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编辑评论：

海滩上的薛定谔：与量子物理学的假期：相对论和量子力学等

简介

什么是量子？

什么是波粒二象性？

量子物理学到底在研究什么？

它使用什么理论“构件”来建造一座新的科学大厦？

它如何定义世界上的“不确定性”？

它在我们的日常生活和技术中有哪些应用？

自20世纪初量子物理学诞生以来，我们的世界观发生了颠覆性的变化！

“从我们探索量子物理学的那一天起，我们就离我们很远了。”

欧文·薛定谔是这一时期的标志性人物。他几乎参与了量子力学的每一个关键阶段，他的研究继续为该理论带来决定性的启发。他创造了波浪力学，他的猫“在生死叠加”成为了一个众所周知的比喻。他的方程描述了粒子如何在微观状态下随时间变化，他与爱因斯坦共同开发了量子纠缠的概念，并成功地为 80 年后出现的新兴量子生物学铺平了道路。

直到今天，我们每个人都在不知不觉中享受着这一理论的好处。从 GPS 和原子钟到智能手机，从医学成像到量子通信，量子物理学不可抗拒地改变了我们的生活，塑造了我们的未来。

法国物理学教授查尔斯·安托万（Charles Antoine）用简单诙谐的语言和直观的图表向我们展示了奇异的量子世界。在了解量子物理学发展的同时，我们也能更深刻地感受到这一理论的构建。前景广阔。

图书特色

法国物理学家带你走进奇异的量子世界，踏上薛定谔开辟的非凡旅程，收获平行宇宙的欢乐与知识！

自信地阅读核心科学。当你在躺椅上懒洋洋地打开这本书时，你离理解量子理论又近了一步！

1、对量子物理学的鼓舞人心的介绍，对量子理论的令人放心的介绍。法国物理学家查尔斯·安东尼用七章精心编排，让你对量子物理的理解从0到1，从皮肤到纹理，展现科学基础，不讲笑话就能快速搞定量子什么是物理。

2、除了公式和计算之外，用轻松舒适的表达方式和精确的图表来回答关于量子物理的十大问题，找出被误用的量子物理概念，并呈现具有代表性的数字和实验。

3、量子理论与现实世界的奇妙关系其实就在身边！波粒二象性、双缝实验、量子测量、薛定谔的猫、量子意识……这些神秘的理论与我们的现实世界有何关联？ GPS、原子弹、医学影像、磁悬浮列车、智能手机、量子通信……这些应用背后的理论基础是什么？这本书尽其所能展示量子物理学对我们的生活是多么不可或缺，以及它如何引领未来。

4、薛定谔连接爱因斯坦、玻尔、海森堡、德布罗意、理查德费曼等伟大物理学家的研究路径，再现量子巨擘的精彩瞬间，一步步见证量子大厦的落成。

5、一本小书不会让你登上量子物理学的顶峰，但却为你攀登高峰提供了有用的工具和关键点。当你合上书起身时，你离这个科学高峰又近了一步。

目录

前言···i

第一章开始一段不平凡的旅程···001

简而言之量子物理学 / 关于量子物理学的十个问题

第二章光及其双面···019

1900：历史上的一个重要节点 / 光是波浪吗？ / 爱因斯坦眼中的不连续世界/ 黑体辐射与普朗克常数

第三章量子跃迁与决定论的终结···047

能量不连续与量子跃迁/爱因斯坦的概率，闪耀着智慧/海森堡的无穷数表

第4章一切都只是波函数···065

德布罗意揭开物质波的神秘面纱/波，是的，但是......概率波！ / 量子物理王子：薛定谔方程

第五章量子测量：本书因你而改变！・・・089

什么是经典测量？ / 什么是量子测量？ / 崩溃与流浪 / 某种不确定性 / 让时间溜走的缝隙 / 量子物理学蓝天中的不和谐

第6章：薛定谔和他的猫——量子物理学的核心･･･121

量子世界的莎士比亚可能会说：生死相随 / 量子比特：量子密码学和量子计算机 / 从量子纠缠到量子隐形传态 / 与原子纠缠的猫好奇怪！ / 交响乐团正在寻找表演者

第七章旋转、身份的丧失和物质之光···157

旋转，但不要移动！ / 身份丧失的奇妙影响/ 场的关键：光与物质的结合

结论眩晕与量子世界的前景···181

重力、暗物质、暗能量……每一次危机都是机遇吗？ /从量子生物学到量子意识/开始你的下一个旅程！

词汇表···199

精彩的书摘

第 VII 章旋转、身份丧失和物质之光

量子物理学认为，可以通过粒子（玻色子和费米子）的自旋和不可区分性来了解物质和光的结构。作为量子力学与相对论相结合的产物，量子电动力学的预测得到了很好的验证，尤其是关于真空能量涨落效应的预测。

