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1、重温历史：发现量子（必读）量子理论是关于自然界的最基本的理论，它被认为是人类所创造的最优美、最成功的科学艺术品。它优美的数学形式令人赞叹，它精确的预言与实验惊人地符合，而它的成功应用更是遍及了现代社会的每个角落。从激光、核能到计算机、互联网，还有最新的量子计算机，无不留下量子的足迹。可以说，是量子引领人们迈入了现代社会，让人们享受到丰富多彩的现代生活。然而，令人不可思议的是，人们至今仍未能理解量子理论的含义，并一直为此争论不休，一些科学家甚至认为这个理论根本没有意义。它的神秘更增添了它的美丽。爱因斯坦无疑是 20 世纪最伟大的科学家，但是，尽管他对量子理论的思索比相对论多得多，晚年仍坦然承认，
2、“整整 50 年有意识的思考还没有使我更接近光量子是什么这个问题的答案”。爱开玩笑的科学家费曼同样对此困惑不已，甚至断言“没有人理解量子理论”。今天的情形又是怎样的呢？大多数人根本没听说过量子，而初学者无不感到困惑不解，更多的实用科学家则只管利用它进行计算。然而，越困难、越具有挑战性的问题就越让人类的好奇心无法割舍，人类志在理解自然的本性，并最终理解自己。那么，量子究竟是什么呢？人们又是如何发现它并为它所困扰的呢？量子理论的含义是什么呢？它又有哪些令人激动的新应用呢？最近，即将由清华大学出版社出版的量子一书将帮助你寻找这些问题的答案。量子是一本介绍量子思想的科普读物，它不仅以生动的语言叙述了人
3、们发现量子并试图理解它的曲折历程，并且深入浅出地阐释了量子思想的精义，从而向读者完整地展示了自然的最神秘的量子本性。量子由历史之旅和逻辑之旅两部分组成。历史之旅部分叙述了贯穿整个 20 世纪的惊心动魄的量子思想革命，作者生动地纪录了这一革命历程中主要量子事件的精彩瞬间，突出描述了人们为理解量子所作的各种努力，他们的困惑和领悟，他们的痛苦与欢乐。从普朗克“孤注一掷”的能量子发现到爱因斯坦“一生中最具革命性”的光量子思想，从玻尔的具有“思想领域最高音乐神韵”的原子模型到德布罗意“揭开了巨大帷幕一角”的波粒二象性思想，人们在激动、困惑和不安中度过了发现量子并试图理解它的 1/4 个世纪；从洛伦兹的新
4、力学演讲到玻恩的量子力学命名，从海森伯的魔术乘法表到薛定谔的神秘波函数，人们终于建立了一套系统的量子理论。从此，人类迈入了辉煌的量子时代，但是，量子理论的含义是什么呢？所有的人再一次为这个新的迷题所困扰。从玻恩的几率波、海森伯的不确定关系到玻尔的互补性原理，从 EPR 论证到薛定谔猫思想实验，从玻姆的隐变量解释到艾弗雷特的多世界理论，从彭罗斯的引力坍缩猜测到 GRWP 理论，人们又踏上了理解、完善量子理论的探险旅程，这一充满离奇色彩的科学探险持续至今。通过历史之旅，读者将会亲身经历人们发现量子理论，并试图理解它的妙不可言的探险，并与探险者们一起分享科学发现的快乐，一起感受量子的神秘和它所带来的
5、理解的困惑。在逻辑之旅部分，作者沿清晰的逻辑道路、用浅显易懂的语言逐步揭示了量子的真实含义，为读者展现出一幅奇异而美丽的量子画卷。简单地说，量子就是物质运动的一种本性分立性或非连续性。那么，真实的物质运动究竟是怎样的呢？它是连续的吗？从芝诺悖论到双缝实验，作者对连续运动的真实存在提出了质疑。通过对运动原因的深入分析，作者认识到，由于自由的物体可以自动地改变自己的位置，但又没有原因决定它如何改变自己的位置，因此自由物体只能随机地改变自己的位置，从而物体的运动将是本质上非连续的。实际上，玻恩的粒子观念，玻尔的非连续性思想，还有爱因斯坦所坚持的客观运动的实在性，这三者的完美结合不正是物质粒子的非连续
