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數理科學和化學 物理學 理論物理學
 
 
 
 
量子世界的發現之旅
 作  者: (美)邁克爾•S•沃克
 出版單位: 中信
 出版日期: 2019.01
 進貨日期: 2019/5/8
 ISBN: 9787508696393
 開  本: 32 開    
 定  價: 443
 售  價: 354
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編輯推薦:

零基礎讀懂量子力學

探索與眾不同的量子世界

找到關於物質和宇宙本質的全新答案

本書從量子力學角度解釋了我們周遭世界中的萬物,以及科學家和工程師如何運用這些科學發現去取得重要的科學和技術進步,並講述了愛因斯坦、尼爾斯•玻爾、保羅•狄拉克、沃納•卡爾•海森堡、薛定諤等這些科學界響噹噹的人物的故事,將物理世界中奇怪、迷人也美麗的領域栩栩如生地呈現在讀者眼前,載著讀者到一片新領域去探索一番。


內容簡介:

零基礎讀懂量子力學,回答關於量子力學的小白問題:什麼是量子?是誰先開始研究的量子?量子力學這門學科是如何產生的?量子能用來做什麼?沒有量子行不行?

物理學家卡爾•薩根說:“我們生活在一個離不開科學和技術的社會,但卻很少有人瞭解科學和技術。”在一個美麗、迷人的量子世界中,我們本身就是“量子人”,世界上的萬物也是由量子構成的,人類社會的技術進步取決於我們對量子基本原理的瞭解。

量子力學徹底顛覆了我們對於現實世界的常識性認知。在量子世界中,沒有什麼是可預測的,我們已經知道的一切都被顛覆。我們需要重新思考因果關係,重新看待周圍的事物。在這裡,資訊的傳播速度比光速還快……


作者簡介:

(英國)邁克爾·S. 沃克(Michael S. Walker),物理學家、材料科學家、工程師,畢業于麻省理工學院和卡內基-梅隆大學。他的主要研究領域集中在超導體等方面,發表過70多篇學術文章。


譯者:李婕


圖書目錄:

推薦序  / V

前言  / IX

第一部分

發現量子,理解量子 / 1

第1 章量子力學的“諸神之戰” / 3

第2 章實驗與早期猜想 / 7

第3 章量子力學與量子原子 / 42

第4 章 6 億瓦能量 / 66

第二部分

量子力學詮釋和它的啟示 / 71

第5 章量子力學的基本特性 / 73

第6 章不確定性、糾纏與多世界理論 / 77

第7 章量子力學、數學和自然的本質 / 108

第8 章量子計算、密碼破譯、量子隱形傳態和加密 / 112

第三部分

從大爆炸到星系——相對論與量子力學 / 137

第9 章獲取宇宙地圖 / 139

第10 章宇宙的演化 / 157

第11 章大爆炸模型 / 174

第12 章走進大爆炸 / 180

第四部分

量子力學與化學 / 201

第13 章世界的量子本質 / 203

第14 章能量、動量和氫原子電子的空間狀態 / 207

第15 章自旋和磁性 / 213

第16 章不相容原理與元素週期表 / 215

第17 章化學元素的物理特性 / 236

第18 章化學鍵的形成 / 243

第19 章固體材料的構成 / 248

第20 章絕緣體、金屬與半導體 / 251

第五部分

材料與儀器中的量子奇跡 / 255

第21 章納米技術 / 257

第22 章超導體在傳輸、醫學和計算上的應用 / 260

第23 章核聚變與雷射器 / 266

第24 章磁鐵和磁性材料的應用 / 272

第25 章石墨烯、納米管和“夢想中”的應用 / 277

第26 章半導體在電子儀器上的應用 / 287

第27 章超導體在科學、能源與傳輸上的大型應用 / 293

致謝  / 301

附錄A 電磁波的性質和頻譜  / 307

附錄B 元素週期表的發展  / 315

附錄C 量子電腦的發展  / 327

附錄D 原子的大小與元素的化學性質  / 333

附錄E X 射線的產生  / 343

注釋  / 345

術語解釋  / 367

參考文獻與拓展閱讀  389


章節試讀:

我看向窗外紛飛的雪花:雪花本質上是結冰的水,結冰的水本質上是H2O分子,如果沒有特定的量子構造,它們就不會存在了(當然,我也不會存在了)。

我拿出手機:手機的液晶顯示幕、導線、半導體晶片,如果沒有特定的量子構造,它們也都不會存在了。

我們居住在一個美麗且迷人的量子世界。我們自身就是由量子構成的,其他所有物質和生命也一樣。前沿技術的發展越來越依賴於我們對量子法則的理解,然而,我們中的大多數人對此卻一無所知。

1900年,德國物理學家馬克斯•普朗克(MaxPlanck)在研究黑體輻射時發現,黑體輻射出的能量不是連續的,而是一份一份的,他稱之為“能量子”(quanta)。這次事件僅僅是發現之旅的冰山一角,“量子革命”、“量子理論”、“量子力學”、“量子世界”這樣的詞接踵而至。

本書旨在為熱愛思考的大眾讀者展現一個容易理解的量子世界。我會把量子世界中的概念融入過去120年中人們所經歷的科學發現和衝突的歷史背景中來介紹。為了完成這個任務,我大膽地借鑒了最優質的文獻材料,不僅有紙質的,也有其他形式的,並用心地對它們進行了簡化處理,只留下最簡單的數學。

我們需要認識到,如果我們所處的世界沒有量子法則,原子與原子之間會相互重疊,如此一來,所有由原子組成的物體的體積可能會縮小到只有原來的1 000 萬億分之一,然而重量卻不變。我們會變得非常小,身高跟頭髮絲直徑差不多,但重量不變。我們會擁有另一套化學體系:元素將具有完全不同的外觀和屬性。倘若此時分子能夠存在,想必也將完全不同:沒有水,沒有空氣,或許只有固體—因為原子之間僅僅通過引力相互吸引。在這個世界裡,可能也沒有火。生命會存在嗎?如果存在,它們的形式會是怎樣的呢?思維呢?意識呢?

