圖書簡介
本書是一本介紹量子思想的通俗讀物。作者以生動的語言敘述了貫穿整個20世紀的量子思想革命,同時深入淺出地闡釋了量子思想的精義,從而向讀者完整地展示了自然的最神秘的量子本性。此外,作者還淺顯地介紹了量子的最激動人心的新套用,如量子計算機等。本書不僅可以作為一般讀者了解量子思想的普及讀物,也可以作為量子理論初學者和研究者的參考書。本書獻給所有對自然充滿好奇的讀者。
前言
量子理論是關於自然界的最基本的理論,它被認為是人類所創造的最完美、最成功的科學藝術品。它優美的數學形式令人讚嘆,它精確的預言與實驗驚人地符合,而它的成功套用更是遍及了現代社會的每個角落。從雷射、核能到計算機、網際網路,以至最新的量子計算機,無不留下量子的足跡。可以說,是量子引領人們邁入了現代社會,讓人們享受到豐富多彩的現代生活。
然而,令人不可思議的是,人們至今仍未能理解量子理論的含義,並一直為此爭論不休,一些科學家甚至認為這個理論根本沒有意義。它的神秘更增添了它的美麗。愛因斯坦無疑是20世紀最偉大的科學家,但是,儘管他對量子理論的思索比相對論多100倍,晚年仍坦然承認,“整整50年有意識的思考還沒有使我更接近‘光量子是什麼’這個問題的答案”。愛開玩笑的物理學家費曼同樣對此困惑不已,並斷言“沒有人理解量子理論”。那么,量子究竟是什麼呢?應當如何理解量子理論呢?大多數人根本沒聽說過量子,而初學者無不感到困惑不解,更多的實用科學家則只管利用它進行計算、獲得結果。然而,越困難、越具有挑戰性的問題就越讓人類的好奇心無法割捨。人類志在理解自然的本性,並最終理解自己。
人們將量子理論的建立稱為人類科學和思想領域中的一場革命,因為它會讓所有第一次試圖接近它的人感到從未有過的心靈震撼。現代人所缺少的正是這種真正的心靈震撼,他們太沉迷於感性的快樂,而忽視了理性的尊嚴和威力。今天,對於每一位仍然對自然充滿好奇的讀者來說,不理解量子,就無法理解身邊的世界,就不能真正成為一個有理性的、思想健全的人。令人欣喜的是,量子謎題的最新答案就在這本小書中。只要思考,你就會理解,並有所發現。
如果你覺得量子難以理解甚至不可理喻,這很自然,因為你生活在經典世界中,你所看到的都是巨觀物體和它們的連續運動,從一開始你所受的物理教育也是牛頓的經典理論。然而,這一切對於量子世界中的粒子和運動都已不再適用,每個人都會有一種腳下的土地突然被抽去的感覺。是的,你正步入一個完全陌生的世界,通常的感覺和經驗不再能幫助你,你需要藉助理性的光輝來照亮前進的道路。不必擔心,跟隨我們,保持開放的思維,並樂於去理解,你就會逐漸認識這個新的量子世界,並真正窺見它的神秘和美麗。
本書主要由歷史之旅和邏輯之旅兩部分組成,通過歷史與邏輯的結合向讀者立體化地展現了量子思想的全貌。歷史之旅部分敘述了貫穿整個20世紀的驚心動魄的量子思想革命,生動地記錄了這一革命歷程中主要量子事件的精彩瞬間,突出描述了人們為理解量子所作的各種努力,他們的困惑和領悟,他們的痛苦與歡樂。歷史之旅將引領讀者去親身經歷人們發現量子理論,並試圖理解它的充滿離奇色彩的探險旅程;邏輯之旅則沿著清晰的邏輯道路逐步揭示了量子的真實含義,為讀者展現出一幅奇異而美麗的量子畫卷。同時,也用通俗的語言描繪了量子的諸多不可思議的表現,並深入淺出地介紹了量子的最新套用。通過邏輯之旅,宇宙中最真實的量子運動將第一次呈現在讀者的面前,它是非連續的、跳躍的,完全不同於我們所熟悉的巨觀連續運動;本書最後敘述了作者本人於20世紀末在歷史與邏輯之間探尋量子含義的曲折歷程,希望以此激勵更多的讀者踏上妙不可言的量子探險之旅。
本書呈獻給讀者的並不是紛雜的量子歷史和枯燥的邏輯分析,它所散發的是量子思想的持久魅力。無疑,20世紀所獲得的新的科學思想,它們的發展歷程和真實含義,以及所帶來的深遠影響是進入21世紀的人們最為關切的,而本書所講述和闡釋的量子思想必將成為推動21世紀科學之輪滾滾向前的原動力。我們的目標是讓更多的人了解量子、理解量子、套用量子,用這個時代最流行的一個詞來表達就是,讓量子酷起來!
