了解日常中的量子力學

2005 年是世界物理年（World Year ofPhysics），是對愛因斯坦于1905 年相繼發(fā)表的三篇劃時代論文的100 周年紀念。這三篇論文中，最有名的應(yīng)該是第三篇，因為他在這篇文章中提出了舉世聞名的相對論，而第二篇則為物質(zhì)由原子構(gòu)成這一在當時存在爭議的觀點提供了明確的證據(jù)。這兩篇論文都對20 世紀及之后的物理學發(fā)展產(chǎn)生了深遠影響，然而，真正帶領(lǐng)我們走進量子力學時代的，卻是愛因斯坦的第一篇論文。

在這篇論文中，愛因斯坦論述了自己不久前做的一些實驗。雖然在很多情況下光被人們認為是以波的形式傳播的，但愛因斯坦卻在論文中表示，量子（quantum）是指在光束中以波包形式傳播的能量。這個明顯的悖論引出了波粒二象性（wave-particle duality）概念，并最終引出了著名的或者說臭名昭著的薛定諤的貓理論。我寫作《人人都該懂的量子力學》這本書的目的，就是想向讀者介紹量子力學領(lǐng)域具有代表性的一些成果和重大突破。

雖然書中包含了一部分解釋物質(zhì)如何以原子及更小形式運動的內(nèi)容，但我們的重點還是會放在解釋日常生活中的量子力學現(xiàn)象上。

很多人并沒有意識到，許多現(xiàn)代科技都有著明確的量子力學基礎(chǔ)。例如，驅(qū)動計算機運轉(zhuǎn)的硅芯片內(nèi)部的運行機制，以及電流能夠通過金屬線傳導卻無法通過絕緣體傳導這種現(xiàn)象背后，都包含著量子力學原理。多年來，人們一直擔心現(xiàn)代科技會對環(huán)境造成不良的影響，尤其是大量二氧化碳排放到地球大氣中后導致的全球變暖現(xiàn)象。這種溫室效應(yīng)實際上也是量子力學的一種表現(xiàn)形式，而科學家們正在研究環(huán)保技術(shù)與之對抗。我們在書里討論了這些現(xiàn)象，也討論了量子力學在超導性（superconductivity）材料和信息技術(shù)中的應(yīng)用。在本書的最后部分，我們闡述了量子力學所涉及的一些哲學思考。

量子力學是公認的極度復雜且難以理解的學科，人們普遍認為，一個人只有相當聰明且精通高等數(shù)學，才能理解量子力學。然而，量子力學并不是火箭科學（rocket science）。我們可以利用波粒二象性的概念，在不需要掌握太多數(shù)學知識，或者說不需要具備任何高等數(shù)學能力的前提下，就能理解很多重要的量子力學概念。因此，本書基本不包含高等數(shù)學的內(nèi)容，不過對于一些觀點，我們會用數(shù)學專欄做出補充說明。我們只會用到基礎(chǔ)的數(shù)學知識，這些都是很多讀者上學時就會學到的知識，即便忽略這些內(nèi)容也不會影響對書中觀點的理解。此外，這本書的目標是引領(lǐng)讀者了解量子力學，而不是僅僅用一些驚人的量子力學結(jié)果來讓大家留下印象。出于這個原因，我們適當?shù)厥褂昧艘恍﹫D片或表格，我們建議讀者結(jié)合文字對此進行認真的研究。書中不可避免地會出現(xiàn)各種專業(yè)術(shù)語，我們也在本書最后提供了術(shù)語表。一些讀者可能已經(jīng)對物理學有了一定的了解，所以會注意到書中對一些觀點做了簡化處理。對入門級別的圖書來說，簡化處理不可避免，但我希望并且相信，這樣的簡化不會造成模型或論點的使用錯誤。

我要感謝伯明翰大學里我曾經(jīng)的學生和同事們，我在那里教了30 多年物理學，我要感謝他們給了我機會，拓展并深化了我對物理學的了解。維多利亞·羅達姆（Victoria Roddam）和Oneworld出版公司表現(xiàn)出了足夠的耐心，但也給我施加了必要的壓力，我雖然沒有按時交付稿件，但也沒有拖延太久。我還要感謝安和我的其他家人，感謝他們的耐心和包容。最后，我會對書中的任何錯誤或不準確描述負責。