若不是早期宇宙物質分佈不均勻(或許可以由量子漲落來解釋),那些本會成為甯P和星系的物質團塊將有不同的發生機制,並且要花更長的時間才能聚合到一起。我們也不會擁有太陽、陽光,以及萬物生長的地球。

但是,我們就在這兒,星系在旋轉,我們依舊擁有身邊的一切,這都是因為量子法則以及原子維繫著宇宙的運轉。雖然在日常生活中我們無法眼見為實,但是這個世界的內在運作機制是非常奇怪的,奇怪到會讓我們的腦子一片混亂。

“量子理論”,或者叫作“量子力學”,不僅解釋了這個世界內部的奇怪運作,還與愛因斯坦的相對論一同,解釋了我們周圍所觀察到的一切現象,包括牛頓物理學所不能解釋的方面。“這個理論中沒有一個預言被證明是錯誤的。”1 量子力學也帶來了新的發明創造。即使在5 年前,我們也可以肯定地說“1/3 的經濟都依賴於量子力學產品”2。量子力學奇異在哪裡呢?首先要意識到,在量子世界中發生的事件並不能由過去的事件來預言、決定,而是基於概率。量子世界中存在“量子糾纏”,即非局域性,被愛因斯坦稱作“幽靈般的超距作用”3—兩個處於量子糾纏態的物體分別被放置在相距很遠的兩個地方,只要測量其中一個物體的狀態,就能在沒有資訊傳遞的情況下立刻知道另一個物體的狀態,這種作用甚至超過了光速。如此一來,我們必須改變對因果關係的理解(有趣的是,解決這些量子世界奇異性的方案本身也很奇異:我們生活在多個平行世界中的一個)。

既然世界是基於如此的奇異性和不確定性運行的,那工程師又是如何測量行星的運動,將火箭發射到月球甚至更遠的地方,以及建造出似乎能精確運作的機器的?其實,他們使用(並將繼續使用)的經典力學理論—可以看作是物理學理論的簡略版—足以描述宏觀世界了。相比於描述微觀世界的量子力學,經典力學能夠為我們研究宏觀物體提供更快、更簡單實用,同時也足夠精確的方法,而無須進行完全準確,但複雜費時,且並無必要的量子力學概率計算。

不過,值得一提的是,工程師使用的現代工具和機器的一些零件,是基於量子力學的觀點設計的,比如雷射器、超導體和所有半導體電子器件。

在下文中,我將解釋我們如何理解並應用量子特性,以造福人類。在第一部分,我將介紹“量子革命”,這場革命促進了我們對量子世界的理解,同時也存在諸多爭議。我會介紹一些關鍵的實驗和理論結果,包括量子的發現、概率的性質,以及如今被廣為接受的理論是如何描述世界的。我還會通過實例展示這些概念如何推動相關應用的發明,比如雷射器。

在第二部分,我會簡要總結糾纏理論的進一步發展,並描述其更廣泛的含義。事件不能既是“客觀實在的”又是“定域的”,我會解釋這些術語的意義。在這裡我還會介紹一些潛在的新應用:量子電腦,它的運行速度比傳統電腦快得多;量子密碼學,可以通過糾纏實現神奇的量子隱形傳態(和心靈學中的“遠距傳送”可不是一回事)。

在第三部分,我會介紹量子對我們這個世界的深遠影響,從大爆炸後最小的粒子到甯P與星系的形成都有它的蹤跡。我會介紹黑洞、超新星、希格斯玻色子和組成宇宙的基本粒子,還會解釋大爆炸後極高能量下量子力學和廣義相對論的看似不相容性,其可能的解決方案是弦論和圈量子引力。

在第四部分,我會將量子理論和真實的世界,以及我們身邊見到的事物聯繫起來,介紹多電子的原子如何遵循氫原子的量子構造,來解釋化學以及所有物質的性質。(對我來說,這是量子力學最重要的產物:一種新的認識,最終成了新的發明創造的源泉。)

我會描繪原子內部的景象,哪怕是物理和化學專業的學生,也能從這些內容中獲得啟發。隨後,我將簡要介紹粒子間的結合以及材料科學內容,為第五部分做好鋪墊。

在本書的最後一部分,我會介紹許多材料與器件上的新發明,包括超導體與超導器件、核聚變和如今的固態電子量子器件,它們要麼來自量子力學的發展,要麼可以用量子力學來解釋。同時我還會介紹正在開發的新型超導體、半導體和其他材料(包括石墨烯和納米管),以及這些新材料在醫藥、電子和能源儲存上的應用。

在整本書中,我將講述一些推動量子力學發展的才華橫溢的科學家的故事,讓讀者們得以瞥見他們的個性和生活。為了將這些故事和其他零散的資訊與本書主體內容區分開,我將這些細節內容單獨列了出來。

我還會做額外的背景介紹和解釋,有時候並不按照時間順序,這些內容零散地插入在書中各處,以縮進的小字段落表示。最後,對於想深入挖掘的讀者,我會提供一系列與具體章節相關的附錄,以及我推薦的書籍清單(包括一系列的講座光碟)。我經常多次引用相同的書籍,這些書籍用A—Z的字母進行標記,由於這些書籍數目超過了英文字母總數26,多出來的那部分書籍我將使用兩個字母標記,比如AA、BB、CC等。

歡迎閱讀本書。

 
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