現代物理學，是一場穿越光的旅程丨展卷_風聞
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撰文 | 鄭偉謀（中國科學院理論物理所研究員）
光，帶領人類走出黑暗，是人類探索自然奧秘的火把，是近四個世紀科學發展史的中心角色。法國科學家、2012年諾貝爾物理學獎得主塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）的《光的探索》，是一部關於人類為揭示光的神秘而經久不息奮鬥歷史的浩瀚史詩，也記錄了作者本人在自己輝煌征途上譜寫現代物理學史篇章的絢麗多彩人生旅程。阿羅什的研究聚焦於量子光學和量子信息科學，他在實驗中“操控和測量單個光子”，做到了薛定諤認為不可能實現的事情，對上世紀 80 年代興起的腔量子電動力學作出重要貢獻。
這本書一共有七章。第二至五章是關於人類探索光的科學史。直到約四個世紀前，關於光的研究才開始。光的研究催生了相對論和量子物理學，深刻地改變了我們在微觀和宇宙尺度上對世界的看法，然而，普通公眾對光所扮演的中心角色瞭解卻並不太多。但另一方面，人們的社會生活因光（電磁波）的應用而發生巨大改變。例如一百多年前發現的微波，其應用已經在現代通信、導航和醫學射線照相設備中無處不在；激光的發明才不過六十年，今天激光的應用數不勝數，從光盤播放器到通信光纖和互聯網，從商店條形碼的讀取到眼科激光手術，從裝修工使用的測距儀到 GPS 的空間定位，等等。有感於此，作者試圖遵循幾個世紀以來的思想和理論的譜系，喚起廣大讀者去思考科學先驅們提出的問題，講解有關光、相對論和量子物理的現代觀念。作者以充滿激情的語言，歌頌創造科學歷史的世代相承的英雄人物及其業績，涵蓋從伽利略到愛因斯坦的諸多偉大科學家。
這本書還有副標題：“從伽利略望遠鏡到奇異量子世界”。伽利略無疑是近現代科學革命的旗手。書的第二章從觀測空間的儀器望遠鏡和計量時間的擺鐘，談起光速的測量。伽利略是使用望遠鏡觀測天體的先驅，也是現代第一個憑直覺認為光和聲音一樣，應該以有限的速度傳播的科學家。他曾經試圖測量光速，但最終失敗。在17世紀初，人們已經知道光非常快，要估計光速，必須能精確測量短時差和長距離，光速最早通過天文觀測估計。但早期關於光經驗上的研究更像“瞎子摸象”，光的科學被定量化要歸功於笛卡爾的《屈光學》以至光線傳播的費馬原理。但科學家仍不理解光的本質，這直接體現在惠更斯的波動説和牛頓的粒子説的“對抗”上。
阿羅什還着重介紹了看似關係不大的地球測量，自然地得出結論：光的早期歷史與測量地球的歷史，彼此相聯繫且有許多共同點。兩者都圍繞着數學、天文學、物理學和地理學方面的相同發現展開，這些成果催生了現代科學，其原則和價值得到肯定，由此人們逐漸確立了科學方法論。在這些研究中，基本發現和儀器發展的互補性也特別引人注目。研究的不可預測性，常常會引導科學家沿着令人驚訝的道路前進。光的研究與時間和空間的測量交織在一起，帶領人類從愚昧時代走向啓蒙時代，繼續共同發展到今天。
繼第二章光的研究史序曲之後，阿羅什在第三章聚焦電磁學的發展，將光的研究置於中心位置加以敍述，圍繞光波波長、週期和偏振等概念介紹相關理論和實驗的發展。19 世紀無疑是電磁學的世紀，代表性的英雄人物包括庫倫、奧斯特、畢奧、薩伐爾、安培、法拉第、韋伯、高斯和麥克斯韋。而這個時期光學的代表人物是楊和菲涅耳，菲涅耳推廣惠更斯原理，在嚴格的數學基礎上將波的疊加和干涉普遍化，宣告波動説的勝利。書中提到泊松-菲涅耳光斑的故事：泊松依據波動説，指出在一個不透明圓盤的陰影中心應該出現亮點。這個故事讓我對數學家泊松的物理直覺深感震撼。
