【不要不相信平行宇宙】
你是否相信存在平行宇宙？
M理論告訴你：平行宇宙不再是科幻小說的情節……

本書以各種不可思議的量子現象為主線，循序漸進介紹人類探索量子世界的過程，涵蓋了波粒二象性、疊加態、機率幅、纏結、穿隧效應、電子雲、超流體、量子真空漲落、費曼圖、超弦理論等量子力學中引人入勝的內容，以及量子工程技術，同時穿插相關歷史趣事，讓你享受故事的同時，也能輕鬆學習量子力學！

量子力學的世界到底多迷人？看完本書，保證你在坑底蓋別墅！

作者簡介

高鵬，痴迷於量子世界十幾年，十餘年來研讀相關專業和科普書籍近百本，並開設相關課程，由此產生了用自己的方式把神奇的量子世界介紹給讀者的想法，希望能跟廣大科學愛好者們一起分享徜徉於量子世界中那無法言說的快樂，一起探索這個存在於我們身邊的奇異世界！

序

自序

每個人眼中都有一個世界。

每個人眼中的世界都不同。

但是，我們能看到、能感受到的世界只是宏觀的世界，是一個看上去按部就班的世界。如果我們能縮小十個數量級，進入量子世界，那其中的奇幻景象，恐怕是你盡最大的想像力也想不到的。

你一定好奇什麼是「量子」？它不是一種粒子，而是一種概念。它指的是小尺度世界的一種傾向：物質的能量和其他一些屬性都傾向於以特定的方式不連續地變化。

量子世界中的一切物理現象，都與我們在日常生活中認知的牛頓力學世界完全不同，我們在日常生活中熟悉的許多基本物理規律在量子世界中都被徹底顛覆。
量子世界是一個由量子力學統治的世界。量子力學對於實驗現象的解釋和預見性是如此精確，以至於大多數人都不假思索地應用。但是在量子世界裡，一系列不可思議的現象，又會讓我們懷疑是否能真正理解這個世界。量子力學大師費曼曾經說過：「我想我可以相當有把握地說，沒有人能理解量子力學。」

十多年前我第一次接觸量子物理時，我就被它深深地迷住了。量子世界是一個謎一般的世界，在這個世界裡，以往的經驗都會失去作用；在這個世界裡，你就像一個懵懂無知的孩童，一切都會讓你覺得新奇。這十年來，我有幸講授與量子力學相關的課程，我一直不斷從各種書籍中汲取與量子物理有關的知識，但是，對它認識越深，我就越覺得它是如此不可思議。

我們應該感謝那些偉大的物理學天才，他們對量子物理的探索，譜寫了科學史上最壯麗的史詩，他們對量子世界的探索，讓我們驚嘆世界竟是如此神奇。
原來，我們眼中的世界並不是全部的世界。

既然有幸來到這個世界，我們就應該盡量了解這個世界的全部，欣賞這個世界的奇妙，這是作為生命的一種樂趣。

本書以各種不可思議的量子現象為主線，以物理學家所做的各種令人驚奇的實驗為主線，循序漸進介紹人類探索量子世界的過程，介紹了量子理論的產生、發展、應用、分支乃至分歧，當然也提出了一些疑問和思考。作為一本科普讀物，本書涵蓋了波粒二象性、疊加態、機率幅、纏結、穿隧效應、電子雲、超流體、量子真空漲落、費曼圖、超弦理論等量子力學中引人入勝的內容，也介紹了掃瞄穿隧顯微鏡、量子電腦、量子隱形傳態等量子工程技術，同時穿插相關歷史趣事。另外，書中還介紹了一些與量子物理相關的粒子物理、相對論、宇宙學等方面的內容，使讀者能對這個奇妙的世界有更深刻的理解。

本書在寫作過程中參考了大量相關書籍，主要參考書目列於書後，這些書使我受益匪淺，在此對這些書的作者表示衷心感謝。

我認為我們太注重於讓學生學習課本知識，而忽視了課堂之外的知識海洋。青少年時期是培養科學興趣最重要的時期，只有廣泛涉獵才能發掘自己的興趣，為將來打下基礎。希望本書能夠激發廣大讀者、尤其是青少年對科學的熱情，這正是我寫作的初衷。另外，由於能力所限，疏漏之處在所難免，敬請讀者朋友批評指正。

