量子物理學的世界(全彩)（簡體書）

布萊恩·克萊格(Brian Clegg)

畢業于英國劍橋大學，是英國著名的理論物理學家，全球知名的科普作家。他是英國皇家藝術學會(Royal Society of Arts)會員、物理學會(Institute of Physics)會員，撰寫了大量科普圖書，並被譯為多國語言在全世界範圍內出版發行。他為許多著名期刊撰寫專欄、專題與評論，其中包括《自然》《衛報》《物理世界》等。他還是一位知名的演說家，在倫敦皇家學院的演講場場爆滿，在牛津大學和劍橋大學的講座受到人們的熱捧。

量子物理學的世界如此迷人，因為其核心仍有許多未解之謎。量子物理學是現代科學的重要研究領域，它描述了組成物質的原子和亞原子粒子的行為和相互關係，揭示了許多複雜難懂但卻非常本質的現象，比如構成電學和磁學基礎的光現象（也就是電磁波的本質）。20世紀許多重要的發明都來自電學和磁學的發展，量子物理學世界中發生的一切事情都那麼不可思議。

把一個粒子（比如電子）想像成小球並不困難。如果知道一個小球所處環境的各種具體參數，那麼我們就可以預言把小球扔出去會發生什麼，但是量子世界的奇妙之處就在於不確定性。量子物理的不確定性令許多量子理論的早期探索者，尤其是阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein），感到非常頭疼。其中最棘手的一個問題是：描述粒子在特定時間所處位置的方程只給出了粒子位置的概率，這樣我們就沒法知道粒子在10秒後所處的精確位置，只能知道粒子在10秒後出現在空間各處的概率分佈。在我們準確測量粒子的位置之前，粒子的位置只是一些概率值。這種不確定性在量子尺度下普遍存在。

量子世界中物體的行為與宏觀世界中日常物體的行為非常不同。就拿拋一枚硬幣來說，如果落下後硬幣正面或反面朝上的概率各佔一半，那麼我們一旦拋出硬幣，即使還沒有看到落地後的結果，我們也能清楚地知道硬幣只會有一面朝上——正面朝上或反面朝上。如果我們在量子世界中做類似“拋硬幣”的實驗，那麼在“硬幣”與宏觀世界發生相互作用之前，只存在“正面朝上的概率為50%，反面朝上的概率為50%”這樣的結果。當量子物理學的諸位領軍物理學家在1927年的索爾維（Solvay）會議上碰面時，量子物理學這一奇妙的概率特性在與會的各位著名物理學家中引起了激烈的爭論。以愛因斯坦和埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrödinger）等為代表的一批物理學家堅信，一定有比“概率”更本質、更深層、更“實際”的某種東西，這種東西不由概率決定。而以尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）和沃納·海森堡（Werner Heisenberg）等為代表的另一批物理學家則認為量子物理學不需要這種“實際的東西”。後來事實證明玻爾和海森堡說對了。

這看上去似乎只是哲學細節的爭辯而已，儘管我們知道日常生活中的宏觀物體都是由量子尺度下的眾多微觀粒子組成的，但是我們身處的平凡世界和我們身邊的熟悉物體都仍然按照我們過去理解的方式運行著。這樣看來的話，在量子尺度下究竟發生了什麼對我們來說真的重要嗎？答案是肯定的。正是量子尺度下的這種奇妙的量子行為讓原子得以存在，讓太陽得以閃耀，讓現代社會使用的諸多技術得以實現。

量子物理學一直都被認為很深奧，的確如此，其背後的數學真的很晦澀難懂，但量子物理學的基本概念其實非常好理解，尤其當我們真的想要去理解我們所處的這個由量子組成的世界時。在開始全面進入量子物理學的世界之前，我們需要了解量子物理學的開端。要想知道量子物理學的開端，我們就需要回顧歷史，回顧一下人們對物質和光的理解是如何一步步發展的。

引言

第一章：不可分的原子
萬物本質
元素論
原子論
光之謎
楊氏雙縫干涉實驗
以太
電
磁
麥克斯韋的電磁理論
以太的終結

第二章：進入原子世界
道爾頓的元素
電子
佈朗原子
李子佈丁
盧瑟福的薄紙片
微型太陽系
解釋元素
同位素之謎
中子來救駕
分割原子
鍊式反應
年輕的太陽
迷人的聚變

