本书属于物理学类图书。这是一本关于量子物理学发展进程的科学读物，也是一本关于物理学家费曼和惠勒的人物传记。本书讲述了两位杰出的物理学家费曼和惠勒从结识到成为一生挚友，其间推动量子物理学取得颠覆性发展的故事。全书内容围绕两条主线展开：一是理查德·费曼和约翰·惠勒这两位物理学巨擘的人生历程和科学事业生涯；一是从牛顿理论到爱因斯坦相对论再到量子力学的物理学史话。两条线的交织碰撞，让这本书既有丰满的人物、生动的故事，又有前沿的理论观点、学科史话和思想火花，在拉近读者与费曼、惠勒、爱因斯坦、玻尔、霍金等物理学大咖之
保罗•哈尔彭，费城科学大学物理教授，著有13本科普作品。获得过古根海姆奖、富布赖特科学奖学金计划、雅典娜文学奖。哈尔彭参见过很多广播、电视节目，向《费城询问者报》以及NOVA《现实的本质》物理博客供稿。他目前住在宾夕法尼亚州温尼伍德。
引言 时间革命
研究生助教 004
量子测量问题与哥本哈根解释 007
命运的一次绝妙安排 010
别闹了，费曼先生！ 011
孩子般的好奇心 013
天马行空的童年 016
科学之路上的最佳拍档 017
第1章 蓄势待发的物理学革命
友谊的萌芽 027
开动脑筋的力学课 029
爱因斯坦的宇宙观 031
粒子间的乒乓球比赛 033
散射粒子的“迷你阵雨” 035
回旋加速器和旋转洒水器 038
时间实验 042
美好的爱情 044
汤罐头魔术 047
物理学界的链式反应 049
第2章 宇宙中独一无二的粒子
量子力学和电子跃迁 056
光的时空旅行 060
能量海中的空穴 064
一个令人着迷的难题 066
量子纠缠——鬼魅般的超距作用 070
摇椅、脉冲与墙 074
科学界的米开朗基罗 076
艺术与科学的巧妙结合 079
最短时间和最小作用量 082
寻找缺失的那块“拼图” 086
上帝掷骰子吗？ 088
一个电子的时间旅行 090
被战争打碎的美梦 092
第3章 一座充满可能性的时间迷宫
时间的韵律 098
时间就像一座迷宫 101
小径分岔的花园 103
加入曼哈顿计划 105
拿到博士学位 108
毕业和结婚 110
核实验室的秘密工作 113
滑稽的捣蛋小子 116
东奔西跑的日子 118
流亡者与掌舵人 120
当未来形塑了过去 123
放出瓶子里的魔鬼 126
假如……会怎么样？ 127
末日时钟 129
第4章 拉开量子电动力学的序幕
战后的忧伤岁月 136
不懈追求量子理论的简洁性 138
康奈尔大学的新成员 143
工作与业余爱好相辅相成 145
棘手的发散难题 147
物理学界的群星闪耀时 148
微小却伟大的兰姆移位 152
第5章 绘制粒子世界的奇妙图景
谢尔特岛会议 156
与观测值相匹配的计算结果 160
费曼图：波浪线、直线和圈 162
顶级魔术师般的天才 166
一场马拉松式的演讲 168
一个以失败告终的报告 170
狂野的西部自驾游之旅 173
量子电动力学的重整化 176
终获认可的历史求和法 178
量子引力理论的探索之路 181
原子弹的秘密被泄露 183
接受新使命的召唤 185
氢弹试验大获成功 186
不翼而飞的机密文件 189
吸收体理论是错的 191
第6章 从薛定谔的猫到多边界诠释
用时空的经纬线编织历史 196
乏人问津的广义相对论 197
开一门广义相对论的课程 200
超流体和一段失败的婚姻 201
爱因
