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數理科學和化學 物理學 理論物理學
 
 
 
 
上帝不擲骰子:量子物理簡史
 作  者: 李淼
 出版單位: 北京聯合
 出版日期: 2018.07
 進貨日期: 2018/9/13
 ISBN: 9787559620798
 開  本: 16 開    
 定  價: 374
 售  價: 299
  會 員 價 : 274
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編輯推薦:

量子理論和佛學有關嗎?
“薛定諤的貓”到底是在說什麼?
《生活大爆炸》中謝耳朵的與量子物理有何淵源?
量子的奧秘、科技的發展、人類的終極未來……本書都有答案。
科學飽含真正的美,但只有經過訓練的人才能欣賞到。


內容簡介:

《上帝不擲骰子:量子物理簡史》內容簡介:本書講述了想像一個看不到的世界,既確定又不確定,既存在又不存在,既真實又不真實,我們無法觸碰和感知,也不能否認和忽視。這就是量子的世界。
它或許就是人類認知所能達到的極限。
本書介紹了量子物理創立以來百餘年的歷史,從普朗克、愛因斯坦開始,一直到玻爾、海森堡、薛定諤、費曼,人類歷史上智商zui高的一群人,都深深醉心於這一理論。
即使你自認為已非常瞭解,本書也值得一讀。因為這本書沒有局限在理論和故事,而是發散到哲學、技術等諸多領域。本書絕不是一本正經地傳授知識,而是像朋友一樣指點和啟發,從有趣的故事講到精深的道理。


作者簡介:

李淼
李淼,現任中山大學天文與空間科學研究院院長,中國科學院教授、博士生導師,研究方向為宇宙學和超弦理論,被譽為zui具世界影響力的中國學者之一。李淼是中國引力波計畫的發起人,是劉慈欣極力推薦的物理課老師,同時也為馬雲、羅振宇、徐小平單獨授課。
曾獲文津圖書獎、吳大猷科普獎,著有《<三體>中的物理學》、《越弱越暗越美麗》、《宇宙的一生》、《給孩子講量子力學》。


圖書目錄:

第 01 課 | 想像一個我們看不到的世界——量子力學的開端
第 02 課 | 普朗克:當某樣東西具備無限大能量的可能時……
第 03 課 | 為什麼我們無法擁有透視眼?
第 04 課 | 不確定的世界可以有多大可能性?
第 05 課 | 海森堡:你永遠只能 get 到一半的世界
第 06 課 | 不確定不是我們的辦法有問題,而是我們根本沒有辦法
第 07 課 | 當我們談論量子的時候,波發生了什麼?
第 08 課 | 了不起的薛定諤方程
第 09 課 | 量子理論和佛學有關嗎?
第 10 課 | 你以為的真實就是量子的真實世界嗎?
第 11 課 | 如雪崩般爆發的光子誕生了鐳射
第 12 課 | 薛定諤的貓死了嗎?
第 13 課 | 半導體的前生今世
第 14 課 | 現實版謝耳朵的故事以及英特爾的誕生
第 15 課 | 在絕對零度中活躍的超導體分子們
第 16 課 | 按人類年紀來算,電腦多大了?
第 17 課 | 光在量子力學進程中的貢獻
第 18 課 | 有了量子通訊,再也不擔心個人資訊洩露啦!
第 19 課 | 從量子力學角度看意識與物質世界的關係
第 20 課 | 用量子告訴你為什麼靈魂不存在
第 21 課 | 為什麼物質具有穩定性?
第 22 課 | 你知道量子力學是材料科學的後盾嗎?
第 23 課 | 為什麼世界是一個量子場?
第 24 課 | 除了萬有引力和電磁力外,還有哪些相互作用力?
第 25 課 | 被學術界承認的zui大的發現:黑洞蒸發
第 26 課 | 黑洞不是盡頭,是存在的開始
淼叔愛問答


章節試讀:

