现代物理学，是一场穿越光的旅程丨展卷

学术 2024-10-27 08:01 北京

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光是人类探索自然奥秘的钥匙，从伽利略的望远镜到量子物理的奇异世界，光的研究引领了物理学的变革与创新。在这条充满挑战与突破的科学旅途中，一代代科学家们以卓越的智慧和不懈的努力，推动了人类对宇宙的深刻理解。对此，诺贝尔物理学奖得主塞尔日·阿罗什（Serge Haroche）撰写《光的探索》一书，带领读者穿越光的科学史，见证伟大的发现如何改变我们的世界观。

《光的探索：从伽利略望远镜到奇异量子世界》（世界图书出版公司，2023年11月版）。点击“在看”并发表您的感想至留言区，截至11月3日我们会选出一条留言，赠书一本。

撰文 | 郑伟谋（中国科学院理论物理所研究员）

光，带领人类走出黑暗，是人类探索自然奥秘的火把，是近四个世纪科学发展史的中心角色。法国科学家、2012年诺贝尔物理学奖得主塞尔日·阿罗什（Serge Haroche）的《光的探索》，是一部关于人类为揭示光的神秘而经久不息奋斗历史的浩瀚史诗，也记录了作者本人在自己辉煌征途上谱写现代物理学史篇章的绚丽多彩人生旅程。阿罗什的研究聚焦于量子光学和量子信息科学，他在实验中“操控和测量单个光子”，做到了薛定谔认为不可能实现的事情，对上世纪 80 年代兴起的腔量子电动力学作出重要贡献。

这本书一共有七章。第二至五章是关于人类探索光的科学史。直到约四个世纪前，关于光的研究才开始。光的研究催生了相对论和量子物理学，深刻地改变了我们在微观和宇宙尺度上对世界的看法，然而，普通公众对光所扮演的中心角色了解却并不太多。但另一方面，人们的社会生活因光（电磁波）的应用而发生巨大改变。例如一百多年前发现的微波，其应用已经在现代通信、导航和医学射线照相设备中无处不在；激光的发明才不过六十年，今天激光的应用数不胜数，从光盘播放器到通信光纤和互联网，从商店条形码的读取到眼科激光手术，从装修工使用的测距仪到 GPS 的空间定位，等等。有感于此，作者试图遵循几个世纪以来的思想和理论的谱系，唤起广大读者去思考科学先驱们提出的问题，讲解有关光、相对论和量子物理的现代观念。作者以充满激情的语言，歌颂创造科学历史的世代相承的英雄人物及其业绩，涵盖从伽利略到爱因斯坦的诸多伟大科学家。

这本书还有副标题：“从伽利略望远镜到奇异量子世界”。伽利略无疑是近现代科学革命的旗手。书的第二章从观测空间的仪器望远镜和计量时间的摆钟，谈起光速的测量。伽利略是使用望远镜观测天体的先驱，也是现代第一个凭直觉认为光和声音一样，应该以有限的速度传播的科学家。他曾经试图测量光速，但最终失败。在17世纪初，人们已经知道光非常快，要估计光速，必须能精确测量短时差和长距离，光速最早通过天文观测估计。但早期关于光经验上的研究更像“瞎子摸象”，光的科学被定量化要归功于笛卡尔的《屈光学》以至光线传播的费马原理。但科学家仍不理解光的本质，这直接体现在惠更斯的波动说和牛顿的粒子说的“对抗”上。

阿罗什还着重介绍了看似关系不大的地球测量，自然地得出结论：光的早期历史与测量地球的历史，彼此相联系且有许多共同点。两者都围绕着数学、天文学、物理学和地理学方面的相同发现展开，这些成果催生了现代科学，其原则和价值得到肯定，由此人们逐渐确立了科学方法论。在这些研究中，基本发现和仪器发展的互补性也特别引人注目。研究的不可预测性，常常会引导科学家沿着令人惊讶的道路前进。光的研究与时间和空间的测量交织在一起，带领人类从愚昧时代走向启蒙时代，继续共同发展到今天。

