量子世界的发现之旅

我们生活在一个特殊的时代，这个时代的知识总量是以指数级增长的。或许更重要的是，用我喜欢的一位科学家卡尔•萨根（Carl Sagan）的话说：“我们生活在一个完全依赖科学和技术的社会中，然而几乎没有人了解这些科学和技术。”1 这确实是一个问题，且有待解决。

而且，除此之外，大多数人都因这样或那样的原因无法对科学产生兴趣。一部分原因是，科学的语言是数学，但它涉及的数学太复杂，以至于只有接受了高等教育的人才能用数学这个工具来理解科学。不过，偶尔也会出现一些“翻译者”，向其他人传达科学的意义，以及它的美妙和激动人心之处。

迈克尔•沃克在这本书中做的一切让他站在了“翻译者”的前沿。虽然并不是一名学术研究者，但他通过这本大众科学书，在规避了复杂数学的同时，传达了他对物理世界的清晰理解。你会发现，不需要走进教室，就能了解这些振奋人心的事物。在教室里你可能反倒不会感到兴奋，因为你需要跟数学做斗争，或者老师们并不会讨论这些有趣的话题—即使你主修物理学。虽然有些前沿内容可能经不起时间的考验（任何前沿领域都是如此），但我很乐意向所有学生推荐这本书作为教科书的补充，以便他们更全面地了解数学之外的物理意义。这本书并不是要取代教科书，但它确实更有趣且易读。

这本书的核心是量子力学，但内容已经超越了这个范畴，还介绍了相关应用，沃克为我们提供了对物理世界奇特、迷人、美丽的描述。他非常努力地描述了量子力学，尤其是原子，并将其作为解释化学和我们周围事物的基础。这本书正是把这一部分物理学用非数学的语言和视觉化的呈现方式向我们“翻译”了过来。另外，这本书还时不时地插入了物理学和化学的发展史以及推动科学发展的著名科学家的生活，这些“插曲”也让这本书变得栩栩如生。

在量子力学发展的早期，尽管它在预测实验结果方面取得了令人难以置信的成功，但科学家对量子力学的本质仍困惑不已，为此，科学巨人之间还产生了一些伟大的辩论。例如，阿尔伯特•爱因斯坦（他厌恶量子力学及其违反直觉的结论，终却因在该领域的贡献获得诺贝尔奖）宣称：“上帝不会跟宇宙玩掷骰子。”尼尔斯•玻尔（另一位诺贝尔奖得主）对此则有一句不那么著名但同样重要的反驳：“不要告诉上帝该做什么。”玻尔也曾说过：“如果有哪个人对量子力学不感到震惊，就说明他不了解量子力学。”然而，80多年后，量子力学可以说是历成功、争议，同时也经受住了各种实验考验的理论。

这不是本将科学和历史交织在一起的书。实际上，关于这一主题的大多数非学术书籍都会通过介绍历史来缓解量子力学概念带来的冲击。但是沃克还从物理学出发，解释了化学的原理，并讲述了人类对量子力学的理解如何让现代发明和技术成为可能。他在工业实验室的经历大大帮助了他在这方面的叙述（他甚至简要介绍了自己研究过的项目）。

不仅如此，他还介绍了我们在地球上看不到的事物，向我们展示了如何通过量子力学的视角理解宇宙—从大爆炸开始直至今天。

地球上的一切事物，包括人类，都是由原子组成的。然而，大多数人都不知道其中遍布的迷人的对称，以及它们如何决定宇宙的大部分属性。这本书为读者提供了一个驶向新认知彼岸的契机。

我相信你会像我一样享受这本书。想必你也会同意这句话：科学比幻想更奇妙。

戴维•托巴克（David Toback）

本科卓越教学撒曼教授，物理与天文系教授

得克萨斯农工大学米切尔基础物理与天文学研究所

2016年9 月

零基础读懂量子力学，回答关于量子力学的小白问题：什么是量子？是谁先开始研究的量子？量子力学这门学科是如何产生的？量子能用来做什么？没有量子行不行？

物理学家卡尔•萨根说：“我们生活在一个离不开科学和技术的社会，但却很少有人了解科学和技术。”在一个美丽、迷人的量子世界中，我们本身就是“量子人”，世界上的万物也是由量子构成的，人类社会的技术进步取决于我们对量子基本原理的了解。

