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量子力學的真相(簡體書)
人民幣定價:109.9元
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商品簡介

作者簡介

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目次

春天的早晨,從窗戶湧進來的空氣帶著花園裡的清新氣息,這個 “奇跡”是如何發生的?

分子如何被微風吹動,又如何經鼻子轉化成令人感到愉悅的氣味?

每天早晨醒來的“我”是誰 ?當這個“我” 睜開雙眼時,周圍的宇宙又是什麼?

……

在這個量子力學的時代,關於我們的存在以及我們與這個世界之間關係的這些基本的問題,仍是未解之謎。而愛因斯坦和其他現實主義者相信:量子力學理論是不完備的。

● 在《量子力學的真相》一書中,斯莫林教授用3幕故事帶領我們走進量子力學的世界,瞭解那些自量子力學誕生以來就一直困擾著人們的概念問題和嚴重分歧。第一幕他會講述我們在探究量子力學發展軌跡時所需的基本的量子力學概念。第二幕他將帶我們追溯了從 20 世紀 50 年代開始的現實主義量子力學方法的復興,並且闡述它們的優缺點。斯莫林認為:正確且完備的量子力學理論不僅能夠解決量子引力的問題,還能給出一套完整的宇宙學理論。第三幕斯莫林將介紹包括自己在內的當代物理學家為構建現實主義的萬物理論所付出的努力。

● 量子力學,是一個充滿悖論與神秘色彩之地,歡迎所有人來到新的科學時代。


[美]李 • 斯莫林

● 美國知名理論物理學家,圈量子引力論創始人之一,被譽為“現今具原創力的理論學家之一”。擁有罕布希爾學院學士學位和哈佛大學博士學位,在普林斯頓高等研究院、聖巴巴拉理論物理研究所以及芝加哥大學做博士後;曾任教於耶魯大學、雪城大學和賓夕法尼亞州立大學。現任加拿大圓周理論物理研究所研究員、滑鐵盧大學物理系客座教授、多倫多大學哲學系研究生導師。

● 暢銷書作家,著有《時間重生》等多本科普圖書,因其對“前沿物理大眾科普的卓越貢獻”,榮獲由美國物理教師聯合會頒發的克洛普 • 斯特格紀念獎(Klopp Steg Memorial Award)。


● 繼暢銷書《時間重生》後,當代物理學領軍人李·斯莫林量子理論新見解,歡迎大家來到量子力學的新世界。斯莫林教授用3幕故事帶領我們走進量子力學的世界,瞭解那些自量子力學誕生以來就一直困擾著人們的概念問題和嚴重分歧。

● 量子力學“橫行”的時代,如何解決相對論時代未解決的問題,李·斯莫林完成愛因斯坦尚未完成的科學革命,用優美詩意的文字喚醒你對科學世界的好奇心,帶你超越量子力學,抵達科學的最前沿。

● 知名科技史學家、暢銷書《圖靈的大教堂》作者喬治·戴森,聖達菲研究所複雜系統研究員斯圖爾特·考夫曼,美國國家公共電臺、《自然》雜誌重磅推薦。

●湛廬文化出品。


量子物理學,一個充滿悖論與神秘色彩之地

我們總是看不清現實與幻想之間的邊界,為了解釋這個世界的運作機制,我們編造了各種各樣的故事。因為我們都是優秀的故事講述者,所以就被這些自編的故 事迷住了,並把自己對世界的詮釋同世界本身混淆了起來。這對科學家和公眾都產生了很大的影響,實際上, 對科學家的影響要更大一些,畢竟在科學家的工具包中 有非常多具有說服力的故事。

隨著我們把注意力轉到更小且更基礎的現象上,我們對自然界的理解也越來越深入,然而,我們所取得的一系列成功其實給我們的進一步發展設置了障礙。為了避免陷入困境,我們必須在以下兩個方面取得平衡:一是對已有知識的力量保持理性的認知;二是敏銳地意識到即便是我們最具說服力的假設也只是假設。我們的感官部分由現實引起,但完全由大腦構建,目的則是以一種探索自然所需的形式把這個世界呈現在我們面前。這是我們必須學習的艱深一課。在我們的感官之外,神秘莫測的大自然從本質上來看是搖擺不定的,且處於我們的認知範圍的邊緣。

如今,我們對大自然最重要的特徵已有所理解,但在過去,這些特徵則不為人知。我們已知的關於這個世界最基本的事實,例如,物質是由原子構成的;地球是一個包裹著熔融核心的巖石球體,並被一層薄薄的大氣所籠罩,同時在近乎真空的空間中圍繞著一座“天然熱核反應堆”運轉。 實際上,這些我們從小就學到的簡單事實是不計其數的科學家和學者數個世紀以來辛勤耕耘的結果。它們在剛被提出時,全都是近乎瘋狂的想法, 與明顯得多且合理得多的但最終證明是錯誤的想法相矛盾。

