吳今培李雪岩

前言

Chapter1 量子世界神奇在哪裡
1.1 上帝擲骰子嗎
1.2 光似波，又似粒子
1.3 飄忽不定的幽靈─不能同時確定微觀粒子的位置和速度
1.4 微觀粒子就像「孫悟空」，拔根猴毛就會出現很多小悟空
1.5 微觀粒子就像精通「穿牆術」的嶗山道士
1.6 微觀粒子好像「雙胞胎」，產生「鬼魅般的超距作用」

Chapter2 量子力學是怎樣產生的
2.1 1900年，普朗克提出了量子概念
2.2 1905年，愛因斯坦提出了光量子假設
2.3 1913年，波耳提出了量子化的原子模型
2.4 1924年，德布羅意提出了物質波理論
2.5 1924年，玻色提出了一種新的全同粒子的統計理論
2.6 1925年，海森堡提出了矩陣力學
2.7 1925年，包立提出了不相容原理
2.8 1926年，薛丁格提出了波動力學
2.9 1927年，海森堡提出了測不準原理
2.10 1927年，波耳提出了互補原理
2.11 1928年，狄拉克提出了相對論性的波動方程式
2.12 1942年，費曼提出了路徑積分法
2.13 1964年，貝爾提出了貝爾不等式

Chapter3 一個電子可以同時通過兩條狹縫
3.1 光的雙狹縫干涉實驗
3.2 電子的雙狹縫干涉實驗
3.3 單個電子的雙狹縫干涉實驗
3.4 帶探測器的單個電子雙狹縫干涉實驗
3.5 單光子延遲選擇實驗

Chapter4 大自然的真實面貌是什麼
4.1 微觀物質的行為是不連續的，世界本質是量子化的
4.2 微觀物質的行為是不確定的，只能進行機率上的預測
4.3 微觀物質的行為要用波來描述，呈現波粒二象性

Chapter5 琴簫合奏─EPR與量子貓
5.1 兩個基本概念
5.2 EPR悖論
5.3 薛丁格的「貓」

Chapter6 量子的迷人風采
6.1 微觀粒子的波粒二象性
6.2 量子態疊加性
6.3 量子穿隧效應
6.4 量子態糾纏性

Chapter7 量子力學的「華山論劍」

Chapter8 為什麼量子力學顛覆了人類認知
8.1 牛頓時代
8.2 愛因斯坦時空
8.3 量子世界
8.4 量子思維
8.5 量子創新

Chapter9 量子力學的哲學啟示
9.1 只有量子化，沒有連續性─離散物質觀
9.2 只有機率，沒有因果─機率統計觀
9.3 測得準這個，就測不準那個─不確定世界觀
9.4 我似粒子，也似波─互補世界觀
9.5 粒子是實在，還是幽靈─測量創造實在觀

Chapter10 量子力學的困惑
10.1 「薛丁格貓悖論」有沒有結案
10.2 波函數是物質波還是機率波
10.3 誰塌縮了波函數

Chapter11 夢幻的超算天才─量子計算
11.1 古典電腦發展的瓶頸
11.2 古典電腦與量子電腦的比較
11.3 量子電腦的物理體系
11.4 量子電腦的實用標準及原理樣機研製
11.5 量子電腦的基本功能
11.6 量子電腦發展的困境

Chapter12 資訊絕對安全的保障─量子密碼
12.1 RSA密碼系統
12.2 量子密鑰分發

Chapter13 超越古典測量極限的技術─量子精密測量
13.1 原子鐘
13.2 量子感測器

Chapter14 走向未來的技術─量子人工智慧
14.1 行動革命
14.2 人工智慧
14.3 量子人工智慧

Chapter15 深居閨閣的量子進入大眾視野─「墨子號」成功發射

Chapter16 尾聲
16.1 量子化是世界的本質
16.2 大自然遵循機率統計規律
16.3 波函數包含了量子運動的全部資訊
16.4 波粒二象性是量子力學的靈魂
16.5 量子世界允許非定域性
16.6 量子力學對「測量」作出自己特有的解釋

參考文獻

 