這是我們進入量子世界的第一課。那麼,什麼是量子力學?一個由量子力學主宰的世界,到底是什麼樣的?
日常所見的量子力學教科書,都是按照歷史的順序來講述的。但是,這樣的敘述過程是違反邏輯的。雖然量子力學理論的確是按照歷史的順序一步一步展現在世人面前的。但如果我們對歷史作一個複盤,就會發現歷史順序並不是zui好的方法。因此在這本書堙A我們要拋開歷史順序,從邏輯的角度來談論一下量子力學的發現過程。
下麵,我就帶領大家開啟一場量子世界之旅。在遨遊神奇的量子世界之前,我們要先回顧一下非量子力學的世界是什麼樣的?
19世紀末,經典力學和經典電動力學在描述微觀系統時的不足越來越明顯。量子理論和相對論,這兩大理論的出現,像一道分水嶺一樣,把物理學科劃分成了經典物理學和現代物理學兩個涇渭分明的領域。經典力學撐起的經典世界,也就是我們日常生活的世界。
在20世紀以前,我們對經典世界的認識主要來自於牛頓爵士(Isaac Newton)。大家知道,從牛頓開始,現代科學誕生了。牛頓爵士建立了一門全新的學科,叫經典力學,也稱為牛頓力學。其核心是牛頓運動學三大定律和萬有引力定律。
牛頓第一定律說的是,如果沒有外力,物體會一直保持它原有的運動狀態。在物理學上,我們把物體想要保持原有運動狀態的特性叫做慣性。所以牛頓第一定律也叫慣性定律。一個靜止的物體,要是不去推它,它就會一直不動;而一個在真空中運動的物體,你要是不去攔住它,它就不會停下來。
牛頓第二定律說的是,力能改變物體運動的速度。比如說,一個靜止的物體,你推它一下,它就會動起來;而一個運動的物體,你把它抓住,它就會停下來。還有一點很關鍵,就是對於品質越大的物體,要改變其運動狀態就得花越大的力氣。
牛頓第三定律是說,如果你對物體施加一個作用力,就會受到物體給你的一個大小相等、方向相反的反作用力。舉例來說,當你在健身房擊打沙袋的時候,會感到沙袋給你一個回饋的力。你用力越大,沙袋回饋的力就越大。這就是作用力和反作用力在起作用。
除了這三條運動學定律,牛頓爵士還發現了一條關於力的新定律,叫萬有引力定律。它說的是,任何兩個有品質的物體之間都存在著一種彼此吸引的力,其大小與兩個物體品質的乘積成正比,而與兩個物體間距離的平方成反比。這種力普遍存在於整個宇宙。
關於萬有引力的發現,我們都聽說過牛頓與蘋果的故事。一個成熟的蘋果掉落,才引起了牛頓的思考。這種能夠讓成熟的蘋果從樹上掉下來的力就是吸引力。比如說,使得月球繞著地球轉,以及讓各大行星繞著太陽轉的力也是這種吸引力。而這種無處不在的吸引力被稱為萬有引力。
這幾條定律看似非常簡單,但是可不要小看這幾條簡單的定律。由於牛頓力學的巨大成功,20世紀前的科學家們普遍相信,牛頓運動學三大定律和萬有引力定律就是主宰整個宇宙的終極真理。
後來,在物理學中,牛頓的這些發現被總結成牛頓的物理學規律。我們今天回過頭去看這些物理學規律,就會發現它們只適用於我們在日常生活堶惇搢鴘漣酴[現象,例如飛機的飛行,汽車的跑動,火車的行駛,蒸汽機的運行規律等等。包括太陽、地球、行星、甚至宇宙的運行規律,也都是宏觀的。我們把這些規律,叫做遵循牛頓經典世界的物理學規律。我們可以用牛頓的物理學規律做出確定性的預測,這是牛頓的物理學規律的一個重要特點。比如說太陽在早上升起來,在黃昏時落下去,這些預言基本上都是確定的。再具體點說,牛頓的物理學規律對於“明天的太陽會在早上5點鐘升起,在下午5點鐘落下”這個現象,也可以做出非常精確的預言,甚至精確到,比秒還要短的時間長度,比釐米還要小的空間尺度。因此,牛頓的物理學規律被稱為決定論。也就是說,當我們知道了某一個物體現在的位置和速度,就能知道它在未來任何時刻的位置和速度。
決定論在20世紀以前一直是學術界的主流觀點。關於決定論的盛行,zui好的例子就是法國物理學家拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)的故事。