最後,感謝我的父母高慶峰先生和趙麗華女士多年來對我的悉心撫育和諄諄教誨,並感謝我的妻子劉慧霞女士在本書完成過程中無微不至的關懷和支持。同時,亦對清華大學出版社的大力支持表示誠摯的謝意。
作者2003年10月
目錄
歷 史 之 旅
3
引子非連續運動的思想
5
序幕量子隱現
古希臘時期5
中世紀7
文藝復興時期8
牛頓時代10
最後的經典時代11
三個發現與兩朵烏雲12
15
第1幕發現量子
孤注一擲的行動16
我一生中最具革命性的思想20
薩爾斯堡演講: 光似波,也似粒子23
插曲: 布魯塞爾的女巫盛宴24
思想領域的最高音樂神韻25
從量子回歸經典之橋27
插曲: 哥廷根的玻爾節28
揭開了巨大帷幕的一角29
32
第2幕神秘的量子理論
一個問題,兩個答案32
電子沒有運動軌道!33
魔術乘法表35
波需要傳播方程!37
神秘的波函式38
孰是孰非?39
數學的統一40
但是,它究竟說了什麼?41
42
第3幕正統觀點
它是幾率波42
插曲: 但是你肯定必須理解45
不能同時談論電子的位置和速度45
粒子和波是互補的48
插曲: 誰坍縮了波函式?49
哥本哈根解釋一統天下50
53
第4幕反對者們
不應該放棄到達目標的希望54
1927索爾維——正統與反叛55
插曲: 盒子裡的彈簧人57
琴簫合奏1935——EPR與量子貓59
插曲: 炸藥實驗62
作為反對者的愛因斯坦64
70
第5幕回到經典
玻姆出場70
為粒子找回軌跡72
但是,它卻不可見!73
第一個實在模型73
插曲: 愛因斯坦的評價74
兩難局面75
遭遇不可能性76
殘留的隱變數78
80
第6幕多世界
20世紀保守最好的機密80
重見天日82
去相干與超腦83
插曲: 解救薛丁格貓84
多世界的信徒們85
插曲: 勇敢者的遊戲87
一個美麗的謊言88
91
第7幕統一之路
誰坍縮了波函式?91
求助意識92
熱力學不可逆過程93
動態坍縮之路94
引力出場96
GRW方案97
最新進展98
邏 輯 之 旅
103
引言
105
第1章量子的存在
1.1你追不上烏龜105
1.2哪裡出了錯?108
1.3運動的世界111
112
第2章量子的形式
2.1運動是連續的嗎?112
2.2它不需要理由114
2.3我該怎樣運動?118
2.4非連續運動119
2.5時刻與時隙120
2.6雙縫實驗122
2.7時空是分立的123
2.8量子運動124
126
第3章量子的規律
3.1擴散與聚集126
3.2我似波127
3.3擴散規律128
3.4量子如何疊加?132
3.5我似粒子133
3.6聚集規律134
3.7上帝如何擲骰子?135
3.8兩個世界138
141
第4章量子的表現
4.1夜晚的星光141
4.2你可以存在142
4.3愛因斯坦的鬼波145
4.4小嶗山道士147
4.5粒子間的“心靈感應”148
4.6看好你的貓151
154
第5章理解量子
5.1一個根深蒂固的偏見154
5.2被冷落的非連續性157
5.3月亮與互補性159
5.4新雙縫實驗161
5.5薛丁格的老貓165
5.6延遲選擇與真實性——現在可以影響
過去?!169
5.71+1>3171
5.8量子運動與其他解釋180
192
第6章量子的套用
6.1炸彈檢測專家192
6.2神奇的計算天才194
6.3超光速通信200
210
第7章量子隨筆
7.1小精靈Ψ的故事210
7.2Z與X——兩種神秘212
7.3哥本哈根醫生213
7.4彭羅斯的OR214
7.5A非B效應215
7.6今天的課上不許提問題217
7.7量子研究與二進制碼217
7.8相同的困境218
220
參考文獻
221
後記永恆的跳躍