前言

“别笑！”物理学家保罗·埃伦费斯特（Paul Ehrenfest）在一张小纸条上快速地写着。1927年10月下旬，在布鲁塞尔，大约20位当时著名的物理学家参加了一场科学会议[1]，当人们为理解新诞生的量子理论而争论得面红耳赤时，埃伦费斯特就像一个调皮的小学生，把纸条传给了他的朋友阿尔伯特·爱因斯坦。在纸条下面，爱因斯坦草草写了他的回答：“我只嘲笑天真的人。”他用特有的花体字写道：“谁知道明天被嘲笑的人会是谁。”[2]

我仍然记得在20世纪90年代初，当我拿到那本手写笔记时，我感受到的震撼。我那时去普林斯顿大学的珍藏图书图书馆进行我的第一次档案研究。普林斯顿大学的图书馆有一套爱因斯坦未发表论文和信件的正式复本，其原件位于耶路撒冷的希伯来大学。在普林斯顿，关于爱因斯坦的藏品有一百多箱，里面塞满了褪色的影印件和缩微胶片，我在海量档案中开始一点点地查阅。我不是第一个注意到埃伦费斯特和爱因斯坦之间有趣的往来书信——其他历史学家也曾引用过——但当我看到后，还是感到很惊讶。[3]

看着手中的档案，我试着想象当时的那一幕。在绿树成荫的雷奥波德公园，爱因斯坦、埃伦费斯特和其他物理学家挤在一间会议室里，正在为一个新的框架激烈争论，这个框架将要描述物质最基本的属性。在布鲁塞尔会议[4]之前，大多数物理学家觉得他们对光和原子的知识都已经很清晰了。但参加会议的年轻人，比如沃纳·海森伯（Werner Heisenberg）和沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）却带来了新的思想。他们关于世界的图景是基于概率的，这与物理学家们一直以来对世界的理解形成了不可调和的撕裂感，就像在几个月前，海森伯大胆地提出不确定性原理时那样。埃伦费斯特和爱因斯坦都40多岁了，虽然很欣赏这些聪慧的新思想，但也充满疑虑。特别是爱因斯坦，他很快成为新量子力学最尖锐的批评者之一，他担心该理论存在太多弱点，不能支撑理论物理学的大厦。[5]

即便如此，在会议室和附近酒店的晚宴上，爱因斯坦和埃伦费斯特在激烈的辩论之余，仍然用幽默甚至谦逊来回应着不确定性。在如此伟大的智力历险中，他们乐此不疲，通过频繁传递纸条，开着同行们的玩笑。此时，他们并未察觉到暴风雨即将到来。希特勒在德国的掌权，迫使爱因斯坦逃离德国，定居普林斯顿。而埃伦费斯特受到更严重的影响，他在朋友和学生面前奔放的性格掩盖了他严重的抑郁症。世界政治不确定性的洪流加剧了他对物理学快速变化的不安。“我已经完全不了解现在的理论物理学了，”他向身边的一位同事说，“我已经读不懂任何东西了，感觉自己淹没在大量的文章和书籍中，已经无法准确地理解其中之意了。”而且，他越发担心他那患有唐氏综合征的小儿子瓦西克，他在给朋友的信中也表达了这种绝望之情。布鲁塞尔会议五年后，埃伦费斯特给爱因斯坦写了一封信，表达了他的无奈：“我已经筋疲力尽了。”太多的不确定性已经使他“完全‘厌倦了生活’”，此后他再也没有寄过信。1933年9月下旬，埃伦费斯特在医生的候诊室里射杀了年幼的儿子瓦西克，然后开枪自杀了。[6]

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在经过1927年布鲁塞尔会议热烈的辩论后，量子力学逐渐成为物理学家描述世界的核心理论。经过了这么多年，虽然并不缺乏尝试，但物理学家仍没有找到一个证明量子力学错误的实验，无数次的实验结果都与理论的预测相匹配。

当爱因斯坦和埃伦费斯特的来往书信出版25年后，我有幸开启了量子力学研究。2018年1月6日清晨，在摩洛哥西海岸加那利群岛明媚的阳光下，我走过拉帕尔马（La Palma）机场的停机坪。在海平面上，拉帕尔马看起来像是热带天堂，棕榈树在微风中摇曳，景色美得好像来自夏威夷的明信片一般。我从纽约到马德里飞行了一整夜，然后又花了几个小时到达拉帕尔马——只为了能够见到我的合作者安东·蔡林格（Anton Zeilinger），一位著名的物理学家，他设计了一个非常巧妙的试验来测试量子理论的奇特特性。尽管经过了长途旅行，但安东看起来还是像往常一样精神焕发。（根据我的经验，无论何时何地，安东看上去都无比欢乐。）

