了得網科普讀物_你錯了，愛因斯坦先生！——牛頓、愛因斯坦、海森伯和費恩曼探討

編輯推薦

對絕大多數人而言，量子力學似乎是一門與日常生活毫不相干而且神秘莫測的學科，隻有物理學家纔能理解它的真諦以及它所描繪的量子世界。但事實並非如此。其實我們每個人都可以輕松地領會量子物理學的基本原理，並從中感知和欣賞那些存在於我們的視野之外、趣味橫生的量子現像。在科學化和文明化的現代社會，量子力學至關重要，因此它理應被大眾所了解。
書中，牛頓對量子力學一無所知，他不斷地提出各式各樣的問題，在討論中慢慢地也變成了一位量子物理學家。愛因斯坦則難以接受量子力學，把量子力學區別於經典力學的關鍵點一一指出來。費恩曼作為量子力學的一代名師，與量子力學體繫的創立者之一——海森伯一道，耐心地解釋量子理論。作者用通俗的語言，借由這些名家之口，把量子力學的發展歷史、核心思想娓娓道來，為讀者描繪出微觀世界奇妙的景像。

內容簡介

作者在本書中模仿伽利略《關於兩大世界體繫的對話》一書的寫作風格，以虛擬的對話形式，讓五位不同時代的物理學家展開一繫列關於量子力學的起源和發展的熱烈討論，文筆生動有趣、通俗易懂。參與討論的是牛頓、愛因斯坦、海森伯、費恩曼以及作者本人的化身哈勒爾教授，身份像征了從經典力學到量子力學，再到基本粒子物理學的歷史發展脈絡，而他們的話題涵蓋了現代物理學的很多基本概念和原理。牛頓起初對量子物理學一無所知，但是在討論過程中，他慢慢地也變成了一位量子物理學家。愛因斯坦雖然為量子理論的創立做出過傑出貢獻，但後來卻不斷地質疑這一理論的基礎和推論，因此他不得不經常面對海森伯、費恩曼和哈勒爾的批評。剛開始完全不了解量子力學的讀者會像牛頓那樣從討論中學到很多東西，也會像愛因斯坦那樣驚嘆於相對論和量子力學相結合的產物（量子場論）在基本粒子物理學領域所取得的巨大成功。

作者簡介

哈拉爾德•弗裡奇，著名理論物理學家與科普作家。1971年在慕尼黑工業大學獲得博士學位。曾經在斯坦福大學、加州理工學院和歐洲核子研究中心工作，1980年受聘成為慕尼黑大學索末菲教授，2008年退休。他與蓋爾曼合作多年，共同為量子色動力學——描述強相互作用的理論——做出了意義深遠的奠基性工作。他在大統一理論、味相互作用理論等許多領域都具有原創性的重要貢獻。他的科普暢銷書被譯成多種文字，其中《誇克》《改變世界的方程》擁有眾多讀者。在20世紀80年代，他制作的名為“微觀世界”的電視繫列片在德國常播不衰，影響廣泛。

序言
引言
章量子理論的起點
第二章原子
第三章波與粒子
第四章量子振子
第五章氫原子
第六章自旋：一個新量子數
第七章力與粒子
第八素周期表
第九章狄拉克方程與反粒子
第十章電子和光子
第十一章色誇克和膠子
第十二章中微子振蕩序言
引言
章量子理論的起點
第二章原子
第三章波與粒子
第四章量子振子
第五章氫原子
第六章自旋：一個新量子數
第七章力與粒子
第八章&nbs素周期表
第九章狄拉克方程與反粒子
第十章電子和光子
第十一章色誇克和膠子
第十二章中微子振蕩
第十三章粒子的質量
第十四章自然界的基本常量
第十五章結局
物理學家小傳
譯後記