继第二章光的研究史序曲之后，阿罗什在第三章聚焦电磁学的发展，将光的研究置于中心位置加以叙述，围绕光波波长、周期和偏振等概念介绍相关理论和实验的发展。19 世纪无疑是电磁学的世纪，代表性的英雄人物包括库伦、奥斯特、毕奥、萨伐尔、安培、法拉第、韦伯、高斯和麦克斯韦。而这个时期光学的代表人物是杨和菲涅耳，菲涅耳推广惠更斯原理，在严格的数学基础上将波的叠加和干涉普遍化，宣告波动说的胜利。书中提到泊松-菲涅耳光斑的故事：泊松依据波动说，指出在一个不透明圆盘的阴影中心应该出现亮点。这个故事让我对数学家泊松的物理直觉深感震撼。

19 世纪 60 年代初是历史转折点——法拉第提出影响之后整个物理学的场的概念；之后麦克斯韦总结并建立了电磁学理论（作者特别提到麦克斯韦用他所熟悉的机械学语言思考且描述法拉第定律），统一了电性和磁性，将光置于电与磁的交汇处，在一个统一的理论中解释了看似不同的现象。这也是数学和物理的交汇，是理论、实验和科学仪器的合奏。作者对这段历史评论道，“基础科学和技术之间的关系是一条双行道”，二者相互提携，携手并进。阿罗什认为，科学发现往往源于各领域成就的结合，真理出现在看似完全不同的研究分支的汇流处，不同学科之间的结合甚至延伸到物理学以外；特别指出在 1859 年到 1869 年的十年里，物理学、生物学和化学因为麦克斯韦的电磁理论、达尔文的物种进化学说和门德列夫的元素周期表，同时发生彻底改变。就光学而言，光的一些奥秘已经解开，同时也将产生不可预见的后果。作者在热情讴歌麦克斯韦的丰功伟绩时，也许用力过猛。爱因斯坦在评价洛伦兹的《电子论》时曾经说，麦克斯韦的理论，本质特征并不清晰，物质被视为场的承担者，是洛伦兹将电磁场独立于物质的运动，提出电磁场的存在方式是没有物质的空间，并以之作为基础。但是，后辈物理学家中很多人并不清楚洛伦兹对理论物理学基本规律的形成所起的决定性作用。

接下来的第四、五两章，讲开尔文的两朵乌云：传播光的以太的自相矛盾与热力学中能量在各自由度间分配的违反。第四章讲第一朵乌云如何预示着相对论的诞生，而第五章讲第二朵乌云预示了量子物理学。这两个革命性的理论均起源于对光的矛盾特性的质疑，动摇了物理学家心中关于时间和空间、质量和能量、决定论和偶然性的概念，最终深刻地改变了我们对世界的看法，堪比 16 世纪的哥白尼学说革命。在这场物理学革命中，作者指出，理论和实验之间的共生关系，以及纯粹基于好奇的基础研究和技术进步之间的共生关系也很重要，就像前几个世纪一样，其中仪器制作方面的进展起了决定性的作用。

第四章以爱因斯坦为中心，讲相对论的诞生和发展，通过他的思想的棱镜来看物理学。麦克斯韦方程给出的光速在所有惯性参考系中相同，必须放弃伽利略的相对性原理，放弃绝对时间。爱因斯坦借假想实验，以无可辩驳的逻辑，推断出同时性和空间距离对于观察者来说是相对的，提出他的相对性原理，推导出惯性系时空变换关系。在统一时间和空间的概念后，他还统一了经典物理学中两个完全不同的概念：质量和能量。相对论要求，以光速运动的物质，其质量必定为零。作者惊叹，爱因斯坦狭义相对论，仅靠一个基于光的思考而衍生出的原则，却可以预言从无限小到无限大，直至半个到一个世纪后借技术进步才可能观察到的效应。但狭义相对论还未解决引力问题，牛顿的万有引力是超距的、瞬时的，与狭义相对论矛盾。在反思狭义相对论时，爱因斯坦早就意识到，还有待回答引力的真正本质是什么。爱因斯坦从引力质量和惯性质量的等价原理出发，建立了广义相对论，认为引力场实际上只是时空曲率的物理表达，由此统一了物质与时空。正如美国物理学家惠勒所言：质量告诉时空如何弯曲，而时空告诉质量如何移动。作者指出，通过每天使用 GPS，我们不知不觉地对狭义相对论和广义相对论进行了极其精确的测试。如何从科学史的角度认识相对论的诞生，值得思考。哈佛大学科学史和物理学教授加里森指出，法国数学家和物理学家庞加莱与爱因斯坦有大致相同的想法，从不同的角度批判了绝对同时性，技术和实验对催生相对论的作用不可忽视（编者注：参见《爱因斯坦和庞加莱：站在物理、技术与哲学的交叉路口》）。

