新量子世界（簡體書）

現在，科普讀物的出版和發行已經成為圖書出版商和發行商的重要利潤來源。要出一本“好賣的”科普讀物，一般的做法是把單詞量控制在 100 000 左右（大約 200 頁），並且不要使用太多圖表或照片。目標讀者群是受過一定教育，並對科學有一般興趣的讀者。這一出版領域的另一分支是科普工具書的出版，如百科全書、地圖集等。我們面向的讀者群處於這兩個極端之間。我們希望我們出的書不僅僅能夠使上面說的“受過教育的”的讀者感興趣，也能，而且更重要的是，激起年輕讀者們的好奇和思考。我們認為，讓年輕的讀者了解一點物理學的激動人心之處是非常重要的，因為這可能使年輕人以後去接受物理學的挑戰，從事有關的研究。在當今這個世界上，年輕人們有很多很多的選擇，大家一般都會認為像自然科學和數學這樣的學科是很“難”的。
當然，要想理解這些學科，不付出努力是不行的，要想真正掌握它們，更是要付出數年的艱辛。所以我們不可能保證讀者們能夠很快收獲頗豐。但我們可以保證的是，學好數學和自然科學，一定能夠使我們更深入地了解這個迷人的世界——我們生活的世界，一個量子的世界。還有一點需要指出，那就是我們好像進入了一個怪圈，由於我們越來越依賴於科學和技術，這個世界也變得在技術上也越來越脆弱了，因為了解我們所依賴的這些技術的人越來越少。但是我們文明的必須延續，因此我們必須激勵年輕的人們接受科學的挑戰。這些年輕人才是我們這本書的真正目標讀者群。但是我們希望我們采用的文字，大量的圖表、彩色照片，著名科學家的傳記等，本身也很有意思，能受到“受過教育的”讀者們的歡迎。
我們第一本講解量子力學的書，《量子世界》（The Quantum Universe），出版於 1987 年。當時的迫切需要是，把量子力學的奇異原理介紹給普通的讀者，因為這一理論是日常生活中用到的很多“高技術”設備的工作基礎。因此，簡單地介紹了量子力學基本原理之後，我們更注重解釋如何從量子力學的角度來理解原子、原子核、所有的化學元素，以及天上的星星。量子力學使似乎不可思議的硅芯片成為現實，也是我們今天看到的成千上萬的激光器件的基礎。
它不僅僅能解釋木星的結構，也使我們能夠理解在我們的太陽和其他恒星中，巨大的能量是怎麼產生的。由於在基本原理層面上，量子理論非常奇怪，很難理解，因此我們特意避免去討論各種哲學方面的問題，並根據理乍得·費曼的意見，采取了一種注重實際效果的做法。我們側重說明這一理論的實際結果是什麼，不管看起來有多麼奇怪。自從量子力學在二十世紀二十年代由尼爾斯·玻爾（Niels Bohr），埃爾文·薛定諤（Erwin Schrödinger），沃納·海森堡（Werner Heisenberg），保羅·狄拉克（Paul Dirac）等創立以來，除了應用更為廣泛以外，這麼多年似乎並沒有什麼新的發現。
但讓我們吃驚的是，在最近的十五年裡，量子技術突然產生了巨大的進展。雖然沒有出現新的實驗事實挑戰傳統的量子理論的權威性，但的確有了很多激動人心的新發現。主要的進展是，我們可以越來越熟練地控制量子體系。因此我們相信，我們正在親眼目睹科學王國中一個嶄新的學科——“量子工程學”——的誕生。這一學科的名字本身，就意味著在這個新世紀裡，我們將越來越熟練地在量子尺度上控制和操作物質，並將引起另一類新的引人入勝的應用——“納米技術”——的出現。這對半導體工業來說，顯然具有非常重大的意義。我們將看到，很快摩爾定律就要失效了。摩爾定律是指，計算機芯片裡面晶體管的數目，也就是芯片計算速度和存儲量，每隔十八個月就會翻一番。再過大約十年，硅芯片上的特征尺寸（晶體管或導線）將變得非常小，以至於硅片上單個原子或電子的性質將對芯片產生決定性的影響。這些量子物質不能通過經典理論描述。如果量子工程師們不能提供替代的有競爭力的新技術，摩爾定律就要失效了，每十八個月升級一次計算機也不必要了。已經出現的一種可能的替代技術是“量子計算”。量子計算機不像在現行的“經典”計算機上那樣把信息嚴格限定為“1”和“0”，它允許在算法中使用量子位 —— “qubits”（量子位），大致相當於一個存儲位上同時存著 1 和 0——來進行計算。
