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。

　　最初的热情：从数学到天文学

　　让我们回到最初的那个问题：我为什么会成为一名科研人员？其实，从记事起，我就一直被数字所吸引，尤其热衷于对各种对象的测量。我记得，在很小的时候，我就开始数卫生间墙上瓷砖的数量和学校操场上铺路石的数量。我会测量正方形或长方形的对角线的长度，然后与它们的边长大小进行比较。所以从很小时我就开始"研究"三角函数了，尽管当时我对这一点一无所知。我当时还想基于精确的测量对测量对象进行分类，于是我曾画过一张表格，将各种金属根据其密度大小升序排列，从很轻的铝到很重的铀。由于当时既没有互联网，也没有谷歌，所有的数据都来自于一本《拉鲁斯小型词典插图版》（Petit Larousse illustré）的书。总之，从小我就喜欢测量、分类和比较。

　　几何学也让我着迷。很小我就开始用圆规画圆，用自制的工具画椭圆，方法是，将一根绳子固定在两个小木桩上，然后用铅笔拉着这根绳子绘制轨迹。大概在10 岁或者11 岁，我迷上了数字π。我还记得，小时候经常去巴黎市中心的发现宫（Palais de la Découverte），室内的墙上写着π 的数值，小数点后的数字构成了一串长长的螺旋形状。

　　这串数字无限地延伸下去，并且没有任何的规律和明显的重复性，这让我非常着迷。我曾经用很笨拙的方法粗略地测量了π 值，也就是圆周和直径的比值，但只能得到"这个数值略大于3"的粗浅结论，所以让我惊讶的是，发现宫的这个π 值，怎么能够被如此精确地测量呢？

　　而这个数字的奥秘还不止如此。在发现宫，还有一次互动体验也深深地吸引了我。这个实验是这样的，将一根针扔在铺满地板的地面上，然后数出它落在两块地板的分界线上的次数。这个实验的说明栏里写着，如果这根针的长度恰好等于地板的宽度，那么它落在两块地板分界线上的概率大概是2除以π，也就是约为64%。而任何的参观者，只要按一下按钮，就能抛出一根针，然后其投掷结果会被添加到计数器上显示的统计数据中。

　　经过几万次的抛掷，我们可以推导出一个精度能够达到小数点后两三位的π 值。居然可以通过这样的实验来确定π 的数值，这件事立刻引发了我的兴趣，于是我开始思考概率的概念，并开始领悟概率与数学之间的联系。回家之后，我立刻在自己的房间里重复这个实验，我抓了一把铅笔，然后把它们丢到地板上。直到很久以后，我才通过数学推理说服自己，π 的数值和圆的特性确实在计算铅笔同时落在两块地板上的概率中起到了作用。

　　从很小的时候起发现宫的天文馆也吸引了我，让我开始接触天文学。我还记得天文馆的穹顶之上绘制的恒星形成一条弯弯曲曲的星河，太阳系的行星们来回穿梭的轨迹点缀其中，以及穹顶底部所绘制的巴黎古迹的剪影之上的日出。每当伴随着新的黎明到来，欢快的音乐响起，星星的亮光渐渐熄灭，观众们走出天文馆，之前适应了黑暗的眼睛再次习惯了日光。

　　卡米伊· 弗拉马利翁（Camille Flammarion） 所著的《大众天文学》（L' Astronomie populaire）是一本内容丰富的资料集，让十二三岁时的我能够通过这本书来加深对早年在天文馆中看到的一些天文知识的理解。当然，很久之前我就已经不知道把这本书丢在哪里了，但我还记得书中的插图，那些通过望远镜看到的月球和行星的照片，尤其是木星和土星的照片，这些照片的精确度远低于现在的太空探测器发送给我们的照片，但却令我心驰神往。这本书还提到了那些关于人类在宇宙之中位置的伟大发现，包括用肉眼观测行星位置的第谷·布拉赫（Tycho Brahe），哥白尼（Copernic）和他的日心说，确定行星轨道形状和速度规律的开普勒（Kepler），第一个用望远镜对准天空的伽利略（Galilée），以及用自己发明的数学知识解释了前人所有发现的牛顿（Newton）。我将自己对分类的狂热用在了一系列行星上，根据其大小、与太阳的距离和公转周期对它们进行了排序。

　　《大众天文学》中还提到了一个人物，比起我上面提到的那些伟大的科学家们，他并没有那么知名。这是一位年轻的天文学家，名叫奥本·勒维耶（Urbain Le Verrier），他在我出生之前100 年就预言了当时一颗未知行星的存在，因为这颗行星干扰了天王星的运行轨道。他准确地指出了天文学家们应该把望远镜对准天空的那个区域进行寻找，最终人们找到了这颗被命名为海王星的行星。新的现象可以通过计算来预测，而且宇宙居然是服从数学定律的，这一点在当时给了我极大的震撼，事实上，我必须得说，它在今天仍让我感到惊奇。这本书还提到，当时勒维耶有一名竞争对手，英国天文学家约翰·柯西·亚当斯（John Couch Adams），他也预测了海王星的存在和位置，不过他推算结果的准确性更低一些。这个故事让我第一次窥见了科研中常被青年理想主义所忽视的一面：研究者之间为首先发现的名誉而进行的敌对竞争，其中有时甚至带有国家对立的因素。几年后，大概是在高中一年级或二年级的时候，我掌握了足够的数学知识，理解了牛顿的引力理论，也明白了万有引力定律为什么能够解释行星轨道是椭圆形的。令我尤其惊讶的是，这一定律可以同时解释物体的下落和行星绕太阳的运动。在弗拉马利翁这本书的指导下，我得到了月球绕地球的轨道，方法是先假设月球不受其轨道运动在切线方向上的驱动，再计算此时它在一秒内向我们的行星坠落的距离。这种坠落再加上月球的切线运动会导致它连续下坠但始终不触及地球。这个解释令我醍醐灌顶！