6、运动吗？！由于时空在更小的尺度上是分立的，物体于分立时空中的这种非连续运动将是自然界中真实的物质运动，它被称为量子运动。在此基础上，作者用类比的方法进一步分析了量子运动的演化规律，这些分析不仅揭示了波粒二象性的物理起源，并且显示了量子力学正是描述这种非连续运动的理论，只不过它是一种不完备的描述。为了让读者更好地理解量子，作者在逻辑之旅的后半部分用生动的语言描绘了量子的不可思议的各种表现，并进一步剖析了人们为量子所困惑的深层原因。同时，作者还通俗地介绍了量子的几个最激动人心的新应用，如量子计算机等。通过逻辑之旅，宇宙中最真实的量子运动第一次清晰地呈现在读者的面前，它是非连续的、跳跃的，完全不同于
7、我们熟悉的宏观连续运动。要知道，这种跳跃发生在宇宙的每个角落，发生在宇宙的任何时刻，它是永恒的！最后，量子还叙述了作者于 20 世纪末在历史与逻辑之间探寻量子含义的曲折历程，希望以此激励更多的读者踏上妙不可言的量子探险之路。纵观全书，量子呈献给读者的并不是纷杂的量子历史和枯燥的逻辑分析，它所散发的是量子思想的持久魅力。在这里，科学不再枯燥、难懂，而成为了通往人类最高思想境界，通往心灵终极快乐的桥梁。无疑，20 世纪所获得的新的科学思想，它们的发展历程和真实含义，以及所带来的深远影响是进入 21 世纪的人们最为关切的，而量子所讲述和阐释的量子思想必将成为推动 21 世纪科学之轮滚滚向前的原动力。
8、它的目标是让更多的人了解量子、理解量子，应用量子，用这个时代最流行的一个词来表达就是：让量子酷起来！人们将量子理论的建立称为人类科学和思想领域中的一场革命，因为它会让所有第一次试图接近它的人感到从未有过的心灵震撼。今天，对于每一个仍然对自然充满好奇的现代人来说，不理解量子，就无法理解我们身边的世界。如果你觉得量子难以理解甚至不可理喻，这很自然，因为你生活在经典世界中，你所看到的和经历的都是宏观物体和它们的连续运动，从一开始你所受的物理教育也是牛顿的经典理论。然而，这一切对于量子世界中的粒子和运动都已不再适用，每个人都会有一种脚下的土地突然被抽去的感觉。是的，你正步入一个完全陌生的世界，通常的感
9、觉和经验不再能帮助你，你需要借助理性的光辉来照亮前进的道路。不必担心，跟随我们，保持开放的思维，并乐于去理解，你会逐渐认识这个新的量子世界，并真正窥见它的神秘和美丽。那么，阅读量子吧！ 1900年对于科学来说无疑是一个新的开端。这一年，诺贝尔基金委员会成立，从此代表科学界最高荣誉的诺贝尔奖开始颁发；这一年，希尔伯特在国际数学家大会上提出了著名的 23 个问题，为新世纪勾勒了一幅美丽的数学画卷；也正是在这一年，普朗克发现了量子，人类从此迈入了辉煌的量子时代。1900 年 10 月的一个秋日的午后，在柏林近郊一条幽静的林间小路上，普朗克和他的儿子正在散步。秋天将整个柏林染成了梦幻般的金黄色，小路两
10、边已积了一层厚厚的落叶。普朗克有些激动地说道，“埃尔文，你知道吗？爸爸可能已经做出了可与牛顿力学相媲美的伟大发现。”这正是量子的发现。那么量子是什么呢？简单地说，它就是自然的一种本性分立性或非连续性，而量子的历史就是人们研究这种非连续性的探险历程。对于量子的发现历史，即使是科学史家们都抱怨它过于复杂，更不用说一个普通的读者了，这一方面说明了量子的发现是如何的艰难，另一方面也说明了顽固的偏见是多么难以抗拒。因此，我们这里并不想让完整却无味的历史来破坏读者的兴致，而是让读者去亲身经历那些最激动人心的伟大时刻，并分享由此所带来的精神快乐。请记住，只有逻辑才清晰可见，而经验的历史总是纷乱复杂的。也许你
11、没有机会进入大学，也许在大学里你没有机会学习量子理论，但你仍然可以理解神秘的量子，并最终欣赏它的美丽。爱因斯坦曾慨叹，“新思想要到什么时候才会出现呢？谁要是能活到那个时候并且能够看到这一点，那该是多么幸福啊。”与爱因斯坦相比，你是幸运的，因为一些新思想已经出现，你也会因为与它们的偶遇而获得从未有过的心灵震撼与精神快乐。日常经验告诉我们，物体的运动是连续的，物体性质的变化也是连续的。而经典理论牛顿力学和麦克斯韦电磁场理论也正基于这样的假设，并且它的预测已经被大量的实验所证实。然而，自然并不轻易显露她的神秘和美丽，尽管她会在你付出执著和热情之后给你意想不到的惊喜。孤注一掷的行动“经过我一生中最紧张