這一發現導致了一個嶄新的研究領域——“量子信息理論”——的誕生和發展，並且很有可能已經在密碼學中得到了實際應用。雖然我們這本書的原意是講解量子力學，但是為了適應技術的發展，我們大量改寫和更新了有關量子技術應用的章節。另外，我們加了新的一章“量子工程學”，專門介紹納米技術和量子信息論的基本原理和應用。
正如我們說過的，在以前出版的關於量子力學書中，我們采納了費曼的建議，避免提出諸如“但是怎麼會是這樣呢？”之類的問題。但是，最近的十五年裡，人們對理解量子力學這一理論越來越感興趣了，因為畢竟這一理論解釋了我們生活的世界的基本物理原理。因而我們另加了一章“量子佯謬”，向讀者介紹尼爾斯·玻爾與阿爾伯特·愛因斯坦之間那一場沒有完結的爭論。是玻爾創立了量子力學的正統“哥本哈根學派”理論，也是這一理論最有力的支持者。根據玻爾的解釋，不確定性和不可預測性是量子理論的內秉屬性，而量子體系的實際物理觀測值是可以討論的。[xi]玻爾的長期朋友和同事，阿爾伯特·愛因斯坦，一直不同意這一正統理論，並窮其餘生與玻爾爭論不休。他把他對哥本哈根詮釋的反對總結為一句眾所周知的名言：“上帝不擲骰子！”在一場冗
長而沒有結論的爭論之後，愛因斯坦直到去世那一刻仍然不相信量子力學理論。他去世不久，愛爾蘭物理學家約翰·貝爾（John Bell）提出了一個方案，來判別玻爾的正統量子力學理論和愛因斯坦喜歡的決定論。用來驗證“貝爾不等式”的實驗現在已經有了結果。結果證明量子力學是正確的。看起來愛因斯坦應該再好好想想。因為貝爾的結果對量子力學理論非常重要，所以我們也
以直觀的方式介紹了貝爾不等式。我們的講解非常接近約翰·貝爾自己在日內瓦作的一個報告。
在任何關於量子力學理論的討論中，都會提到的另一個很重要的小東西是薛定諤的貓。薛定諤貓佯謬問題以圖示的方式說明了量子力學的所謂“測量問題”。我們討論了流行的休·埃弗雷特（Hugh Everett）的量子力學“多世界”理論，和沃切克·祖萊克（Wojtek Zurek）等提出的“退相幹”機制，以在某種程度上解釋量子測量問題。
最後，作為一個輕松的“編後記”，我們討論了科幻小說裡面對量子力學的處理。赫伯特·喬治·韋爾斯（H. G. Wells）首先在他的科幻小說《解放的世界》（The World Set Free）中描述了原子彈爆炸的世界末日景象。在量子力學發展早期，科幻小說作者就一直努力把我們對原子的最新認識寫進小說情節裡。
而現代的科幻小說家已經把多宇宙理論和納米科技當成他們了的標準理論基礎的一部分 。 最後 ，在邁克爾·克萊頓 (Michael Crichton) 的 新 書《時間線》(timeline) 中，量子計算機，遠程傳物 (teleportation)，時間旅行等編織在一起，開拓了科幻小說發展和探索的一片新天地。
著名的理論物理學家和作者保羅·戴維斯 (Paul Davis) 曾經預言：
十九世紀是機械時代，二十世紀在歷史上將被稱為信息時代。我相信二十一世紀將會是量子時代。 在下一個十年裡，我們就能看出這一預言如何實現，以及實現到什麼程度。當然，我們相信，這種由量子力學支持的，即將到來的納米技術革命，對我們社會的影響，至少會與目前的生物信息學大發展產生的影響一樣深刻。我們希望這本書能夠為激發未來新一代量子工程師的興趣和夢想做出貢獻。