量子力学彻底颠覆了我们对于现实世界的常识性认知。在量子世界中，没有什么是可预测的，我们已经知道的一切都被颠覆。我们需要重新思考因果关系，重新看待周围的事物。在这里，信息的传播速度比光速还快……

作者：（英国）迈克尔·S. 沃克（Michael S. Walker），物理学家、材料科学家、工程师，毕业于麻省理工学院和卡内基-梅隆大学。他的主要研究领域集中在超导体等方面，发表过70多篇学术文章。

推荐序　 / V

前
言　 / IX

部分

发现量子，理解量子 / 1

第1 章
量子力学的“诸神之战” / 3

第2 章
实验与早期猜想 / 7

第3 章
量子力学与量子原子 / 42

第4 章 6 亿瓦能量 / 66

第二部分

量子力学诠释和它的启示 / 71

第5 章
量子力学的基本特性 / 73

第6 章
不确定性、纠缠与多世界理论 / 77

第7 章
量子力学、数学和自然的本质 / 108

第8 章
量子计算、密码破译、量子隐形传态和加密 / 112

第三部分

从大爆炸到星系——相对论与量子力学 / 137

第9 章
获取宇宙地图 / 139

第10 章
宇宙的演化 / 157

第11 章
大爆炸模型 / 174

第12 章
走进大爆炸 / 180

第四部分

量子力学与化学 / 201

第13 章
世界的量子本质 / 203

第14 章
能量、动量和氢原子电子的空间状态 / 207

第15 章
自旋和磁性 / 213

第16 章
不相容原理与元素周期表 / 215

第17 章
化学元素的物理特性 / 236

第18 章
化学键的形成 / 243

第19 章
固体材料的构成 / 248

第20 章
绝缘体、金属与半导体 / 251

第五部分

材料与仪器中的量子奇迹 / 255

第21 章
纳米技术 / 257

第22 章
超导体在传输、医学和计算上的应用 / 260

第23 章
核聚变与激光器 / 266

第24 章
磁铁和磁性材料的应用 / 272

第25 章
石墨烯、纳米管和“梦想中”的应用 / 277

第26 章
半导体在电子仪器上的应用 / 287

第27 章
超导体在科学、能源与传输上的大型应用 / 293

致
谢　 / 301

附录A　电磁波的性质和频谱　 / 307

附录B　元素周期表的发展　 / 315

附录C　量子计算机的发展　 / 327

附录D　原子的大小与元素的化学性质　 / 333

附录E　X 射线的产生　 / 343

注
释　 / 345

术语解释　 / 367

参考文献与拓展阅读　 389

零基础读懂量子力学，回答关于量子力学的小白问题：什么是量子？是谁先开始研究的量子？量子力学这门学科是如何产生的？量子能用来做什么？没有量子行不行？

物理学家卡尔•萨根说：“我们生活在一个离不开科学和技术的社会，但却很少有人了解科学和技术。”在一个美丽、迷人的量子世界中，我们本身就是“量子人”，世界上的万物也是由量子构成的，人类社会的技术进步取决于我们对量子基本原理的了解。

量子力学彻底颠覆了我们对于现实世界的常识性认知。在量子世界中，没有什么是可预测的，我们已经知道的一切都被颠覆。我们需要重新思考因果关系，重新看待周围的事物。在这里，信息的传播速度比光速还快……

作者：（英国）迈克尔·S. 沃克（Michael S. Walker），物理学家、材料科学家、工程师，毕业于麻省理工学院和卡内基-梅隆大学。他的主要研究领域集中在超导体等方面，发表过70多篇学术文章。

