光的探索

书籍作者：塞尔日·阿罗什	ISBN：9787523208762
书籍语言：简体中文	连载状态：全集
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创建日期：2024-04-27	发布日期：2024-04-27
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内容简介

　　几个世纪以来，阐明光的性质一直是一项与现代科学的诞生和发展密切相关的历程；在经历了许多令人惊讶的曲折之后，最终引出了相对论和量子物理学，这两个理论深刻地改变了我们在微观和宇宙尺度上对世界的看法。

　　在《光的探索：从伽利略望远镜到奇异量子世界》一书中，诺贝尔物理学奖得主、物理学家塞尔日·阿罗什将自己的求学、职业生涯置于科学发现的丰富谱系中，从伽利略、牛顿到爱因斯坦和费曼，从光速的早期测量到量子纠缠的前沿工作，阿罗什教授对光在我们如何观察和理解宇宙中所扮演的角色进行了深入的探讨。

　　《光的探索：从伽利略望远镜到奇异量子世界》由两部分交织而成：第一章和最后两章，回顾了作者本人在原子分子光物理（原分光）的实验领域中历经半个世纪的科研生涯, 这部分同时也是光的科学史在过去几十年中的最新篇章；第二章到第五章，则为围绕光和物理学史的主线展开的一场引人入胜的完整叙事，作者回溯了现代科学的起源，也给读者介绍了他心中的科学英雄，从伽利略到爱因斯坦。作者获得诺贝尔物理学奖的实验工作所展示的对单个量子系统的操控是目前蓬勃发展的量子信息、量子模拟和量子计量技术的基石，书中对最前沿的量子信息学的科普介绍，是站在科研第一线的科学大师对前沿科技及其未来发展做的权威解读。

　　本书适合对物理科学与现代科学起源和发展感兴趣的各层次读者阅读，诺奖大师通过生动的文笔、深邃的思想，围绕光的探索，为读者揭开现代科学神秘的面纱。

作者简介

　　塞尔日·阿罗什

　　法兰西公学院荣誉教授，法国科学院院士，欧洲科学院院士，美国国家科学院、美国人文与科学院、俄罗斯科学院、巴西科学院等的外籍院士。作者与他的科研团队在巴黎高等师范学院的卡斯特勒-布罗塞尔实验室开展对量子力学基础现象的实验研究。作者在量子光学和量子信息领域做出了杰出的贡献，并因此在 2009 年获得CNRS金质奖章（法国国家最高科学荣誉）。在 2012年，作者因为"开发能够测量和操纵单个量子系统的开创性实验方法"而荣获诺贝尔物理学奖。作者曾任教的高校包括巴黎第六大学、巴黎综合理工学院、巴黎高等师范学院、哈佛大学和耶鲁大学。

　　◎译者简介

　　孙佳雯

　　英法双语译者，拥有理学学士、社会学硕士学位，法国巴黎社会科学高等研究院社会学博士，旅居法国多年。自2016年起，出版十余本法语与英文科普译著，其中《万物皆数》《与宇宙对话》荣获法国外交部与法国驻华大使馆傅雷出版资助。

　　吴海腾

　　复旦大学物理学学士，南京大学凝聚态物理硕士，索邦大学量子物理博士，于2018-2022年期间在位于巴黎法兰西公学院的阿罗什教授课题组进行圆态里德伯原子相关的博士课题研究。

编辑推荐

　　◆诺贝尔物理学奖得主塞尔日·阿罗什重磅科普力作！

　　◆两位译者集人文哲思与科学思辨，译文准确、优美，完美呈现作者的深邃科学思想和深厚人文底蕴。

　　◆薛定谔的猫？爱因斯坦的光子盒？细菌大小的巨型原子! 全世界光滑的镜子！盯着一个光子看半秒钟！诺奖大师为读者权威科普解读！

　　◆亲笔描绘科学史上物理巨匠追光400年的完整历程。

　　◆沿着人类的寻光之旅，长镜头、大视角，读懂17世纪以来丰富多彩的科学史！

　　◆继《时间简史》之后，见证一部科学经典著作的诞生!

