魔鬼物理学2：迷人又有趣的量子力学 - (EPUB全文下载)

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书籍内容：

魔鬼物理学.2
——迷人又有趣的量子力学
[美] 詹姆斯·卡卡里奥斯 著
孔垂鹏 张彧彧 译
中信出版社
目录
前言
第一部分 脑洞大开的故事
第1章 量子力学三部曲
第2章 得诺奖的光电效应
第3章 神奇的物质波
第4章 超能力般的粒子自旋
第二部分 探索未知的谜题
第5章 波函数的发现与认知
第6章 打开未来之门的薛定谔方程
第7章 著名的海森堡不确定性原理
第8章 平行宇宙中的曼哈顿博士
第三部分 原子的传奇世界
第9章 原子是我们的好朋友
第10章 或快或慢的原子核衰变
第11章 太阳中心的核聚变反应
第四部分 量子力学的神奇力量
第12章 水火不相容的费米子
第13章 如蜜蜂般团结的玻色子
第五部分 伟大的技术与发明
第14章 荧光材料和隐形墨水
第15章 “死光”：天使还是魔鬼？
第16章 半导体和二极管
第17章 晶体管和闪存设备
第18章 自旋电力学和硬盘驱动器
第19章 X射线视力和核磁共振成像
第六部分 开启未来世界
第20章 量子计算机和量子通信
第21章 太阳能电池和纳米技术
后记
致谢
注释
图片说明
献给托马斯，劳拉，戴维
——未来真正的创造者
前言
量子物理学？你正置身其中！
进入21世纪，我们仍然在期待能飞的汽车、喷气飞行背包、圆顶水下城市和机器人私人助理。对此，你可能和我一样沮丧。自20世纪30年代起，那些通俗科幻杂志和漫画书就向我们许诺：至2000年，人类将摆脱日常琐事和地球引力的束缚，迎来一个“乌托邦”式的闪亮新世界。跟今日的现实相比，我们发现，50年前的那些预言真是把我们骗得不轻。
不过……也不尽然。2010年，我们可以和地球另一端的人即时无线通信；笔记本电脑的计算能力远超科幻小说中房屋大小的计算机；我们可以利用核磁共振成像做出医学诊断，而不是靠开刀一窥究竟；从自动提款机到苹果手机，触摸屏随处可见。每天，我们接触到的自动化设备数量惊人，尽管它们当中没有哪个跟机器人罗比相似
[1]

。
这些美好的预测错在哪里呢？简单来说，他们预测了一场能源革命，而我们的革命却发生在信息领域。科幻小说中的喷气飞行背包和死光（death rays），需要以可储存巨大能量的轻型设备为前提。而作为常用储电设备的电池，其性能则受限于电池内部原子的化学和电学性质。尽管科学家和工程师们在研发新型储能系统方面足智多谋，却终究无法改变原子的属性。相对而言，信息只需要一个存储媒介和相应的智能解析。
此外，信息可以保存数千年。苏美尔人成功地实现了数据的长效存储，他们刻于泥板之上的楔形文字使我们得以了解6 000年前的会计制度和《吉尔伽美什史诗》。这些非常笨重的泥板现存于伊拉克，为了传递信息，古苏美尔人不得不将它们来回运送。今天，你无须再亲赴伊拉克阅读泥板上的文字，登录互联网，或者通过其他人发送到你的手机照片，便可浏览。
这些内容存储与传输方面的进步，得益于半导体装置（如晶体管和二极管）的发展。而在通俗科幻杂志初现的年代，数据则存储于笨重的电子管中。首批计算机采用了数千个这样的电子管，以及由装满水银的玻璃管组成的继电器。当这些设备被半导体取代后，电脑的运算能力便呈指数式增长，电脑的尺寸也相应缩小。1965年，戈登·摩尔注意到，大约每隔一年，集成电路上的晶体管数目就会加倍。这一趋势持续了40年，并且为构成现代生活的技术创新奠定了基础。从20世纪30年代书本大小的收音机，到2005年口香糖大小的MP3播放器；从20世纪70年代砖头大小的移动电话，到现在体积小于一副扑克牌的手机，这些技术进步都依赖于信息存储和处理技术方面的持续发展。（如果能量存储技术的发展也遵循摩尔定律，即每两年存储能力增加一倍，那么1970年只能供电1个小时的电池，在2010年则至少可以供电100年。）
如果没有晶体管，计算机可能仍然在使用笨重的电子管，当电流通过时，每根电子管都会产生巨大的热量。如今，一个中等配置的笔记本电脑使用大约一亿根晶体管来存储和处理数据。如果将这些晶体管全部替换成电子管，每根电子管大约几厘米长，至少2.54厘米宽，再将它们分开放置以防过热，我们将会得到一台体积大过白宫的电子管计算机。显而易见，除了联邦政府和屈指可数的几家大型企业之外，恐怕没有几个机构能够负担得起如此壮观的计算设备。这样一来，我们将生活在一个几乎没有计算机的世界里，为数不多的计算机设备没有互联的必要，发展互联网也显得多此一举，商业、新闻业、娱乐业和政治活动也将受到与20世纪30年代一样的限制。假如我们经历了科幻杂志所预言的那种能源而非信息领域的革命，我们或许可以驾驶着喷气飞行背包帅气地上班，却不得不降落在没有手机、DVD（数字化视频光盘）、个人录像机、激光打印机以及个人电脑的办公场所。
另外，量子力学知识在固体物理学领域的应用，使这些电子设备的发展成为可能。当科幻小说家还在想象未来世界的图景时，工业实验室和研究型大学中的科学家们则正在利用他们对量子世界的新理解去发明晶体管和激光。这些最基本的设备构成了现代生活模式的基础，对电子消费品，乃至化学、生物学和医学领域都产生了深远影响。如果没有20世纪前25年少数杰出物理学家对原子和光之间相互作用的不断探索，我们今天的生活将迥然不同。这些量子力学的先驱者们认识到他们将改变物理学的面貌，却几乎没有预见到他们的工作也将改变未来。
***
在本书中，我将解释构成量子力学基础的关键概念，并说明这些概念在研究金属、绝缘体和半导体的性质方面的应用——这些研究构成了固体物理学。我还将讲述，人们如何利用原子核及原子的磁学性质（量子力学的本质现象之一），通过核磁共振成像技术窥探人体的内部结构，并实现了计算机硬盘上海量信息的存储。量子力学带来的奇妙事物不胜枚举：像激光、发光二极管、U盘（一种移动存储设备）这样的设备；诸如材料的超导和玻色—爱因斯坦凝聚态这样的怪现象；再比如“更亮的光”和“更纯的白色”
[2]

。我们将看到，那些在过去50年中带来技术变革的量子力学现象，将对未来50年纳米技术领域的发展产生怎样的影响。
作为物 ............

书籍插图：

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