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《思维简史:从丛林到宇宙》12.量子革命

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现在无论有多少才华横溢,求知若渴的人专注于研究量子,也无论他们猜测或者发现了多少个别真理,到20世纪20年代初期,物理学界依然没有一个关于量子的普遍理论,或者提出这种理论的可能性。假如玻尔提出的某种原理是正确的,它将为原子的稳定性以及它们的谱线提供解释,但这些原理为什么是正确的?你又该如何运用它们来分析其他体系?没有人知道答案。

许多量子物理学家开始变得心灰意冷。未来的诺贝尔奖得主,即将引入“光子”这个术语的马克斯·玻恩(1882—1970)写道:“我毫无希望地思索着量子理论,试图找出一种计算氦原子和其他原子的秘诀;但我并没有取得成功……量子实在是一团毫无希望的乱麻。”1另一位未来的诺贝尔奖获得者,将会建议并提出自旋性质数学理论的沃尔夫冈·泡利(1900—1958)是这样说的:“物理学现在非常混乱;无论如何对我来说它都太难了,我希望自己是一个电影喜剧演员,或者从事类似的什么工作,而从来没有听说过任何关于物理学的东西。”2

大自然给我们出了许多谜题,而我们必须理解它们。物理学家有一个特点,那就是他们始终相信在这些谜题背后隐藏着意义深远的真相。我们相信大自然由普遍法则统治,而不是各种互不相干现象的混合。早期研究量子的人并不知道量子的普遍定律是什么,但他们相信这样的理论一定存在。他们探索的这个世界对于解释有着顽固的抵抗力,但他们想象它可以被理解。他们的梦想滋养着他们。和我们一样,他们在怀疑和绝望时会受到伤害,但他们依然在信仰的激励下沿着这条将会耗费他们数年光阴的艰难的探索之路奋勇向前,相信在这条路的另一头必定会有真理的奖赏。在任何艰辛的事业中,我们发现那些成功者都具备强烈的信念,因为那些意志不坚的人在成功之前就已经退出。

我们很容易理解玻恩和泡利等人的绝望,因为量子理论不仅本身具有挑战性,而且量子理论发展所处的时代也很艰难。大多数量子先驱在德国工作,或者在德国与玻尔通过集资于1921年在哥本哈根大学创立的研究所之间来回穿梭,因此,当他们周遭的社会和政治秩序逐渐失序时,他们命中注定将会在这样一个时期展开对科学新秩序的研究。1922年,德国外交大臣遇刺。1923年,德国马克的价值是它战前价值的一万亿分之一,买一公斤面包需要5 000亿这样的“德元”。尽管如此,新量子物理学家还在从理解原子以及那个微小层面的自然基本定律中寻求养分。

这种养分终于在那个年代中期开始陆续出现。它始于一个23岁,名叫维尔纳·海森堡(1901—1976)的年轻人在1925年发表的一篇论文。

* * *

海森堡出生在德国的乌兹堡,是一位古典语言教授的儿子,在很小的时候就被认为天资聪颖——以及争强好胜。3他父亲鼓励这种竞争精神,海森堡经常跟大他一岁的兄长打架。这种争执以一次血腥的斗殴告终,这一次他们用木椅攻击对方,随后叫了休战——他们的休战之所以会延续,主要是因为他们走上了各自的人生道路,离开了家庭,终其一生再也没有和对方说过话。在未来的日子里,海森堡还将同样凶猛地攻击他的工作带给他的挑战。

海森堡一直把竞争当作个人挑战。他对滑雪并没有特别的天赋,但他通过训练变成了一名优秀的滑雪者。他热衷长跑、练习大提琴和钢琴。但最重要的是,当他还在上小学时,他发现自己有算术方面的天赋,这使他对数学及其应用产生了浓厚的兴趣。

1920年夏天,海森堡决定考取数学博士学位。要想被录取必须说服一位教员做你的担保人,通过父亲的关系,海森堡获得机会参加慕尼黑大学知名数学家费迪南德·冯·林德曼的面试。结果证明,这次面试并不是那种你有时候通过走后门得到的机会,在这样的面试中,面试官或许会给海森堡提供茶水和黑森林蛋糕,还会告诉海森堡他们对他的聪明才智早已如雷贯耳。相反,这是一次很糟糕的面试,林德曼还有两年就将退休,对一年级新生并不感兴趣,他办公桌上卧着的一只狮子狗不停地狂吠,让耳背的他很难听清楚海森堡在说什么。然而,最终毁掉海森堡机会的似乎是他提到他正在阅读的一本关于爱因斯坦相对论的书,这本书由一位名叫赫尔曼·魏尔的数学家撰写。在听到这个年轻人对物理学的兴趣后,作为数字理论家的林德曼突然终止了面试,说道:“假如那样的话,你根本就不懂数学。”4

林德曼这句话的意思或许是对物理学的兴趣显示出糟糕的品位,然而,作为一名物理学家,我认为他真正的意思是,在接触了一个更有趣的科目后,海森堡将很难再有耐心去研究数学。无论哪种情况,林德曼的傲慢和僵化改变了历史的进程,因为假使他接纳了海森堡,物理学将会损失一位其观点将成为量子理论核心的人物。[1]

在被林德曼拒绝后,海森堡并没有多少选择余地,他决定去阿诺德·索末菲那里尝试申请物理学博士,索末菲是玻尔原子的重要支持者,此时他已经对这种理论做出了自己的贡献。索末菲瘦小,秃顶,留着一把大胡子,没有养狮子狗,年轻的海森堡阅读魏尔的书给他留下了良好的印象。但这种印象也没有深刻到让他决定马上接受他,但也足够让他为海森堡提供暂时担保。“你或许知道一些东西,你或许什么也不知道,”索末菲说,“我们以后就知道了。”5

海森堡当然知道一些东西。他知道的东西足够让他在1923年从索末菲那里获得博士学位,在1924年,他甚至获得了更高等的“特许任教资格”学位,可以让他去哥廷根大学在玻恩手下工作。但他通往不朽的道路实际上却开始于1924年秋天去哥本哈根拜访尼尔斯·玻尔。

当海森堡抵达时,受到误导的玻尔正在努力改进他的原子模型,海森堡也加入其中。我说“误导”并不只是因为他的努力白费了,也是因为他的目标:玻尔想把光子,也就是爱因斯坦的光量子从他的模型中剔除。这听起来或许很奇怪,因为最初正是光量子这种概念启发玻尔去思考原子或许是因为受到限制才只会有某种离散的能量。尽管如此,玻尔和大多数物理学家一样不太情愿接受光子存在的现实,因此他问自己,人们可以创造一个不包含光子的玻尔原子的变体吗?6玻尔相信他可以。我们曾经见过玻尔努力工作并最终获得成功的故事,但这一次他的努力将一无所获。

当我还是学生时,我的朋友和我把许多物理学家视为偶像。我们崇拜爱因斯坦是因为他那无懈可击的逻辑和激进的观点。我们崇拜费曼和英国物理学家保罗·狄拉克(1902—1984)是因为他们发明了表面上看不合规定的数学概念,并通过它们得到了神奇的结果。(数学家后来终究会发现一种证明它们的方法。)我们崇拜玻尔是因为他的直觉。我们把这些人视为英雄,超人般的天才,他们的思路总是那么清晰,观点总是那么正确。这没有什么不正常,我猜——艺术家、企业家以及体育迷都能说出几个他们认为比生命还要伟大的人物。

