作為一部科學史著作，《科學之魂》講述了一個引人入勝的故事：在量子理論和不確定性原理產生的過程中，數學和物理學互為激勵，攜手共進，一個又一個世界頂尖的科學家粉墨登場，在相互的思想碰撞和彼此的駁難和問詰中，人們對世界的認知更為豐富，而科學的發展也大步向前。
作者：張弘
《科學之魂》（美）戴維·林德利《科學之魂》通過物理學的進步和發展告訴讀者，人類對世界的認識永無窮盡。即便是牛頓、愛因斯坦這樣的科學巨人，也不能壟斷對世界的「解釋權」。充其量，他們只能在某一個階段提出一些令當時人們信服的解釋與創建。一旦物理學、數學等學科進一步向前發展，新的認知便會出現，進而修正之前的觀點。
現代科學將邏輯推理運用於可證實的推理與數據，人們認為，用嚴格數學語言表述的理論在邏輯上是必然的、準確的，這一體系和框架將用理性和因果律取代神秘性和偶然性。在科學世界，不存在自發性，沒有不可解的離奇現象。自然現象極其複雜，但科學必須解釋其秩序和可預測性。事實和定律堅如磐石，無一例外。人們會將該事物分析得細緻完善。儘管一代又一代科學家沒有實現這一理想，但他們確信，後輩科學家將完成這一任務。理性讓人們認定，科學的進步必將發生，科學潮流將波瀾壯闊，席捲一切，並越來越精細複雜。並且，人們必然能夠認識自然。發源於物理學界的這種觀點，在19世紀成為各種科學的主流模式。地質學家、生物學家及第一代心理學家都將整個自然世界勾畫為一個錯綜複雜但又正確無誤的機器。要實現這一理想，就必須「依據具有精確性描述（簡化為數字）的觀察結果和現象定義自己的學科領域，然後找到將這些數字併入一個無法逃脫的系統中的數學定律」。
1820年代，蘇格蘭人羅伯特·布朗在一臺改進過的顯微鏡下看到花粉顆粒的運動，他進而發現，死去的植物樣品中也有類似現象。但他害怕犯錯，沒有對此作出解釋。此後幾十年，人們一直難以解釋布朗運動。1865年，德國物理學家魯道夫·克勞修斯杜撰了「熵」（物理意義指體系混亂程度）這一新詞，12年後，奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼發現了一種方法，可將熵定義為描述運動原子的統計測度，並證明原子碰撞將把熵推向最大值。之後沒多久，法國數學家亨利·龐加萊證明了一個定理，與玻爾茲曼的定理產生衝突。
1905年，玻爾茲曼的崇拜者、26歲的愛因斯坦意識到，沉浸在某種液體中的一個尺寸恰當的小粒子會發生不規則運動，原因是分子發生碰撞。愛因斯坦找到一種計算方法，計算粒子的四下運動會讓它移動多遠。1908年，法國物理學家讓·佩蘭通過精心的實驗測量布朗運動，並將發現與愛因斯坦的理論加以對照，兩者完全符合。佩蘭的實驗經常被人當做原子存在的決定性證據。
1911年，26歲的丹麥青年尼爾斯·玻爾來到劍橋大學，師從湯姆遜學習電子物理。博士畢業後，他回到哥本哈根，在一所大學為醫科學生講授物理。一個同事問他，他提出的原子鐘的電子的奇異圖像是否有助於解釋氫原子光譜的巴耳末線系。玻爾畫出了原子模型，它與實際數據非常符合，但他不敢貿然猜測其中原因。盧瑟福對玻爾的觀點提出了批評，而愛因斯坦在1916年發表了一篇極具啟發性的分析文章。
同樣是在1916年，玻爾成立研究所的計劃得到丹麥政府批准。兩年之後，慕尼黑大學的物理學家阿諾德·索未菲招到了新學生，來自維也納的沃爾夫岡·泡利，又過了兩年，他招收了本地男孩維爾納·海森堡。
師從索未菲期間，海森堡設計出了一套公式，只要在公式中加入第四量子數的半整數值即1/2、3/2等，它就能輕易解釋各種現象。但是，索未菲和泡利對此都不以為然。他們爭論期間，年輕的德國物理學家阿爾弗雷德·朗德發表了與此本質相同的想法，這讓海森堡鬱悶不已。他試圖通過解決半整數的理論問題重新奪回領先地位，但他的天才創想並未得到索未菲和泡利的支持。1922年6月，海森堡在哥廷根聆聽了玻爾的一次演講，玻爾還邀請海森堡一起散步，探討量子理論。最後，玻爾暗示，海森堡應該想辦法到哥本哈根待一陣子。1924年9月，海森堡進入哥本哈根大學工作。
1925年6月，在黑爾戈蘭島經歷一番苦思的海森堡有了一些想法和結論，這將發展成為量子理論力學的基礎。7月初，他寫成了一篇論文，玻爾對此很讚賞，並把它寄給了《物理學雜誌》，在第七期發表。但是，愛因斯坦寫信給一位同事，對海森堡的觀點「不相信」。
在柏林，海森堡發表演講後，在前往愛因斯坦住處的路上，他與玻爾反覆爭論。愛因斯坦1905年以相對論推翻了牛頓有關絕對速度和絕對時間的舊有理念，一個觀察者認為是同時發生的事件，另一個觀察者可能認為是依次發生，而第三個觀察者可能認為發生的次序相反。據此，海森堡對愛因斯坦說，你只能用不同方法觀察原子行為，比如，它是如何吸收和發射光，據此儘可能推斷原子內部情況。但是，愛因斯坦不肯接受這一點。
1926年，經過與泡利、玻爾充滿爭吵的痛苦方式，海森堡著名的不確定性原理問世了。但是，激烈的爭吵讓他和玻爾的關係出現了無法彌補的裂痕。這年6月，26歲的海森堡成為了萊比錫大學教授。在其後的學術論戰中，薛丁格支持愛因斯坦，在第五次索爾維會議上，愛因斯坦與支持海森堡的玻爾也產生了激烈爭論，兩人都感覺不太愉快。1932年，海森堡獲得諾貝爾物理學獎。在愛因斯坦去世的前一年，他對前來拜訪的海森堡說，「我不喜歡你的那種物理學。」
但是，「不確定性」從理論物理的專業概念演變成了一個流行語，其影響超越了科學的領域，涉及從文藝理論到電視節目等我們生活的方方面面。《科學之魂》講述的故事引人入勝，但它遠遠不是終點。
（原標題：「不確定性」怎樣引爆物理學界？）
來源：北京晚報
編輯：TF021