拉普拉斯是牛頓力學的忠實信徒。他曾說過:“我們可以把宇宙現在的狀態視為,其過去的果以及未來的因。如果一個智者能知道某一時刻所有的力以及所有物體的運動狀態,那麼未來就會像過去一樣出現在他的面前。”
這個拉普拉斯口中全知全能的智者,後來被人稱為“拉普拉斯妖”。拉普拉斯用牛頓力學計算了太陽系中所有行星的運動,然後寫成了一本叫《天體力學》的書,獻給了剛剛登基的法國皇帝拿破崙(Napoleon Bonaparte)。拿破崙看了書後問他:“你這本書講的全是天上的事,為什麼一個字都沒有提到上帝?”拉普拉斯回答:“陛下,在我的理論堙A不需要假設上帝的存在。”而這本書後來成為經典天體力學的代表作。
拉普拉斯與拿破崙的相識很有淵源。拉普拉斯在18歲那年帶著一封推薦信去了巴黎,想要見知名科學家達朗貝爾(Jean le Rond d‘Alembert)一面。但是,達朗貝爾把他當成是一個小毛孩子,給他吃了閉門羹。拉普拉斯就把一篇自己寫的論文寄給了達朗貝爾。達朗貝爾看了論文以後,態度發生了180°的大轉彎,不但馬上見了拉普拉斯,還主動表示要當他的教父,zui後甚至把他推薦到一個軍事學校去教書。所以說,當你足夠優秀的時候,zui好的推薦人其實就是你自己。
而在那個軍事學校堙A拉普拉斯和一個矮個子的學生結下了不解之緣。這個所謂的“矮個子”就是日後威震歐洲的拿破崙將軍。隨著拿破崙一步步地登上法蘭西權力之巔,拉普拉斯也跟著飛黃騰達起來。在拿破崙稱帝的時候,他甚至被委任為法國的內政部長,相當於中國的公安部長。可惜拉普拉斯雖然是做科研的一把好手,搞行政卻是一個十足的飯桶,只在內政部長的位子上幹了短短6個星期,就被忍無可忍的拿破崙罷了官。
再回到牛頓的經典力學。其實,牛頓的決定論還有另一個名稱——機械論。
在哲學的範疇婺g常會說機械論是不好的。假如,我們說一個人的思維太機械了,意思就是這個人的思維比較固化。按照牛頓決定論的邏輯,也就是說這個人的思維是可以預言的。當你看到一件事情時,就會想到相關的其他事情,隨後做出相應的反應,這就像宏觀世界中的一些物理學現象也可以被預言一樣。
我們可以把這種物理學規律以及人的行為,做一個非常精妙的比喻,把它們比作一個大鐘。一個大鐘如果運轉正常,那麼上好發條之後,鐘就會有條不紊地走下去,一直到能量耗盡為止。
但是,我們就有疑問了:上述這些現象,即決定論的預言,一定是終極的嗎?是絕對不可改變的嗎?
其實,如果學習了量子力學,我們就會說:不是這樣的。
到了20世紀以後,科學家發現牛頓力學其實只適用於我們日常生活的宏觀世界,如果把牛頓力學放到尺度特別小的微觀世界就行不通了。這就涉及到我們還要談的另外一個重要的問題:所有宏觀物體的背後,是否還有我們所不了解的地方?
比如說,我們面前放著一臺電腦。我們可以把這個電腦拆解開,電腦有顯示幕和主機,拆開主機後有主板,而主板上有積體電路……我們可以把電腦一直這樣分解下去,分解到非常微小的部分,這些部件既有人造的,也有非人造的。
再比如我們面前有張木制的桌子,如果用顯微鏡來看,通過研究木頭中非常細小的紋路,我們就發現了幹化的細胞。歷史上zui早發現的細胞就是幹化的。在這之後,只要你擁有足夠強大的顯微鏡,你就能看到細胞堶惘釩雃h更微小的結構,比如:細胞核、線粒體和DNA等。
萬事萬物都是由分子和原子構成的,通過這個我們可以想到古希臘的原子論。古希臘人的理論,就是在邏輯上推演出來的。他們想瞭解萬事萬物的堶惆鴝釵釣S有更基本的東西,於是他們就向事物的內部深處推演。
舉個例子,我們把一塊石頭,用錘子敲碎後,會變成許多小石塊。這些小石塊也可以繼續被敲碎,變成更小的石塊。我們就這麼一直敲下去,zui後會敲出一個zui小的石塊,小到無論我們再怎麼敲,都無法分割它了。那麼,這個再也無法被分割的石塊就被稱為“原子”。
古希臘人早在2000多年前就已經提出了原子的概念。只不過古希臘人所說的原子,完全是一種哲學上的思辨。
