有人说，有人的地方，就有江湖。当你把此处的“人”，换成“量子力学”，这个句子竟然依然成立——至少，在《上帝掷骰子吗：量子物理史话》一书中，此言不假。我们曾经在以前的栏目中，介绍过物理讲席教授Alexey Kavokin推荐的《量子理论——爱因斯坦与玻尔关于世界本质的伟大论战》。这次，西湖大学生命科学学院PI章永登带来了这本曹天元所著的“同题作文”。章永登说，读这本书，就像看一本武侠小说，只是主角从侠客换成了量子力学。

本期推荐人：西湖大学生命科学学院PI章永登

打开它，让物理迷止不住安利的量子力学史

夏季，在有阳光的院子里，将一面镜子斜放在装满水的脸盆中，让阳光反射到附近的墙上，随即可以看到像彩虹一样的光斑……在章永登的童年里，这是他最喜欢做的实验之一。他说：“其实这跟牛顿的三棱镜色散实验的本质是一样的，但我当时并不知道其中的原理，只是好奇，为什么？”那个求知心强烈的小男孩，把书里看到的能做的实验都做了一遍。直到中学接触到物理后，他才发现：原来我感兴趣的这些内容，都属于物理。

章永登第一次在图书馆看到《上帝掷骰子吗：量子物理史话》时，正在中南大学生物医学工程专业读本科。抱着对物理不变的兴趣，他翻开了这本书，没想到一看就入了迷，花了几天的时间一口气看完了。章永登回忆：“看完之后，我就开始疯狂地向我的同学和朋友们推荐，推荐的收获就是一个朋友把这本书买下来，作为生日礼物送给我。那本书我后来一直带着，博士的时候先后带去了武汉和北京。非常遗憾的是2014年去美国做博后的时候，我没有带出国，留在了实验室，现在不知道还在不在了。”

2006年，是章永登第一次看到这本书的年份，也是辽宁教育出版社推出第一版的年份。这本由科普作家曹天元所著的量子物理“史书”，实际上最早连载于网络论坛，随即在科普圈一炮而红。作为国内长红的科普图书之一，《上帝掷骰子吗》已再版多次，摘得了包括“第三届吴大猷科普奖”、“国家图书馆文津图书奖”等奖项在内的图书奖。

《上帝掷骰子吗》一书的众多已出版版本之一

量子理论是如何“从无到有”？科学家们为此展开了怎样的一番论战？这就是这本史话的核心内容。但它没有陷入常规，而像一本扣人心弦的武侠小说，在读者面前展开量子江湖没有刀光剑影的博弈，即章永登眼里的“武侠小说”之感：“它写作的方式非常引人入胜，一开始并没有直接告诉你量子力学是什么样子，而是以光作为引子——我们每个人都知道光，对吧？”

光是一种粒子，还是一种波？光的波动性和粒子性的斗争，正是本书的引子。简化来讲，在这场主要的“武侠争斗”中，光的波动说和微粒说一直以来势均力敌，直到牛顿在《光学》里系统地阐述了光的粒子性，微粒说才取得了主导地位；而后，托马斯·杨的双缝干涉实验和麦克斯韦方程组（预言了光是电磁波），却又双双指向光是一种波；之后，普朗克及爱因斯坦革命性地提出了量子和光子的概念，再次指向光是粒子；再后来，物理学中被发现的第一个基本粒子，电子，也被卷入了这场没有硝烟的战争……章永登回顾：“每次今天你赢，明天我赢，最后得出的结论是殊途同归，你中有我，我中有你，终点就是波粒二象性（即光和电子在某些时候展现出波动性，而在某些时候展现出粒子性）。”

波粒二象性，是“哥本哈根诠释”的核心；这个理论，指的是以玻尔、玻恩和海森堡为代表的哥本哈根学派对量子力学系统的一套解释。章永登说，在量子理论领域里，很多人都有不同的想法和解释，《上帝掷骰子吗》选择了哥本哈根诠释作为故事主线，包括玻恩的概率解释、海森堡的不确定性原理以及玻尔的互补原理：“从这个角度上来讲，量子理论已经诞生了接近一百年。尔后的几十年里，也出现了诸如多世界诠释、退相干理论、引变量以及超弦理论等多种假说，这本书也有提到，但这些理论目前都还不够成熟。”

从泊松亮斑到普朗克常量，那些课本外原理背后的故事

在中学和大学的课堂上，章永登接触过部分非常基础的量子力学理论，但从未有机会真正知晓背后的故事——而这正是《上帝掷骰子吗》一书的亮点。“一般上课的时候，老师以及教科书都直接告诉你结论，却没有告诉你这个理论到底是如何建立起来的。其实量子理论的建立和发展，我认为可能是科学史上最为艰难曲折的一个过程，比爱因斯坦的相对论都要曲折得多。”章永登说。