这里是夜幕下的普林斯顿,我们将要踏上一场“捉鬼”之旅。镇上寂 静得可怕,所有商店都关门了。一轮满月发出冷冷的光,照耀着树木笼 罩的校园。
大约 75 年前,差不多就在“二战”开始时,一场关乎我们对时间本 质认知的革命在此悄然掀起。理查德·菲利普斯·费曼(昵称“迪克”) 和约翰·阿奇博尔德·惠勒(昵称“约翰尼”)两位物理学家的讨论引发 了一系列事件,颠覆了量子物理学中时间和历史的概念。他们的思想改 变了人们对时间的观念,时间不再是一条朝固定方向永恒流逝的小溪, 而是变成了一个既可以向前也可以向后延伸的迷宫。通过探寻普林斯顿 的往事,我们希望解释这场深刻的变革如何诞生,以及它如何影响了当 代人们对物理实在(physical reality)寻求完备解释的过程。
我们的科学史之旅从拿骚楼开始,这幢大楼是普林斯顿大学传统意义 上的中心。大楼前有两尊青铜老虎像,一边一个,形成完美的对称,守 卫着正门入口。继续向北走,我们看到了菲茨伦道夫门,这是普林斯顿 大学的校门,它装饰华丽,一对石鹰栖息在两根像纪念碑一样的石柱上。穿过校门,我们来到了拿骚街,它是普林斯顿的主干道,也是城区与校 园的分界线。
向街道对面望去,我们注意到一种醒目的不对称性,与校园建筑优雅 的对称外形形成了鲜明对比。右手边朝东的建筑是派恩楼的后楼,这是 一座华丽的都铎式建筑,模仿 16 世纪英格兰小城切斯特的建筑风格,令 人惊叹。左手边朝西的则是一幢朴素的银行大楼,它朴实无华、方正、 冷峻,看起来与右边那座亲和、精致的建筑一点儿也不搭调。
穿过拿骚街,我们被一阵突如其来的迷雾包围,原本清朗的夜景突然 变得朦胧起来。在迷雾中,派恩楼的前楼如幻影般若隐若现。它是后楼 失散已久的伙伴,与后楼风格类似且在同一时间建成;它最突出的特征 是带有一座日晷,上书拉丁铭文:“Vulnerant omnes: ultima necat”(时间 刀刀伤人,最后一刀致命)。虽然前楼在 20 世纪 60 年代初就被拆毁并改 建成银行大楼,但在这场历史的迷雾中,它仍然完好如初,与后楼形成 了完美的对称关系。
再往西走就是被草木覆盖的帕尔默广场,看起来还很新。广场上的 商店建于20世纪30年代的城市绅士化a 时期,但奇怪的是,它们好像 刚刚开张。报摊上展示的报纸头条刊登着阿道夫·希特勒入侵波兰的消 息——我们记得它发生在1939年9月。一张海报宣传着电影《绿野仙 踪》。我有一种感觉,我们已经不再身处 21 世纪了。
研究生助教
再走一段路,我们就来到了普林斯顿研究生院,这是一座城堡状的建 筑,位于一块与主校区相分离的飞地上。研究生院呈现出一个回廊接一 个回廊的复合结构,为忙碌的研究生们提供了一处与世隔绝的环境。在 这里,学生们在简单舒适的宿舍里居住,在位于中央的食堂里就餐,还 可以参加高端的社交活动,比如舞会或茶会。
这个时间,大多数学生都已经睡着了。但是,图书馆里一个装饰精 致的小房间的灯还亮着,一名瘦高个、棕色头发的 21 岁男生窝在椅子里, 嘴角勾出微笑的弧度,聚精会神地看着膝盖上摊开的一本经典力学书。 他是一名一年级研究生,正在为自己要担任助教并评分的一门课程做准 备。虽然他对教材已经很熟悉了,但他还是决定快速浏览一下课程的相 关内容。很快,他就要批阅成堆的作业,检查学生们的计算是否正确, 改正他们的错误,在此过程中还要训练他们的解题技巧。
