啤酒与肥皂：用量子理论重新定义世界 - (EPUB全文下载)

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版权信息
书名:啤酒与肥皂：用量子理论重新定义世界
作者:[美]迈克尔·D.菲尔
译者:李巧
ISBN:9787508683379
中信出版集团制作发行
版权所有·侵权必究
前言
如果你在读这本书，那你可能是以下两类人之一。要么你跟我是同道中人，陷入了量子理论的谜中，想看看别人是怎么不借助数学写出了一本关于量子理论的严肃读物；要么你是绝大多数人中的一员，环视周围搞不清楚为什么日常生活中的许多事物要以它们现在的样子呈现。这些事情在我们的生活中不是无足轻重的。相反，它们都是世界上的一些重要特性，只因费解从未被阐述过。是什么赋予物质颜色，为什么铜能导电而玻璃不能，什么是反式脂肪，为什么二氧化碳是温室气体而氧气和氮气却不是？这种对事物运作原理的无知源于理解道路上一种看似不可逾越的障碍——数学。要回答上述问题乃至更多问题，你需要对量子理论有一定的理解，但不一定要懂数学。
本书将培养起你对量子力学的直觉，从而彻底改变你看待世界的视角。你有力学上的直觉，我们把这个力学称作经典力学。如果有棒球手挥了一记长打，你知道这个球要在空中飞一会儿，之后球的飞行路线会变，最终它会回到地面。你也知道如果再用力一点，球就会飞得更快、更远。为什么球会这样运动？因为地心引力。为什么月亮绕着地球转？因为地心引力。这不需要你坐下来解牛顿方程式算出来。日常的经验告诉你苹果是往下落的，车跑得越快制动越慢。但是，日常经验不能告诉你为什么樱桃是红色的，蓝莓是蓝色的。要理解颜色，本质上依赖于量子力学对分子的描述。日常经验没办法让你了解周边的量子现象。如上所述，了解日常生活中的特性，如颜色、电等，我们需要量子理论的视角。
为什么不涉及数学？假设本书一开始讨论时用的是英语，后来跳到拉丁语，然后又跳回英语，每次要做详细解释时都会有这种跳转。这就涉及数学的量子理论的书里出现的情况，只是它们不是从英语跳到拉丁语，而是从英语跳到数学。在一本内容实在的量子力学书［如我的《量子力学基础》（Elements of Quantum Mechanics）］中，你会看到这样的句子，“这些相互作用的解释见下述耦合微分方程”。等式之后的叙述是“解法如下”，然后出现了更多方程式。本书采用的完全是描述式的。许多方程式都被图表取代，只有部分几何方程被保留——这些简单的方程式也有详细的解释。
即使没有数学，量子理论的基本哲学、概念及其应用还是得到了深入阐述。所以，所有读者读完本书都能对量子理论有些了解、对周围的世界有更深入的理解。如果你数学功底不错，这本书也是不错的选择。通过它你可以懂得用数学解释量子理论的一些概念。如果你不介意在不考虑数学的情况下动动脑子，那么这本书将是你了解量子理论的基本原理及其在原子和分子层面的应用的一本不错的书。
第一章
薛定谔的猫
为什么樱桃是红色的，蓝莓是蓝色的？大小代表的是什么？看起来，这是两个风马牛不相及的问题。而且第二个问题根本就不像是个问题。大小谁不知道？不就是一些东西大、一些东西小嘛。但是，量子理论显示这两个问题是密切相关的，而且在20世纪20年代以前，我们对大小的认知完全是错误的。就算我们思考过大小的意义，那些想法也只是在日常生活中凑合能用而已。在1900年前后，用于描述自然万物的物理学和可以让一艘太空飞船降落在火星上的物理学分道扬镳了。最终，我们需要对大小有全新的认知，以解释为什么樱桃是红色的、蓝莓是蓝色的，并且去理解构成我们身体的分子、在电脑中运行的微电子，了解为什么二氧化碳是种温室气体、电是怎么通过金属的。我们的日常经验使我们习惯从艾萨克·牛顿（Isaac Newton，1642—1727）爵士大力推进形成的经典物理学的角度思考。自幼习得的知识使我们以一种完全错误的方式审视自然。本书讲述的是绝对大小的概念及其带来的后果——量子理论，理解它需要我们彻底改变自己思考自然的方式。本书前半部分讲述的是量子理论的基本概念。后半部分审视了原子和分子的一些特性及其在日常生活中发挥的作用，从而将量子理论应用到我们的生活中。
我们先从一个简单的问题开始。量子力学合理吗？在2005年湾区科技展年度盛会（Bay Area Festival of Science Wonderfest 2005）上，我被问到这个问题。Wonderfest是场年度盛事，2005届由加州大学伯克利分校物理学院和斯坦福大学化学学院主办，会上有各种面向非专业人士的演讲，主要介绍一些领域的“最新发现”。然而我被邀请过来不是为了讨论我最新的研究进展，而是回答“量子力学是不是合理”这个问题，自从20世纪量子理论诞生以来，科学家和非业内人士就一直对这个问题争论不休。而我只有一个半小时的时间给出这个问题的肯定答案。这可不容易，于是我花了几个月来思考、准备。活动过后，我觉得我讲砸了——并不是因为我不能用通俗的方式把这个重要问题讲给非专业人士听，而是因为时间太紧了。解释核心概念之前，有些概念背景必须讲，之后才能把经典力学与量子力学做对比。这本书就给了我足够的时间用量子力学描述自然，把这个问题讲清楚。书中的数学计算并不复杂，至多涉及一些简单的方程。不过不涉及数学并不代表读起来简单。读克尔凯郭尔（Kierkegaard）不用懂数学，可是读懂并不容易。本书跟克尔凯郭尔又不同，只要读者愿意动动脑子，后文讲述的物质意义就显而易见。
经典力学描述的是棒球的运动、陀螺的旋转、飞机的翱翔等。量子力学描述的是电子的运动、反式脂肪酸等分子的形状、导电率以及超导性等。经典力学是量子力学的一种极限。量子力学包含经典力学，但经典力学并不包含量子力学。从这个角度说，经典力学是错的。可是我们却用经典力学设计了桥梁、汽车、飞机和大坝。从量子力学对自然做的广义描述来看，我们的设计还不详尽，但从来没有人有过这种担心。用经典力学做指导并不会导致桥梁坍塌、汽车散架、飞机坠毁或是大坝决堤。在经典力学的边界内，也就是我们在每天生活中接触的这个边界内，它的运作堪称完美。我们对世界运转的直觉来自我们日常经验的积累，这些经验基本都属于经典力学范畴。虽说 ............

书籍插图：

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