第三章：逆轉大災難
一個小問題
光電效應
愛因斯坦的激進提議
玻爾修正原子
量子躍遷
粒子和波
再論楊氏雙縫干涉實驗
物質波
原子波

第四章：量子實境
矩陣力學
薛定諤方程
補鞋匠愛因斯坦
測不准原理
那隻貓
分身術？
哥本哈根詮釋
導航波
退相干
多重世界
量子隧穿
超光速

第五章：量子電動力學
泡利的例外條款
狄拉克和相對論
無處不在的場
量子電動力學
偏振
時間旅行者
超前光子與滯後光子
幅面體

第六章：糾纏之網
量子自旋
窗戶之謎
分光鏡
愛因斯坦的挑戰
EPR
即時通信
量子加密
量子傳送
量子芝諾效應

第七章：黃金標準
無處不在的反物質
加速器和對撞機
來自宇宙的粒子
粒子動物園
對稱法則
多變的中微子
標準模型
為什麼粒子具有質量
超對稱
暗物質

第八章：量子驚喜
自然厭惡真空
絕對零度
超導體
超流體
玻色-愛因斯坦凝聚態
宏觀與微觀世界
量子酶
隧穿DNA
光合作用
為鳥類導航

第九章：活在量子世界
無處不在的量子
巧合的量子
克魯克斯管
電子學
電子真空管
半導體
晶體管
集大成者
發明激光
磁共振成像
磁懸浮列車
閃存
量子攝影
約瑟夫森結和超導量子乾涉儀
量子光學
量子點
量子比特
量子計算機

第十章：量子宇宙
宇宙量子論
沒有萬有理論
大爆炸
黑洞
引力量子化
引力波
引力子
弦理論
多重維度
M理論
圈量子引力

原著索引
圖片來源

無處不在的反物質

所有的基本粒子都是量子粒子，但粒子物理學的首要任務並不是搞清楚這些基本粒子的量子本質是什麼，而是著手建立一種能解釋基本粒子是什麼，以及它們之間相互關係的模型。對這一模型不斷探索而取得的極大成就就是今天粒子物理學中的“標準模型”。

這裡我們需要延伸一下反物質的概念。前面已經介紹過狄拉克將正電子視為電子的反粒子，並且他認為任何“普通”粒子都有反粒子。如今的宇宙學理論認為物質是由能量產生的。而宇宙中要產生這麼多的物質就應該有同樣多的反物質，因為能量轉化為物質的過程必然伴隨著粒子和反粒子對的出現。

我們沒法觀察到全部的宇宙（更別提宇宙是不是無限的這個問題了）。原則上講，一半的宇宙也許都是由反物質組成的，只是我們還沒有觀察到而已，但是人們並不清楚為什麼會出現這樣的結果。

每個基本粒子都有其對應的反粒子，複合粒子也同樣有其對應的反粒子。比如質子和中子就是一種複合粒子，它們由更小的粒子（夸克和反夸克）組成。質子的反粒子是反質子，反質子的電荷與質子相反，帶負電。而中子由於本身不帶電，所以它的反粒子，即反中子，也是電中性的，但反中子的其他量子性質和中子截然不同。

物質都去哪兒了？

時至今日，人們也只能觀察到極小的一部分宇宙，人們對宇宙中的反物質到底去哪兒了提出了大量的猜想。其中，被最多人所支持的猜想認為：物理學中有一丁點極小的不對稱，便產生了物質比反物質多那麼一丁點的結果，並最終形成了我們今天觀察到的宇宙的狀態。

加速器和對撞機

絕大部分粒子物理學的實驗都採用一種近乎幼稚的研究方法：既然我們看不到微觀粒子世界到底發生了什麼，那我們就把它們統統砸碎，看看能蹦出來什麼東西。這就好比我們為了理解一台構造精密的時鐘是如何工作的，我們很幼稚地選擇用大錘子把時鐘砸得稀爛，並用高速攝像機拍下砸的過程中蹦出來了什麼零件，然後再用慢動作回放仔細研究。

粒子物理學家的“大錘子”就是加速器和對撞機（這兩者通常是在一起的）。加速器和對撞機可以將粒子加速到極高的速度，然後與另一個運動中的粒子或者一個靜止的靶粒子相撞，並捕捉碰撞後的粒子碎片的軌跡用於分析。

帶電粒子經過電磁場時會獲得能量而被加速，起初人們讓粒子沿直線加速（例如直線加速器），後來人們想到如果讓粒子繞著圓形軌道加速的話，粒子每走完一圈就可以被加速一點，不斷繞圈運動便能不斷地加速，最終粒

子可以被加速到非常高的速度，同時還節省空間。世界上最著名的粒子加速器就是位於瑞士日內瓦歐洲核子研究中心（以下簡稱CERN）的大型強子對撞機了。它的圓周總長足有27千米，深入地下100米，能將粒子加速到光速的99.9%以上。