本書以各種不可思議的量子現(xiàn)象為主線,以物理學(xué)家們所做的各種令人驚奇的實(shí)驗(yàn)為脈絡(luò),循序漸進(jìn)地介紹了人類探索量子世界的整個(gè)過(guò)程。作為一本科普讀物,本書涵蓋了波粒二象性、疊加態(tài)、概率幅、糾纏態(tài)、隧道效應(yīng)、電子云、超流體、量子真空漲落、費(fèi)曼圖、超弦理論等量子力學(xué)中引人入勝的大部分內(nèi)容,也介紹了掃描隧道顯微鏡、量子計(jì)算機(jī)、量子隱形傳態(tài)等量子工程技術(shù),同時(shí)還把相關(guān)的歷史趣事穿插其中。另外,書中還介紹了一些與量子物理相關(guān)的粒子物理、相對(duì)論、宇宙學(xué)等內(nèi)容,其中就包括了目前更前沿的領(lǐng)域,如反物質(zhì)、希格斯粒子、暗物質(zhì)、平行宇宙,以及引力波等。
作者對(duì)量子物理很感興趣,十余年來(lái)鉆研圖書館中的相關(guān)科普和專業(yè)書籍超過(guò)百本,具備了撰寫量子力學(xué)科普作品的能力。作者在結(jié)合實(shí)際講課經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,總結(jié)了學(xué)生對(duì)于量子力學(xué)知識(shí)的認(rèn)知規(guī)律,由此根據(jù)循序漸進(jìn)、通俗易懂的原則,用自己的方式把神奇的量子世界系統(tǒng)介紹給讀者。隨著大眾受教育程度的提高,科普作品具有越來(lái)越廣闊的讀者群,目前國(guó)內(nèi)量子力學(xué)方面的暢銷科普書大都是翻譯的外國(guó)作品,且大多只專注于某一方面,并不系統(tǒng),該書體系完整,簡(jiǎn)明扼要又深入淺出,和同類科普書籍相比具有鮮明特點(diǎn)。本書的定位是一本適合高中水平以上人群的大眾科普讀物,以青少年讀者為主。
每個(gè)人眼中都有一個(gè)世界。每個(gè)人眼中的世界都不同。但是,我們能看到、能感受到的世界只是宏觀的世界,是一個(gè)看上去按部就班的世界。如果我們能縮小十個(gè)數(shù)量級(jí),進(jìn)入量子世界,那其中的奇幻景象,恐怕是你盡最大的想象力也想不到的。你一定好奇什么是量子?它不是一種粒子,而是一種概念。它指的是小尺度世界的一種傾向:物質(zhì)的能量和其他一些屬性都傾向于以特定的方式不連續(xù)地變化。量子世界中的一切物理現(xiàn)象都與我們?cè)谌粘I钪姓J(rèn)知的牛頓力學(xué)世界完全不同,我們?cè)谌粘I钪惺煜さ脑S多基本物理規(guī)律在量子世界中都被徹底顛覆。量子世界是一個(gè)由量子力學(xué)統(tǒng)治的世界。量子力學(xué)對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋和預(yù)見性是如此精確,以至于大多數(shù)人都不假思索地對(duì)它進(jìn)行應(yīng)用。但是在量子世界里,一系列不可思議的現(xiàn)象又會(huì)讓我們懷疑我們到底是否能真正地理解這個(gè)世界。量子力學(xué)大師費(fèi)曼曾經(jīng)說(shuō)過(guò):我想我可以相當(dāng)有把握地說(shuō),沒(méi)有人能理解量子力學(xué)。十多年前,當(dāng)我第一次接觸量子物理時(shí),我就被它深深地迷住了。量子世界是一個(gè)謎一般的世界,在這個(gè)世界里,你以往的一切經(jīng)驗(yàn)都會(huì)失去作用;在這個(gè)世界里,你就像一個(gè)懵懂無(wú)知的孩童,一切都會(huì)讓你覺得新奇。這十年來(lái),我有幸講授與量子力學(xué)相關(guān)的課程,我一直在不斷地從各種書籍中汲取與量子物理有關(guān)的知識(shí),但是,對(duì)它的認(rèn)識(shí)越深,我就越覺得它是如此的不可思議。我們應(yīng)該感謝那些偉大的物理學(xué)天才們,他們對(duì)量子物理的探索譜寫了科學(xué)史上最壯麗的史詩(shī),他們對(duì)量子世界的探索讓我們知道了世界竟然是如此的神奇。原來(lái),我們眼中的世界并不是世界的全部。既然有幸來(lái)到這個(gè)世界,我們就應(yīng)該盡量了解這個(gè)世界的全部,欣賞這個(gè)世界的奇妙,這是作為生命的一種樂(lè)趣。本書以各種不可思議的量子現(xiàn)象為主線,以物理學(xué)家們所做的各種令人驚奇的實(shí)驗(yàn)為主線,循序漸進(jìn)地介紹了人類探索量子世界的過(guò)程,介紹了量子理論的產(chǎn)生、發(fā)展、應(yīng)用、分支乃至分歧,當(dāng)然也提出了一些疑問(wèn)和思考。