我看向窗外纷飞的雪花：雪花本质上是结冰的水，结冰的水本质上是H2O分子，如果没有特定的量子构造，它们就不会存在了（当然，我也不会存在了）。

我拿出手机：手机的液晶显示屏、导线、半导体芯片，如果没有特定的量子构造，它们也都不会存在了。

我们居住在一个美丽且迷人的量子世界。我们自身就是由量子构成的，其他所有物质和生命也一样。前沿技术的发展越来越依赖于我们对量子法则的理解，然而，我们中的大多数人对此却一无所知。

1900年，德国物理学家马克斯•普朗克（MaxPlanck）在研究黑体辐射时发现，黑体辐射出的能量不是连续的，而是一份一份的，他称之为“能量子”（quanta）。这次事件仅仅是发现之旅的冰山一角，“量子革命”、“量子理论”、“量子力学”、“量子世界”这样的词接踵而至。

本书旨在为热爱思考的大众读者展现一个容易理解的量子世界。我会把量子世界中的概念融入过去120年中人们所经历的科学发现和冲突的历史背景中来介绍。为了完成这个任务，我大胆地借鉴了质的文献材料，不仅有纸质的，也有其他形式的，并用心地对它们进行了简化处理，只留下简单的数学。

我们需要认识到，如果我们所处的世界没有量子法则，原子与原子之间会相互重叠，如此一来，所有由原子组成的物体的体积可能会缩小到只有原来的1 000 万亿分之一，然而重量却不变。我们会变得非常小，身高跟头发丝直径差不多，但重量不变。我们会拥有另一套化学体系：元素将具有完全不同的外观和属性。倘若此时分子能够存在，想必也将完全不同：没有水，没有空气，或许只有固体—因为原子之间仅仅通过引力相互吸引。在这个世界里，可能也没有火。生命会存在吗？如果存在，它们的形式会是怎样的呢？思维呢？意识呢？

若不是早期宇宙物质分布不均匀（或许可以由量子涨落来解释），那些本会成为恒星和星系的物质团块将有不同的发生机制，并且要花更长的时间才能聚合到一起。我们也不会拥有太阳、阳光，以及万物生长的地球。

但是，我们就在这儿，星系在旋转，我们依旧拥有身边的一切，这都是因为量子法则以及原子维系着宇宙的运转。虽然在日常生活中我们无法眼见为实，但是这个世界的内在运作机制是非常奇怪的，奇怪到会让我们的脑子一片混乱。

“量子理论”，或者叫作“量子力学”，不仅解释了这个世界内部的奇怪运作，还与爱因斯坦的相对论一同，解释了我们周围所观察到的一切现象，包括牛顿物理学所不能解释的方面。“这个理论中没有一个预言被证明是错误的。”1 量子力学也带来了新的发明创造。即使在5 年前，我们也可以肯定地说“1/3 的经济都依赖于量子力学产品”2。量子力学奇异在哪里呢？首先要意识到，在量子世界中发生的事件并不能由过去的事件来预言、决定，而是基于概率。量子世界中存在“量子纠缠”，即非局域性，被爱因斯坦称作“幽灵般的超距作用”3—两个处于量子纠缠态的物体分别被放置在相距很远的两个地方，只要测量其中一个物体的状态，就能在没有信息传递的情况下立刻知道另一个物体的状态，这种作用甚至超过了光速。如此一来，我们必须改变对因果关系的理解（有趣的是，解决这些量子世界奇异性的方案本身也很奇异：我们生活在多个平行世界中的一个）。

既然世界是基于如此的奇异性和不确定性运行的，那工程师又是如何测量行星的运动，将火箭发射到月球甚至更远的地方，以及建造出似乎能精确运作的机器的？其实，他们使用（并将继续使用）的经典力学理论—可以看作是物理学理论的简略版—足以描述宏观世界了。相比于描述微观世界的量子力学，经典力学能够为我们研究宏观物体提供更快、更简单实用，同时也足够精确的方法，而无须进行完全准确，但复杂费时，且并无必要的量子力学概率计算。