在我的学生时代,我们被告知玻尔对量子物理学的直觉是如此让人印象深刻,以至于他似乎“和上帝有直接连线”。但在讨论早期的量子理论时,他们只会谈论玻尔那伟大的洞察力,而很少会提及他的许多错误观点。这很自然,因为随着时间的流逝,好的观点留了下来,不好的则被人遗忘。不幸的是,这给我们留下一种错误印象,即科学比它实际上要更简单,更容易——至少对某些“天才”来说是这样。

伟大的篮球明星迈克尔·乔丹曾经说过:“在我的职业生涯中,我投丢了超过9 000个球,输掉了差不多300场比赛,有26次我被托付来完成制胜一球,但我投丢了。我在生命中一次又一次地失败。这就是我为什么会成功。”7他是在耐克广告上说的这段话,因为这样一位传奇人物在经历失败之后又继续前行的故事听起来非常鼓舞人心。但对任何在发现或创新领域工作的人来说,听一听玻尔的误导概念或牛顿在炼金术上毫无成果的努力,知道我们的智力偶像也会和我们一样产生错误观点和失败,这具有同样的价值。

玻尔当初应该考虑一下他的玻尔原子是不是太激进了,这种想法很有意思,但毫不令人意外,因为科学和社会一样,是建立在某种共同的观点和信仰之上的,但玻尔原子并不符合这个标准。结果,从伽利略到牛顿,从玻尔到爱因斯坦——以及未来的先驱——即使他们的想象力帮助他们创造了未来,他们仍然还有一只脚停留在过去。

在这个方面,科学领域的“革命者”与其他领域具有前瞻性思维的个人没有什么不同。以亚伯拉罕·林肯为例,他是解放美国南部奴隶的拥护者,但却从来没有放弃自己早已过时的信仰,即不同民族不可能共同生活在“社会和政治的平等中”。8林肯意识到或许会有人认为他反对奴隶制的立场跟他对于种族不平等的包容不一致。但他在为自己对白种人优越性的认可辩护时称,它是否“与公正相符”不是一个关键问题,因为白人的优越性是一种“普遍感受”,无论“有没有充分的依据,都不能轻易地漠视”。9换句话说,抛弃白人的优越性甚至对他也是一种过于激进的举动。

如果你问别人他们为什么会相信这个或那个,他们不会像林肯那样坦率或自觉。没有几个人会照实说,他们相信某样东西是因为大家都相信它。或者“因为我一直都相信它”,或者“因为家庭和学校教育我应该相信它”。但是,就像林肯说的那样,这通常是一个很好的理由。在社会中,共同的信仰创造了文化,有时候也会制造不公。在科学、艺术以及其他重视创造力和创新性的领域,共同的信仰变成了阻碍进步的思维桎梏。这就是为什么改变通常都是一点一滴地出现,这也是为什么玻尔在试图改变他的理论时会畏首畏尾。

假如玻尔的新理论注定会失败,它却产生了一个非常幸运的结果:它迫使年轻的海森堡去深入思考玻尔原子初始理论的含义。他的分析逐渐使他得出一个激进的物理学新观点:放弃对原子内部活动方式的物理想象是可行的,甚至是必要的——比如电子的运动轨道,它是我们在头脑中想象出来的,但在现实中却无法观察。

和经典物理学理论一样,玻尔的理论依靠的是描述电子的位置和轨道速度等特性的数值。在牛顿所研究的物体世界中——抛射物、钟摆、行星——位置是可以被观察和测量的。但在实验室中却无法观察原子是否游移不定,或者如果它们的确处于运动状态,它们的速度又有多快。海森堡分析,假如经典概念——例如位置、速度、路径、轨道和抛物线——在原子层面上无法被观察到的话,人们或许不应该再试图创造一门基于它们的原子科学——或其他体系。为什么非得执着于这些旧观点呢?海森堡判定它们就是17世纪的思维束缚。

海森堡问自己,有没有可能发展出一种基于可被直接测量的原子数据——例如原子释放的辐射的频率和振幅——的理论?

卢瑟福之所以反对玻尔原子模型,是因为玻尔没有为电子如何在原子能级之间完成跃迁提供机制;海森堡将为这个批评做出解答,但不是通过提供这种机制,而是在有人提起电子时宣称没有什么机制,也不存在什么路径,或者至少物理王国之内不存在这个问题——因为物理学家可以测量在这个过程中吸收或释放的光,但却无法亲眼看到这个过程。到海森堡在1925年春天回到哥廷根并在玻尔的研究所担任讲师时,发明出一种完全基于可测量的数据的新方法来研究物理学变成了他的梦想——他的目标。

对任何人来说,创造一门激进的新科学,抛弃牛顿对于现实的直觉描述,否定位置和速度等我们可以想象和理解的概念,这都是一个大胆的目标,更别说像海森堡这样一个23岁的年轻人了。但和在22岁就改变了世界政治版图的亚历山大一样,年轻的海森堡将引领一场重塑世界科学版图的行军。

* * *

海森堡根据灵感创造的理论将取代牛顿运动定律作为我们自然基本理论的地位。马克斯·玻恩将其称为“量子力学”,以便把它和通常被称为牛顿力学或经典力学的牛顿定律区别开来。10但物理学理论只能通过它们准确的预测能力加以验证,而不是一致的认同或者品位,因此,人们或许想知道一个像海森堡那样的基于奇怪观点的理论将如何“取代”一个像牛顿定律这样的已经确立的成功理论。

答案是,尽管量子力学的概念框架与牛顿的大相径庭,但这两种理论的数学预测能力通常只在原子或更小的体系中有所不同,因为牛顿定律在这个层面上失效了。因此,一旦它发展完善,量子力学将能够解释原子的奇特行为,而不会与牛顿理论提供的对日常现象的完整描述相矛盾。海森堡和其他致力于发展量子理论的人知道一定会是这种情况,他们为这种观点发展出一种数学表达,用来为他们尚在发展的理论提供有用的验证。玻尔将其称为“对应原理”。

海森堡是如何从一个在当时无异于一种哲学偏好的东西中创造出一种具体理论的呢?他的挑战是把物理学应该基于“可观察量”——我们测量的数量——的概念转变为可被用来描述物理世界的数学框架,就像牛顿定律那样。他发明的理论可以应用于任何物理体系,但他是在原子世界的背景下发展它的,最初的目标是通过一种数学普遍理论来解释玻尔原子模型成功的原因。

海森堡首先做的是为原子挑选合适的可观察量。因为在原子世界中,我们测量的是原子释放的光的频率以及谱线的振幅或强度,他选择的正是这些性质。接下来,他使用传统的数学物理学去推导传统的牛顿式“可观察量”——例如位置和速度——与谱线的这些数据之间的关系。他的目标是利用这种联系以量子可观察量替换牛顿物理学中的可观察量。这是一种同时需要创造力和勇气的举措,因为它要求海森堡将位置和动力转化为看起来既新鲜又怪异的数学实体。

