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，十余年來鉆研圖書館中的相關(guān)科普和專業(yè)書籍超過百本，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，科普作品具有越來越廣闊的讀者群，目前國內(nèi)量子力學(xué)方面的暢銷科普書大都是翻譯的外國作品，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)象都與我們在日常生活中認(rèn)知的牛頓力學(xué)世界完全不同，我們在日常生活中熟悉的許多基本物理規(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)說過：我想我可以相當(dāng)有把握地說，沒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)懵懂無知的孩童，一切都會(huì)讓你覺得新奇。這十年來，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，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，我們眼中的世界并不是世界的全部。既然有幸來到這個(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。我國本土科學(xué)家到現(xiàn)在還沒有人獲得過諾貝爾物理學(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：光是粒子還是波？ 001
1.1 惠更斯的波動(dòng)學(xué)說 001
1.2 牛頓的粒子學(xué)說 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：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)：穿墻而過不是夢 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 玻爾與愛因斯坦過招 115
15.2 EPR佯謬：糾纏態(tài)登場 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 量子場論 171
19.1 場與粒子的統(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 180
19.6 量子色動(dòng)力學(xué)：夸克禁閉 182
20 超弦理論：萬物至理？ 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，沒有人能理解量子力學(xué)。
理查德·費(fèi)曼
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