萊德曼量子物理通識講義：諾獎大師給“詩人”的量子物理公開課（簡體書）

這是一本諾貝爾物理學獎得主寫的量子力學科普圖書。

量子力學不僅是現代物理的兩大基石之一，還是一門充滿神奇色彩的學科。人們一方面對薛定諤的貓、量子糾纏等典故津津樂道，另一方面又難以真正理解其中的精妙。本書的作者——真正的粒子物理學名家，本著幫助普通讀者真正理解量子物理的意願，撰寫了這本嚴謹而不失趣味的科普圖書，詳細而準確地講解了量子物理的發展故事、基本概念和科學意義。通過大量的比喻，量子世界的“怪現象”被作者講得精辟透徹，生動而幽默。

利昂·萊德曼：著名物理學家，1922年生於紐約，1951年博士畢業於哥倫比亞大學物理系，1958年後任該校教授，1979—1989年任費米國家加速器實驗室主任，並主持設計了超導超級對撞機建造計劃。他在粒子物理實驗領域成果卓著，於1988年獲得諾貝爾物理學獎。

萊德曼熱衷於科學教育事業，曾任美國科學促進會理事會主席。2018年10月，萊德曼在愛達荷州去世，享年96歲。

克裡斯托弗·希爾：著名物理學家，本科和碩士畢業於麻省理工學院，博士畢業於加州理工學院，師從1969年諾貝爾物理學獎得主默裡·蓋爾曼。現就職於費米國家加速器實驗室。

第1章　如果你沒感到震驚，說明你還不懂

第2章　經典力學：從伽利略到牛頓

第3章　“光”怪陸離

第4章　量子幽靈的出現

第5章　海森堡的不確定性

第6章　奏效的量子科學——解釋元素周期表

第7章　世紀論戰：愛因斯坦VS 玻爾

第8章　現代量子物理學

第9章　廣義相對論與量子力學的結合：弦理論

第10章　千禧年的量子物理

附錄

致謝

注釋

第1章 如果你沒感到震驚，說明你還不懂

在電視劇《星際迷航》及其衍生作品中，“進取”號（Enterprise）飛船穿梭在各個星系之間，它的一個為期五年的任務便是去探索那些人類未曾踏上的星球。“進取”號的船員使用的是那些屬於遙遠未來的科技：數倍於光速的曲速飛行，利用“子空間通信”與幾光年外的艦隊司令部聯絡，掃描正在靠近的飛船和陌生星球的表面，以及偶爾用質子魚雷抵御一些不友好的勢力，等等。其中腦洞開得最大的恐怕就是艦隊隊員可以“嗶”一下瞬間轉移到其他星球的表面，看到各種奇特的風景，和其他文明種族的首領來個面對面的交流，這些種族的文明程度都或多或少地領先於人類。

然而，在《星際迷航》以及其他我們知道的科幻故事的情節中，沒有一個能比1900—1930 年發生在地球上的那次探索更異想天開。20 世紀初是屬於科學的時代，當時先驅者們探索的空間可以說和《星際迷航》的船員們所面對的空間一樣廣袤——這不是指跨越星際數十億光年，而是指人類向隱藏在自然界深處的、完全未知的、從未前往過的最小物體的一次旅行，正是這種小之又小、微乎其微的東西構成了我們看到的整個宇宙。

在19 世紀末20 世紀初的時候，當時最先進的科學技術，從某種意義上第一次讓人類能夠探測那個全新的、令人難以置信的“外星世界”——原子的世界。在這段時期，物理學家們遇到了難以形容的現象，它現實存在卻又超越現實：他們在自然世界的最深處揭開了一個奇妙而陌生的全新世界，這個超現實的現實之於科學的意義，就好比同一時期的畢加索的眼睛之於藝術、勛伯格的耳朵之於音樂、卡夫卡的筆之於文學。事實上，人們經過三百年發展並完善了一整套物理學定律，而這精致的經典物理學在這個新發現的世界中卻被證明是完全錯誤的。就好像柯克船長和他“進取”號上的伙伴們降落在了一個遵循著各種奇怪自然規則的星球，堪比愛麗絲掉入兔子洞後遭遇到的種種。它是一種真實存在的“夢中奇境”：在某個地方存在的物體會突然間在另一個地方出現；一個光滑而堅硬的石頭可以變得模糊，然後在科學家的眼皮底下彌散消失；一面堅固的城墻可以被輕鬆地穿過；事件在時空中瞬間發生改變。

在這個全新的世界裡，物質中大量的“粒子”會遊過來遊過去、遊過去遊過來。科學家仔細觀察了這些“粒子”後發現，它們在一定的時間內從A點到B點並不是簡單地走一段單一的路徑，不遵從三百年之前伽利略或牛頓設想的移動方式。取而代之的，人們發現自然界中這種組成世界萬物的“基本粒子”——比如微小的電子——會走過所有可能的路徑，並且是在同一時間！粒子看起來並不存在，實際上卻無處不在。它們仿佛幽靈一樣掌握所有可能到達目的地的路線，然而人們卻根本不知道它們選擇的到底是哪條。科學家們實驗後發現，當擋住粒子在A點和B點之間的一些可能路線後，粒子到達B點的行為便受到影響，它們可能會更多地到達B點，也可能就再也無法到達了——即便這種改變僅僅是擋住了兩點間眾多路線當中的一條，而且無論它是否真的選擇了這條路徑。

粒子是極小的“點狀物質”，沒有明顯的或可辨別的內部結構，但卻能夠在探測器中留下清晰的軌跡，在熒光屏上產生一個個小亮點，或是使蓋革計數器“嘀嗒”作響。然而與此同時，這種極其微小的物質還是波——它們表現得像一列波、像一團云，運動的方式模糊不清，波峰和波谷很像湖泊或大海表面的波浪。而像無線電波和光，這些曾經被認為是波的物質，現在又被認為是各種粒子。波變成粒子，粒子亦變成波，時而體現前者，時而體現後者，或者同時發生。天哪，就仿佛是同一時代的那群“癲狂”的畫家、作曲家和文學家在設計自然界的基本規律！

總而言之，在20 世紀初的探索者眼前——借助高度複雜的儀器設備——這個世界已發生翻天覆地的變化，與自啟蒙運動以來三百年間科學給我們的解釋不同，世間萬物如今以一種全新的方式運行。這一次，人們對物理規律的理解發生了巨大改變，開始以完全不同的方式來審視自然，並由此誕生了一門全新而又更加基礎的科學——量子力學。