举例来说,尽管位置是由具体指定的一个单独的点来定义的,但光谱数据需要一种不同的描述方法,这也就是为什么会需要这种新型变量的原因。原子释放的光的每一种性质——例如颜色和强度——形成的不只是单一数字,还是一个完整的数字阵列。这些数据之所以会构成一个数组,是因为一条谱线对应的是从原子的任何初始状态到任何终极状态的一次跃迁——为每一对可能的玻尔原子能级产生了条目。如果这听起来有些复杂的话,别担心——它就是很复杂。实际上,当海森堡第一次想出这个方案时,连他自己都说“非常奇怪”。11但他工作的要点是把人们想象的电子轨道从他的理论中剔除,并用纯粹的数量值来替代。

和卢瑟福一样,那些在海森堡之前研究原子的人试图找出原子过程背后的一种机制。他们把原子内部看不见的东西视为真实存在的,并试图通过对其内部东西行为的猜测——例如沿轨道运动的电子——来推导他们所观察的谱线的本质。他们的分析一直假定原子构成要素的基本特性和我们在日常生活中习惯的东西相同。只有海森堡的想法与众不同,他勇敢地宣称电子的轨道超出了观察范围,并不是真实存在的,因而不能在这个理论中占有一席之地。这不但是海森堡研究原子的方式,也是他研究任何物理体系的方式。

在海森堡的理论中,位置由数字的无限矩阵或数组表示,而不是我们熟悉的空间坐标

通过坚决主张这种分析方法,海森堡抛弃了人们牛顿式的世界形象,例如物体独立存在,具有速度和位置等明确性质。他的理论一旦完善,将要求我们去接受一个基于不同概念设计方案的世界,在这样一个世界中,物体的轨迹乃至它的过去和将来都不是明确划定的。

鉴于当今世界有太多人难以适应短信和社交媒体等新技术,人们只能通过想象去猜测一个人在思想上该有多开放才能调整思路去接受一种说组成你的电子和原子核没有具体存在形式的理论。但海森堡的方法需要的就是这种开放态度。它不只是一种新物理学——还是一种全新的现实概念。这样的问题促使马克斯·玻恩去质疑物理学和哲学长达几个世纪的分裂。“我现在相信,”他写道,“理论物理学实际上就是哲学。”12

海森堡逐渐开始理解这些观点,他的数学运算也取得了进展,他变得越来越激动。但就在此时他却患上了花粉热,病得非常严重,以至于不得不离开哥廷根,去北海一座几乎寸草不生的岩石岛屿休养。他整个脸肿胀得骇人。尽管如此,他依然没日没夜地继续工作,完成了他关于这个观点的第一篇论文,这篇论文将彻底改变物理学。

回到家后,海森堡详细记录下他的发现,并给他的朋友泡利和玻恩分别寄去一份副本。这篇论文概述了一种方法,并把它应用在了一些简单问题上,但海森堡并没能利用他的观点去计算任何具有实际意义的东西。他的著作非常粗略,复杂到吓人,还极其神秘。对玻恩来说,阅读它的感觉一定很像在鸡尾酒会上和一个不停讲话但他的话没有任何意义的人的交谈。大多数人在面对一篇晦涩难懂的论文时,都会先看上几分钟,接着把它丢在一边,然后开始喝葡萄酒。但玻恩一直坚持着。到最后,他对海森堡论文的印象如此深刻,以至于他立即给爱因斯坦写信,告诉他一位年轻科学家的观点“完全正确且意义深远”。13

和玻尔以及海森堡一样,玻恩也受到过爱因斯坦相对论的启发,他注意到,海森堡对于可被测量的东西的关注与爱因斯坦在创造相对论时对如何计量时间的操作方面的谨慎关注相似。14

然而,爱因斯坦并不喜欢海森堡的理论,他正是在量子理论发展的这个节点开始与量子分道扬镳:爱因斯坦不会赞同一个否认定义明确的物体现实存在的理论,在这个现实中物体具备明确的性质,例如位置和速度。原子的性质可以通过一种没有参考原子轨道的暂时理论加以解释,这个他可以接受。但一种宣称这样的轨道不存在的基本理论——这个他不会赞同。就像他后来写的那样:“我倾向于相信物理学家不会永远满足于……对现实的间接描述。”15

海森堡对自己创造的东西也没有把握。他后来描述道,某天晚上,当他即将有所发现时,他一直工作到凌晨3点,累得头晕眼花,但由于对他的新发现过于激动,他甚至无法入睡。然而,当他为陈述观点的第一篇论文撰写手稿时,他在信中对他父亲写道:“我目前的进展不是特别顺利。我并没有写出太多东西,也不知道另一篇(论文)会不会从这里面冒出来。”16

与此同时,玻恩一直在苦苦思索海森堡奇怪的数学。某天他突然灵光一现:他在别的地方见过一个方案与海森堡的类似。他回想起来,数组就像某种被数学家称为“矩阵”的东西。

矩阵代数在当时是一个神秘晦涩的科目,很明显海森堡又重新使用了它。玻恩请泡利帮他把海森堡的论文翻译成数学家的矩阵语言(并扩展这种语言以便将海森堡矩阵代数的无限数字行列考虑在内)。未来的诺贝尔奖得主泡利变得十分不安。17他指责玻恩试图通过引入“没用的数学”和“乏味复杂的形式主义”毁掉他朋友美丽的“物理观点”。

实际上,矩阵语言具备强大的简化功能。玻恩又找来他的学生帕斯夸尔·乔丹做帮手,几个月后,海森堡、玻恩以及乔丹在1925年11月提交了一篇关于海森堡量子理论的论文,这篇论文现在是科学史上的一座里程碑。此后不久,在充分理解了他们的著作后,泡利使用这种新理论得出了氢元素的谱线,并展示了它们是如何受到电场和磁场的影响的,这在以前是不可能发生的。这是这种即将推翻牛顿力学的新兴理论的首次实际应用。

* * *

2 000多年前原子概念诞生,200多年前牛顿发明出数学力学,20多年前普朗克和爱因斯坦引入量子概念。从某种程度上说,海森堡的理论是所有这些长长的科学思维脉络的顶点。

问题是,一旦它发展成熟,海森堡的理论需要30页的篇幅来解释原子的能级,而玻尔理论只用了几句话来做说明。为此,我那实用主义至上的裁缝父亲说:“天哪,就为了这个他研究了这些年?”然而海森堡的理论却是更好的,因为它的结果基于深刻的原理,而不是玻尔专门的假设。因为这个原因,你或许会认为它将很快被人们接受。但大多数物理学家并没有直接参与对一种量子理论的研究,他们的想法似乎跟我父亲的类似。对他们来说,30页和几句话比起来并不算是一种进步。他们——很明显卢瑟福就是其中一员——既不为所动也没有兴趣,他们看待海森堡的方式就像你看待一个告诉你他可以用一个新自动调温器解决你的问题,但你最好还是换辆新车的汽车修理工。

维尔纳·海森堡(左)和尼尔斯·玻尔

然而,一小群量子理论专家却有着截然不同的反应。他们几乎毫无例外地感到震惊不已。因为海森堡那复杂的理论以某种深奥的意义解释了玻尔的临时氢原子理论为什么会有效,也为观察到的数据提供了完整的描述。

尤其对于玻尔来说,这是他开启的一段探索之旅的高潮。他明白他的原子只是一个专门的临时模型,注定要通过一个更普遍的理论加以解释,并且,他相信这个理论就是海森堡的理论。“由于海森堡的上一篇著作,”他写道,“愿望实现了,这个……长期以来一直都是我们的核心愿望。”18