前言

　　自古以来，光照亮了人类世界，让世人为之着迷。然而，直有在最近的四个世纪中，我们才逐渐揭开了光的秘密。直到距今不久的时期，我们才在科学技术的帮助下"驯服"了光，而这些现代科技彻底改变了我们的生活。至于可见光的表亲--微波，我们发现它也不过是一百多年前的事，而微波在现代通信、导航和医学成像等设备中无处不在。我们通过发明激光来"驯服"可见光也才刚刚六十年。激光射线的非凡特性让我们获得了根本性的发现，那些我年轻时难以想象的仪器、设备也被一台台地发明了出来。

　　在过去的半个世纪里，我有幸成为了参与这场知识大冒险的一份子。我想通过描述个人致力于光的研究的科学生涯，和读者们分享当一位研究者每次看到一个能够给世界带来意想不到的惊喜的新现象时所感受到的快乐。经过多年的研究，我和我的团队成功地将几个微波光子困在一个带有反射壁的盒子里，时间超过十分之一秒。通过让这些脆弱且难以捕捉的光粒子与由激光束激发的原子发生相互作用，我们在实验中观察到了光的波动行为和粒子行为，展示了量子世界的奇异特性。除了发现的乐趣之外，我们还兴奋地想到，这项工作有朝一日可能会带来新的应用，尽管现在还很难预测它们会是什么。事实上，每一个发现了新的有前景的对象的研究者，都经历过类似的快乐和兴奋。

　　在当下，人们对科学的需求比以往更加紧迫，一件很重要的事情是，让非专业的听众能够通过研究者的个人叙述理解他的动机、他的好奇心的来源以及偶然性在探索过程中所起到的作用。在这个过程中，惊喜永远不会缺席。同样重要的是，我们要明白，科学研究首先是知识的创造者，它丰富了几个世纪以来积累的文化遗产。与其他人相比，研究者们会以一个更高的视角来观察这个世界，用牛顿的名言来说，他们是坐在前辈巨人的肩膀上。基于这一有利位置，他们是让我们的文明所必需的知识和理性科学方法代代相传的传递者。

　　谈论科学，不仅丰富了我的视野，而且加深了我对世界的理解的他人的科研工作。我希望与各学习阶段的学生和刚入门的研究者们分享我的研究热忱，让他们能够在这场持续更新的冒险中，继续科学的事业。我也希望这本书能够引发那些好奇的普通民众对这段历史的兴趣，这段历史曾经深刻地影响了我们看待世界的方式，并赋予了我们强大的行动手段和控制能力。我还想通过一己的见解，让已经知道这段历史大致轮廓的读者产生进一步的兴趣。我在本书中描述了今天我们对光的了解，以及我们是如何了解这些的，也谈到了我们仍然不知道的东西，以及我们的子孙后代需要厘清的东西。

　　对我而言，想要讨论我的研究，似乎就不得不将它置于横亘数世纪的学术探索的丰富历史背景之下。这段历史，除了光学之外，还包括了其他所有的知识流派。弄清楚"光是什么"这一问题，这当然是物理学的范畴，但这项研究也对其他科学，比如天文学、化学、生物学甚至生命科学都产生了深远的影响。探索我们的星球，确定它的大小和精确的形状，我们对光的理解的进步也在其中发挥了巨大的作用。因此，谈论光就意味着需要唤起所有知识领域。

　　越来越精确的测量在这个故事中起到了至关重要的作用。随着各种仪器的发明，对自然界的观察真正成为了科学，仪器让我们能够用数字来量化所研究的现象，并且以客观和可重复的方式、通过测量的数据来描述它们，首先是距离和时间间隔，然后是更微妙的量，如力、电荷和场。随着数学、几何学和代数学的共同发展，将这些数据与理论模型联系起来，在一个普适性的解释框架中统一了看起来明显不同的各种现象。想要呈现这段历史，意味着要说明科学知识是如何在仪器的进步和计算方法的改进之间的不断互动中一步步建立起来的。第一位切割透镜镜片并将其组合成放大镜的工匠，以及制造出第一只精确的摆钟的钟表匠，也都是这段历史中不可或缺的角色。正如发现复数或导数与积分概念的数学家一样。

