告诉天堂中的爱因斯坦:你错了

    《你错了，爱因斯坦先生!》，这书名很酷!在一般人眼中，爱因斯坦是相对论的创始人，二十世纪最伟大的科学家，他怎么会有错?让人不可思议。再看副标题就更令人费解:“牛顿、爱因斯坦、海森伯和费恩曼探讨量子力学的故事”，让相隔三百年的人聚在一起来讨论“量子力学”，而量子力学是在牛顿逝世后二百年才出现的，这种做法是否有点离奇?

    作为现代物理两大基石的相对论和量子力学，听说过的人会不少，知道爱因斯坦对相对论及光电效应贡献的人也不会少，但了解量子力学发展的来龙去脉，以及爱因斯坦在其中所持立场的就为数不多了。本书作者、德国理论物理学家和科普作家哈拉尔德·弗里奇向我们详细地讲述了这段历史，在书中很有趣地“让”爱斯坦讲述他自已的观点，他的讲法对还是错，读者自然可以自己做出判断。

    量子力学的产生和发展是从二十世纪初开始的，前后经历了二、三十年，充满了新与旧的冲突，创建与保守的矛盾，是一段波澜壮阔的历史，也是近代物理发展的重要阶段，让年轻人去了解它，十分必要。谈量子力学，要从普朗克创立量子理论开始，他引入“量子”的全新概念，解释了令当时物理学家一愁莫展的“黑体辐射”问题。随后，爱因斯坦提出光量子理论，认为光是由粒子组成的，携带的能量与光的频率有关，成功解释了光电效应现象，为量子理论的发展做出了重要贡献。以后玻尔、索末菲创立了描述原子和量子过程的新理论———量子力学。后来海森伯、泡利和薛定谔等完善和发展了这一理论。

    这种新理论与以往的经典力学有本质的不同。在这里，光不但具有粒子特性而且具有波动特性，只有这样，才不但能解释光电效应，又能解释光的干涉和衍射现象。这就是人们常说的光具有“波粒二象性”特征;在这里，量子所取的作用量不像经典力学那样是连续的，而是断续、“量子化”的;在这里由于受“不确定关系”的约束，粒子运动的位置和动量，时间和能量等物理量不能同时被精确测定，从而无法精确描述微观内部的物理过程，只能给出其发生的概率，因此量子物理的定律只具有统计意义，完全不同于经典力学的“因果性原理”。这些观点，完全违背了我们在宏观世界生活中所积累的知识，但却被以后大量的实验所证明，被越来越多的物理学家所接受。在很长一段时间里，爱因斯坦对这种新理论持怀疑态度。他坚信自已提出的光的量子性才是正确的，而很难直面光的波动性观点;他坚持经典力学的“因果性原理”而不认可量子的统计观念;他对波恩提出的概率解释不以为然，反对的理由是:“上帝并不掷骰子，这个世界也不是赌场”。

    爱因斯坦对量子力学的态度，业内人士大多是知道的，已不是什么秘密。但像本书那样系统、有根据地予以详述，并道出他错在那里，是不多见的。这种敢于向权威挑战的勇气，以及向公众传播真相的决心是难能可贵的。从中我们也可以得到启示:科学是在不同观点的矛盾和冲突中发展起来的，充满了是与非、正确与错误的辩争，在错综复杂的情况下，伟人也难免犯错误。作者向我们呈现的是一个从神上走下来的活生生的真实的爱因斯坦，比传说中的更可信，更可爱。读完了本书，我不得不佩服作者丰富的想象力和纯熟的写作技巧。他以梦境的方式穿越时空，将不同时代的五位科学家放到一起参加讨论，并赋予每人不同的风格。在书中牛顿和爱因斯坦都不以“权威”自居，以平常人心态参加讨论，体现了“在真理面前人人平等”的理念。讨论中，牛顿成了一个可爱、谦虚、好学的量子力学的初学者;爱因斯坦是一位深入思考、爱提问题、非常执着的学者;海森伯(量子力学的开拓者之一)和费恩曼(量子电动力学的创始人之一)则在各自熟悉的领域做生动、精辟的发言;哈勒尔则是作者的化身，讨论会的主角，讨论主题的确定者，并经常就物理学最新进展和成果侃侃而谈。