有那么一段时间,物理学处于一种奇怪的境地,就像在世界杯的赛场踢进了制胜一球,但只有少部分球迷注意到了。讽刺的是,几个月之后出现的两篇论文才最终把量子理论从一种只有专业人员才感兴趣的理论提升成为一种所有物理学背后的基本理论,在1926年1月和2月发表的这两篇论文描述了另一种量子的普遍理论,这种理论使用了完全不同的概念和方法——表面上看,一个看待现实的不同视角。

这个新出现的竞争理论把原子中的电子描述成一种波——这是一种物理学家习惯于想象的概念,尽管当然不是在电子的背景下。奇怪的是,虽然存在这样的不同,但它和海森堡的理论一样也能解释玻尔原子。自希腊人以降,科学家就不得不在没有任何描述原子的理论的情况下勉强将就。现在他们似乎有了两种理论。二者看上去互不相容,一个认为自然由物质波和能量构成,另一个坚持认为把自然视为由任何东西构成的都是毫无意义的,它规定我们只需要考虑数据间的数学关系。

新量子理论是奥地利物理学家埃尔温·薛定谔(1887—1961)的成果,它与海森堡的理论在风格上的差异就像他们两个人,以及他们完成突破的地点之间的差异。鼻窦肿胀的海森堡在一个岩石小岛上孤独地完成了他的著作,而薛定谔的作品则完成于圣诞节假期,当时他和一名情妇正在阿尔卑斯山的休闲小镇阿罗萨度假。他“在生命中一个迟来的情欲爆发期完成了他伟大的工作”,一位数学家朋友说道。19这位数学家所说的“迟来的”指的是薛定谔38岁的高龄。

这位数学家对薛定谔的高龄或许说到点子上了。我们一次又一次地目睹年轻的物理学家接受新观点,而年长的则更渴望传统的做事方式,就好像一个人年纪越大,就越不容易接受世界的变化。结果证明,薛定谔的作品实际上就是这种倾向的另一个例子——这颇具讽刺意味,因为薛定谔创立他理论的动力是他渴望拥有一种比起海森堡的理论来说更像传统物理学的量子理论:薛定谔奋力维护他熟悉的东西,而不是试图颠覆它。

和更年轻的海森堡不同,薛定谔对电子在原子中的运动展开了想象。尽管他奇异的“物质波”并没有直接赋予电子像玻尔的轨道那样的牛顿物理学性质,但他新的量子“波理论”——最初没人知道应该如何解释——却有希望避免海森堡的理论要求的那种令人不快的看待现实的方式。

它是物理学家欣赏的一件替代品。在薛定谔之前,量子力学在获得认可方面进展缓慢。由于涉及无数个矩阵方程,海森堡那陌生的数学看起来复杂到吓人,物理学家在支持象征性的数组而抛弃他们可以想象的变量时也很不自在。从另一方面来说,薛定谔的理论便于使用,它基于的这个方程与那些物理学家在研究生时代曾经研究过的声波和水波相似。它是经典物理学家分析问题的基本方法,可以使量子物理学的过渡变得相对容易。同样重要的是,尽管依然没有使用轨道等牛顿式概念,薛定谔通过提供一种想象原子的方式使量子理论变得更容易让人接受——这与海森堡一直为之努力的东西形成了对照。

甚至连爱因斯坦也喜欢薛定谔的理论——在刚开始的时候。他曾经思考过物质波的概念,先前还与这个奥地利人一起工作过。“你作品中的观点来自真正的天赋!”20他在1926年4月给薛定谔的信中这样说道。10天后,他再次给薛定谔写信:“我相信你对量子状态的构想已经让你取得了决定性的进展,就像我相信海森堡和玻恩的方法具有误导性一样。”21他在5月初又写信高度赞扬薛定谔的作品。

然而就在同一个月,也就是1926年5月,薛定谔宣布了另一个惊人的消息:连他自己都感到惊愕的是,他发表的一篇论文表明他的理论和海森堡的理论在数学上是相等的——二者都是正确的。也就是说,尽管这两种理论使用了不同的概念框架——对于自然“内部”情况的不同观点(实际上,海森堡甚至拒绝往内部看)——它们被证明只在语言上有所不同:这两种理论对于我们观察到的东西的看法是一样的。

让事情变得更复杂(或者更有趣)的是,20年后,理查德·费曼将创造第三种量子理论构想,它与海森堡和薛定谔的理论在数学和概念框架上很不一样,但在数学上与更早的理论相等——表达了同样的物理原理,做出了完全相同的预测。

华莱士·斯蒂文斯写道,“我有三种思维/如同一棵树/上面有三只乌鸫”,22但这种情景转化成物理学看起来或许会很奇怪。如果物理学掌握着任何“真理”,会有不止一种“正确”理论吗?是的,即使是物理学也有很多看待事物的方式。现代物理学尤其如此,在现代物理学中,我们“看到的”东西,例如原子、电子,和希格斯玻色子,实际上并不能“被看到”,这促使物理学家从数学中,而不是从一个能够触碰的现实中创造出他们脑海中的形象。

在物理学中,一个人可以根据一组概念提出一套理论,而另一个人可以根据一组不同的概念为同一种现象提出另一套理论。使这种活动不同于左右翼间政治斗争的是,在物理学中,一种观点要想被认为有效,必须通过实验的验证,这就意味着替代理论必须得出相同的结论——这是政治哲学很少会做的事情。

这又把我们带回到理论是被发现还是被发明的老问题上。在没有深入研究外部客观现实是否存在这样一个哲学问题的情况下,人们可以说创造量子理论的过程是某种意义上的发现,物理学家在探索自然的过程中意外地发现了自然的很多原理,然而,量子理论却是被发明的,原因在于科学家所设计和创造的许多不同概念框架具备同样的功能。这就如同物质能够以波或者粒子的形式呈现,因而描述它的理论也可以具备看起来相互矛盾的特征。

薛定谔发表的论文显示他的理论和海森堡的理论相同,但那个时候还没有人能正确理解他的构想。尽管如此,他的证据清晰地表明,未来的研究工作将显示他的方法提出的这个哲学问题在海森堡版的理论中早已显而易见。因此,在这篇论文后,爱因斯坦再也没有写过赞同量子理论的东西。

即使薛定谔自己很快也把量子理论作为研究重心,他还是认为假如他知道“他的论文会引发什么样的结果”,他或许就不会发表。23他在试图取代海森堡那令人难以接受的理论时创造了他那看上去无冒犯之意的理论,但二者的相等性意味着他并没有理解自己著作中令人反感的含义。最终,他只能激发自己的热情去推动他原本并不愿意接受的新量子观点向前发展。

在他论文的一个不同寻常的情绪化脚注中,薛定谔写道,海森堡的方法让他“感觉很沮丧,虽然谈不上厌恶”,“对我来说它很难理解,并且缺乏直观性”。24这种厌恶是相互的。在读完薛定谔提出他理论的论文后,海森堡在给泡利的信中说道:“我越琢磨薛定谔理论中的物理部分,就越觉得它恶心……薛定谔写的关于它的论文的直观性(就是)一派胡言。”25

这种竞争被证明只是单方面的,因为薛定谔的方法将很快胜出,大多数物理学家都会选择他的方法来解决大多数问题。研究量子理论的科学家的人数很快上升,但使用海森堡的构想的科学家的人数却下降了。