德国哥廷根的牧鹅少女雕像，章永登拍摄于2015年3月31日。哥廷根大学的物理学派是量子力学的重要奠基者，包括玻恩、海森堡、泡利。

书中令章永登印象深刻的“曲折”故事之一，是泊松亮斑，一个在光的波动性和粒子性之争中令人错愕的“翻盘”实验。他向我们复述了这段神奇的故事——

1817年，法兰西学术院举办了一个征文竞赛活动，希望召集科学家用精密的实验确定光线的衍射效应以及推导光线通过物体附近的运动情况。竞赛的评委，包括法国数学家和物理学家泊松等多名微粒说的支持者，其实是希望通过微粒说的理论来解释光的衍射及运动，以打击波动理论。

1818年，法国青年科学家，波动派支持者菲涅尔提交了一篇论文，用严密的数学推理解释了光的衍射问题。实际上，当时更有声望的法国物理学家阿拉果是这篇论文的共同完成者。但是完成这篇论文之后，阿拉果觉得它的理念太超前了而无法接受，所以拒绝在论文上面署名。

泊松看到这篇论文后，觉得这个理论太可笑了。如果它是真的话，我用一束光照亮一个圆盘的时候，在这个圆盘背后阴影的中心会产生一个亮斑。这怎么可能？在这个关键的时刻，阿拉果站了出来，坚持要用实践去验证这个理论，至少给一个实验证明的机会。结果，和理论预测的一样，在阴影的中心真的出现了一个亮斑。经此一役，菲涅尔声名鹊起。

这场微粒说学派占主要地位的竞赛，最终却为波动性获得了支持（因为波才可以绕过障碍，即发生衍射现象，而微粒说无法解释）。尽管泊松不是菲涅尔理论的支持者，但这个现象是他经过严密的数学计算后提出的，所以被命名为“泊松光斑”——如果没有泊松的反对，理论提出者菲涅尔当时也不一定会发现这个现象。而另一方面，阿拉果的行为，诠释了“我虽然不同意你的观点，但我誓死捍卫你说话的权利”，否则菲涅尔的论文很有可能会被埋没。

为类似这样鲜活丰满的细节所动容，章永登说：“之前我并不知道量子力学的发展这么曲折。另一个极富戏剧性的故事是，J.J.汤姆逊因为发现电子这一基本粒子获得了诺贝尔奖，而他的儿子G.P.汤姆逊却因为证明电子是一种波（电子衍射）也获得了诺贝尔奖。课堂上老师直接告诉我们光既是波又是粒子，我们从来没有思考过前人是如何在黑暗中摸索，在四处碰壁的情况下前行，也不知道量子理论的诞生经历了这么长时间，有过如此多的挑战。和牛顿三大定理以及爱因斯坦相对论这样以人名命名的理论不同，量子力学理论无法用某位单独的科学家来冠名，因为它的每一步前进，是无数科学家前仆后继，或支持、或反驳，所有这些努力叠加的结果。这是我从前从来没有想过的。”

从量子世界看科研，青年科学家的阅读心得

2020年秋天，章永登结束了在美国耶鲁大学六年的博士后工作，正式加入西湖大学，着手成立超分辨率荧光显微成像实验室。在西湖大学官网的个人页面上，他引用了前苏联诺贝尔物理学奖获得者列夫·朗道的一句话：“方法比发现更重要，因为正确的方法将引发新的甚至更重要的发现。”

英国剑桥，旧卡文迪许实验室，章永登拍摄于2019年4月22日。在这里，JJ汤姆逊发现了物理学里的第一个基本粒子：电子。

尽管《上帝掷骰子吗》所指向的量子物理领域并不是章永登的学术研究范畴，但他感悟到了科学与科研共通的几点“方法”：“第一，做科研还是要多一些纯粹，少一点功利性，只为满足自己的好奇心。最开始的时候，我们不应该关心自己研究的这个东西有没有‘用’，而应该关心这个东西是否能够让我们对这个世界、对大自然以及对人类自身的认知更加前进一步。量子力学诞生的时候没人知道有什么用，但现在我的实验中用到的很多东西都是量子力学带来的，比如说激光。第二，科学里没有权威，要有质疑精神。哪怕是人类历史上鼎鼎大名的科学家，他们都会犯错。量子力学是最典型的，有无数的人去质疑它，包括爱因斯坦，包括薛定谔，但最终这些质疑反而使得它更加牢固。所以，如果你坚信你的理论是正确的，你就应该欢迎各种各样的质疑，只要这种质疑是基于科学层面的。第三，科学是理论和实践的结合。量子理论历史上的每一次结论，都有实验作为验证——哪怕是失败的理论，比如说被证明不存在的以太，背后也有迈克尔逊-莫雷的干涉实验在作支撑。”

科普、科幻和历史书，这三类是章永登读得比较多的书籍类型。就像从《上帝掷骰子吗》这样的科普史话中大快朵颐，他一直享受着阅读中挖掘不一样观点的乐趣：“对我来说，书籍就是交流的媒介，阅读就是知识的交流、思想的碰撞的过程，你能看到不同人对同一件事的不一样看法，从中了解到想法的多样性。你还可以知道作者是这样看待这件事，然后去思考，我自己是怎么想的呢？”

也正因如此，不管是看书还是看电影，章永登都喜欢去查找并阅读其他读者和观众的评论。如果你也是书评的爱好者，也许，你在评论网站写下的一句书评，曾经激发过这位书友的所思所想呢！