一盏金字塔形状的台灯照亮了这位研究生正在阅读的一段文字,它 讲的是一条无摩擦的轨道上两辆小车的正面碰撞。他在头脑中快速地把 这个问题过了一遍:给定小车的质量和初始速度,物理学定律可以精确 地预测接下来会发生什么。根据艾萨克·牛顿的第三运动定律,每个作用 力都对应着一个反作用力——大小相等、方向相反。根据牛顿第二定律, 力代表动量的改变,动量是质量与速度的乘积。两辆小车受到的力相等, 因此它们的动量变化率也相等,只是一辆小车失去动量,而另一辆小车 得到同样大小的动量。这种平衡被称为动量守恒定律。
因此,两辆小车会互相远离,其动量大小相等,但方向相反,形成完美的对称。那它们的速度如何呢?已知动量等于质量乘以速度,质量 轻的小车的反弹速度就要比质量重的小车更快。这就是经典牛顿物理学 的魅力所在(在这一背景下,经典指与我们日常生活中熟悉的尺度相关, 区别于亚原子的量子尺度):只用一条简单的守恒定律,我们就能做出精 确的预测。
这本教材的另一章提到了简谐运动,这种运动描述了弹簧被压缩、橡 皮筋被拉伸、钟摆摆动,或者其他任何在平衡位置周围来回运动的物体 的行为。就像小车碰撞的情况一样,经典物理学原理保证了这种弹簧运 动是完全可预测的。在忽略摩擦力的情况下,如果我们拉伸弹簧再松手, 它就会回到被拉伸之前的自然状态,这种自然状态被称为平衡态。弹簧 在到达平衡态位置时速度最大,这是因为能量在不同的形式之间相互转 换:与初始位置有关的能量被称为势能,在弹簧回弹的过程中,它转变 成与运动有关的动能。但到达平衡态后,弹簧的运动并不会就此终止, 它还会继续沿着回缩的方向运动,进而被压缩。当压缩量达到一个最大 值后,它会短暂停留一段时间,然后反弹回来。在压缩到最短的时刻, 弹簧的动能完全转化成了势能——这一次,势能是压缩带来的,而非拉 伸。在反弹的过程中,弹簧又经过了平衡位置,并再次拉伸,周而复始。 能量由势能转化为动能,再由动能转化成势能,但总量不变,这种现象 叫作能量守恒。
单摆也进行着类似的运动。它来回摆动的过程,也是势能与动能之 间互相转化的过程。如果没有摩擦力,它就会一直摆动下去。在这种理 想情况下,摆钟也会一直嘀嗒走动下去,这是由守恒律的节拍器主宰的, 完美的、永恒的节奏。
年轻的研究生开始在身旁的桌子上敲击出节奏:哒哒,哒哒,哒哒哒
哒。一切都是节奏。
时间周期,即时间周而复始,事物会以一定的模式不断重复,这一概 念源于大自然的机械能守恒。封闭系统的机械能守恒现象,会以一定的 周期不断重复。对于复杂的大型系统,这类周期的时长可能达到天文学 尺度。然而,只要是能量守恒的有限系统,最终一定会回到一开始的状态, 就好像两个人玩井字格游戏时画圈和叉,比谁先连成一条线,玩的次数多 了最终一定会出现已经出现过的局面。大自然偏爱有节奏的模式。
然而,有另外一种能量不可能被完全回收利用,例如引擎中因为摩 擦或者空气阻力而产生的热量。这种被浪费的能量累积起来,产生了一 种大自然的箭头,不可逆地从过去指向未来。因此,虽然理想的系统会 遵循某种时间周期,但很多实际的物理过程遵循的则是线性的时间模式。 周期与线性箭头的问题,是数千年来关于时间争论的核心。
这位研究生打了个哈欠,敲击桌面的频率也慢了下来,书从他的膝盖 滑落到地上。体内的生物钟告诉他该睡觉了,于是他站起身,摇摇晃晃 地走向宿舍,倒在床上。他确实该睡了,因为第二天早上他就要去一幢 名叫法恩楼的大楼里面见他的导师。随着黎明的来临,他该开始履行自 己作为助教的责任了。
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