即使是曾经帮助海森堡发展理论的玻恩也被薛定谔的方法征服,海森堡的朋友泡利甚至赞叹利用薛定谔的方程来推导氢元素的光谱有多容易。这让海森堡感觉很不愉快。与此同时,玻尔专注于更深入地理解这两种理论之间的关系。最终,英国物理学家保罗·狄拉克为这两种理论之间的深刻联系做了明确的解释,他甚至还发明出一种他自己的混合形式——这种形式在今天颇受青睐——允许人们根据涉及的问题在它们之间熟练地转换。到1960年,基于量子理论应用的论文超过了10万篇。26

* * *

尽管量子理论取得了如此众多的进步,但海森堡的方法一直是它的核心,因为曾经启发他的动力促使他抛弃粒子在穿过空间时会有抛物线或轨道的经典画面,他在1927年发表的论文最终确保他在这场战争中赢得了胜利。他一次性地证明了无论你使用哪种形式,它都是一个科学原理的问题——我们现在所知的不确定性原理——即像牛顿那样想象运动是没有用的。尽管牛顿对于现实的概念或许在宏观层面有用,但在构成宏观物体的原子和分子这样一种更基本的层面上,宇宙由一种完全不同的定律控制。

不确定性原理限制了我们对任意给定时间里的某对观察量的了解,例如位置和速度。[2]这不是测量技术方面的限制,或者人类创造力的局限;相反,它是自然施加给自己的一种限制。量子理论宣称物体不具备如位置和速度等明确性质,并且,如果你试图测量它们,你把一个测量得越精确,另一个就越是不精确。

在日常生活中,我们当然能够按照自己的意愿对位置和速度进行精确测量。这似乎与不确定性原理相互矛盾,但当你浏览量子理论的数学时,你会发现日常物体的质量是如此巨大,以至于不确定性原理与日常生活中的现象毫不相干。这就是为什么牛顿物理学在这么长的时间里可以有效地解决问题——只有当物理学家开始研究原子层面的现象时,牛顿理论的局限性才会显现出来。

比如,假设电子的重量和足球的重量相当。那么,如果你把电子的位置限定在任意方向上的一毫米之内,你测量其速度的精确度依然会超过每小时一公里的一千亿分之一。对于我们在日常生活中或许会进行的运算来说,这样的精确度已经够用了。但由于远远轻于一个足球,一个真实的电子就完全是另外一回事了。如果你以一个与原子体积大致相符的精确度来测量一个真实电子的位置,不确定性原理将告诉你正负每小时1 000英里并不能更精确地决定电子的速度——这就是静止状态的电子和比大型喷气式客机速度更快的电子之间的差别。因此,海森堡在这里得到了他的证据:自然终究会禁止观测精确的电子路径。

随着对量子理论理解的加深,人们越来越清晰地看到在量子世界中不存在必然性,只存在可能性——没有“是的,它会发生的”,只有“当然,任何这样的事情都有可能发生”。在牛顿式世界观中,未来或过去任意给定时间的宇宙状态都留下了现在的宇宙印记,并且,通过使用牛顿定律,任何有足够智力的人都可以读懂它。如果我们有足够的地球内部数据,我们将可以预测地震;如果我们知道与天气相关的每一个物理细节,我们在原理上就可以有把握地说明天是否会下雨——或者一个世纪之后的明天会不会下雨。

这种牛顿式“决定论”是牛顿科学的核心:这种观点认为一个事件引发另一个事件,一直这样持续下去,并且可以利用数学对其进行预测。这是牛顿启示的一部分,这种令人目眩神迷的确定性启发了从经济学家到社会科学家中的每一个人,大家都“想拥有物理学拥有的东西”。但量子理论告诉我们在它的核心——在构成一切物体的原子和分子这个基本层面——世界不是决定论的,宇宙目前的状态并不能决定未来(或过去)的事件,而是许多未来选项中的一个是否会发生(或者在过去已经发生过的)的可能性。量子理论告诉我们宇宙就如同一个巨型宾果游戏。就像是对这些观点做出的回应,爱因斯坦在一封给玻恩的信中发表了他著名的宣言:“(量子)理论产生了很多东西,但并没有让我们更接近古圣的秘密。我完全相信他不玩掷骰子游戏。”27

爱因斯坦在那份声明中援引了上帝的概念——“古圣”,这很有意思。爱因斯坦并不相信传统的个人性质的上帝,比如《圣经》。对爱因斯坦来说,“上帝”并没有参与我们生命的隐私细节,而是代表着宇宙法则的美感和简洁的逻辑。因此,当爱因斯坦说古圣不玩掷骰子游戏时,他的意思是说他无法接受随机性在自然的宏大方案中发挥的作用。

我父亲既不是物理学家,也不玩掷骰子,当他还在波兰生活的时候,他对于发生在几百英里之外的物理学伟大进步毫不知情。但当我向他解释量子不确定性时,他比爱因斯坦更容易接受它。对我父亲来说,理解世界的探索并不是集中在望远镜或显微镜所做的观察上,而是集中在人类的境遇上。因此,正像他根据自己的人生体验来理解亚里士多德自然变化和暴力变化之间的差别一样,他过往的经历也让量子理论内在的随机性变成了一粒更易吞服的药丸。他向我讲述了他站在小镇市场上一条长长的队伍中的情景,这些人是纳粹输送的数以千计的犹太人。当围拢开始时,他和一个逃亡的地下组织领导躲藏在一个厕所里,他被指定来保护这个人。但他和那个逃亡者都忍受不了那种恶臭,最终他们跑了出来。这个逃亡者迅速逃走了,人们再也没有见到过他。我父亲被驱赶到那支队伍中,站在了靠近末尾的位置。

队伍行进得很缓慢,我父亲看到所有人都被装进了卡车。当他靠近队伍前列时,党卫军负责人把人群分成了最后四组,我父亲就在其中一组。这个人说,他们需要3 000名犹太人,很明显这支队伍有3 004人。无论他们去哪里,他都不会跟他们一起去。后来他发现目的地是当地的一座公墓,在那里,所有人都被命令去挖一个巨大的墓穴,随后他们就被枪杀,直接埋在了里面。在一场死亡抽彩中我父亲抽中了3004号,德国人的精确战胜了纳粹的残忍。对我父亲来说,这就是他难以理解的一个随机性例子。相较而言,量子理论的随机性要容易理解得多。

和我们的生命一样,科学理论既可以矗立于岩层之上,也可以修建在沙砾之中。爱因斯坦对物理世界的绝对希望就是量子理论将证明是建造在后者之上的,时间一长,这个脆弱的地基将导致它的坍塌。当量子不确定性原理出现时,他表示它不是自然的基本定律,而是量子力学的局限——这是这个理论没有建立在牢固地基之上的一个信号。

他认为,物体的确具有如位置和速度等明确的数量值,但量子理论却无法处理它们。爱因斯坦说,尽管量子力学取得了无可否认的成功,但它一定是某种重塑客观现实的更深刻理论的不完整化身。然而没有多少人像爱因斯坦一样认同这种想法,因为许多年来它一直都是人们无法排除的一种可能性,爱因斯坦一直到死都相信他的说法将在某天被证明是有道理的。然而在最近几十年,基于爱尔兰理论物理学家约翰·贝尔(1928—1990)巧妙著作的复杂实验已经排除了那种可能性。量子不确定性因而得以保留。