　　向非专业的大众介绍科学并不是一件容易的事。利用图像和比喻看上去很有吸引力，但是我们要避免让它们产生误导作用。想要深刻理解"光是什么"，我们必须引入量子物理学的知识，这就有可能导致话题朝向神秘主义倾斜的风险。量子物理学之所以令人困惑，是因为我们不能直接用感官和我们对宏观世界的直觉去感知它，但它其实并不神秘。对于量子世界的发现者来说，量子物理以一种合乎逻辑的方式呈现了自己，并引发了一个严谨的数学理论，使我们能够精确地计算观察到的现象，而没有留下任何深奥含糊的空间。

　　毫无疑问，伽利略应该是最早尝试以教育的方式向广大观众介绍他的发现的科学家之一。在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书中，他向同时代的那些怀疑和困惑的人们展示了运动的相对性。摒弃"地球是静止的且位于宇宙的中心"这一观念，对于文艺复兴时期的人们来说，是非常困难的，就像现代人在描述原子和光子所在的不确定世界时，要从牛顿运动轨迹的经典形象中解放出来一样困难。伽利略当时所面临的风险是巨大的, 因为反对宗教教条等同于异端, 这是宗教裁判所所认定的最严重的罪行。如今，那些试图揭示其多种应用已经给我们的日常生活带来了革命性变化的物理学科中的反直觉概念的科学家们，显然不需要再面对 17 世纪物理科学家们同样的命运了。

　　然而，我意识到，在今天，当研究人员向非专业人员传递科学信息时，所带来的危险虽然不那么引人注目，但却是真实存在的。他或她的介绍可能太过于技术性或者太简单化了。在这本书中，我试图避免这些陷阱，以渐进的方式介绍光、相对论和量子物理学的概念，而不是使用方程式或形式系统。顺着几个世纪以来的思想和理论的谱系，我将逐一介绍那些困扰着伟大的科学前辈们的问题，我想，随着篇幅的逐渐推进，对于读者来说，它们会变得越来越熟悉，越来越容易被理解。

　　回顾历史，我们将回溯现代科学的起源，也让我有机会给大家介绍我心中的科学英雄，从伽利略到爱因斯坦，我将提到那些家喻户晓的科学家所做的工作，以及其他一些相对不知名的人，他们也为这场伟大的冒险做出了贡献。本书并非科学史专家的客观专著。在描述这段曲折丰富的知识史时，我可能在一些细节上有误。事实上，这本书可以被看作我个人对几个世纪以来关于光的知识演变的看法，因为我曾经就是这样感受它的，而且它曾经指导和启发了我自己的研究。

　　在本书中，光的历史将与我个人的研究历程交织在一起。它分为长度大致相同的两个部分。其中，第一章和最后两章，涵盖了过去的五十年。它们描述了我个人的研究，以及我所见证的、同时代科学家们的发现。对物理学基础知识有一定了解，并对光科学和激光科学的现代发展感兴趣的读者，可以从这几章开始阅读。本书的中间部分，即第二章到第五章，通过介绍 17 ～ 20 世纪的光科学发展全景，呈现了其历史背景。我展示了光科学是如何演变发展并决定性地影响了我们的世界观的。这些章节还说明了，从现代科学诞生伊始，在纯粹的好奇心驱使下进行的基础研究与人类探索地球、发展商业和工业的活动之间就建立了深刻的联系。我希望这本书一方面能够引起非科学从业者们的兴趣，而另一方面，对于那些"专家"读者来说，能够让他们注意到这一段充满惊喜的荡气回肠的历史中，那些被忽视或遗忘的细节。

