啤酒与肥皂：用量子理论重新定义世界

在日常生活中，我们的直觉通常都是对的。我们看到棒球飞到空中，划出一道弧线、然后下落，*后在地面静止。根据我们利用感官收集到的数据以及基本的经典力学定律，球的运动完全合情合理。

然而，一旦涉及电子运动、分子形状等关于世界上*小粒子的问题，我们自诩已经知晓的事物就彻底发生了改变。真正理解周遭的事情，读懂关于*小事物背后神秘、反直觉的科学，我们需要以量子力学理论的视角看待世界和自然。

《啤酒与肥皂》首开先河，不涉及复杂的数学，以科学小白就能够读懂的方式讲述了十分具有挑战性的量子力学理论。全书阐述清晰，以实例和图表取代密集的公式帮助读者理解：

为什么草莓是红的，蓝莓是蓝的

为什么粒子仅仅会因为被观察而从“混合”状态变成“纯态”

为什么一个光子能同时位于两个地方

为什么量子物质有时像粒子，有时又具有波的性质

为什么一块金属加热后会发红，温度升得更高后反而会变蓝

为什么盐能溶于水而油却不能

《啤酒与肥皂》遵循了史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）和刘易斯·托马斯（Lewis  Thomas）的传统，带你探讨光子、原子、分子等跟人类量级的世界截然不同的*小粒子的反直觉世界，揭开量子力学的神秘面纱，并生动介绍了一些为当代量子物质学说作出贡献的科学家以及相应的实验。

迈克尔 D. 菲尔（Michael D Fayer），博士，斯坦福大学讲席化学教授，美国国家科学院成员，在物理、化学和分子光谱学等领域获得众多重要奖项和荣誉，著有《量子力学的元素》（Elements of Quantum
Mechanics）等。