前言

　　人類一直生活在量子世界裡，但人們經過數十年的實驗探索和理論建構才發現這個世界。19世紀末，量子橫空出世，科學家開始發展了一套全新的理論和概念，來研究微觀世界的運動規律，這就是「量子理論」。將量子理論的思想整合成普遍適用的數學方法則稱作「量子力學」。量子力學的建立展現了人類認識自然實現了從宏觀世界向微觀世界的重大飛躍。在量子的微觀世界裡，所有的一切都變得奇妙起來，與我們司空見慣的宏觀現象完全不同。量子力學以微觀視角，取代了古典力學的宏觀視角，給了世界一個完全不同的詮釋，甚至改變了物理世界的基本思想，徹底推翻和重建了整個物理學體系。

　　量子力學雖然很玄妙，卻不是玄學。在見識了微觀世界裡量子的神祕莫測後，物理學家對量子的各種神奇特性給出了更合理的解釋，並成功地應用於現代社會的每個角落，從雷射到電腦，從超導到手機，量子無處不在，幾乎所有事物的背後都有量子力學在主宰。許多以往看來不切實際的幻想，在量子力學的指引下，給我們帶來新的希望和可能，必將深深地改變人類社會的面貌。

　　本書的主要特點是：第一，突出了量子力學的核心思想，以此為主線貫穿於全書，從而給出了量子力學的清晰脈絡，向讀者立體地展現量子思想的全貌；第二，力求對所講述的問題盡可能給出數學之外的物理意義，使讀者從零開始讀懂量子力學，逐漸認識一個完全陌生的世界，並真正窺見它的神祕和美麗；第三，注重科普性及應用性，科學屬於人類的共同事業，科學的威力在於普及和創新，科學理論從來都不會停留在紙上，只有經過廣泛的普及和應用，才會推動人類文明的進步。本書將帶領讀者去親身體驗如何應用量子力學造福人類，讓人們享受更加豐富多彩的現代生活。

　　讀者如何學習量子力學呢？我們認為最難以理解的是量子力學的基本概念和核心思想，而不是數學推導。必要的數學基礎對於學習量子力學是重要的，但學習量子力學的主要困難在於人們的認知仍然受到傳統思維的束縛，沒有真正樹立起量子力學的觀點。例如，量子糾纏是量子力學最深刻的概念之一。在一些科普讀物中，把量子糾纏錯誤解讀為：「姐姐在某地生了一個女兒，遠在千里之外的妹妹就立即升級為阿姨。」就被解釋為「姐姐和妹妹處於糾纏態」。這樣不恰當解讀的出現，也許是科普作者的無奈之舉。如果僅僅透過與日常生活中觀察到的現象做類比，是很難理解其中的真正意義的。所以，學習量子力學要致力於改變自己的思維模式，彌補你的思維不足，真正理解量子力學不同於古典力學的嶄新的物理觀念。這些觀念主要是：

　　第一，微觀世界的未來是不確定的，我們永遠無法知道微觀粒子準確的動態數據，只能基於機率的方法去預言。讀者要樹立機率統計的概念。

　　第二，微觀世界是不連續的，它可能更像一片沙漠，遠看是連在一起的，走近才發現，它是由一粒一粒的細沙所構成。讀者要認識世界的本質是量子化的。

　　第三，微觀物質具有「雙重人格」，它既是粒子，又是波，將兩種性質截然不同的東西統一到一個物理客體。讀者要樹立波粒二象性的物質觀。

　　基於量子力學的一批顛覆性技術正在浮出水面，比如量子電腦、量子通訊和量子測量等技術將是未來資訊產業的基石，有望成為推動第四次工業革命的重要引擎。如何成功發展量子科技，可能變成每個國家一場輸不起的技術革命，各國也必將傾舉國之力爭奪量子科技制高點。

　　本書是關於量子力學的科普讀物，不可能，也不應該要求讀者具備較深厚的數學知識，否則，對量子力學有興趣但缺乏足夠數學基礎的許多讀者將被擋在門外。我們在內容取捨和講解方法上更加重視物理概念的描述，它能同時滿足三個方面讀者的需求：如果你過去沒有學過量子力學，可以把它作為入門書來讀；如果你正在學習量子力學，可以把它作為參考書來讀；如果你已經學過量子力學，可以把它當作交流心得體會來讀。

　　當然，對於想要更好地了解未來科技發展趨向的工程技術人員和管理者，這本書會使你明白量子力學是什麼，它離生活並不遠。

　　本書很多地方借鑑了海內外相關的文獻著作及研究成果，在此對所涉及的專家學者表示衷心的感謝。

　　無疑，限於作者的能力與程度，本書的缺點和不妥之處存在不少，懇請讀者批評指正。

　　下面讓我們一起走進量子世界！