不过，值得一提的是，工程师使用的现代工具和机器的一些零件，是基于量子力学的观点设计的，比如激光器、超导体和所有半导体电子器件。

在下文中，我将解释我们如何理解并应用量子特性，以造福人类。在部分，我将介绍“量子革命”，这场革命促进了我们对量子世界的理解，同时也存在诸多争议。我会介绍一些关键的实验和理论结果，包括量子的发现、概率的性质，以及如今被广为接受的理论是如何描述世界的。我还会通过实例展示这些概念如何推动相关应用的发明，比如激光器。

在第二部分，我会简要总结纠缠理论的进一步发展，并描述其更广泛的含义。事件不能既是“客观实在的”又是“定域的”，我会解释这些术语的意义。在这里我还会介绍一些潜在的新应用：量子计算机，它的运行速度比传统计算机快得多；量子密码学，可以通过纠缠实现神奇的量子隐形传态（和心灵学中的“远距传送”可不是一回事）。

在第三部分，我会介绍量子对我们这个世界的深远影响，从大爆炸后小的粒子到恒星与星系的形成都有它的踪迹。我会介绍黑洞、超新星、希格斯玻色子和组成宇宙的基本粒子，还会解释大爆炸后极高能量下量子力学和广义相对论的看似不相容性，其可能的解决方案是弦论和圈量子引力。

在第四部分，我会将量子理论和真实的世界，以及我们身边见到的事物联系起来，介绍多电子的原子如何遵循氢原子的量子构造，来解释化学以及所有物质的性质。（对我来说，这是量子力学重要的产物：一种新的认识，终成了新的发明创造的源泉。）

我会描绘原子内部的景象，哪怕是物理和化学专业的学生，也能从这些内容中获得启发。随后，我将简要介绍粒子间的结合以及材料科学内容，为第五部分做好铺垫。

在本书的后一部分，我会介绍许多材料与器件上的新发明，包括超导体与超导器件、核聚变和如今的固态电子量子器件，它们要么来自量子力学的发展，要么可以用量子力学来解释。同时我还会介绍正在开发的新型超导体、半导体和其他材料（包括石墨烯和纳米管），以及这些新材料在医药、电子和能源储存上的应用。

在整本书中，我将讲述一些推动量子力学发展的才华横溢的科学家的故事，让读者们得以瞥见他们的个性和生活。为了将这些故事和其他零散的信息与本书主体内容区分开，我将这些细节内容单独列了出来。

我还会做额外的背景介绍和解释，有时候并不按照时间顺序，这些内容零散地插入在书中各处，以缩进的小字段落表示。后，对于想深入挖掘的读者，我会提供一系列与具体章节相关的附录，以及我推荐的书籍清单（包括一系列的讲座光盘）。我经常多次引用相同的书籍，这些书籍用A—Z的字母进行标记，由于这些书籍数目超过了英文字母总数26，多出来的那部分书籍我将使用两个字母标记，比如AA、BB、CC等。

欢迎阅读本书。

沃克用清晰、细腻的笔触，带领我们去发现物质、能量和宇宙的本质，读来引人入胜。

——阿尔弗雷德•博茨博士，美国物理联合会科学写作奖得主

这本书写得非常好，而且读起来没有障碍，很适合初学者阅读。对于已有一定基础的学生来说，也是一个很好的总结。讲述全面，让读者乐在其中，推荐大家读一读。

——巴里•帕克，著有《物理之战》

这是一本面对大众读者介绍量子力学原理和应用的读物，是对量子物理的发现历史的*好描述。

——弗雷德•库特纳，著有《量子之谜》

把量子力学介绍给普通读者并不容易，但沃克通过类比的方法做到了。他也没有就此止步。他还讲到了天文学、计算机、物理学，以及作为一名工程师所接触到的现代技术。此外，他还从物理学的角度解释了元素周期表，给了我们很大的启发。

——阿瑟•威金斯，美国奥克兰社区学院物理荣休教授