“爱因斯坦的意见,”玻恩坦承道,“就像重重的一击。”28玻恩和海森堡一起为量子理论的概率解释做出了重要贡献,他希望得到更积极的回应。他很尊敬爱因斯坦,因而感到一丝失落,就像被一位受人尊敬的领袖抛弃了一样。其他人也有类似的感觉,甚至在不得不反对爱因斯坦的观点时难过地流下了眼泪。但很快爱因斯坦就发现在反对量子理论时他是孤军奋战,正如他自己说的那样,唱着“我孤独的小腔小调”以及看起来“就像我的外表一样奇怪”。291949年,在他最初写信反对玻恩的著作大概20年后,还有6年就将辞世的他又一次给玻恩写信,他说:“大家都认为我食古不化,年纪越大就越瞎越聋。我感觉这个形象并不是那么令人反感,因为它跟我的气质非常匹配。”30

* * *

创造量子理论的中欧科学智囊团超越或者至少匹敌我们在穿越历史的旅途中遇到的任何灿若明星的知识分子群体。创新始于适宜的自然和社会环境,因而那些处于偏远地区的人没有做出多少贡献也就绝非偶然:受到揭示出一连串与原子有关的新现象的技术进步的驱动,理论物理学家在当时也有幸成为智囊团的一分子,为那个在人类历史上首次被披露的领域提出了见解和观察。这是欧洲历史上一个不可思议的时代,想象力如同一道道闪电刺破天空,一个自然新王国的轮廓开始浮现。

量子力学源自许多科学家的勤奋和天资,他们在少数几个国家里工作、交换观点、互相辩论,但他们的激情和奉献全都为了同一个目标。然而,即将攻陷他们大陆的混乱和野蛮给这些杰出人物的团结与碰撞蒙上了阴影。量子物理学的明星如同拙劣的洗牌掉出的扑克一样散落各地。

一切都开始于1933年1月,时任德国总统,陆军元帅保罗·冯·兴登堡任命阿道夫·希特勒为德国总理。同一天夜里,在伟大的哥廷根大学所在的小镇——海森堡、玻恩和乔丹合作研究海森堡力学的地方——身着制服的纳粹在大街上游行,他们一边挥舞着火把和纳粹党徽,一边唱着爱国歌曲,并奚落着犹太人。在几个月的时间里,纳粹在全国各地展开了焚烧书籍的活动,声称要把非雅利安人的教师从大学里驱逐出去。突然之间,许多最受人尊敬的德国知识分子要么被迫舍弃了他们的家园,或者要么和我那身在波兰,没有这种选择的裁缝父亲一样,留下来面对纳粹日益猖獗的威胁。据估计,在5年时间里有将近2 000名顶级科学家因为血统或政治信仰的原因而被迫逃亡。

然而,关于希特勒的崛起,据说海森堡曾欣喜地评论道:“至少我们现在有了秩序,可以结束这场动荡了,我们有一双强有力的手统治着德国,这对欧洲有好处。”31海森堡在十来岁的时候就开始对德国社会的发展方向心怀不满。他甚至在一个民族主义青年团体中非常活跃,这个团体经常组织去野外徒步旅行,他们围坐在篝火旁批评德国人道德的沦丧以及共同目标和传统的缺失。作为一名科学家,他也想远离政治,但他似乎看到希特勒强有力的手能够恢复德国“一战”前的伟大。

然而,海森堡支持并协助发明的新物理学却注定会激怒希特勒。在19世纪,德国物理学凭借数据收集和分析初步确立了它的卓越和声望。当然也有人提出了数学假设并对其进行分析,但这通常不是物理学家关注的重点。然而,在20世纪前几十年,理论物理学作为一个研究领域得到了极大的发展,正如我们看到的那样,它取得了令人炫目的成功。然而,纳粹却认为它过度理论化,是一种深奥难解的数学。和他们痛恨的“堕落”艺术一样,他们讨厌它的超现实主义和抽象概念。最糟糕的是,它的大部分内容是犹太科学家的工作成果(爱因斯坦、玻恩、玻尔、泡利)。

纳粹开始把这些新理论——相对论和量子理论——称为“犹太人的物理学”。因此,它们不但是错误的,也是堕落的,纳粹禁止大学开设关于它们的课程。甚至连海森堡也有了麻烦,因为他曾经研究过“犹太人的物理学”,还和犹太物理学家一起工作过。这种抨击让海森堡感到愤怒,尽管他可以在国外获得很多享有盛誉的职位,但他依然选择留在德国,效忠政府,对第三帝国言听计从。

海森堡试图直接恳请海因里希·希姆莱帮忙解决他的问题,希姆莱是纳粹党卫军的头目,以后还将负责建造集中营。海森堡的母亲和希姆莱的母亲相识多年,海森堡通过这层关系给希姆莱写了一封信。希姆莱的回应是持续了8个月的严密审查,这成为海森堡未来很多年的噩梦,但希姆莱最终宣布“我相信海森堡是清白的,我们不能损失这个人,或者让他保持沉默,他相对比较年轻,还可以教育新一代”。32海森堡同意了,作为交换,他将否认犹太物理学的犹太创造者,并避免在公共场合提到他们的名字。

至于其他著名的量子先驱,卢瑟福当时在剑桥。他在这里帮助成立了一个旨在帮助学术难民的组织,并出任主席。他于1937年去世,享年66岁,死于绞窄性疝气手术的延误。狄拉克成为剑桥大学卢卡斯教授(牛顿和巴贝奇曾经的职务,霍金将来的职务),有一段时间他研究与英国原子弹计划有关的问题,接下来被邀请为曼哈顿计划工作,但因为道德原因拒绝了。他在塔拉哈西的佛罗里达州立大学度过了他的晚年,1984年在这里去世,享年82岁。泡利当时是苏黎世大学的一名教授,他和卢瑟福一样也是一个国际难民计划的领导,但当战争爆发时,他拒绝了瑞士国籍,逃到了美国,战争结束后不久被授予诺贝尔奖。晚年,他开始对神秘主义和心理学,尤其是梦境产生了越来越浓厚的兴趣,他还是苏黎世荣格学院的创始人之一。他于1958年在苏黎世一家医院去世,享年59岁,死于胰腺癌。

和泡利一样,薛定谔也是奥地利人,但当希特勒掌权时他在柏林生活。对于希特勒,就和许多其他方面一样,薛定谔被证明是海森堡的对立面:他直言不讳地反对纳粹,并很快离开德国,在牛津大学获得了一个职位。这之后不久,他和狄拉克一起获得了诺贝尔奖。海森堡当时正试图使德国物理学界保持团结,他对薛定谔的离去表示愤恨:“因为他既不是犹太人也没有受到威胁。”33

结果证明,薛定谔并不会在牛津大学待多长时间。之所以会出现麻烦,是因为他和他的妻子以及情妇生活在一起——他把这个情妇看得比第二妻子还重要。正如他的传记作者沃尔特·穆尔写的那样,在牛津,“妻子被当作是不幸的女性附属品……在牛津有一个妻子就已经很糟糕了——有两个那就太可怕了”。34