12、的几个星期的工作，黑暗中终于露出光亮，一幅未知的远景开始朦胧地显示出来。”普朗克1900年12月14日，柏林亥姆霍兹研究所柏林的冬天是寒冷而干燥的，街上的行人都在匆匆赶路。在德国著名的亥姆霍兹研究所里，一年一度的德国物理学会会议正在召开。参加会议的都是德国各大学和研究所的物理学家，来自柏林大学的普朗克教授已经到了不惑之年，但仍然工作在物理学的前沿领域。图1-1 量子的发现者普朗克永远把对绝对的探求看成是一切科学活动的最崇高的目标。 普朗克演讲的内容是关于物体热辐射的规律，即关于一定温度的物体发出的热辐射在不同频率上的能量分布规律。普朗克对于这一问题的研究已有 6 个年头了，今天他将公布自己关于
13、热辐射规律的最新研究结果。普朗克首先报告了他在两个月前发现的辐射定律，这一定律与最新的实验结果精确符合（后来人们称此定律为普朗克定律）。然后，普朗克指出，为了推导出这一定律，必须假设在光波的发射和吸收过程中，物体的能量变化是不连续的，或者说，物体通过分立的跳跃非连续地改变它们的能量，能量值只能取某个最小能量元的整数倍。为此，普朗克还引入了一个新的自然常数 h = 6.55 10-27 ergs。这一假设后来被称为能量量子化假设，其中最小能量元被称为能量量子，而常数 h 被称为普朗克常数。图1-2 奇妙的量子曲线(点击放大)普朗克于1900年发现了隐藏在这些曲线中的量 于是，在一次普通的物理学会
14、议上，在与会者们的不经意间，普朗克首次指出了热辐射过程中能量变化的非连续性。今天我们知道，普朗克所提出的能量量子化假设是一个划时代的发现，能量子的存在打破了一切自然过程都是连续的经典定论，第一次向人们揭示了自然的非连续本性。普朗克的发现使神秘的量子从此出现在人们的面前，它让物理学家们即兴奋，又烦恼，直到今天。物体通过分立的跳跃非连续地改变它们的能量呢，但是，怎么会这样呢？物体能量的变化怎么会是非连续的呢？根据我们熟悉的经典理论，任何过程的能量变化都是连续的，而且光从光源中也是连续地、不间断地发射出来的。图1-3 能量量子宇宙中的任何振动所具有的能量都是最小能量元 h 的整数倍，h 是普朗克常数
15、， 是振动的频率 没有人愿意接受一个解释不通的假设，尤其是严肃的科学家。因此，即使普朗克为了说明物体热辐射的规律被迫假设能量量子的存在，但他内心却无法容忍这样一个近乎荒谬的假设。他需要理解它！就象人们理解牛顿力学那样。于是，在能量量子化假设提出之后的十余年里，普朗克本人一直试图利用经典的连续概念来解释辐射能量的不连续性，但最终归于失败。1931 年，普朗克在给好友伍德（Willias Wood）的信中真实地回顾了他发现量子的不情愿历程，他写道，“简单地说，我可以把这整个的步骤描述成一种孤注一掷的行动，因为我在天性上是平和的、反对可疑的冒险的，然而我已经和辐射与物质之间的平衡问题斗争了六年（从 1894 年开始）而没有得到任何成功的结果。我明白，这个问题在物理学中是有根本重要性的，而且我也知道了描述正常谱（即黑体辐射谱）中的能量分布的公式，因此就必须不惜任何代价来找出它的一种理论诠释，不管那代价有多高。”1919 年，索末菲在他的原子构造和光谱线一书中最早将 1900 年 12 月 14 日称为“量子理论的诞辰”，后来的科学史家们将这一天定为了量子的诞生日。普朗克科学定律普朗克曾经说过一句关于科学真理的真理，它可以叙述为“一个新的科学真理取得胜利并不是通过让它的反对者们信服并看到真理的光明，而是通过这些反对者们最终死去，熟悉它的新一代成长起来。”这一断言被称为普朗克科学
