們把握了激光技術(shù)，我們造出了晶體管和集成電路，為一整個新時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會何去何從：當(dāng)它們的燃料用盡以后，它們會不可防止地向內(nèi)坍縮，這時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并壓力。當(dāng)電子簡并壓力足夠抵御坍縮時，星體就演變?yōu)榘装恰Ｒ请娮颖徽鞣恐凶酉聛淼挚箷r，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，黑洞雖然也會形成幅射而漸漸消失，這就是以其鼎鼎大名的發(fā)覺者史蒂芬?霍金而命名的“霍金蒸發(fā)”過程。……霍金對此說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的地方去！”
展望和結(jié)語
作者在書中提及了現(xiàn)今量子論研究的兩大熱門領(lǐng)域——量子估算和量子通訊。
說到量子估算，量子比特不同于精典比特，它可以同時處于兩個邏輯態(tài)0和1的相干疊加態(tài)。“考慮一個N個數(shù)學(xué)比特的儲存器，若它是精典儲存器，則它只能儲存2^N個可能數(shù)據(jù)當(dāng)中的任一個，若它是量子儲存器，則它可以同時儲存2^N個數(shù)，但是隨著N的降低，其儲存信息的能力將指數(shù)上升，比如，一個250量子比特的儲存器（由250個原子構(gòu)成）可能儲存的數(shù)量比現(xiàn)有已知的宇宙中全部原子數(shù)量還要多！因為物理操作可以同時對儲存器中全部的數(shù)據(jù)進(jìn)行，為此，量子計算機在施行一次的運算中可以同時對2^N個輸入數(shù)進(jìn)行物理運算。其療效相當(dāng)于精典計算機要重復(fù)施行2^N次操作，或則采用2^N個不同處理器施行并行操作。可見，量子計算機可以節(jié)約大量的運算資源（如時間、記憶單元等）。”
量子計算機將給人類文明帶來的改革，即便根本沒法想象。“一句話，商業(yè)級量子計算機會成為未來科技的引擎。如同蒸氣機是工業(yè)文明的象征一樣，量子計算機帶來的估算能力突破將會有類似的意義。”
但是量子估算的實現(xiàn)卻在技術(shù)上遇見嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，真正實現(xiàn)量子估算必須解決量子算法、量子編碼、實現(xiàn)量子估算的數(shù)學(xué)體系這三大問題，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量子估算的投入早已比其他所有國家加上去還多得多。
而量子通訊呢？我國的“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星早已于2016年8月16日升空，它將進(jìn)行一系列長距離的量子糾纏和量子隱型傳態(tài)的相關(guān)實驗。該項目由中科大的潘建偉教授主導(dǎo)，對構(gòu)建基于量子糾纏態(tài)的量子通訊網(wǎng)路具有重要意義（因為量子的奇妙性質(zhì)，該通訊方法理論上不能被“竊聽”）。在這一領(lǐng)域，中國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)的將來取得重大突破；也期盼將來量子計算機推動的新一輪科技革命的到來。
見到這種，你們確定不來了解一下量子論及其完善的歷史嗎？快上車，一起開始這一趟奇妙的旅程吧！