所謂的科學思維就是要尊重一些人所共知的事實,它們是前人們不斷努力探究出的結果,同時還要對未知之物保持開放的態度。這樣做有助於我們在世界的核心奧秘前保持謙遜,因為當我們對其進行更加深入地探索時,那些已知的領域也會變得神秘起來。我們知道的越多,就會越發對未知的世界感到好奇。自然界中的一切都如此非凡,對它們的沉思無不是通往奇跡和感恩的無言之路,而我們獲得的也只是其內涵的一小部分。

在春天的早晨,從窗戶湧進來的空氣帶著花園裡的清新氣息,這個“奇跡”是如何發生的呢?分子如何被微風吹動,接著又如何經鼻子轉化成令人感到愉悅的氣味?我們看到鮮豔的色彩便會回想起那個關於不同波長的光如何激發不同神經元的故事,但是,受到刺激的不同神經元又是如何引發人產生紅色或藍色這些感覺的呢?什麼樣的事物才算得上具有不同顏色或是不同氣味的感覺—用哲學家的語言來說就是“主觀體驗特性”? 氣味與顏色的區別又是什麼?既然它們都是神經元中的電脈衝, 那為什麼又會出現這種差異?每天早晨醒來的“我”又是誰?當這個“我”睜開雙眼時,周圍的宇宙又是什麼?此外,我們的存在以及我們與這個世 界之間的關係這些最基本的問題也仍是未解之謎。

接下來,讓我們踮起腳尖,小心翼翼地避開這些意識方面的難題,把目光放到更簡單的問題上,作為一名科學家,我相信這是取得突破的最佳途徑。讓我們從一個非常基本的問題開始:什麼是物質?比如,桌子上放著一塊巖石,我把它拿了起來,對我來說,它的重量和形狀都有一種熟悉的感覺。不過,巖石到底是什麼?

我們知道巖石的外形和觸感,但這些無論對我們還是對巖石來說都是最表面的信息。巖石的外形和觸感幾乎無法告訴我們從本質上是什麼構成了巖石。從物理學角度看,巖石大部分是由原子排列其中的空曠空間構成的,而把巖石看作堅硬的固體則是我們人類思維的產物。相對於原子尺度來說,我們的思維是在相當寬泛的尺度上整合了各類知覺。

物質的存在形式多種多樣,我們知道其中的一部分肯定很複雜,比如巖石和編織成毯子、床單和衣物的有機材料。因此,我們可以先探究一種簡單一些的物質形式,比如玻璃杯中的水是什麼?

從我們的視覺和觸覺的角度看,水似乎是平滑、連續的,直到一個多世紀前,物理學家還認為水是完全連續的。在 20 世紀初,愛因斯坦則證明這種觀點是錯誤的,並證明了水是由巨量的原子構成的。在水中,這些原子每 3 個一組結合成分子,每個水分子包含 2 個氫原子和 1 個氧原子。

接著,我們可能會問:“什麼是原子?”在愛因斯坦做出上述發現後不到 10 年,人們就知道了原子就像一個微型太陽系,原子核就像太陽一 樣處於中心位置,而電子則像行星一樣圍繞著原子核運動。

問題又來了,什麼是電子?我們目前已經知道電子以離散單位存在, 每個電子都擁有確定的質量和電荷,且一定會處於空間中的某個位置,但它是處於不斷的運動狀態中的:我們剛開始觀察時,它可能在這裡,過一 會兒再觀察時,它可能又跑到了那裡。

這些性質都還算容易理解,但電子的其他性質就沒那麼容易弄明白了,本書的大部分內容就是為了把電子的那些讓人難以理解的性質解釋 清楚。

巖石是什麼?水是什麼?分子、原子、電子又是什麼?對這些問題最完備的解釋來自一個被稱為“量子物理學”(quantum physics)的科學分支。不過,眾所周知,這是一個充滿悖論與神秘色彩的領域。在量子力學所描述的世界中,沒有任何物質是以穩定形式存在的,原子或電子既可以 是波也可以是粒子,具體如何則取決於我們的觀測方式;更為人熟悉的則是“薛定諤的貓”(Schrödingers cat)。這對一些前衛的潮流文化來說簡直太有用了,於是,“量子”就成了與酷炫、極客、神秘主義有關的流行詞。對於那些希望理解我們賴以生存的這個世界的人來說,這個詞會讓人感到非常困惑,因為這樣一來,連“巖石是什麼”這種簡單的問題似乎也沒有簡單的答案了。

……


前言 量子物理學,一個充滿悖論與神秘色彩之地

第一幕 量子力學的真相

01 熱愛隱藏的大自然

02 量子

03 量子的變化方式

04 量子的共享方式

05 量子力學無法解釋的事物

06 反現實主義的勝利

第二幕 現實主義的重生

07 德布羅意和愛因斯坦:現實主義的挑戰

08 大衛·玻姆:現實主義的又一次嘗試

09 量子態的物理坍縮

10 魔幻現實主義

11 批判現實主義

第三幕 超越量子力學

12 革命的替代品

13 經驗教訓

14 第一步,原理

15 因果論觀點

結 語 完成愛因斯坦未竟的革命

致 謝

術語表

注 釋


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