人人都该懂的量子力学

了解日常中的量子力学 2005年是世界物理年（World Year of Physics），是对爱因斯坦于1905年相继发表的三篇划时代论文的100周年纪念。这三篇论文中，*有名的应该是第三篇，因为他在这篇文章中提出了举世闻名的相对论，而第二篇则为“物质由原子构成”这一在当时存在争议的观点提供了明确的证据。这两篇论文都对20世纪及之后的物理学发展产生了深远影响，然而，真正带领我们走进量子力学时代的，却是爱因斯坦的**篇论文。 在这篇论文中，爱因斯坦论述了自己不久前做的一些实验。虽然在很多情况下光被人们认为是以波的形式传播的，但爱因斯坦却在论文中表示，量子（quantum）是指在光束中以波包形式传播的能量。这个明显的悖论引出了波粒二象性（wave-particle duality）概念，并*终引出了著名的或者说“臭名昭著”的“薛定谔的猫”理论。我写作《人人都该懂的量子力学》这本书的目的，就是想向读者介绍量子力学领域具有代表性的一些成果和重大突破。 虽然书中包含了一部分解释物质如何以原子及更小形式运动的内容，但我们的重点还是会放在解释日常生活中的量子力学现象上。很多人并没有意识到，许多现代科技都有着明确的量子力学基础。例如，驱动计算机运转的硅芯片内部的运行机制，以及电流能够通过金属线传导却无法通过绝缘体传导这种现象背后，都包含着量子力学原理。多年来，人们一直担心现代科技会对环境造成不良的影响，尤其是大量二氧化碳排放到地球大气中后导致的全球变暖现象。这种温室效应实际上也是量子力学的一种表现形式，而科学家们正在研究环保技术与之对抗。我们在书里讨论了这些现象，也讨论了量子力学在超导性（superconductivity）材料和信息技术中的应用。在本书的*后部分，我们阐述了量子力学所涉及的一些哲学思考。 量子力学是公认的极度复杂且难以理解的学科，人们普遍认为，一个人只有相当聪明且精通高等数学，才能理解量子力学。然而，量子力学并不是火箭科学（rocket science）。我们可以利用波粒二象性的概念，在不需要掌握太多数学知识，或者说不需要具备任何高等数学能力的前提下，就能理解很多重要的量子力学概念。因此，本书基本不包含高等数学的内容，不过对于一些观点，我们会用数学专栏做出补充说明。我们只会用到基础的数学知识，这些都是很多读者上学时就会学到的知识，即便忽略这些内容也不会影响对书中观点的理解。此外，这本书的目标是引领读者了解量子力学，而不是仅仅用一些惊人的量子力学结果来让大家留下印象。出于这个原因，我们适当地使用了一些图片或表格，我们建议读者结合文字对此进行认真的研究。书中不可避免地会出现各种专业术语，我们也在本书*后提供了术语表。一些读者可能已经对物理学有了一定的了解，所以会注意到书中对一些观点做了简化处理。对入门级别的图书来说，简化处理不可避免，但我希望并且相信，这样的简化不会造成模型或论点的使用错误。 我要感谢伯明翰大学里我曾经的学生和同事们，我在那里教了30多年物理学，我要感谢他们给了我机会，拓展并深化了我对物理学的了解。维多利亚·罗达姆（Victoria Roddam）和Oneworld出版公司表现出了足够的耐心，但也给我施加了必要的压力，我虽然没有按时交付稿件，但也没有拖延太久。我还要感谢安和我的其他家人，感谢他们的耐心和包容。*后，我会对书中的任何错误或不准确描述负责。