前言
第一章 波子粒子
科學與實驗
光與量子力學
雙縫實驗

第二章 海森堡和不確定性
觀察電子
海森堡不確定性原理
不確定性與照相術
費曼的量子路徑概念
分形：奇妙的數學

第三章 薛定諤和物質波
德布羅意的物質波
薛定諤方程
電子與中子光學

第四章 原子與原子核
盧瑟福的原子核模型
量子化的能級
氫原子
波函數與量子數
光與原子俘獲

第五章 量子隧道效應
勢壘穿透
波的隧道效應
量子隧道效應的應用
核物理與阿爾法衰變
核反應與愛因斯坦質能關係
放射性，核裂變和原子彈
反射性年代測定

第六章 泡利與元素
電子自旋與泡利不相容原理
元素
金屬，絕緣體與半導體
晶體管與微電子

第七章 量子合作與超流體
激光
玻色凝聚與超流體氦
冷原子
超導電性
量子霍爾效應

第八章 量子躍遷
麥克斯·波恩和量子幾率
光子與偏振光
約翰·貝爾與EPR佯謬
薛定諤之貓
量子力學的多宇宙詮釋
退相幹理論

第九章 量子工程
理乍得·費曼和納米技術
從摩爾定理到量子點
量子信息學
量子計算機
量子輸運等等

第十章 恒星之死
一顆不成功的恒星
氫的燃燒
紅巨星和白矮星
中子星和黑洞

第十一章 費曼規則
狄拉克與反粒子
費曼圖和虛粒子
零點運動與真空漲落
霍金輻射與黑洞

第十二章 弱光子與強膠子
修正後的雙縫實驗
粒子物理學的誕生
弱光子和希格斯（Higgs）真空
夸克和膠子
超導體，磁單極和夸克禁閉
標準模型之後

第十三 章 後 話 —— 量子物理與科幻小說
序言：原子與原子核
核能和科幻作品的“黃金時代”
姜巴點多宇宙理論和薛定諤貓
納米科技與量子計算機

結語
尾聲
術語表
引文來源
索引
照片來源
譯後記

英國安東尼·黑教授和帕特裡克·沃爾斯特博士合著的《新量子世界》中文版出版已經15年了。該書的第一版《量子世界》出版於1987年，曾受到著名物理學家理乍得·費曼的衷心稱讚和推薦。他本人非常強調清晰明白地把抽象的科學理論介紹給公眾。

量子物理是現代科學的最重要的基礎之一。它的出現深刻改變了我們對世界的認識，以及我們的世界本身。但是它的基本概念卻讓很多人迷惑不解。雖然實驗證明了量子理論的正確性，但是即使是科學家，也很難解釋清楚為什麼是這樣。費曼本人就說過一句至少當時無人反對的俏皮話：“沒有人能懂量子力學。如果有人說他懂了，正好說明他不懂！”。這句話長期被人引用，說明量子理論有多麼難懂。即使一線的科學家，也有很多人承認，自己無法理解實驗上發現的一些量子現象。

作為這本書的譯者，我在翻譯這本書的時候，也比較全面地了解了量子理論相關的爭論和應用成果。書上介紹的很多應用，當時還是研究前沿。15年來，量子方面的應用研究，書中稱為量子信息和量子工程，發展非常快，出現的成果也很多。但可惜的是，人們對量子理論的理解並沒有出現令人信服的進展，爭論依舊。我本人長期致力於理解量子理論，對一些流行看法持懷疑態度，這些年已經取得了一些進展。量子理論對我來說已經不再那麼難以理解，但是還需要一些時間才能解釋清楚。

翻譯的時候，為了讓讀者更容易看懂書中的內容，我實際上做了兩次翻譯。一次是將英文翻譯成中文，一次是將翻譯版中文翻譯成中文語言背景下的中文。第二次翻譯在一些“原教旨”翻譯者看來，屬於翻譯不準確。但我並不那麼看。我覺得關鍵是讀者要看懂，而不是在詞句上忠實原著。從讀者的反饋來看，應該說，這一努力得到了讀者們的認可。

從整體理論架構來說，15年來，量子理論及主要後續分支的變化不大，主要爭論仍然存在。雖然對某些人來說，原有的量子理論已經很完美，不需要發展了，只需要將原有理論“公理化”。也有很多科學家，如溫伯格，霍夫特，李斯·莫林，肖恩·卡洛爾，等，認為量子理論還需要進一步完善。我是這一派的。

也就是說，雖然已經過去了15年，這本書的內容並不過時。除了一些具體應用的發展，如量子信息，量子調控，量子工程，基本概念方面迷惑依舊，爭論依舊。我本人更趨向於認為一些量子概念錯了，比如量子糾纏，量子計算等。一些量子應用的理論基礎並不堅實，人們以前對它們的看法太樂觀了。當然，現在仍然有很多人看好它們的發展。爭論方面，讀者也許需要尋找更新的資料，但概念及基礎方面，這本書並不過時。

這本書並不要求讀者受過相關高等教育，也沒有用到很多數學，一般高中以上的讀者可以看懂。它對那些喜歡科學的讀者，應該有很大的科普和啟發作用。即使對於物理專業的本科生和研究生，本書也是一本很好的綜述性讀物，有助於他們全面了解量子理論的發展歷史，拓展知識的深度和廣度，激發對科學的探索欲望。

雷奕安

2020.8