安东开着一辆租来的汽车，我们驱车上山前往穆查乔斯天文台。随着我们在狭窄的公路上向接近8000英尺[7]海拔前进，路边棕榈树逐渐从茂盛变得凋零。当我们驱车到达天文台时，天气已经从在机场时的万里无云变成了寒冷的冰风暴。

期间，我们不得不面对冻雨和偶尔的冰风暴。（图片来源：梁振英摄。）

在天文台，我们见到了十几位团队成员，其中大多数是年轻的研究生，也有来自位于维也纳的安东研究小组的博士后。有几个人已经在天文台工作了几个星期，负责设备安装和进行校准测试。我们在那里进行了一个新的量子纠缠实验，量子纠缠是爱因斯坦本人在著名的布鲁塞尔会议之后几年提出的一个思想实验。为了这次实验，我们将使用天文台的两台巨型的望远镜，收集已知最远的类星体发出的光；同时，安东和他的小组将用从维也纳运过来的特殊激光望远镜，拍摄成对的纠缠粒子。

经过几个糟糕的夜晚，拉帕尔马的天空终于放晴了，我们可以开始进行实验。几个小时后，我们取得了初步的结果。经过几个星期的仔细计算，结果证实我们最新的实验像之前的所有实验一样，显示的结果与量子力学的预测完全吻合，是与爱因斯坦的猜测相冲突的。我们实验所使用的仪器是爱因斯坦那个时代所没有的，13英尺的望远镜，镜面完美抛光，一个高功率激光器，单光子雪崩二极管探测器，以及用原子钟精确到纳秒的定时电路[8]。我们调集了这些现代最先进的工具来检验布鲁塞尔会议上提出的想法。我不禁要问：那些多年前聚集一堂辩论的量子理论大师们，会为我们今天的努力作出何种评价？

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自从我第一次到普林斯顿大学的图书馆查阅爱因斯坦的论文以来，我一直被一种科学研究的双重性所吸引。无论在爱因斯坦时代还是现在，研究者的雄心壮志总是能超越时代的束缚，激励着研究者持续地超越自我，去努力探究世界的规律；然而，我们每个人——无论是今天的科学家，还是爱因斯坦那个英雄时代的科学家——又不可避免地被时空所限定，每时每刻都沉浸在追逐科学声誉中，期待着自己能成为科学史中的主角。

科学研究在时间和空间上受多个方面因素的影响。在个人层面上，无论是“孤独思想家”保罗·狄拉克，还是励志传奇斯蒂芬·霍金都以英雄主义的方式影响了科学发展的进程；从更大层面看，科学研究也深刻地受到来自机构调整和国际政治格局变化的影响。自从一个世纪前埃伦费斯特和爱因斯坦在布鲁塞尔传递他们有趣的纸条以来，世界发生了翻天覆地的变化，德国纳粹主义带来的世界大战，以及世界大战之后的“冷战”带来的核边缘政策危机，都戏剧性地改变着物理学和物理学家的故事。事后来看，我们可以看到，不仅每个人都逃不出时代的影响，而且人类探索自然的历史进程同样带着时代的烙印。

科学思想的发展是如何受历史进程的影响的？这一直是我感兴趣的课题。因此，我修了理论物理学和科学史两个不同学科的研究生学位。之后，我有幸加入麻省理工学院（MIT）任教，在那里，我教授这两门学科到现在已经20年了。鉴于此，我写作本书，是为了从科学家成长发展的视角，重塑过去一个世纪以来物理学曲折的发展历程。当时的研究者及其学生在那个时代中，何以能够自然地涌现出那么多令人惊讶的突破性研究？一代代的年轻物理学家是如何学会提问和评估结果的？这些方法又是如何在不同设定之间转变的？看上去是那么巧妙，同时又是巨大的飞跃，以及师徒传承和资源共享如何促进了学术的发展。这些都是我在英文书名中提到的“量子遗产”。其中，一些遗产是通过个人努力与科学共同体的优秀交流体现出来的；另一些遗产则通过充分利用新研究设备，如第一台电子、可编程计算机或LHC（Large Hadron Collider）等粒子加速器体现出来的。我特别着迷于这种教科书般科研发展路径：目标明确，勇往直前，着眼未来，充分尊重新观点，充分利用新技术。追寻这些遗产，给了我反思自己教学的机会，我们该把什么样的遗产传给我们的学生呢？