薛定谔最终在都柏林定居下来。他在1961年死于肺结核,享年73岁。他是在1918年参加第一次世界大战时首次感染上这种病的,从此以后就饱受呼吸问题的折磨,这也是他为什么喜欢阿尔卑斯山度假胜地阿罗萨的原因,也正是在这个地方他发展出了他的量子理论。

当希特勒开始掌权时,爱因斯坦和玻恩就生活在德国,由于他们的犹太血统,及时移民变成一件生死攸关的事情。爱因斯坦当时是柏林的一名教授,希特勒被任命的那一天他恰巧正在美国加州理工学院访问。他决定不回德国,从此他再也没有踏上过那片土地。纳粹查抄了他的私人财产,焚毁了他关于相对论的作品,并悬赏5 000美元要他的人头。但他早有准备:在他们动身去加利福尼亚之前,爱因斯坦告诉他的妻子好好再看一眼他们的房子。“你再也不会看到它了。”他对她说。35她认为他在说胡话。

爱因斯坦在1940年成为美国公民,但也保留了他的瑞士国籍。他在1955年去世,随后被送往一家火葬场,12名亲密朋友正安静地聚集在这里。在简短的悼念活动结束后,他的遗体被火化,骨灰被撒在了一个不公开的地点,但普林斯顿医院的一位病理学家却摘除了他的大脑,此后它就一直被反复地研究。它剩余的部分目前在马里兰州银泉市的美国陆军国家健康和医学博物馆。36

由于被禁止讲课,同时又担心对他孩子持续的骚扰,玻恩也试图马上离开德国。海森堡尽力使玻恩免于受到非雅利安人工作限制的影响,但最后在泡利的难民组织的帮助下,玻恩于1933年7月离开德国,在剑桥大学得到一项任命,后来又搬到了爱丁堡。1932年玻恩选择对诺贝尔奖置之不理,于是海森堡获得了它——因为他们一起完成的工作——玻恩在1954年获得了自己的诺贝尔奖。玻恩于1970年去世,他墓碑上镌刻的墓志铭是“pq-qp= h/2π”,这是量子理论最著名的公式之一,这个数学声明将成为海森堡不确定性原理的基础——这是他和狄拉克分别独立发现的。[3]

生活在丹麦的玻尔管理着一所如今被称为尼尔斯·玻尔研究所的机构,有一段时间他并没有受到希特勒行动的影响,他帮助犹太科学家难民在美国、英国、瑞典寻找工作。但希特勒在1940年侵入丹麦,1943年秋天,驻哥本哈根的瑞典大使向玻尔透露他面临立即被拘捕的危险,这是驱逐所有丹麦犹太人计划的一部分。他本来应该在一个月之前就被逮捕,但巧合的是,纳粹感觉如果他们等到大规模拘捕行动结束后再去抓玻尔或许会减少这件事情引发的公愤。这个延误拯救了玻尔,他和妻子逃到了瑞典。第二天,玻尔见到了国王古斯塔夫五世,并说服他公开为犹太难民提供庇护。

然而玻尔自己却面临着被绑架的危险。瑞典遍布德国特务,尽管他被安置在一个秘密地点,但这些特务知道他就在斯德哥尔摩。很快温斯顿·丘吉尔就带话给玻尔称英国将营救他,他被装进一架德哈维兰蚊式轰炸机炸弹舱里的垫子中,这是一种高空快速飞行轰炸机,没有携带武器,可以避开德国战斗机。在飞行过程中,玻尔由于缺氧昏了过去,但他还是活着到了英国,身上依然穿着他离开丹麦时所穿的衣服。他的家人随后也赶来了。玻尔又从英国逃到了美国,并成为曼哈顿计划的一名顾问。战争结束后他又回到哥本哈根,于1962年在这里去世,享年77岁。

1927年在布鲁塞尔参加第五届索尔维国际电子和光子大会的量子理论先驱。后排:薛定谔(左六),泡利(左八),海森堡(左九)。中排:狄拉克(左五),玻恩(左八),玻尔(左九)。前排:普朗克(左二),爱因斯坦(左五)

在伟大的量子理论家中,只有普朗克、海森堡和乔丹留在了德国。和伟大的实验主义者盖革一样,乔丹也是一名狂热的纳粹分子。他成为德军300万纳粹党突击队中的一员,自豪地穿着他带有纳粹标志臂章的褐色制服和长筒靴。37他试图使纳粹对制造先进武器的各种方案产生兴趣,但讽刺的是,由于他和“犹太人的物理学”之间的瓜葛,没有人理会他。在战争结束后,他进入德国政坛,并在联邦议院(德国的议会)赢得一个席位。他在1980年去世,享年77岁,是那些早期先驱中唯一没有获得诺贝尔奖的人。

普朗克并不支持纳粹,但他并没有做太多努力去反抗他们,哪怕是悄悄地反抗。相反,和海森堡一样,他的首要任务似乎是在符合所有纳粹法律和规定的情况下尽可能多地保护德国科学。38他在1933年5月与希特勒会面,目的是劝阻他不要推行从德国学术界驱逐犹太人的政策,但这次会面当然不会改变什么。几年后,普朗克最亲近的幼子试图以最勇敢的方式改变纳粹党——他是1944年7月20日刺杀希特勒计划的一名成员。在和其他人一起被捕之后,他遭受了严刑拷打,最后被盖世太保杀害了。对于普朗克来说,这是他充满悲剧的一生中最为悲惨的事情。在他的5名子女中,有3个年纪轻轻就去世了——他最年长的儿子在“一战”中的一次行动中被杀,两个女儿死于难产。然而,据说正是他儿子被处决最终熄灭了普朗克继续活下去的欲念。他在两年后去世,享年89岁。

最初的热情过后,海森堡也开始对纳粹感到厌恶。尽管如此,在第三帝国统治期间他依然在科学界身居高位,无怨无悔地履行他的职责。当犹太人被从大学中驱逐时,他尽最大努力吸引最优秀的替代者以保护德国物理学。他从未加入纳粹党,但他始终没有放弃他的职位,也从未与这个政权决裂。

当德国在1939年启动原子弹计划时,海森堡也参与其中,并投入了巨大的精力。他很快就完成了运算,证明核裂变链式反应有可能实现,一种纯的叫作铀235的稀有同位素可以用来制造威力巨大的炸药。这是历史上众多具有讽刺意味事件的一个代表,德国人在战争初期的胜利将导致他们彻底的失败:由于战事进展得非常顺利,纳粹政权最初并没有部署太多资源来研究原子弹,但当战事发生逆转时,一切都太迟了——在他们可以造出一颗原子弹之前纳粹就被打败了。39

战争结束后,海森堡和其他9名顶尖德国科学家一起被盟军暂时关押了一段时间。被释放后,他回去继续研究物理学的根本问题,努力重建德国科学,并试图恢复他在其他国家的科学家中的名誉。海森堡在1976年2月1日死于他位于慕尼黑的家中,再也没能取得他曾经享有的地位。

战争结束后,物理学界对海森堡的反应褒贬不一,这或许可以从我自己的行为中体现出来。1973年,当我还是一名学生时,我获得了参加他在哈佛的一个关于量子理论发展的讲座的机会,我没法让自己参加。但数年之后,当我成为一个他曾经担任过主任的研究所的一名洪堡研究员时,我经常会站在他曾经工作过的办公室外,思索着这种帮助他发明出量子力学的精神。