19 世紀 60 年代初是歷史轉折點——法拉第提出影響之後整個物理學的場的概念；之後麥克斯韋總結並建立了電磁學理論（作者特別提到麥克斯韋用他所熟悉的機械學語言思考且描述法拉第定律），統一了電性和磁性，將光置於電與磁的交匯處，在一個統一的理論中解釋了看似不同的現象。這也是數學和物理的交匯，是理論、實驗和科學儀器的合奏。作者對這段歷史評論道，“基礎科學和技術之間的關係是一條雙行道”，二者相互提攜，攜手並進。阿羅什認為，科學發現往往源於各領域成就的結合，真理出現在看似完全不同的研究分支的匯流處，不同學科之間的結合甚至延伸到物理學以外；特別指出在 1859 年到 1869 年的十年裏，物理學、生物學和化學因為麥克斯韋的電磁理論、達爾文的物種進化學説和門德列夫的元素週期表，同時發生徹底改變。就光學而言，光的一些奧秘已經解開，同時也將產生不可預見的後果。作者在熱情謳歌麥克斯韋的豐功偉績時，也許用力過猛。愛因斯坦在評價洛倫茲的《電子論》時曾經説，麥克斯韋的理論，本質特徵並不清晰，物質被視為場的承擔者，是洛倫茲將電磁場獨立於物質的運動，提出電磁場的存在方式是沒有物質的空間，並以之作為基礎。但是，後輩物理學家中很多人並不清楚洛倫茲對理論物理學基本規律的形成所起的決定性作用。
接下來的第四、五兩章，講開爾文的兩朵烏雲：傳播光的以太的自相矛盾與熱力學中能量在各自由度間分配的違反。第四章講第一朵烏雲如何預示着相對論的誕生，而第五章講第二朵烏雲預示了量子物理學。這兩個革命性的理論均起源於對光的矛盾特性的質疑，動搖了物理學家心中關於時間和空間、質量和能量、決定論和偶然性的概念，最終深刻地改變了我們對世界的看法，堪比 16 世紀的哥白尼學説革命。在這場物理學革命中，作者指出，理論和實驗之間的共生關係，以及純粹基於好奇的基礎研究和技術進步之間的共生關係也很重要，就像前幾個世紀一樣，其中儀器製作方面的進展起了決定性的作用。
第四章以愛因斯坦為中心，講相對論的誕生和發展，通過他的思想的稜鏡來看物理學。麥克斯韋方程給出的光速在所有慣性參考系中相同，必須放棄伽利略的相對性原理，放棄絕對時間。愛因斯坦借假想實驗，以無可辯駁的邏輯，推斷出同時性和空間距離對於觀察者來説是相對的，提出他的相對性原理，推導出慣性系時空變換關係。在統一時間和空間的概念後，他還統一了經典物理學中兩個完全不同的概念：質量和能量。相對論要求，以光速運動的物質，其質量必定為零。作者驚歎，愛因斯坦狹義相對論，僅靠一個基於光的思考而衍生出的原則，卻可以預言從無限小到無限大，直至半個到一個世紀後借技術進步才可能觀察到的效應。但狹義相對論還未解決引力問題，牛頓的萬有引力是超距的、瞬時的，與狹義相對論矛盾。在反思狹義相對論時，愛因斯坦早就意識到，還有待回答引力的真正本質是什麼。愛因斯坦從引力質量和慣性質量的等價原理出發，建立了廣義相對論，認為引力場實際上只是時空曲率的物理表達，由此統一了物質與時空。正如美國物理學家惠勒所言：質量告訴時空如何彎曲，而時空告訴質量如何移動。作者指出，通過每天使用 GPS，我們不知不覺地對狹義相對論和廣義相對論進行了極其精確的測試。如何從科學史的角度認識相對論的誕生，值得思考。哈佛大學科學史和物理學教授加里森指出，法國數學家和物理學家龐加萊與愛因斯坦有大致相同的想法，從不同的角度批判了絕對同時性，技術和實驗對催生相對論的作用不可忽視（編者注：參見《愛因斯坦和龐加萊：站在物理、技術與哲學的交叉路口》）。