作為一本科普讀物,本書涵蓋了波粒二象性、疊加態(tài)、概率幅、糾纏態(tài)、隧道效應(yīng)、電子云、超流體、量子真空漲落、費(fèi)曼圖、超弦理論等量子力學(xué)中引人入勝的大部分內(nèi)容,也介紹了掃描隧道顯微鏡、量子計(jì)算機(jī)、量子隱形傳態(tài)等量子工程技術(shù),同時(shí)還把相關(guān)的歷史趣事穿插其中。另外,書中還介紹了一些與量子物理相關(guān)的粒子物理、相對(duì)論、宇宙學(xué)等方面的內(nèi)容,以使讀者對(duì)這個(gè)奇妙的世界有更深刻的理解。本書在寫作過(guò)程中參考了大量相關(guān)書籍,主要參考書目列于書后。這些書使我受益匪淺,在此對(duì)這些書的作者表示衷心的感謝。我國(guó)本土科學(xué)家到現(xiàn)在還沒(méi)有人獲得過(guò)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),原因是多方面的,但我認(rèn)為,我們太注重于讓學(xué)生學(xué)習(xí)課本知識(shí)而忽視了課堂之外的知識(shí)海洋是原因之一。青少年時(shí)期是培養(yǎng)科學(xué)興趣最重要的時(shí)期,只有廣泛涉獵才能發(fā)現(xiàn)自己的興趣愛好,為將來(lái)打下基礎(chǔ)。希望本書能夠激發(fā)廣大讀者朋友尤其是青少年朋友們對(duì)科學(xué)的熱情,這正是我寫作的初衷所在。另外,由于能力所限,疏漏和不足之處在所難免,敬請(qǐng)讀者朋友們批評(píng)指正。高鵬2016年8月份于山東威海
高鵬,男,哈工大威海校區(qū)應(yīng)用化學(xué)系教師,在哈工大總校取得學(xué)士、碩士和博士學(xué)位。參與多項(xiàng)科研課題,出版教材一部,發(fā)表專業(yè)論文20余篇,2006年被評(píng)為校級(jí)優(yōu)秀教師。主講以量子物理為基礎(chǔ)的專業(yè)課《結(jié)構(gòu)化學(xué)》已經(jīng)十幾年,并先后開設(shè)公共選修課《化學(xué)元素趣談》、《不可思議的量子世界》和《從量子到宇宙》,講課旁征博引、生動(dòng)風(fēng)趣,深受學(xué)生歡迎。
1 光的本性之爭(zhēng):光是粒子還是波? 001
1.1 惠更斯的波動(dòng)學(xué)說(shuō) 001
1.2 牛頓的粒子學(xué)說(shuō) 002
1.3 楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 003
1.4 泊松的烏龍球 004
1.5 光就是電磁波 006
2 電磁波能量謎團(tuán):能量竟然不連續(xù)? 007
2.1 黑體輻射謎團(tuán) 007
2.2 光電效應(yīng)謎團(tuán) 009
2.3 原子光譜謎團(tuán) 010
2.4 石破天驚的量子化假設(shè) 011
3 量子化與連續(xù)性之辯 014
3.1 芝諾悖論:你能追上烏龜嗎? 014
3.2 玄而又玄的無(wú)窮 015
3.3 時(shí)空是量子化的 017
3.4 運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的嗎? 017
3.5 量子化才是世界的本質(zhì) 018
4 光的波粒二象性 020
4.1 愛因斯坦的光子理論 020
4.2 光子理論是牛頓粒子論的回馬槍嗎? 022
4.3 原子能量量子化與原子光譜 024
4.4 量子理論與光的本性 026
5 愛因斯坦的疑問(wèn):什么是光子? 028
5.1 光與電磁波:剪不斷理還亂 028
5.2 波動(dòng)光學(xué)與量子光學(xué):為什么有兩種? 030
5.3 光的偏振:光子也會(huì)思考嗎? 031
5.4 光速不變:相對(duì)中的絕對(duì) 034
5.5 靜止質(zhì)量為零:有還是沒(méi)有? 035
6 實(shí)物粒子的波粒二象性 038
6.1 德布羅意的驚人假設(shè) 038
6.2 實(shí)物粒子波動(dòng)性的觀察 041
6.3 實(shí)物粒子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 042
6.4 德布羅意波的應(yīng)用 045
7 量子力學(xué)的建立 047
7.1 薛定諤的波動(dòng)力學(xué) 047
7.2 概率構(gòu)成的物質(zhì)波 049
7.3 玻爾的對(duì)應(yīng)原理 051
7.4 海森堡的矩陣力學(xué) 052
7.5 量子力學(xué)正式建立 054
7.6 概率論與決定論的爭(zhēng)論:上帝擲骰子嗎?