* * *

尽管由伟大的量子先驱们发展的量子理论并不能改变我们对于宏观世界总体物理学的描述,但它却使我们的生活方式发生了革命性的改变,它使人类社会发生的改变如同工业革命一般巨大。量子理论定律成为所有重建现代社会的信息和通信技术的基础:计算机、互联网、卫星、手机以及所有电器。但和它的实际应用同样重要的是量子理论为我们讲述的关于自然、关于科学的东西。

牛顿式世界观的乐观主义曾经断言,使用正确的数学运算,人类就能预测和解释所有自然现象,因此,各个领域受到启发的科学家努力把他们的研究主题“牛顿化”。20世纪前50年的量子物理学家打消了这种渴望,他们发现了一个既能赋予人力量又极度谦卑的真理。它之所以能赋予人力量,是因为量子理论显示我们可以理解和操控一个超越我们感官的看不见的世界。它之所以谦卑,是因为几千年以来,科学家和哲学家所取得的进步表明我们的理解能力是无限的,但现在大自然通过量子物理学家的伟大发现告诉我们,我们可以知道的东西是有限的,我们可以控制的东西也是有限的。并且,量子提醒我们其他看不见的世界是有可能存在的,宇宙是一个充满非凡秘密的地方,在地平线之外挥动一下翅膀或许就会产生难以解释的、需要思想和理论新革命的现象。

在这些篇章中,我们一起走过了一段跨越数百万年的旅途,它从第一种人类物种开始,这种物种无论从外形上还是智力上都与我们天差地别。在这段400万年的旅程中,也就是一眨眼的瞬间我们就进入了现在这个时代,我们了解到大自然由各种定律控制,也明白除了我们在日常存在中体验到的这些定律之外,世界上还存在更多的东西——就像哈姆雷特对霍雷肖说的那样,宇宙和地球中存在的东西比我们在哲学里梦想的还要多。

在可预见的未来,我们的知识还会继续增加,鉴于从事科学研究的人数指数般地增长,我们有理由相信未来100年将会产生和过去1 000年一样伟大的进步。但如果你正在阅读这本书,你就会明白除了技术层面的问题,我们对于环境还有更多的疑问——我们人类在自然中发现美,寻找美的意义。我们不但想知道宇宙如何运行,我们还想知道我们应该如何适应这些。我们想给自己的生命和有限的存在提供一个背景,我们想感受与他人的联系,去感受他们的快乐和悲伤,去感受这个广阔的宇宙,在这里,我们的喜怒哀乐微不足道。

理解和接受我们在宇宙中的位置很困难,但从一开始它就是那些自然研究者的目标之一——从认为科学与形而上学、伦理学和美学一样都是哲学分支的早期的希腊人,到像玻意耳和牛顿这样的把自然研究当成是理解上帝本质的一种途径的开拓者。对我来说,当我某天在温哥华《百战天龙》的拍摄现场时,对于物理世界和人类世界的深刻见解之间的联系以最直观的方式显现了出来。我为他们正在拍摄的这部戏撰写了剧本,并就低温物理实验室的外观对道具师和场景设计师进行过指导。在这些普通的技术讨论中,我突然第一次不得不开始面对这个事实,也就是我们人类并没有超脱于自然,而是像鲜花或者达尔文研究的鸟儿一样转瞬即逝。

一切都开始于一通从制片办公室转到拍摄现场的电话。在当时,还不是每一个12岁的小孩都人手一部手机,在拍摄现场接电话很不平常,我一般都是在事后数小时才会收到电话留言,潦草地写在皱巴巴的纸片上。就像这条留言:“伦纳德:(无法辨认)想让你(无法辨认)。他说事情很紧急!给他回电话(无法辨认)。”这次不一样。这次一名制片助理给我拿来一部电话。

电话那一头是芝加哥大学附属医院的一名医生。他说我父亲中风了,现在处于昏迷状态——这是几个月前我父亲为修复他的主动脉所做的手术的迟发性结果。黄昏时分我来到医院,注视着我父亲,他躺在病床上,眼睛闭着,看上去很平静。我坐在他的身边开始轻抚他的头发。他摸上去温暖而又鲜活,好像正在熟睡,仿佛会随时醒过来,微笑地看着我,伸出手抚摸我,问我早餐想不想吃黑面包和腌鲱鱼。

我和我父亲说着话。我告诉他我爱他——就像多年以后我偶尔会对我正在熟睡的孩子说的话一样。但这位大夫强调我父亲不是在睡觉。他听不见我的声音,这位大夫说。他说我父亲的大脑数据显示他已经死亡。我父亲依然温热的身体很明显就像《百战天龙》中的物理实验室——外表看起来精致的躯壳,但却没有任何有意义的功能。这位大夫告诉我,我父亲的血压会逐渐降低,他的呼吸也会逐渐放缓,直到他死去。

当时我非常痛恨科学。我想证明它错了。科学家和医生凭什么能判定一个人的命运?我愿意付出任何东西,或者我的一切来换回我的父亲,哪怕只是一天,一个小时,甚至一分钟,好让我对他说一句我爱他,说一句再见。但就像大夫说的那样,该来的还是来了。

那一年是1988年,我父亲76岁。在他去世后,我们全家人要“坐七”,意思是我们要进行为期7天的传统服丧,这期间每天要祷告三次,不能离开自己的家。以前我会坐在客厅里和他聊天,但现在我坐在那里,他却变成了回忆,我知道我永远不可能再和他说话了。多亏了我们人类的知识之旅,我知道他的原子依然存在,也将一直存在下去;但我同样也知道,尽管他的原子没有随他一起死亡,但它们将会消散。它们组织成的我父亲这样一个存在已经消失,也再不会出现,除了留在我以及那些爱他的人的脑海中的一个影子。我知道几十年后同样的事情也会发生在我身上。

让我惊讶的是,多亏了我理解物理世界的努力,我现在感觉我曾经学到的东西并没有让我变得冷酷无情——它给予我力量。它帮助我在心碎的时候振作起来,不再感到那么孤独,因为我是某种更伟大的东西的一部分。它打开了我的眼界,让我看到我们的存在那种惊人的美丽,无论上天赐予我们多少岁月。尽管我父亲从来没有机会进入一所高中,但他对于物理世界却有着深刻的体会和好奇心。在我年轻时,有一次我们在客厅聊天,我告诉他有一天我会写一本关于物理世界的书。几十年后,这本书终于出现了。

我的父亲,这天晚上他向我母亲求婚,纽约,1951年

[1] 讽刺的是,林德曼曾经尝试过研究物理学,但没有取得多大成功。他为人熟知的原因是他证明了你不能“把圆变成方”——也就是说,只给你一把尺子和一个圆规,你无法画出一个和指定圆形面积相同的正方形。

[2] 严格来说,不确定性原理限制我们对位置和动量的了解(动量等于质量乘以速度),但对我们而言这种差别并不重要。

[3] 我非常荣幸地发现我的博士宗谱可以一直追溯至马克斯·玻恩。顺序是:玻恩/ J. 罗伯特·奥本海默(曼哈顿计划的带头人)/ 威利斯·兰姆(诺贝尔奖得主以及激光的创建人之一)/诺曼·克罗尔(为光和原子理论做出了重要贡献)/艾温德·威切曼(我的博士生导师,数学物理学领域一位重要人物)。