　　那时的我对天文学的热情被当时的新闻时事进一步放大。1957 年，我快要初中毕业的时候，苏联发射了第一颗人造卫星斯普特尼克（Sputnik），从而拉开了苏联与美国之间太空竞赛的序幕。当时我能够用刚刚学到的数学知识计算出斯普特尼克卫星环绕地球的速度和它的公转周期--大约是一个半小时，这让我非常自豪。我还计算出了火箭想要到达月球或离开太阳系所必需的宇宙速度，即每秒11 公里。对分类和比较的爱好使我自然而然地计算了月球和其他不同行星的各种参数值，包括如果我站在火星或者木星上会有多重。

　　对天文学的迷恋很快就与我从小就热衷的另一个主题产生了交集，那就是地球探索的历史。我曾经读过哥伦布、麦哲伦、库克船长、布干维尔（Bougainville）和拉彼鲁兹伯爵（Lapérouse）的探险经历。斯科特船长（Rober Falcon Scott）的故事令我深受触动，他为了赶在挪威极地探险家阿蒙森（Roald Amundsen）之前抵达南极点，匆忙进入南极洲，最后精疲力尽冻死在那里。这又是一个争夺第一的竞争故事，只不过比起勒维耶和亚当斯的故事，结局更为惨烈。我曾经写信给法国极地探险家保罗- 埃米尔·维克托（Paul-?mile Victor），向他表达了我对探索发现的热忱，没想到居然收到了一张带有他亲笔签名的明信片，我当时感到非常自豪。伴随着美苏征服月球的竞赛，我所热衷的两个主题--天文学和探索发现--融合在了一起。

　　以上我回顾了自己在1950 年代末作为一名高中生时的印象和经历。读者们应该能够发现，我是个好学生，对科学充满好奇，而且十分喜爱数学。对太空的征服带有冒险元素，这为我对数学的热情增添了一丝浪漫色彩。当时的我能够用在学校里学到的有限的微积分知识计算出每天新闻报道中的卫星和火箭的运行情况，这带给我的兴奋喜悦之情令我至今记忆犹新。

前言  

第一章 宿命的缘起 

最初的热情：从数学到天文学 

初识现代物理学 

"闭嘴，去计算！"  

当原子和光子成为旋转的陀螺：光抽运 

重新认识世界：丰富又奇妙的存在 

互信且自由的学徒时期 

激光的前景  

研究的起点 

初次赴美，重燃我最初的激情 

"蓝天研究" 

第二章 天文台广场前的思考  

见证科学革命起源的两种仪器：望远镜和摆钟  

测量光速以丈量宇宙  

光的科学被定量化：笛卡尔与他的《屈光学》 

大自然总是以最短、最简单的方式行事：费马原理 

惠更斯与光的波动理论  

牛顿，光微粒与颜色 

测量地球的形状 

追求精确 

基础科学、商业、国力与技术  

第三章 法拉第实验室的沉思与浮想  

杨对牛顿的挑战   

光的偏振 

菲涅耳与波的胜利  

矢量相加，光波相扰 

旋转的振动：圆偏振  

数学照亮光学  

再会光速 

从启蒙时代的沙龙到法拉第的实验室 

"场"概念的诞生 

光、电、磁的交汇  

一些谜团解决了，但另一些还存在  

第四章 开尔文勋爵的两朵乌云 

迈克耳孙和以太之谜 /  

爱因斯坦横空出世：思想实验 

相对论思想带来的改变 

时空混合  

质量与能量的结合：E ＝ mc2  

爱因斯坦"最快乐"的想法又一次来自伽利略 

引力与时空弯曲 

相对论的预言和"后见之明"  

第五章 光，照亮神秘的量子世界 

紫外灾难  

光：在波与粒子之间  

将量子推广到物质  

爱聚集的光子和与它们类似的原子  

揭开物质波的面纱  

波函数，量子态和叠加原理  

粒子家族的扩张  

一种本质的全同性  

量子物理学的潘多拉魔盒 

从经典到量子：费马、莫佩尔蒂和费曼之间一场跨世纪的对话 

一场穿越数量级的旅行  

量子情景：单个对象还是统计系综？  

再论杨氏双缝 

测量、互补性和不确定关系  

围绕想象中的实验展开的辩论  

量子纠缠  

薛定谔的猫与经典 - 量子之间的边界 

第六章 激光、光子和巨型原子 

被光子所缀饰的原子 

在加州初识激光   

战胜多普勒效应   

量子拍  

加州轶事  

第一次大型国际会议 

巨型原子的未知地带  

腔量子电动力学的诞生 

大西洋两岸的研究和教学  

激光致冷革命 

陷俘离子和量子跳跃 

第七章 驯服薛定谔的猫 

光子盒 

圆态原子 

量子乒乓 

量子编织  

如何看到光子而不破坏它们？ 

一个光子的生与死 

再会杨氏移动狭缝实验  

一边数光子，一边看量子跳跃 

量子场的 X 射线照相  

薛定谔的光之猫  

探索量子和经典之间的边界 

迈向量子计算机：乌托邦还是未来现实？  

费曼的梦想：量子模拟 

鬼魅般的超距作用：量子密码学和量子远程传态 

量子计量和光钟 

后记 科学与真相 

拓展阅读 

科学家姓名索引 

致 谢