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，而第二篇則為物質由原子構成這一在當時存在爭議的觀點提供了明確的證據。這兩篇論文都對20 世紀及之后的物理學發(fā)展產生了深遠影響，然而，真正帶領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如何以原子及更小形式運動的內容，但我們的重點還是會放在解釋日常生活中的量子力學現象上。

很多人并沒有意識到，許多現代科技都有著明確的量子力學基礎。例如，驅動計算機運轉的硅芯片內部的運行機制，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象背后，都包含著量子力學原理。多年來，人們一直擔心現代科技會對環(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象。這種溫室效應實際上也是量子力學的一種表現形式，而科學家們正在研究環(huán)保技術與之對抗。我們在書里討論了這些現象，也討論了量子力學在超導性（superconductivity）材料和信息技術中的應用。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學知識，或者說不需要具備任何高等數學能力的前提下，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學的內容，不過對于一些觀點，我們會用數學專欄做出補充說明。我們只會用到基礎的數學知識，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讀者了解量子力學，而不是僅僅用一些驚人的量子力學結果來讓大家留下印象。出于這個原因，我們適當地使用了一些圖片或表格，我們建議讀者結合文字對此進行認真的研究。書中不可避免地會出現各種專業(yè)術語，我們也在本書最后提供了術語表。一些讀者可能已經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。