“要想出舞星，心中必有乱。” ——弗里德里希·尼采，《查拉图斯特拉如是说》

在量子物理学质疑的许多经典物理概念中，“同一性”的概念可能是最令人困惑的。即使这种量子效应乍一看似乎不适用于像人类这样的大型复杂生物，但这种身份的丧失完全颠覆了我们对定义有形事物的概念的理解世界上的事物——它自己的存在。

事实上，在量子物理学中，个体性不再是规律。正如我们在前几章中所讨论的，两个纠缠在一起的粒子形成了一个物理系统，无论它们相距多远。同样，量子隐形传态和隧道效应允许粒子从一个地方跳到另一个地方，而无需经过任何中间位置，就好像它在一个地方瞬间消失并在另一个地方重新出现一样。量子态的叠加和量子跃迁也是如此。因此，量子恒等式与我们在经典物理学中所熟悉的恒等式完全不同。量子身份可以一步一步地改变，它发生的突然和不可预测。如果通过引入自旋概念部分消除了这种固有的不确定性，那只是加强了支配基本粒子并使我们能够理解物质和光的结构的个体性的普遍丧失。

自从提出粒子不可区分的创新主张以来，出现了不同的量子物理学扩展理论。在这些被称为“量子场论”的理论中，量子电动力学是无可争议的原型和无可置疑的宝藏，它给我们好奇的头脑带来了无数的形而上学思考，尤其是关于生产性虚无与我们之间关系的问题。

旋转，但不要移动！

如果像我在上一篇文章中介绍的那样，一个物体的量子同一性可以还原为它的量子态，即最终还原为一种完全符合量子物理学标准解释的信息，那么量子身份对应于实际你在做什么？

事实上，量子恒等式由两组列表组成。一组是物理性质的列表，包括质量、电荷状态、自旋（稍后会详细介绍）等，另一组是数字列表，其中的数字称为量子数。这些数字表征了不同的物理特性，例如能量或角动量（与物体围绕中心轴旋转的速度有关，例如顶部的旋转）。这些物理性质在一定的条件下是可以量化的，也就是说只能取一定的值，不能取其他的值。构成我们周围普通物质的粒子就是这样。

在这些量子特性中，对粒子可能具有的个性化极其重要的特性是自旋。尽管它被称为自旋，但它实际上并不是一个以自身为中心旋转的粒子。这是典型的量子特性，在经典物理学中没有对应物。自旋是量子力学和爱因斯坦相对论结合的产物，只能用数学、几何或隐喻来描述。

泡利和旋转，在错误和天才之间

与物理学的许多其他重大发现一样，自旋的发现是理论与实验不断融合的结果，就像一场错综复杂的节奏之舞，节奏变得越来越容易掌握和识别。在这场量子舞中，沃尔夫冈·泡利虽然并不总是明星，但无疑是一位编舞大师。正是他在 1924 年专门引入了一个新的量子数（其含义当时未知），试图描述某些金属发出的光的频率。这个数字只能取两个值，所以它可以描述一个特定物理量的量化。

但是这是用来描述哪个物理量呢？科学史上没有与这种奇怪性质相对应的物理量。 20 岁的德国助教拉尔夫首先提出将这个奇怪的新数字与粒子自旋的性质联系起来（这就是自旋这个词的来源）。·克罗尼希。 1925年初，泡利嘲笑并劝阻克罗尼希发表结果，但到了年底，荷兰莱顿大学的两位年轻物理学家乔治·乌伦贝克和塞缪尔·古德·斯密特也提出了同样的想法，但情况却是这次不一样。

尽管这种解释是错误的（自旋与围绕自身旋转的粒子没有任何关系），但它指导了泡利的工作。 1927年，泡利意识到自旋实际上表明了与自旋性质相关的新物理量的存在。但在经典物理学中，根本没有等价的概念，在我们生活的这个世界里，是看不到自旋的。

泡利的想法与 1922 年 Stern-Gerlach 实验的结果一致，并且在许多方面都具有革命性，将科学思想完全从图像中解放出来，并且出现了经典的物理概念。

自旋是理解量子世界中个体性概念的关键。令人惊讶的是，量子世界本质上是一个由分离主义主导的世界，考虑到我在前几章中介绍的波粒二象性和量子世界某些方面的模糊性，这更令人惊讶。具有不同自旋值特性的粒子的行为也非常不同。自旋为半整数（如 1/2 或 3/2）的粒子称为费米子，自旋为整数（0、1、2 等）的粒子称为玻色子。

由于目前观察到的自旋要么是整数，要么是半整数，所以微观粒子的量子世界分为两个阵营：费米子阵营和玻色子阵营。费米子阵营中有电子、质子、中子、中微子、夸克、氦3等，广义上讲，构成物质的大部分粒子都是费米子。玻色子阵营的成员有光子、胶子、引力子、声子等，它们在构成物质的粒子之间传递和相互作用。