前言 / i

章 薛定谔的猫   \ 001

薛定谔的猫   \ 004

不等同于抛硬币   \ 006

真实现象有可能像薛定谔的猫   \ 007

第二章 大小是的   \ 009

日常生活中的大小是相对的   \ 011

观察方法很重要   \ 013

大还是小——那是扰动的大小   \ 014

大对象的因果关系   \ 015

不可忽略的扰动很重要   \ 017

扰动无处不在   \ 018

大小是的   \ 018

未来无法计算——只有可能性   \ 020

第三章 各种波   \ 021

什么是波？   \ 023

波都有速度和频率   \ 024

海洋波   \ 025

声 波   \ 025

经典光波   \ 026

可见光   \ 027

波的叠加——干扰   \ 028

干涉模式和光干涉仪   \ 029

第四章 光电效应和爱因斯坦的解释   \ 035

光电效应   \ 037

波图解释不了了   \ 038

爱因斯坦的解释   \ 039

红光逸出电子的速度比蓝光慢   \ 041

非常红的光并不能使电子逸出   \ 042

逸出的电子有多快   \ 043

第五章 光：是波还是粒子？   \ 045

对干扰的经典描述并不适用于光子   \ 047

重新描述干涉仪里的光子   \ 050

光子与自己相干扰   \ 051

光子可以同时存在两个地方   \ 052

观察会带来不可忽略的扰动或改变状态   \ 052

回看薛定谔的猫   \ 053

回看光电效应   \ 054

第六章 光子的大小和海森堡不确定性原则   \ 057

粒子有波长   \ 059

自由粒子的波函数长什么样   \ 060

空间中布满有既定动量的粒子   \ 061

不同波长的波之间的干扰   \ 062

叠加原理   \ 065

本征态   \ 065

叠加动量本征态可能性振幅波   \ 066

叠加状态下一颗自由粒子的动量   \ 067

在状态叠加中粒子没有既定动量   \ 068

处于动量叠加状态的粒子到底在哪   \ 069

波包（wave packets）   \ 070

动量和位置的散布范围   \ 070

海森堡不确定性原则   \ 072

第七章 光子、电子和棒球   \ 075

粒子的波   \ 077

光的衍射   \ 078

光的衍射反映了光子的波特征   \ 079

阴极

射线管（Cathode ray tube)中的电子就像子弹

一样   \ 080

电子衍射中看起来像波的电子   \ 084

电子和光子既是粒子也是波，但棒球只是粒子   \ 086

第八章 量子短柄墙球和水果的颜色   \ 089

盒子中的粒子——经典力学   \ 092

盒子里的粒子——量子力学   \ 095

盒子里的量子粒子的能量   \ 096

波函数在壁的位置应该为零   \ 097

波节是波函数穿过零值的点   \ 099

所有的能源都是量子化的   \ 100

不连续的一组能级   \ 101

盒子里的粒子结果与现实的关联   \ 102

分子吸收特定颜色的光   \ 103

水果的颜色   \ 104

第九章 氢原子的历史   \ 107

太阳黑体辐射光谱   \ 110

太阳光谱里的暗线   \ 112

氢的线光谱   \ 113

玻尔（Bohr）的氢原子理论——还差那么点   \ 115

第十章 氢原子：量子理论   \ 119

薛定谔方程   \ 121

薛定谔方程对氢原子的描述   \ 122

四个量子数   \ 123

氢原子的能级   \ 125

氢原子的轨域   \ 126

s轨域的空间分布   \ 127

径向分布函数   \ 129

p轨域的形状   \ 132

d轨域的形状   \ 132

第十一章 多电子原子和元素周期表   \ 135

与众不同的氢原子   \ 137

轨域形状对比氢原子大的物质来说很重要   \ 138

多电子的原子的能量级   \ 139

把电子放进能级的三个法则   \ 140

元素周期表   \ 143

周期表的布局   \ 144

闭壳层组态   \ 147

原子都想形成闭壳层组态   \ 147

原子的属性   \ 148

顺着列往下原子越来越大   \ 151

从一行的左边到右边  原子越来越小   \ 152

过渡系   \ 152

更大的原子、镧系和锕系   \ 154

大部分元素都是金属   \ 154

第十二章 氢分子和共价键   \ 157

离得很远的两个氢原子   \ 159

两个被聚拢的氢原子   \ 160

玻恩-奥本海默近似   \ 160

键长为能量时的距离   \ 161

形成成键分子轨域   \ 163

成键和反成键分子轨域   \ 165

把电子放进分子轨域   \ 166

氢分子存在但氦分子不存在   \ 167

第十三章 什么把原子聚在一起：双原子分子   \ 171

西格玛（σ）和派（π）   \ 173

西格玛分子轨域   \ 175

派分子轨域   \ 176

双原子分子中的成键：氟分子   \ 177

并不存在氖分子   \ 181

氧分子：洪德法则很重要   \ 182

氮分子   \ 184

单键、双键和三键   \ 184

异核双原子   \ 186

分子的视觉模型   \ 189

第十四章 更大的分子：多原子分子的形状   / 191

分子形状——四面体的甲烷   / 193

键之间的排斥力小化决定了形状   / 194

孤电子对也很重要   / 196

三角形分子   / 197

推进电子   / 198

混合原子轨域——线性分子   / 199

混合原子轨域——平面三角形分子   / 201

混成原子轨域——四面体分子   / 202

含单键的碳氢化合物   / 204

大个碳氢化合物分子有多种结构   / 206

双、三碳—碳键   / 209

碳—碳双键——乙烯   / 210

碳—碳三键——乙炔   / 212

第十五章 啤酒和肥皂   / 213

醇类   / 215

室温下的乙醇是液体而非气体   / 216

水形成氢键   / 218

水是一种很好的溶剂   / 220

乙醇会与氧产生化学反应   / 220

甲醇具有强毒性   / 223

肥皂   / 224

大碳氢化合物包括油和油脂   / 224

大碳氢化合物分子可以有很多种结构   / 225

油和水不相混   / 225

肥皂分子的结构   / 226

肥皂入水形成胶束   / 227

肥皂溶解油脂   / 228

第十六章 脂肪，主要看双键   / 231

什么是脂肪分子   / 233

饱和脂肪和不饱和脂肪   / 234

脂肪分子的形状   / 235

饱和、单元不饱和以及多元不饱和脂肪   / 235

脂肪里的双键很关键   / 236

部分氢化和氢化脂肪   / 237

脂肪的氢化   / 237

看标签   / 238

反式脂肪   / 238

顺式脂肪是天然的，反式脂肪是化学加工的   / 240

反式脂肪有害   / 241

零等于没说   / 242

ω-3脂肪酸   / 242

三酰甘油   / 243

胆固醇   / 243

跟大众看法相反，胆固醇其实是有益的   / 245

胆固醇造成的问题   / 246

第十七章 温室气体   / 249

燃烧化石燃料产生的二氧化碳   / 251

燃烧甲烷：天然气   / 251

什么是温室气体   / 252

燃烧化石燃料会产生二氧化碳   / 254

能量的产生和形成的二氧化碳的量   / 255

燃烧真正的化石燃料   / 256

发电时实际产生的二氧化碳量   / 256

二氧化碳是温室气体是因为量子力学   / 257

地球的黑体光谱   / 258

吸收地球的黑体辐射   / 258

为什么二氧化碳在现在的区域有强吸收力   / 260

二氧化碳的振动模式   / 261

量子振动的能级不连续   / 262

量子化振动的能量   / 263

CO2弯曲模式吸收地球核体光谱的峰值   / 263

第十八章 芳香族分子   / 265

苯：芳香族分子的原型   / 267

双键去哪儿了   / 268

派（π）键离域   / 269

成键、反成键分子轨域   / 270

碳—碳键级是1.5   / 271

在日常生活中，我们的直觉通常都是对的。我们看到棒球飞到空中，划出一道弧线、然后下落，*后在地面静止。根据我们利用感官收集到的数据以及基本的经典力学定律，球的运动完全合情合理。

然而，一旦涉及电子运动、分子形状等关于世界上*小粒子的问题，我们自诩已经知晓的事物就彻底发生了改变。真正理解周遭的事情，读懂关于*小事物背后神秘、反直觉的科学，我们需要以量子力学理论的视角看待世界和自然。

《啤酒与肥皂》首开先河，不涉及复杂的数学，以科学小白就能够读懂的方式讲述了十分具有挑战性的量子力学理论。全书阐述清晰，以实例和图表取代密集的公式帮助读者理解：

为什么草莓是红的，蓝莓是蓝的

为什么粒子仅仅会因为被观察而从“混合”状态变成“纯态”

为什么一个光子能同时位于两个地方

为什么量子物质有时像粒子，有时又具有波的性质

为什么一块金属加热后会发红，温度升得更高后反而会变蓝

为什么盐能溶于水而油却不能

《啤酒与肥皂》遵循了史蒂芬·霍金（Stephen
 Hawking）和刘易斯·托马斯（Lewis  Thomas）的传统，带你探讨光子、原子、分子等跟人类量级的世界截然不同的*小粒子的反直觉世界，揭开量子力学的神秘面纱，并生动介绍了一些为当代量子物质学说作出贡献的科学家以及相应的实验。

迈克尔 D. 菲尔（Michael D Fayer），博士，斯坦福大学讲席化学教授，美国国家科学院成员，在物理、化学和分子光谱学等领域获得众多重要奖项和荣誉，著有《量子力学的元素》（Elements of QuantumMechanics）等。