　　我在这本书中插入了很多图片，但为了让读者的阅读更加流畅，我没有在文中明确提到这些图片。这些插图和它们的说明可以看作补充资料，可单独查阅。此外，我尽可能地让各个章节的内容彼此独立，让它们主要集中在某些专题之上，比如光的历史的不同阶段，或者是我个人的研究经历。不过，从一章到下一章之间，有一些过渡性的提示文字，将整本书中讨论的思想和概念在不同的背景下联系起来。在历史方面，我的灵感来自大量文献，在附录中被列举在若干参考项下，其中包括我的研究小组的三部出版物。在本书的最后，还有一个按照字母顺序排序的人名索引，提到了在光学历史中占有一席之地的科学家们的名字，读者们可以很轻松地在维基百科上阅读他们的个人传记，这可能是对本书阅读的有益补充。

　　译者序

　　我们有幸生活在科学昌明的现代社会，无数困扰了史上最聪明的大脑的关于大自然的基本问题在今天都有了非常明确的答案。"光是什么"大概是每个人都会好奇的问题，而这看似单纯的问题甚至连牛顿也未能彻底参透。对这个问题的探索在过去的四个世纪中所历经的无数发现和曲折不啻于一部波澜壮阔的史诗，我们耳熟能详的众多物理英雄们前赴后继，他们在寻光之旅中所踏出的道路几乎衍生出了我们今天所知的全部物理学。

　　《光的探索：从伽利略望远镜到奇异量子世界》由两部分交织而成，一部分为上述这条物理学史的主线展开的一场引人入胜的完整叙事，另一部分则回顾了作者本人在原子分子光物理（原分光）的实验领域中历经半个世纪的科研生涯，这部分同时也是光的科学史在过去几十年中的最新篇章。本书面向的读者群体相当广泛。非科学专业的读者可以享受一场对科学真相的探询之旅，而对这段历史已经较为熟悉的读者也可以从一位物理大师的个人视角回顾这些内容。若读者是年轻的物理专业学生，他们可以了解到原分光领域的历史背景、一些新进展以及未来的发展方向。

　　在叙事上，一方面，作者将读者置于具体的历史背景下，像一本侦探小说一样抽丝剥茧、一层层拨开笼罩着光的性质的重重疑云，这使读者深刻认识到在历史的局限性下我们所熟知的一些物理事实着实来之不易，同时也体现了历代物理先驱们的伟大智慧。另一方面，作者以一位资深科学家的深刻洞察为这段物理史作出了大量宝贵的评注，清晰地指出了物理学史上看似不同的思维火花和重大发现之间的重要联系和前后支撑：人类首次对地日距离和光速量级的测算所依靠的技术，源于伽利略对天文望远镜的改进和对单摆等时性的发现；我们今天最精密的时间测量方式依赖于惠更斯卧病期间所发现的摆的锁相现象；作者本人对囚禁在一对镜子间的光子的实验研究不但将一个世纪前爱因斯坦所设想的光子盒实实在在地呈现在了我们面前，更是以实验事实回答了薛定谔对单个量子系统行为的质疑，同时也探究了他的"那只著名的猫"的命运。现代科学所展示的这种统一和关联自其四个世纪前诞生以来就一直在不断重演。

　　本书用大量笔墨对物理史上的重要理论和实验的关键思想进行了仔细剖析，在此过程中，作者并未使用很多数学公式。在本书的精心阐述下，即便是非专业的读者也可以领略到相对论和量子物理等方法论所带来的强大思想力量，并惊叹于历代实验物理学家为探询极端物理现象所运用的巧思。理论物理学家霍金在其《时间简史》的再版前言中写道："人们对重大问题具有广泛的兴趣，那就是：我们从何而来，宇宙为何是这样的？"而本书从一位实验物理学家的互补角度出发，满足了我们的另一种好奇心：我们如何创造和利用工具来得到这类重大问题的答案？此外，身为法国科学家，作者为我们展示了法国在光的研究历史中的重要地位：17 世纪巴黎天文台的观测为我们明确了光速的量级，到了 19 世纪，斐佐和傅科对这一基本常数的精确测量直接导致了麦克斯韦发现光的本质就是电磁波；在同一时代，菲涅耳的理论和实验工作确立了光的波动说的胜利；而在我们所生活的时代，法国在量子光学领域培养出了强大的学科实力。作者本人对光的研究（书中有详述）得到了 2012 年诺贝尔物理学奖的认可，而在本书的法语原版书 La Lumière révélée 成书之后的 2022 年，作者的同事阿斯佩（Alain Aspect）对纠缠光子对的研究也获得了同样的荣誉，这已经是法国的第十五个诺贝尔物理学奖。