本书中的部分章节，描述了物理学家们如何在饱受社会和政治带来的各种不确定命运时，仍在不懈地追寻自然世界中的不确定性。虽然本书时空跨度较大，但许多文章都是以“冷战”时期美国国内科学发展为中心。在那个时代，物理学家面临着前所未有的危机和机遇。与战后表现出的积极乐观的情绪相反，那时的人们常常被麦卡锡的红色恐惧所笼罩。大量的新科研设备为物理学家插上了翅膀——其中一些是“二战”军事项目中遗留的设备，另一些则由慷慨的联邦政府特别是其军事部门提供。大批热情的大学生涌入，使物理学成为美国高等教育中增长最快的学术专业。但随后出现了严重的逆转。一次发生在20世纪70年代初，由于越南战争加上“冷战”缓和和经济滞胀，以及大幅削减国防和教育开支；另一次则发生在20世纪90年代初，在苏联解体后，里根政府执政期间持续增加的第二波国防开支浪潮出人意料地迅速消失了。

不稳定的世界局势造成许多反转剧情，不久前还无人问津的学术领域忽然就可能变得炙手可热。1927年在布鲁塞尔举行的会议上，爱因斯坦和埃伦费斯特还在会议桌上传递纸条，到战后，物理学家则不得不适应完全不同的交流方式。《物理评论》杂志的美国主刊从1951年的3000页增加到1974年的3万多页。在我最喜欢的一张照片中，你能看到1980年获得诺贝尔奖的粒子物理学家瓦尔·菲奇（Val Fitch）与《物理评论》10年间出版的杂志的合影，逐年迅速升高的杂志使菲奇冒着被砸伤的风险。

该杂志的编辑塞缪尔·古德斯密特（Samuel Goudsmit）曾向一位同事解释他和他的编辑团队如何试图适应这些变化。他写道，该杂志“不再像一家老顾客经常光顾的社区杂货店”，相反，“它已经变得更像是一个超市，而超市经理藏在顶楼的办公室里办公，因此，很多事情只是例行公事而不是靠个人的判断”。他的意思是在那个阶段，编辑部正在尝试一种新的计算机系统，该系统可以自动处理任务，将审稿人与提交文章类型进行匹配，跟踪审阅报告的进展，并记录作者的回复。[9]

效果是显而易见的。古德斯密特提到，在20世纪50年代中期，每期杂志都已经重得搬不动了。几年后，“我们早就超过了忍受极限，内容太多了，以至于用户只看自己领域的文章都看不完。”所以，当美国大多数专业物理学家仍然在订阅期刊时，就有几个人写信给古德斯密特抱怨杂志量太大：过期杂志已经塞满了他们的办公室所有的书架，甚至家里的壁橱空间也都被占满了。古德斯密特建议订阅者不要“为此事烦恼”，他建议只要从每期中撕下想要的文章，把剩下的文章扔掉就可以了。他提到：“真的没有理由把6英尺高的《物理评论》放在家里。虽然可能有些人对破坏印刷文字感到反感。”但确实有些人接受了这种建议。一位加州理工学院的物理学家自豪地说，他把1963年的《物理评论》从两英尺厚减少到只占几英寸，只是他想知道，杂志能否换一种胶水装订，以便更容易撕下想要的文章。[10]

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当我整理本书时，我也同样遵循了古德斯密特的建议。毫无疑问，某些读者更喜欢书中部分章节，而另一些读者的喜好可能正好相反。在整理内容的时候，我更新了大部分内容并进行了一定的合并，而且，我试着将类似的文章放在一起，并且相互之间有所呼应，以此将本书分成四个部分。我希望本书能带给读者不同的感受，每篇文章既各自独立，各篇放在一起又能产生更多的体验，让读者转换成物理学家的视角，进入不断探索空间、时间和物质的旅程。就像往期的《物理评论》一样，它们给用户的印象比它们的内容更多姿多彩。

第一部分：“量子”中的文章讲述了从20世纪20年代，经过30年代的黑暗时期，到核时代早期一些曲折离奇的转折，在这个阶段物理学家们对量子理论的理解还处在不稳定期。本部分以我的团队的努力而告终——先是在维也纳，最近是在拉帕尔马天文台——我们团队用优秀的创造力和实验工具，尽可能彻底地测试了量子纠缠，使得一个世纪之久的量子遗产终能更进一步。

第二部分：“计算”，则侧重于在“二战”及之后的混乱期，美国的新一代如何——以及为什么——成为物理学家，以及其中的一些变化。“冷战”初期，美国许多国防分析家和决策者在仔细研究与苏联的不稳定对峙形势时，形成了一种新的计算方式。为了备战国防——万一“冷战”陷入超级大国之间的彻底战争——这些分析家和决策者得出结论，美国需要更多训练有素、随时待命的物理学家，他们应该成为下一代像“曼哈顿计划”那样的大型项目预备人员。上述对知识分子在国防方面的需要，以及对“科学人力资源”的不懈呼唤，推动了招生模式和新生入学节奏的巨大转变。反过来，这些机构的变化又重塑了年轻的物理学家们计算的方式，以及他们解决量子理论的方式。

