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极简量子力学
[美]张天蓉 著
中信出版集团
目录
序言
前言
第1章 量子究竟是什么
第2章 量子的奇妙特性
第3章 我们身边的量子应用
第4章 量子纠缠究竟是什么
第5章 量子纠缠的探索之旅
第6章 量子信息的新世界
附录一 常见的量子“迷雾”
附录二 量子力学大事记
附录三 参考资料
版权页
序言
杰出的科学家是广受欢迎和爱戴的教授，往往也是出色的科普作家。爱因斯坦在提出相对论后撰写的《狭义与广义相对论浅说》一书，以及费曼的著作，都是科学家做科普的著名例子。科普是一种更广泛意义上的教育，而且在某种程度上来讲难度更高，因为受众更广，读者水平和知识背景更加参差不齐。因此我对著作颇丰的科普作家张天蓉女士充满敬意。
要写好物理方面的科普著作，作者本人必须具有深厚的学术修养，真懂物理，起码懂得自己所写的主题。当下一个时髦的主题正是“量子”，有关量子的文章、报道乃至广告可谓铺天盖地、数不胜数。然而，何为量子，何为量子力学，何为量子纠缠，有几个人能说得清楚？又有多少是道听途说、人云亦云，乃至以讹传讹？
在我们生活的信息时代，量子是不可或缺的要素。我们身边的手机、电脑、电视，以及其他一切电子产品，无不建立在依据量子力学发展起来的凝聚态物理的基础之上。我们就生活在这样一个量子的世界中，每个瞬间都被量子效应环绕包围，须臾不可摆脱，时刻浸淫其中。可以说，所谓现代社会，就是量子力学打造的时代。
然而，关于什么是量子，什么是量子力学，什么是更加神秘的量子纠缠，我们太缺乏一本立论正确又深入浅出的科普读物，为广大读者祛魅解惑。就在此时，张天蓉这本书应运而生。
首先，对于“什么是量子”的问题，作者用一个楼梯的比喻进行了形象化的解释：经典世界就像斜坡，像长度这样的物理量可以连续变化，而量子世界就像楼梯，只能一级一级地上升或者下降。那么，像这样的“楼梯”一级有多高呢？对长度而言，这样一个最小的单位只有1.6×10–33
厘米，比原子的直径小得多。在构成我们周遭一切物体的物质世界中，这样的“楼梯”无处不在，只是它们的尺度太小，我们不能直接观察到。这样一来，读者便会明白，市面上五花八门的以某种小颗粒制品冒充“量子”的产品，其实都与量子没有任何关系。
其次，对于“什么是量子力学”的问题，这本书通过介绍经典的双缝干涉实验，给出了量子力学的一项基本特征。物理学家费曼认为，杨氏双缝电子干涉实验是量子力学的心脏，“包含了量子力学最深刻的奥秘”。这个奥秘就是量子的波粒二象性：在量子力学中，物体可以同时既是粒子又是波！电子是粒子，它可以如子弹一样一颗一颗地发射；电子也是波，能像光波一样产生干涉。一个世纪以来，已经有许多实验证明了电子的波动性，这种波用薛定谔方程来描述，我们称之为波函数。1926年玻恩给出的波函数的概率解释，成为此后人们对量子力学的基本诠释。尽管还存在无数的质疑和争论，但量子力学的成功，却是毋庸置疑和无与伦比的。前面提到的电子器件，都建立在半导体能带理论的基础上，而能带理论不过是量子力学在固体物理中的应用。由能带理论引申出的自旋电子学等领域，更是由典型的量子现象和量子力学理论计算组成的领域。
再者，近年来风靡一时的“量子纠缠”问题，更是这本书的核心。关于这一问题，作者在《物理》杂志和网络上发表过许多科普文章。量子纠缠的根源在于量子态的非定域性
[1]

，与经典物理的定域性形成鲜明对比。由于这种非定域性，两个粒子（如光子）在一定条件下可能形成纠缠态。在过去很长一段时间内，量子力学与定域实在论之间的矛盾只能从哲学角度加以论述，直到贝尔不等式出现。1965年，贝尔从爱因斯坦的定域实在论和隐变量假设出发，得出结论——二粒子的自旋纠缠态关联函数满足一个不等式。1972年，弗里德曼和克劳泽首次利用光学实验推翻了贝尔不等式，实验结果与量子力学的预言相当吻合，从而确立了量子力学的正确性，也推翻了定域论及其隐变量解释。
有人据此认为爱因斯坦是反对量子力学的，这完全是一种误解。爱因斯坦说过：“物理学理论最近的和最成功的创造，即量子力学。”不过爱因斯坦确实对量子力学的解释抱有怀疑，他毕生坚持定域的实在论观点，而事实证明量子力学的非定域观念是正确的。虽然这种非定域性和由此引申出来的量子纠缠现象尚未在哲学上获得充分的理解，但科学就是在探索中前进的，未知并不可怕。杨振宁先生说过：物理做到极致，就会诉诸哲学；哲学做到极致，就会诉诸宗教。杨振宁先生的话不无道理，但可悲的是，现在有一些所谓科学界的大人物，物理没有做到极致，哲学更是一窍不通，却以他们似是而非的知识来诠释佛教、鼓吹灵魂。所以，对量子和量子力学的理解，既要挣脱传统观念的窠臼，又要谨防堕入不可知论和唯心主义的陷阱。
最后，我想指出，张天蓉之所以有能力写出一系列精彩的物理学科普著作，主要是基于她所受的良好教育，特别是她在美国师从伟大的物理学家约翰·惠勒的经历。惠勒教授是量子力学创始人玻尔的学生，也是爱因斯坦的亲密同事，还是“黑洞”这个名词的推广者。或许正是他的物理洞察力和哲学思维，改变了张天蓉对物理学的基本认识，让她有了茅塞顿开之感。中国古话说：择校不如择师。天蓉得此良师，是她的幸运，她将恩师的教诲发扬光大，又是广大读者之幸！
这本书正是这种传承的见证。
葛惟昆
香港科技大学荣休教授
北京大学物理学院客座教授
2019年4月于北京清华园
[1]
即本书正文中所说的“非局域性”。——编者注
前言
随着中国的量子科学实验卫星“墨子号”上天，公众对量子及量子纠缠的兴趣大增，“量子”俨然成为一个热门话题。也许你是近几年才第一次听说“量子力学”，但实际上它至今已有一百多年的历史，可以说是一门十分成熟且非常成功的物理理论。它直接奠定了原子弹、核技术、光学、半导体工业等领域的物理基础，如今又在量子计算、信息加密等现代高科技领域大显身手。有人说，量子力学是科学史上最为精确地被实验检验了的理论，可以说是人类智力征程中的最高成就。根据统计资料，一个多世纪以来颁发的诺贝尔物理学奖中，绝大部分都颁给了与量子力学有关的研究。
因 ............

书籍插图：

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