前言

弗裡奇讓四位偉大的科學家復生，並展開了關於量子理論的起源和發展的熱烈對話。他們討論的話題包括：普朗克（Planck）不情願地引進的量子（quanta）概念，玻爾（Bohr）發明的特設的量子規則，薛定諤（Schr dinger）和海森伯（Heisenberg）共同發現的量子力學（quantum mechanics），以及量子力學和愛因斯坦（Einstein）的狹義相對論（special theory of relativity）相結合的豐碩成果———相對論性量子場論（relativistic quantum field theory）。他們的對話揭示出這些早期的科學成就如何將我們引向如今已取得巨大成功的“標準模型”（standard model），後者幾乎為所有已知的基本粒子現像提供了一個顯然正確的、完備的而且前後一致的描述。
弗裡奇讓四位偉大的科學家復生，並展開了關於量子理論的起源和發展的熱烈對話。他們討論的話題包括：普朗克（Planck）不情願地引進的量子（quanta）概念，玻爾（Bohr）發明的特設的量子規則，薛定諤（Schr dinger）和海森伯（Heisenberg）共同發現的量子力學（quantum mechanics），以及量子力學和愛因斯坦（Einstein）的狹義相對論（special theory of relativity）相結合的豐碩成果———相對論性量子場論（relativistic quantum field theory）。他們的對話揭示出這些早期的科學成就如何將我們引向如今已取得巨大成功的“標準模型”（standard model），後者幾乎為所有已知的基本粒子現像提供了一個顯然正確的、完備的而且前後一致的描述。
我將簡要回顧量子物理學的某些方面，我們是如何得到它們的，以及還存在哪些未解之謎。所有的自然現像都是由四種基本力產生的：引力、電磁力和兩種核力———一種是弱相互作用力，另外一種是強相互作用力。在愛因斯坦整個人生的後幾十年，他對核力的態度幾乎是敷衍了事，不聞不問。與此相反，他卻竭盡全力去構建一個關於引力和電磁力的統一理論，但沒有成功。我們必須承認，我們所獲悉的關於核力的知識對其他大部分的科學學科幾乎不會產生直接的影響。原因在於對那些學科而言，原子核同電子一樣可以被看做具有特定質量和電荷的類點粒子（pointlike

particle）。通過這種理想化的處理，可用薛定諤方程完美地描述每素的原子。實際上，該方程提供了一個基本的理論框架，支撐著諸如化學、生物學和地質學等許多自然科學分支。當然，懂得了基本規則並不會使這些學科的挑戰性降低，就像懂得了國際像棋的規則並不會使人人都成為國際像棋大師一
樣……但這終究是一個好的開端。
盡管引力在這四種力中弱，但它的效應卻顯而易見。引力解釋了地球上和天空中的運動現像。它把屬於我們的大氣和海洋挽留了下來，並讓我們站在地面上。然而，與其他幾乎所有現像有關的卻是電磁力：它使原子結合在一起，然後使它們組合成諸如分子、老鼠和山脈等。我們自己本質上是電磁生物，我們所看到的、感覺到的、聽到的、品嘗到的、觸摸到的或者制造出來的一切東西也都是電磁力作用所致。引力和電磁力合起來解釋了這個世界的幾乎所有特性，不管是大尺度的還是小尺度的。這樣看來，愛因斯坦忽視核力或許是有道理的。
不過電磁力和引力無法解釋太陽和恆星是如何發光的，也不能解釋構成人體素是怎樣產生的。如果沒有對原子核的深入了解，我們就不會面對核能所帶來的希望和危險。這一切都始於1897年放射性的發現以及那之後不久原子核本身的發現。科學家們發現原子核是由兩種粒子組成的：中子和質子———它們通過很強的短程核力結合在一起。對宇宙線的研究揭示了其他看來是基本的粒子：正電子、μ子、π介子和好幾種所謂的奇異粒子（strange
particle）。越來越強大的粒子加速器的設計、開發和投入運行，導致了幾百種其他粒子的發現。它們的數目太多了，不可能都是基本粒子。
我們已經知道，這些粒子中的大多數根本不是基本的。所有強相互作用的粒子［叫做強子（hadron）］都是由誇克（quark）組成的，誇克之間通過交換膠子（gluon）而束縛在一起。比方說，質子是由兩個上誇克（up
quark）和一個下誇克（down quark）組成的束縛態，而奇異粒子隻不過是含有奇異誇克（strange
quark）的束縛態。（然而，我們不可能觀測到單個誇克或膠子。）把誇克結合在一起的力，即色相互作用力或量子色動力學（QCD），是一種與數學上的SU（3）群有關的規範理論（gauge