第五章从开尔文的第二朵乌云开始，以认识光的本质为中心，追溯量子思想的诞生和演变，穿越量子物理史。作者仍然执著地要让爱因斯坦充当主角，认为爱因斯坦通过引入光子的概念而成为量子物理学的第一奠基人，也许第一奠基人非普朗克莫属。不过，关于爱因斯坦对量子力学贡献，应该说，作者所作的总结大体是很到位的。第一是光子概念的引入，重新解释热辐射的性质；此后有了波粒二象性的革命性概念，启发了德布罗意的物质波。量子力学走了看似截然相反的两条路：海森伯的离散之路和薛定谔的连续之路。费马原理下力学与几何光学统一，指引薛定谔的是爱因斯坦的波粒二象性，沿着德布罗意的思想，实现力学与波动光学的统一。量子物理学始于辐射定律，与热力学和统计力学密切关联。作者在讲解热力学时，称宏观热力学体系既“懒”又“乱”，极其生动传神。爱因斯坦对量子力学的第二个贡献是，同种粒子的不可分辨性，即量子全同性原理。他敏锐地看出玻色的推理中隐含的光子不可分辨性的假设，将玻色的状态计数法提升为玻色-爱因斯坦统计，并将玻色的统计法从光推广到物质粒子，意识到全同粒子的不可分辨性是量子世界的一个重要基本特性。如果要说爱因斯坦对量子力学的第三个贡献，大概应该是提出作为激光基础原理的受激辐射的概念。作者强调，爱因斯坦对量子物理学诞生的贡献，比他发现的相对论更大地影响我们的日常生活。但是，爱因斯坦对量子理论很不自在，对是否接受很不情愿，被量子纠缠等量子力学的诠释问题所纠缠，终生感觉不安。这一章的最后部分是关于量子力学的诠释，也许一般读者不必过度关注。这章的“一场穿越数量级的旅行”一节，非常值得物理专业学生品味。

现在回到第一章，这一章最适合有志于专攻物理的高中生和物理系新生阅读。作者亲述投身实验研究如何成为自己的宿命。作者生长在“物理世家”，自己是第三代诺贝尔物理学奖获得者。他将自己的老师和先辈很确切地描绘成诗人和梦想家。科学研究需要好奇心和激情，需要数学上的严谨性，但更需要深入的直觉、想象力和创造力。量子物理学，对理解光是什么至关重要。量子物理现象，因为不能直接用我们的感官或直觉来感知，令人困惑，但事实上，它并没有什么神秘之处。量子物理以一种合符逻辑的方式呈现了自己，并导致严格的数学理论用于精确地计算观察到的结果，而不留下任何含糊。作者强调精确的实验测量的重要意义，提到勒维耶预测海王星和实验发现光谱兰姆移位，但二者对科学进步的意义并不同等。阿罗什十分留恋四五十年前基础研究的环境和氛围：在一位年轻、热情的导师的信任和指导下工作，不需要经常担心科研经费问题，也不必编写研究的潜在效用来论证其合理性，得以秉持自由的精神开启探索量子世界的长达数十年的伟大冒险。

第六章和第七章记述了作者自己的研究以及他所见证的同时代人的发现。第六章有些背景介绍，第七章则包含许多实验细节，尤其是第七章，也许只适合相关专业的研究生和学者阅读。在做科学普及时，尽可能避免写公式。但是，在叙述实验工作时，用公式、用专业语言也许既准确又简洁。我在读这两章时，常常感到无所适从，好在书中配了已发表的学术论文的插图，勉强揣摩。

读过这本书，难免不对为探索宇宙奥秘前仆后继的先贤们心生景仰，启发我们如何学习“站在巨人的肩膀上”看世界。著者对法兰西民族的科学家璀璨群星不吝笔墨，自豪感自然流露。这本书的法文书名的直译是《光的揭示：从伽利略的望远镜到量子奇异性》，英译本书名的直译是《光的科学：从伽利略的望远镜到量子物理》，与中文书名《光的探索：从伽利略望远镜到奇异量子世界》都不太一样，似乎还是法文书名最为贴切。中文译本文字大体流畅。

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