056
8 單個(gè)粒子的波粒二象性 059
8.1 單個(gè)電子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 059
8.2 概率波與概率幅 061
8.3 觀察電子的軌跡 065
8.4 跟人類捉迷藏的電子 067
9 量子力學(xué)正統(tǒng)解釋:哥本哈根解釋 068
9.1 不確定原理 068
9.2 互補(bǔ)原理 070
9.3 疊加態(tài):人為測(cè)量竟如此重要? 072
9.4 波函數(shù)坍縮 076
附錄
量子計(jì)算機(jī) 077
10 神奇的量子隧道效應(yīng) 079
10.1 隧道效應(yīng):穿墻而過(guò)不是夢(mèng) 079
10.2 掃描隧道顯微鏡 081
11 獨(dú)辟蹊徑的路徑積分 084
11.1 路徑積分:所有路徑求和 084
11.2 路徑積分對(duì)雙縫實(shí)驗(yàn)的解釋 086
11.3 路徑積分的廣泛應(yīng)用 088
11.4 費(fèi)曼圖:物理學(xué)家的看圖說(shuō)話 089
12 堅(jiān)持決定論的隱變量理論 093
12.1 德布羅意的導(dǎo)波理論 093
12.2 玻姆的量子勢(shì)理論 095
13 量子力學(xué)的其他解釋 098
13.1 意識(shí)論:我思故我在? 098
13.2 熱力學(xué)不可逆過(guò)程 099
13.3 退相干理論 100
13.4 GRW理論 101
13.5 多世界理論:人人都能創(chuàng)造平行宇宙 102
14 人類和光子的博弈 106
14.1 單光子偏振實(shí)驗(yàn) 106
14.2 單光子廣角干涉實(shí)驗(yàn) 108
14.3 單光子延遲選擇實(shí)驗(yàn) 110
14.4 量子擦除實(shí)驗(yàn) 113
15 幽靈般的超距作用:糾纏態(tài)之謎 115
15.1 玻爾與愛因斯坦過(guò)招 115
15.2 EPR佯謬:糾纏態(tài)登場(chǎng) 119
15.3 糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)證明 120
15.4 GHZ三粒子糾纏 124
15.5 量子隱形傳態(tài): 超空間傳送能實(shí)現(xiàn)嗎?
125
16 原子內(nèi)部的世界 128
16.1 古人的物質(zhì)組成觀點(diǎn) 128
16.2 原子論的勝利 129
16.3 原子還不是最小 130
16.4 原子內(nèi)部結(jié)構(gòu) 132
16.5 原子結(jié)構(gòu)的初期模型 134
16.6 電子云:電子在哪兒? 136
16.7 電子云節(jié)面之謎 139
16.8 電子的自旋 140
16.9 電子自旋之謎 142
17 組成世界的基本粒子 145
17.1 物質(zhì)的鏡像:反物質(zhì) 145
17.2 宇宙隱形人:中微子 148
17.3 世界的基石:夸克 149
17.4 世界的基石:輕子 152
17.5 四種基本力和力的傳遞粒子 153
17.6 上帝粒子:希格斯粒子 156
17.7 標(biāo)準(zhǔn)模型 157
附錄
高速粒子對(duì)狹義相對(duì)論的檢驗(yàn) 158
18 宏觀量子現(xiàn)象:玻色愛因斯坦凝聚 161
18.1 費(fèi)米子與玻色子 161
18.2 泡利不相容原理 163
18.3 玻色.愛因斯坦凝聚 165
18.4 液氦超流現(xiàn)象 168
19 量子場(chǎng)論 171
19.1 場(chǎng)與粒子的統(tǒng)一 171
19.2 粒子的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化 172
19.3 真空里隱藏的奧秘 174
19.4 再析費(fèi)曼圖:時(shí)間能倒流嗎? 177
19.5 量子電動(dòng)力學(xué):精確度驚人的預(yù)測(cè) 180
19.6 量子色動(dòng)力學(xué):夸克禁閉 182
20 超弦理論:萬(wàn)物至理? 183
20.1 統(tǒng)一理論的探索 183
20.2 宇宙的琴弦:超弦理論 185
20.3 M理論:終極理論? 188
20.4 平行宇宙 190
附錄
是否存在交叉宇宙? 191
21 宇宙大爆炸 193
21.1 膨脹的宇宙 193
21.2 廣義相對(duì)論與宇宙學(xué) 196
21.3 宇宙理論的發(fā)展 199
21.4 宇宙的演化 202
21.5 恒星的演化 204
21.6 暗物質(zhì)與暗能量之謎 208
21.7 時(shí)空的顫抖:引力波 210
后記 215
參考文獻(xiàn) 217
誰(shuí)要是不為量子理論感到震驚,那就是因?yàn)樗不了解量子理論。
尼爾斯·玻爾
我想我可以相當(dāng)有把握地說(shuō),沒(méi)有人能理解量子力學(xué)。
理查德·費(fèi)曼