第三部分：“物质”，我转向物理学家为了解电子、夸克和亚原子领域更短暂形态（如长期以来神秘莫测的希格斯玻色子）的世界所做的努力。在过去的半个世纪里，世界各地的物理学家们对亚原子粒子及其之间的力进行了非常成功的描述。“标准模型”是在量子理论框架内建立起来的，但它蕴藏着爱因斯坦和海森伯都没有预见到的概念上的惊喜。与此同时，高能物理学的发展特点继承了“冷战”时期的特殊遗产：在美国国内，政治优先和前所未有的联邦投资催生了一个异常增长的时代——物理学家建造了越来越大的机器，却在越来越小的尺度内探测物质。这种投资（以及支持它的政治论调）在20世纪90年代初苏联解体后不久就崩溃了。当这种“大科学”政治现实改变的时候，我正在读本科，在劳伦斯·伯克利国家实验室实习期间，他们为我提供了粒子物理学的速成课程。

第四部分：“宇宙”，以最大的尺度探索了物理学家不断变化的空间和时间概念——现代物理学的另一大支柱相对论所描述的世界。物理学家们努力理解爱因斯坦的相对论，并用它来模拟我们整个宇宙的演化，正如他们过去一个世纪在量子理论方面的努力一样。这些努力已经使我们对宇宙和我们在宇宙中的位置有了不少惊人的见解，尽管这些见解让物理学家每一次将相对论和量子理论统一起来的尝试都沦为失败。如果爱因斯坦今天还活着，他可能仍会写一张纸条给他的朋友，嘲笑我们太天真了。

注释：

[1]指索尔维会议。——编者注

[2]Handwriten notes between Paul Ehrenfest and Albert Einstein,25 October 1927, document 10-168, in Einstein Archives, Princeton University.

[3]I quoted the exchange in David Kaiser, “Bringing the Human Actors Back on Stage: The Personal Context of the Einstein-Bohr Debate,” British Journal for the History of Science 27 (1994): 129-52, on 146n89. Also quoted in Jagdish Mehra, The Solvay Conferences on Physics: Aspects of the Development of Physics since 1911 (Boston: Reidel,1975), xvii, 152; and Martin Klein, “Einstein and the Development of Quantum Physics,” in Albert Einstein: A Centenary Volume, ed. Anthony French (Cambridge, MA: Harvard University Press, 1979), 133-51, on 136.

[4]指索尔维会议，此处沿用英文表述，后文同。——编者注

[5]See esp. Guido Bacciagaluppi and Antony Valentini, Quantum Theory at the Crossroads: Reconsidering the 1927 Solvay Conference (New York: Cambridge University Press, 2009).

[6]Thomas Levenson, Einstein in Berlin (New York: Bantam, 2003), chap. 23; Paul Ehrenfest to Niels Bohr, May 1931 (“I have com pletely lost contact”), as quoted in Abraham Pais, Niels Bohr’s Times: In Physics, Philosophy, and Polity (New York: Oxford University Press, 1991), 409. On Ehrenfest’s unsent leter (“enervated and torn,” “weary of life”) and suicide, see Pais, Niels Bohr’s Times, 409-11.

[7]1英尺=0.3048米。——编者注

[8]Dominik Rauch et al., “Cosmic Bell Test Using Random Mea surement Setings from High-Redshift Quasars,” Physical Review Let ters 121 (2018): 080403, htps://arxiv.org/abs/1808.05966.

[9]Samuel Goudsmit to Leonard Schif, 2 September 1966, in LIS box 4, folder “Physical Review” (“neighborhood grocery store”); and Simon Pasternack to Leonard Schif, 22 January 1958 and 27 June 1963, in LIS box 4, folder “Physical Review.” See also Goudsmit’s annual reports in Physical Review Annual Reports, Editorial Ofice of the American Physical Society, Ridge, NY.

[10]Samuel Goudsmit, 1956 Annual Report (“too bulky”), 1955 Annual Report (“‘six feet’ of The Physical Review”), and 1963 Annual Report (“psychological limit”), in Physical Review Annual Reports. See also W. B. Mann to Samuel Goudsmit, 11 January 1955 (“destruction of the printed word”), in box 79, folder 14, Henry A. Barton Papers,collection number AR20, Niels Bohr Library, American Institute of Physics, College Park, MD; Leonard Loeb to Goudsmit, 19 April 1955,in RTB box 19, folder “Loeb, Leonard Benedict”; and Thomas Lauritsen to Goudsmit, 27 December 1968, in box 12, folder 14, Thomas Lau ritsen Papers, California Institute of Technology Archives, Pasadena.See also David Kaiser, “Booms, Busts, and the World of Ideas: Enroll ment Pressures and the Challenge of Specialization,” Osiris 27 (2012):276-302, on 291-93.