高鵬

自序
1 光的本性之爭：光是粒子還是波？
1.1 惠更斯的波動說
1.2 牛頓的微粒說
1.3 楊氏雙狹縫干涉實驗
1.4 帕松的烏龍球
1.5 光就是電磁波
2 電磁波能量謎團：能量竟然不連續？
2.1 黑體輻射謎團
2.2 光電效應謎團
2.3 原子光譜謎團
2.4 石破天驚的量子化假設
3 量子化與連續性之辯
3.1 芝諾悖論：你能追上烏龜嗎？
3.2 玄而又玄的無窮
3.3 時空是量子化的
3.4 運動是連續的嗎？
3.5 量子化才是世界的本質
4 光的波粒二象性
4.1 愛因斯坦的光子理論
4.2 光子理論是牛頓微粒說的回馬槍嗎？
4.3 原子能量量子化與原子光譜
4.4 量子理論與光的本性
5 愛因斯坦的疑問：什麼是光子？
5.1 光與電磁波：剪不斷理還亂
5.2 波動光學與量子光學：為什麼有兩種？
5.3 光的偏振：光子也會思考嗎？
5.4 光速不變：相對中的絕對
5.5 靜止質量為零：有還是沒有？
6 實物粒子的波粒二象性
1. 6.1 德布羅意的驚人假設
2. 6.2 實物粒子波動性的觀察
3. 6.3 實物粒子的雙狹縫干涉實驗
4. 6.4 物質波的應用
7 量子力學的建立
7.1 薛丁格的波動力學
7.2 機率構成的物質波
7.3 波耳的對應原理
7.4 海森堡的矩陣力學
7.5 量子力學正式建立
7.6 機率論與決定論的爭論：上帝擲骰子嗎？
8 單一粒子的波粒二象性
8.1 單一電子的雙狹縫干涉實驗
8.2 機率波與機率幅
8.3 觀察電子的軌跡
8.4 跟人類捉迷藏的電子
9 量子力學正統解釋：哥本哈根解釋
9.1 測不準原理
9.2 互補原理
9.3 疊加態：人為測量竟如此重要？
9.4 波函數塌縮
附錄量子電腦
10 神奇的量子穿隧效應
5. 10.1 穿隧效應：穿牆而過不是夢
6. 10.2 掃瞄穿隧顯微鏡
11 獨闢蹊徑的路徑積分
11.1 路徑積分：所有路徑求和
11.2 路徑積分對雙狹縫實驗的解釋
11.3 路徑積分的廣泛應用
11.4 費曼圖：物理學家的看圖說話
12 堅持決定論的隱變量理論
12.1 德布羅意的導波理論
12.2 玻姆的量子位能理論
13 量子力學的其他解釋
13.1 意識論：我思故我在？
13.2 熱力學不可逆過程
13.3 去相干理論
13.4 GRW理論
13.5 多世界理論：人人都能創造平行宇宙
14 人類和光子的博弈
14.1 單光子偏振實驗
14.2 單光子廣角干涉實驗
14.3 單光子延遲選擇實驗
14.4 量子擦除實驗
15 幽靈般的超距作用：纏結之謎
15.1 波耳與愛因斯坦過招
15.2 EPR弔詭：纏結登場
15.3 纏結的實驗證明
15.4 GHZ三粒子糾纏
15.5 量子隱形傳態：超空間傳送能實現嗎？
16 原子內部的世界
16.1 古人的物質組成觀點
16.2 原子論的勝利
16.3 原子還不是最小
16.4 原子內部結構
16.5 原子結構的初期模型
16.6 電子雲：電子在哪兒？
16.7 電子雲節面之謎
16.8 電子的自旋
16.9 電子自旋之謎
17 組成世界的基本粒子
17.1 物質的鏡像：反物質
17.2 宇宙隱形人：微中子
17.3 世界的基石：夸克
17.4 世界的基石：輕子
17.5 四種基本力和力的傳遞粒子
1．重力
2．電磁力
3．弱力
4．強力
17.6 上帝粒子：希格斯粒子
17.7 標準模型
附錄高速粒子對狹義相對論的檢驗
18 宏觀量子現象：玻色-愛因斯坦凝態
18.1 費米子與玻色子
18.2 泡利不相容原理
18.3 玻色−愛因斯坦凝態
18.4 液氦超流現象
19 量子場論
19.1 場與粒子的統一
19.2 粒子的產生與轉化
19.3 真空裡隱藏的奧秘
19.4 再析費曼圖：時間能倒流嗎？
19.5 量子電動力學：精確度驚人的預測
19.6 量子色動力學：夸克禁閉
20 超弦理論：萬物至理？
20.1 統一理論的探索
20.2 宇宙的琴絃：超弦理論
20.3 M理論：終極理論？
20.4 平行宇宙
附錄是否存在交叉宇宙？
21 宇宙大霹靂
21.1 膨脹的宇宙
21.2 廣義相對論與宇宙學
21.3 宇宙理論的發展
21.4 宇宙的演化
21.5 恆星的演化
21.6 暗物質與暗能量之謎
21.7 時空的顫抖：重力波
後記
參考文獻

書摘/試閱

17　組成世界的基本粒子

我們看到的宏觀物體形式多樣、五光十色，它們都是由各種分子和原子組成的。各種不同元素的原子又都由質子、中子和電子組成。但是人類對基本粒子的探索並未停止，從理論推斷到實驗檢驗，人們發現了大量微粒。在仔細分類研究後，目前還沒有發現具有內部結構的基本粒子共有62種。