请注意，自旋不仅仅是将粒子分为两类的抽象数字！事实上，它是我们最新了解物质的磁性和结构的基本部分。它具有非常重要的物理效应，而这些物理效应不仅限于实验室，而是广泛出现在我们身边。例如，自旋被用来解释物质的稳定性和固体性，或者超导和超流的现象。它也是MRI医学成像技术的核心，控制硬盘读取和磁随机存取存储器的巨磁阻效应的核心（德国科学家彼得格林伯格和法国科学家阿尔伯特费林发现巨磁阻效应获得诺贝尔奖2007 年物理学博士）。

究竟什么是“薛定谔的猫”？

01

我们现在有一个名为“薛定谔的 XXX”的模因。

比如我说，我在高中努力了三年，薛定谔的所有知识点是怎么学的？我想表达的是，我能也不能知道这个知识点，也就是说，我在课堂上知道，但到了考试的时候，我完全不明白。

这些表情包实际上源自大胆的量子物理实验“薛定谔的猫”。

“薛定谔的猫”是奥地利物理学家薛定谔于1935年提出的关于猫生死叠加的著名思想实验，是将微观领域的量子行为延伸到宏观世界的演​​绎。

这里必须理解一个量子行为的现象：观察。微观物质以不同的形式存在，即粒子和波。通常，微观物质以叠加的波混沌存在；一旦观察到，它们立即选择成为粒子。

实验是这样进行的：盒子里有一只猫，还有少量的放射性物质。之后，有50%的几率放射性物质会衰变并释放毒气杀死猫，有50%的几率放射性物质不会衰变，猫会活下来。

简单地说，“薛定谔的猫”实际上是用来描述量子力学中量子态的一种不确定性。在你不观察量子态之前，量子态有各种可能，就像锁在盒子里的猫一样，不管是死是活，只有打开盒子看到猫，你才知道是什么这种状态是。在此之前，猫的状态是“50% 活猫 + 50% 死猫”，即不确定性。

02

薛定谔是一位对量子物理学做出杰出贡献的物理学家。他提出了量子物理学的核心方程——薛定谔方程，其解成为当今重大科技应用的源泉。

究竟什么是量子物理学？它的起源和发展是怎样的？它的未来前景如何？

如果你好奇，但又看不懂晦涩专业的物理书，不妨看看这本有趣的科普书——《沙滩上的薛定谔：假期里的量子物理学》。

爱因斯坦曾经用相对论的一个重要推论——著名的公式E=mc^2——来证明“一切都是能量”，或许我们也可以用下面这句话来概括量子物理学的本质：“一切都在波动！”

一切都在波动，一切都是“波”，就像石头扔进水里激起的涟漪，就像麦穗在风中形成的波浪，又像乐器赋予生命的旋律。

03

量子学派也有这样的说法：“当我们不观察时，月亮就不存在”。

这句话看似很玄妙，但其实它的意思是月球也是由不确定的粒子组成的，所以如果我们把头从月球上移开，大量的粒子就会根据波函数开始分散。于是，月球的边缘开始显得模糊不清，逐渐“融化”成一股概率波，向周围空间蔓延。

当然，这么大的月亮完全融化到太空中的概率会很长很长，但问题的本质是：如果不观察月亮，它会从某种状态变为不确定性的无限叠加。如果不观察它，就不会存在一个明确的、客观的月亮。可他一转头，一轮明月又高悬在半空，仿佛什么都没有发生过。

这是量子物理学的世界，神秘的猫可以同时生死，月亮的存在只是因为聪明的老鼠在观察它，某些相互作用可以超越时空，一个物体可以在两个地方在同一时间，可以从一个地方到另一个地方，而无需跨越任何中间地带......

在这个奇特的世界里，一切都归结为概率和想象的波；物质只是一种转瞬即逝却又不断再生的振动，所谓的“真空”其实是充满魔力的；在这里，无限大与无限小交织，平行宇宙多如想象，荒诞与神圣并存；在这里，无限大与无限小交织，平行宇宙与想象中的一样多，荒诞与神圣并存……——《海滩上的薛定谔：带着量子物理学去度假》

04

量子物理学在生活中无处不在。当我们使用任何一种电子设备时，我们都与量子物理学密切相关。

如果没有量子物理学，我们就无法理解二极管和晶体管的工作原理，也就没有集成电路、微处理器和 U 盘。没有量子物理学，就没有物质波、原子钟和 GPS，也没有激光、磁悬浮列车、高精度医学成像和超安全通信。

未来，当我们投票、刷卡、穿衣、旅行……甚至是太空旅行等等，我们的环境将充满各种在量子物理学指导下涌现的新技术和新技术产品：从量子计算机和量子隐形传态到石墨烯和碳纳米管。

所以，薛定谔的猫不仅仅是一只猫。