第1章
量子力学的“诸神之战”

我们一直生活在量子世界里，但我们经过了数十年的实验探索和理论建构才发现了这个世界。从1900年起，科学家们发展了一套全新的理论来解释元素的化学性质、元素周期表、原子的尺寸、我们自身的大小，以及许多经典理论无法解释的现象（这些经典理论包括牛顿万有引力定律和牛顿运动定律，它们能够解释苹果的下落和行星的运动）。

新的思想和概念被统称为“量子理论”，用来描述这些想法的数学方法则称作“量子力学”，它将量子理论中的思想整合成普遍适用的计算方法。所有这些工作集合在一起，可以称得上是“人类创造出的最成功的理论”以及“迄今为止最强大的物理理论”。

1925年之前，量子理论只包含一系列假设、一些类似经典结构的理论，科学家们试图用这些理论解释新的实验现象。但是几年后，3名年轻的科学家独立发展出能够精确描述单电子氢原子的数学模型，为科学家们所付出的努力打下了坚实的理论基础。

1927年秋，来自世界各地的24名顶尖科学家来到布鲁塞尔，参加比利时实业家埃内斯特·索尔维（Ernest Solvay）举办的为时将近一周的第五届索尔维会议。这是“有史以来最伟大的物理学家聚会”，集中讨论了激动人心且前景光明的量子力学新发现。图1–1展示了这24名科学家和其他5位嘉宾，其中的17名科学家当时已获得或者未来将获得诺贝尔物理学奖或化学奖（注：诺贝尔奖只授予颁奖时还在世的科学家，而这份荣耀通常具有滞后性，有时在一项伟大的工作完成多年后才姗姗来迟。因此，许多科学家还没等到得奖就已去世，没有等到属于他们的荣耀）。

图1–1 1927年10 月24—29日，第五届索尔维会议的参会者合影，会议主题是量子力学（图片来源：Benjamin Couprie/International Solvay Institutes）

在这次索尔维会议上，物理学家们因为在量子力学的诠释和含义上有分歧，分裂成针锋相对的两大阵营：一派以爱因斯坦（图1–1第一排正中）为首，另一派由玻尔（图1–1第二排最右）带头。双方的争论深入到了客观实在与物理学本身的意义。当初争论不休的观点如今已有定论，但索尔维会议上，双方主要大将首次齐聚一堂，展现并讨论了这些问题，可谓是物理学领域的“诸神之战”。

我将在第一部分展示这次会议的前因，以及量子理论和量子力学是如何发展的，并介绍相关的实验、理论和涉及的人；在第二部分，我将介绍这次会议，以及新理论的提出所引起的争议，探讨其令人难以置信的诠释，以及多年以后澄清了这些争议的决定性的实验。

为了展示这段历史，我在第一部分和第二部分参考了曼吉特·库马尔（Manjit Kumar）撰写的《量子：爱因斯坦、玻尔与实在本质的伟大论战》（Quantum—Einstein, Bohr, and the Great Debate about the Nature of Reality），在前三部分介绍了获得诺贝尔物理学奖的工作以及它们的获奖理由，所有引文来自“二十世纪科学”系列丛书中，由阿尔弗雷德·B. 博茨撰写的《物理学：每一个十年》（Physics: Decade by Decade）中“诺贝尔奖得主”一节。

科学记数法以及物理公式

本书中我只会用到最简单的数学知识，通过“科学简略表达法”用公式来描述一些简单的物理关系。此外，在阅读过程中你会遇见非常大或者非常小的数字，我会使用科学记数法来简化这些数字。接下来我会举一些科学记数法以及公式的例子。我建议你花几分钟时间看看这些例子，以便掌握这两种记法，并且在需要使用到它们的时候能轻松理解。

比如，我将光速记成c，著名的爱因斯坦方程可以写作E =Mc2，表示一种有质量的物质所具有的能量（这个方程就是科学简略表达法的一种应用）。c代表光的行走速度。c=299 793 000米/秒，也可记为m/s。c的上标2代表c与自己相乘，即c×c。

为了更加方便地表示较大的数字，比如光速c，我们将使用科学记数法。具体操作如下：四舍五入保留前几位有效数字，写成小数形式（在这个例子中记为2.998），然后乘以10的几次幂，这个几次幂由小数点后的位数决定（10的几次幂意味着几个10相乘）。在这里，光速c =2.998×108m/s。保留几位有效数字取决于计算的精度。进一步近似取值，我们可以取光速为c=3×108m/s以方便记忆（这里108意为8个10相乘）。科学记数法也能表示很小的数字，比如电子的质量是0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 910 83千克，我们可以记为9.108 3×10–31kg。这里的10–31意为9.018 3除以1031，即除以31次10。