17.1　物質的鏡像：反物質

1927年，年僅二十五歲的狄拉克意識到：質量極小的電子極易加速到接近光速，而對這種高速電子的完整描述，應該考慮將相對論方程式和量子力學方程式結合。於是他把狹義相對論引進薛丁格方程式，創立了相對論性質的波動方程式──狄拉克方程式。

我們都知道，最簡單的二次方程式x2=A有兩個解，一個是，另一個是；同樣，電子的相對論性方程式中出現了能量的平方E2，這樣求解電子能量E時就會得出兩個解：一個正的，一個負的。

狄拉克沒有將負能量當作不合理的結果理所當然的捨去，而是承認負能量的存在。要知道，負能量是一個很奇怪的東西，假如一輛汽車具有負能量，那麼踩剎車反而會讓它加速，而踩油門卻會讓它慢下來！
當時的物理學家都對負能量持懷疑態度，海森堡稱這是「現代物理學中最悲哀的一章」。

面對質疑，狄拉克並沒有放棄；仔細思考後，他提出了一個大膽的假設：
「以往人們把真空想像成一無所有的空間。現在看來，我們必須用一種新的真空觀念來取代舊觀念。在這種新理論中，需要把真空描寫為具有最低能量的一個空間區域，這就要求整個負能區都被電子占據。」

按狄拉克的觀點，真空中有無窮多被電子填滿的負能量位置，真空就像是由負能量電子組成的汪洋大海（後來人們稱為「狄拉克之海」）。可是，在我們世界的這些位置都被電子填滿了，負能量位置被均勻填滿讓我們完全無法察覺，因此檢測不到任何負能量。可是，如果一個負能量的電子被擾動，電子從負能階上被激發，留下的位置就變為一個「空穴」，這樣一個空穴會表現為負能量不足和負電荷不足。負能量不足就表現為正能量，負電荷的不足就表現為正電荷。

1931年，狄拉克提出：「一個空穴如果存在，就是一種實驗物理還不知道的新粒子，它與電子的質量相同而所帶電荷相反。我們可以這樣的粒子為正電子。」
正電子就是反電子，狄拉克這一觀點宣告了反粒子觀念的誕生。

狄拉克不光提出反電子的概念，他還大膽地把反粒子的概念擴展到其他粒子：「我認為負質子也可能存在，雖然該理論還沒有那麼明確，但在正負電荷之間應該有種徹底而完美的對稱性。而且，如果這在自然界是一種真正基本的對稱性，那麼任何一種粒子的電荷都有可能反過來。」

而狄拉克並沒有等太久，就等到了他的正電子。

當時已經發明了雲室，在雲室裡，人們可以記錄單一原子和粒子的軌道。1932年，美國物理學家卡爾•安德森使用雲室，從宇宙射線中發現了電子的反粒子──正電子。

通過γ射線和液態氫原子劇烈碰撞而產生的電子－正電子對在雲室中留下的軌跡，它們在磁場中的軌跡剛好相反。在粒子反應中如果有足夠的能量使動量守恆並轉化為質量，就能成對產生正反粒子對。

正電子的發現，開啟了科學家新的探索之旅。1955年，反質子在美國一家實驗室中被發現，其後人們又發現了反中子。到1960年代，基本粒子中的反粒子差不多已全被發現。
狄拉克獲得了1933年的諾貝爾物理學獎。按照慣例，在斯德哥爾摩瑞典皇家學院接受諾貝爾獎時，獲獎人應有一個簡短的演講，狄拉克在接受獎金時說：
「地球中所包含的負電子和正質子占多數，我們更應該把這看作是一種偶然現象。對其他星球很可能是另一番情景，那些星球有可能主要是由正電子和負質子構成的。實際上，有可能存在每種方式各構成一半的星球……而且可能沒辦法區分它們。」

現在我們知道，對每一個粒子而言，都存在著與其具有相同的重力性質，但帶著相反符號荷（電荷與核力荷）的反粒子。粒子和反粒子碰撞在一起，就湮滅而產生純粹的能量閃光。

反物質是反粒子概念的延伸，是由反粒子構成的物質，也就是物質的「鏡像」形式。

1995年，歐洲核子研究中心的科學家，製造出世界上第一批反物質──反氫原子。科學家利用加速器，將極高速的負質子流射向氙原子核，以製造反氫原子。由於負質子與氙原子核相撞後會產生正電子，剛誕生的一個正電子如果恰好與負質子流中的另外一個負質子結合，就會形成一個反氫原子，其平均壽命僅為30ns（一億分之三秒）。2011年，歐洲核子研究中心的研究人員宣布已成功捕捉反氫原子超過16min；同年，位於紐約長島的美國布魯克黑文國家實驗室裡，來自多個國家的科學家合力製造出迄今最重的反物質──反氦原子。

1997年，美國天文學家宣布，他們利用先進的γ射線探測衛星，發現在銀河系上方約3500光年處有一個不斷噴射反物質的反物質源，它噴射出的反物質，在宇宙中形成了一個高達2940光年的「噴泉」，這是宇宙反物質研究領域的一個重大突破。

而現在人們最想知道的就是，宇宙中真的存在反物質星球嗎？

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