    采用讨论的形式有一个好处，即围绕一个主题，大家各抒己见，针锋相对，环环相扣，层层深入，使读者很快进入讨论当中，身临其境，从中学到物理之精髓。讨论中语言精练，内容深刻，通俗易懂，很容易引起读者的共鸣。他们的食宿、讨论和活动地点则安排在他们都曾到过的柏林。这些都给人以真实、自然的感觉。阅读过程中，读者很快就适应了这种虚拟的手法，融入书中精彩、热烈的讨论中，并跟随五人参观了柏林附近那些与量子理论、量子力学发展有重要关系的、赫赫有名的历史遗迹，增加了趣味性。本书是一本初学者学习粒子物理绝好的入门书。作者系统地介绍了粒子物理是如何从量子力学—量子电动力学—量子场论—量子色动力学以及标准模型发展起来的。这里没有复杂的公式和烦琐的推导，而是用清晰的物理概念和浅显易懂的图像把道理说深说透，使初学者易于接受。

    书中介绍了许多基本的物理概念和知识，如波粒二象性的理论与实验基础;玻尔“氢原子模型”的由来;海森伯“不确定关系”的实质;泡利“不相容原理”及对原子周期表的解读;波函数的引入的必要性;薛定谔方程求解谐振子问题出现的“隧道效应”及“隧道显微镜”的应用等，都是量子力学发展过程中遇到的重要问题，作者把这些哲理性很强，看似枯燥无味的东西像讲故事那样娓娓道来，妙趣横生。作者对粒子物理的描述也一样吸引读者。从正电子发现到反粒子概念的引入;粒子的交换产生“力”及力的分类;费恩曼图的介绍;基本粒子的家族;夸克和胶子的性质;从量子电动力学到量子色动力学，二者的对比及“色”的本质等重要概念都交待得一清二楚，用生动、形象的语言给读者以深刻印象。

    书中还介绍了粒子物理发展的前沿学科及最新成就，如中微子振荡和粒子质量来源的基础知识及最新进展情况。作者用不多的篇幅介绍了中微子是一个什么样的粒子，有几种，是如何发现的。作者只用了一句话就点到了要害:“中微子是唯一能在宏观尺度上显示出量子力学效应的粒子。中微子的质量很小，不同种类的中微子可以通过振荡而相互转化。”然后再介绍了几家中微子振荡实验，以及测量到的三种中微子混合状况及中微子质量差的结果。很高兴看到书中报道了以中国科学家为主的大亚湾国际合作组在2012年3月8日向世界宣布他们观测到了最小的中微子混合角为9度左右的消息，能在第一时间把这一重要成果告诉读者。

    作者借牛顿之口提出“原子核和电子都有质量，这些质量从何而来?”这样一个人人关心的大问题。作者让哈勒尔回答，并就此问题引出:为了赋予规范玻色子以质量，英国物理学家希格斯等引入一个被称为希格斯标量场的方法来解决，相应的机制(规范对称性自发破缺)，相应的粒子都以希格斯命名。于是寻找希格斯粒子成了物理学家近期的头等大事。哈勒尔还提到，前些年在欧洲核子研究中心的大型电子对撞机上没找到这个粒子，现在正在大型强子对撞机上找。直至2012年7月4日，欧洲核子中心向全世界宣布其上的两个实验以较大的确定度同时发现了一个新的玻色子，质量为125—126吉电子伏，特性与希格斯粒子相似。虽然这只是初步结果，但物理学家的兴奋心情依然难以抑制。大家知道离牢牢抓住这个被称为“上帝粒子”的希格斯粒子为时不远了。在热议这一新发现的时候，有许多人会问:什么是希格斯粒子?它有多重要?其实本书第十三章粒子的质量(只有五页)，早给出了答案。弗里奇的这本书，不但是年轻人的入门书，对我这个从事物理专业多年的人来说，也从中获益良多。读了那段量子力学发展史，回顾那些开拓者们的丰功伟绩，有温故知新的感觉。感谢弗里奇及中文译者邢志忠、邢紫烟向读者提供了这么难得一见的优秀科普书籍。