　　在描述上个世纪的物理学史时，本书侧重于刻画量子物理的发展。由这一理论所催生的激光、半导体和核磁共振等技术都为我们的现代文明赋予了强劲的推动力，而作者的实验工作所展示的对单个量子系统的操控则是目前蓬勃发展的量子信息、量子模拟和量子计量技术的基石，也是我们可以期待未来出现实用化量子计算的理由之一。然而驱动作者实现这些优美的基础物理实验的最重要因素并不是它们的具体应用，而是好奇心以及对了解未知的渴望。正是在这种纯粹的基础科学研究推动下，人类知识的疆界才得以不断拓宽。这也是萦绕整本书的另一个主题。作者深感当今法国科研资金支持情况的恶化，并呼吁法国重新重视对基础研究的投入。在这一点上，中国乃至很多其他国家的科研界的情况也不无类似，本书所传递的信息也应当对我们有所启示。

　　作者阿罗什教授所在的卡斯特勒 - 布罗塞尔实验室（LKB）历来与中国的科研界有着频繁而友好的交流。法国是第一个与新中国建交的西方大国，而在 1964 年中法建交的同年 10 月，LKB 的第一个诺贝尔奖得主阿尔弗雷德·卡斯特勒（Alfred Kastler）就来华做了"关于光抽运和光磁双共振"的科研报告。因此，我们或许可以说光的科学从一开始就是中法两国之间的一条纽带。阿罗什教授本人十分重视本书的中文翻译工作，在 2021 年末，当我还是他课题组的博士生时，他亲自找到我来对本书的中文翻译进行校阅和修改。当时孙佳雯（本书另一位译者）的最初中文译稿已经基本完成。佳雯不但是一位译作丰富的翻译，也是一位毕业于法国的社会学博士，她为本书的译稿打下了坚实的基础，也给本书做了不少对内容理解很有助益的、关于法国文化和历史的译注。由于本书的大部分叙事是对物理的描述，因此从物理专业的角度，我和佳雯协作对译稿进行了大量的校正。在此过程中我们所依据的不但有本书的法语原书，还有阿罗什教授亲自参与翻译的英译版。后者在前者的基础上进行了少部分的改进和扩充，这些也都被纳入了本书中。在翻译过程中，一些出版物对我们的工作有很大的帮助，科学出版社的《物理学名词》（第三版）规范了我们对专业术语的选用。编纂这本词典的全国科学技术名词审定委员会成立于 1978 年，其创立的初衷就是为了改进当时中文界专业术语的分裂和混乱现象。在一些物理描述的措辞上，我们参考了刘家谟和陈星奎两位先生所翻译的两卷《量子力学》（高等教育出版社，2014 年），这两卷经典教材的原作者是 1997 年诺贝尔奖物理学奖获得者科恩 - 塔诺季，他是卡斯特勒的博士生，也是本书作者的博士生导师，因此不难发现本书的物理语言和《量子力学》之间的相似之处。同样对我们的翻译工作有帮助的还有复旦大学物理系郑永令教授等人翻译的《费曼物理学讲义》（上海科学技术出版社，2020 年）。

　　这本译作得以面世，要感谢北京千秋智业图书发行有限公司和世界图书出版有限公司，他们在第一时间获取了这本书的版权。从我个人出发，我必须感谢作者阿罗什教授，他不但使我有机会参与到这个很有意义的工作中，并且非常耐心地等待我能有精力和时间来投身其中。在翻译的过程中，他在百忙中定期抽出时间，非常详细地解答了我所提出的所有问题。最后我还要感谢我的妻子武书卉在这段时间内对我工作的支持。

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