theory）。把核子結合在一起形成原子核的核力隻是把誇克結合在一起的色相互作用力的微弱的剩餘效應，就像把原子結合在一起形成化合物的化學力其實隻是把原子結合在一起的電力的微弱的剩餘效應一樣。
我們的相互作用力四劍客中的後一位是弱相互作用力，它容許質子變成中子，從而使得太陽能通過核聚變過程產生能量，也使得死亡已久的恆星能夠制造出構成素。它還容許中子在β衰變的過程中變成質子，而β衰變是三種天然放射性形式中的一種。如今我們知道弱相互作用力和電磁力是密切相關的，有些人把這種相關性說成是這兩種力的統一。這兩種力無法分開來理解，而隻能合在一起在電弱理論（electroweak

theory）的框架中來理解。電弱理論基於另外一種規範理論，這種規範理論涉及自發破缺的規範群SU（2）×U（1）。在這種理論中，無質量的光子與很重的弱相互作用的傳播子（mediator）W玻色子和Z玻色子聯繫在一起。電弱理論已經通過了種種實驗檢驗。實際上，它的建立和發展產生了包括我本人在內的八位諾貝爾獎獲得者。
電弱理論連同量子色動力學是如今取得巨大成功的標準模型的兩個組成部分。標準模型基於作用在三個基本費米子家族上的

規範群SU（3）*SU（2）*U（1），而每個費米子家族是由一對誇克和一對輕子（lepton）組成的。盡管標準模型取得了很多實驗上的成功，但仍然存在許多令人煩惱的問題沒有得到解決。我開列其中的一部分難題，以此為這篇簡短的序言畫上句號：

問題（一）：怎樣處理被標準模型忽略掉的引力？雖然這種力極其微弱，因此和基本粒子現像沒有什麼關繫，但它在量子世界裡不可能仍舊隻是一種經典的力。因此建立引力的量子理論至關重要。這項任務也許已經在超弦理論（superstring
theory）的框架內實現了，但是到目前為止這個雄心勃勃的理論既沒有被實驗證實，也沒有被證偽。

問題（二）：是什麼導致了弱電對稱性的破缺，從而使得弱相互作用力很弱，並給出了大多數粒子的質量？希格斯機制（Higgs

mechanism）提供了一個簡單的解釋，但是它也導致了一個深刻的理論問題。許多有獨創性的解決方案被提了出來，例如超對稱和彩（technicolor）模型，但沒有一個答案是令人信服的。正在大型強子對撞機（LHC）上開展的實驗將會引導我們朝著正確的答案前進，或許我們沿著這條途徑會發現那個令人難以捉摸的希格斯玻色子。

問題（三）：宇宙學家和天文學家已經做出了很多令人喫驚的新發現，包括：我們的宇宙是平坦的，它膨脹得越來越快，宇宙中的大部分質量是暗的，且並非由任何已知的粒子構成的。我們現在知道，宇宙包含大約70%的暗能量、25%的暗物質和僅僅5%的普通物質，如標準模型所描述的那樣。因此人們提出了兩個意義深遠的問題：什麼是暗能量？什麼是暗物質？前一個問題似乎很難處理，而暗物質的問題則可以通過幾種有希望的途徑來研究：通過大型強子對撞機產生並探測暗物質；或者當它經過地下深處的探測器時觀測它的相互作用；或者在空中觀測它的間接效應。

問題（四）：標準模型比它初看起來的樣子要更為錯綜復雜。它含有許多可調節的參量，其數值必須通過實驗來確定。比方說，各種誇克和輕子的質量和它們的混合就涉及至少20個獨立參量（其中大部分參量已經得到了測量）。對於這些參量而言，它們的取值似乎沒有任何規律或者理由。毫無疑問，（我們希望）存在尚未被發現的物理原理，使我們終能夠從這些性原理出發來計算這些參量，或者至少能發現它們之間的某些關繫。

或許在遙遠的未來，這本書的新版可能會讓那些設法解決這些難題中的任何一個或者全部難題的人復生，他們會在我們中間或者會是我們的繼承人。不過，在此期間，仍然有很多工作要做。

謝爾登•李•格拉肖（Sheldon L. Glashow）
波士頓大學
美國馬薩諸塞州

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