第五章從開爾文的第二朵烏雲開始，以認識光的本質為中心，追溯量子思想的誕生和演變，穿越量子物理史。作者仍然執著地要讓愛因斯坦充當主角，認為愛因斯坦通過引入光子的概念而成為量子物理學的第一奠基人，也許第一奠基人非普朗克莫屬。不過，關於愛因斯坦對量子力學貢獻，應該説，作者所作的總結大體是很到位的。第一是光子概念的引入，重新解釋熱輻射的性質；此後有了波粒二象性的革命性概念，啓發了德布羅意的物質波。量子力學走了看似截然相反的兩條路：海森伯的離散之路和薛定諤的連續之路。費馬原理下力學與幾何光學統一，指引薛定諤的是愛因斯坦的波粒二象性，沿着德布羅意的思想，實現力學與波動光學的統一。量子物理學始於輻射定律，與熱力學和統計力學密切關聯。作者在講解熱力學時，稱宏觀熱力學體系既“懶”又“亂”，極其生動傳神。愛因斯坦對量子力學的第二個貢獻是，同種粒子的不可分辨性，即量子全同性原理。他敏鋭地看出玻色的推理中隱含的光子不可分辨性的假設，將玻色的狀態計數法提升為玻色-愛因斯坦統計，並將玻色的統計法從光推廣到物質粒子，意識到全同粒子的不可分辨性是量子世界的一個重要基本特性。如果要説愛因斯坦對量子力學的第三個貢獻，大概應該是提出作為激光基礎原理的受激輻射的概念。作者強調，愛因斯坦對量子物理學誕生的貢獻，比他發現的相對論更大地影響我們的日常生活。但是，愛因斯坦對量子理論很不自在，對是否接受很不情願，被量子糾纏等量子力學的詮釋問題所糾纏，終生感覺不安。這一章的最後部分是關於量子力學的詮釋，也許一般讀者不必過度關注。這章的“一場穿越數量級的旅行”一節，非常值得物理專業學生品味。
現在回到第一章，這一章最適合有志於專攻物理的高中生和物理系新生閲讀。作者親述投身實驗研究如何成為自己的宿命。作者生長在“物理世家”，自己是第三代諾貝爾物理學獎獲得者。他將自己的老師和先輩很確切地描繪成詩人和夢想家。科學研究需要好奇心和激情，需要數學上的嚴謹性，但更需要深入的直覺、想象力和創造力。量子物理學，對理解光是什麼至關重要。量子物理現象，因為不能直接用我們的感官或直覺來感知，令人困惑，但事實上，它並沒有什麼神秘之處。量子物理以一種合符邏輯的方式呈現了自己，並導致嚴格的數學理論用於精確地計算觀察到的結果，而不留下任何含糊。作者強調精確的實驗測量的重要意義，提到勒維耶預測海王星和實驗發現光譜蘭姆移位，但二者對科學進步的意義並不同等。阿羅什十分留戀四五十年前基礎研究的環境和氛圍：在一位年輕、熱情的導師的信任和指導下工作，不需要經常擔心科研經費問題，也不必編寫研究的潛在效用來論證其合理性，得以秉持自由的精神開啓探索量子世界的長達數十年的偉大冒險。
第六章和第七章記述了作者自己的研究以及他所見證的同時代人的發現。第六章有些背景介紹，第七章則包含許多實驗細節，尤其是第七章，也許只適合相關專業的研究生和學者閲讀。在做科學普及時，儘可能避免寫公式。但是，在敍述實驗工作時，用公式、用專業語言也許既準確又簡潔。我在讀這兩章時，常常感到無所適從，好在書中配了已發表的學術論文的插圖，勉強揣摩。
讀過這本書，難免不對為探索宇宙奧秘前仆後繼的先賢們心生景仰，啓發我們如何學習“站在巨人的肩膀上”看世界。著者對法蘭西民族的科學家璀璨羣星不吝筆墨，自豪感自然流露。這本書的法文書名的直譯是《光的揭示：從伽利略的望遠鏡到量子奇異性》，英譯本書名的直譯是《光的科學：從伽利略的望遠鏡到量子物理》，與中文書名《光的探索：從伽利略望遠鏡到奇異量子世界》都不太一樣，似乎還是法文書名最為貼切。中文譯本文字大體流暢。
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