那麼原子是什麼時候從哲學上的思辨,進入科學中的?
zui早從科學上闡述原子概念的人,是知名的奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼(Ludwig Edward Boltzmann)。他認為很多宏觀的現象,例如:熱量從溫度高的地方向溫度低的地方傳遞,就可以通過分子和原子理論來解釋。玻爾茲曼一直相信世界是由原子構成的,並以此為基礎創立了一門叫統計力學的學科。不過在那個年代,大家都普遍不相信原子論,所以玻爾茲曼在學術上有一大批反對者。這些人常年攻擊原子論,甚至直接攻擊玻爾茲曼本人,這讓他感到很痛苦。玻爾茲曼曾感慨自己是一個“軟弱無力地與時代潮流抗爭的人”。但玻爾茲曼並非孤軍奮戰。當時,有一個年青的德國科學家也站在他這邊。而這個德國科學家不是別人,正是日後被稱為“量子論之父”的普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck)。不過當時玻爾茲曼很心高氣傲,覺得支持他的德國人是個無名小卒,根本看不上眼。
玻爾茲曼是一個很奇怪的老師,他上課時不喜歡往黑板上寫東西,光是在講臺上一個人“哇啦哇啦”地講個不停。有學生向他抱怨說:“老師,你以後得往黑板上寫公式,光講不寫,我們都記不住啊”。 玻爾茲曼一口答應了,但是到了第二天,他又在課堂上滔滔不絕地講,zui後還總結道:“大家看這個問題,就像一加一等於二那麼簡單。”然後他突然想起自己上次對學生的承諾,於是拿起粉筆,在黑板上工工整整地寫上了“1+1=2”。(求當時學生們的心理陰影面積。)
其實,從19世紀末一直往前推,到牛頓和伽利略,甚至到更早的古希臘時期,人類都是用宏觀的概念來描述這個世界的。一切東西都可以用宏觀的量來表示,牛頓的物理定律就是從宏觀這個概念出發的。
桌子或者是電腦,這兩樣東西都是固體,有體積、有品質;氣體有壓強和密度。當你觸摸一個東西,會感覺到它有溫度;當你稱量一個東西,能看到它的品質;你周圍有空氣,你也可以感受到大氣的壓強,比如在地面上,壓強是1個大氣壓;當你登上高山,氣壓就降低了。在上海的1個大氣壓條件下煮水,水到100攝氏度才會沸騰。但是到了青藏高原上,由於壓強降低,所以水不到100度就沸騰了。我們這奡ㄗ鴘漯宣撉瘍橦n、品質、水的溫度、密度和大氣的壓強等等,這些都是宏觀的概念,我們把這些量叫做宏觀的量。
雖然之前沒有足夠強大的放大鏡或者顯微鏡,去研究木頭堶悸熔茩M,細胞堶悸漱壑l和原子,但是從古希臘的原子論開始,到19世紀下半葉的原子理論,科學家們其實早就開始去想像一個我們看不見的世界。這些古希臘的哲人和物理學家,利用他們的想像,去探知一個我們無法直接通過肉眼就看到的世界。
那麼如何去解釋這些宏觀的現象呢?一個zui簡便的方法是:假定分子和原子是存在的。比如,玻爾茲曼就曾假設:一團氣體的溫度其實標誌著這團氣體堶悸漱壑l和原子運動的速度,這些原子的速度越高,氣體的溫度就越高。這就是一個關於原子的假說。
到了20世紀初,很多物理學家都提出了一些理論。特別是愛因斯坦(Albert.Einstein),在1905年提出了狹義相對論,還提出了光子的概念。
他同時還提出了一個非常聰明的辦法來證明分子和原子是存在的。那就是我們通過在放大鏡下觀測花粉在液體中的運動,來間接地觀察分子和原子,這種運動就叫做布朗運動。
花粉雖然小到我們肉眼看不到,需要用放大鏡去觀察,但是它還是沒有小到分子和原子那樣的程度。因此,花粉也還是一個比較宏觀的物體。愛因斯坦說,由於花粉在液體中受到液體堨]含的大量分子和原子的碰撞,它就產生了像醉漢一樣無規則的運動。愛因斯坦認為,通過測量花粉的運動規律,例如每秒鐘可以走多遠,就可以測量每立方釐米這種液體堶惕t有多少分子和原子,這個數值就是所謂的阿伏伽德羅常數。
愛因斯坦是第一個用理論測量分子和原子的科學家。在愛因斯坦發表這個理論之後不久,就有其他物理學家,特別是法國的讓·皮蘭(Jean Perrin)等人,通過實驗測出了阿伏伽德羅常數。這個常數代表單位體積的物體內含有多少個分子或原子。
這就把我們引入了以前只存在於想像中的那個世界,也就是古希臘人和19世紀下半葉的玻爾茲曼等物理學家想像的一個微觀世界。這是牛頓和在他之後的物理學家沒有辦法想像的。這些也是我們在這本書中要談到的量子世界中的奇妙力量。
在這個微觀世界中,到底是由什麼物理學規律統治著?這個被我們稱為“量子世界”的時空中的物理規律到底會是什麼樣子?
太陽還會像在經典世界中一樣,由我們準確預測到早上5點升起,在黃昏5點鐘落下嗎?或者我們是不是沒有辦法做出跟經典世界中一樣準確的預言?
以上的兩個問題,所表達的就是量子理論要覆蓋的一個方面,在瞭解量子理論之後,我們就能夠得到一個解答。當然我們還會解答一些更加讓人腦洞大開的問題,一些大家沒有想像過的問題:
比如,桌子為什麼能在很長時間內都不改變形狀?電腦為什麼可以長時間使用而不會破損?我們在大街上開車的時候,為什麼可以安心地坐在堶情A而不會擔心車輛散架……
觀察仔細的人就會發現,我們以上提到的這些物體都是固體。在生活中,我們還會遇到除了固體以外的非固體的東西,例如水和油之類的液體。除了液體之外還有氣體,比如我們周圍的空氣。
回想一下,我們小時候都玩過氫氣球。這些氫氣是怎麼來的?
我們可以把鋅放到硫酸堶情A讓它分解出氫氣。我們還可以做更多實驗,把大氣堶悸漲角懂ㄞ瞼X來,變成氧氣、氮氣、氫氣和二氧化碳,甚至是水蒸氣。氣體和液體不同於固體,是可以改變形狀的。它們還有一個特性,就是不會突然爆炸。這堜珨〞疑z炸不是化學家所研究的那種特殊情況產生的爆炸,而是只談論生活中我們能夠接觸到的氣體和液體,它們不會突然發生爆炸,也不會突然變形。
再舉一個例子,我們在一個水杯中倒上半杯水,如果我們不去喝它,過了一段時間或是一夜(短時間內,這堣ㄔ]括液體蒸發),它還是半杯水,而不會變得更多或者更少。
這是為什麼?從經典世界來說,牛頓的物理理論和在他之後的物理學都沒有對此現象做出解釋,而是把這種現象當成了一個既定的事實,一個我們不得不接受的事實,或者說一種規律。
例如,桌子不會變形,只因為它是固體;電腦經久耐用,也是因為它是固體等。傳統的物理學中沒有解釋這些問題,也不想做出解釋。外形無法改變的電腦的金屬外殼有強度和硬度,外形可以改變的橡膠有彈性係數。物理學家把所有這些東西都用一些宏觀的概念總結成為經驗和規律,但是他們卻對這些規律不加以解釋。
我們再回到剛才提到的那半杯水,到了明天它仍然是半杯水。經典物理學家就會解釋說,在給定的溫度和大氣壓之下,水的體積不會變。再以我們周圍的空氣為例,物理學家們說,在溫度為15攝氏度、氣壓為1個大氣壓的情況下,空氣的體積就不會發生變化或者突然爆炸。所有這些現象都變成了我們不得不接受的經驗事實和規律。
但是到了19世紀下半葉,玻爾茲曼等物理學家想要對宏觀現象做出解釋,就必須假設出分子和原子。
到了20世紀,物理學家們進一步發現了更多物理學界的新現象。因此他們不得不解釋這些新現象,不得不強迫自己衝破牛頓力學的既有概念——決定論,直到發現了量子理論。
直到今天,無論是普通人還是實驗室中的物理學家們,仍然覺得量子力學非常神奇。因為它能解釋很多我們以前不願意或者無法解釋的現象。同時,這些量子力學的理論非常新穎和奇異,以至於我們在邏輯上認為,量子論的世界是根本無法理解的,因為它突破了我們日常生活的經驗和常識。
對於我們來說,量子力學中的世界是一個完全陌生的世界。我們還沒有瞭解其中的物理學規律。
現在,我們要嘗試通過這本書來對量子力學做一個初步的瞭解,以此來對我們周圍的世界做出更加深入的探索。


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