從光到物質的量子探索：量子的星際漂流，從打臉牛頓開始

本書從光是粒子還是波的古老問題出發，帶領讀者穿越物理學的重大發現和理論革新，涵蓋惠更斯的波動說、牛頓的微粒說到愛因斯坦的光量子理論和量子力學的建立。作者以通俗易懂的語言解釋了黑體輻射謎團、光電效應等關鍵實驗，並介紹了量子化、波粒二象性等核心概念。同時穿插相關歷史趣事，使讀者能更深入理解這奇妙的世界。

【從薛丁格到海森堡，量子力學的建立】
探索光的波粒二象性，解開物理學的古老謎題
從黑體輻射到量子化，闡述能量不連續的發現

討論超弦理論與宇宙起源，一窺物理學專業領域；
揭示微觀世界的奧祕，展望物理學未來的可能性！

【量子的宇宙奇幻之旅】
在這本關於量子世界的奇幻之旅中，我們將深入探討光的本性之爭，從光是粒子還是波的爭議開始。再回顧惠更斯的波動說與牛頓的微粒說的對立，以及楊氏雙狹縫干涉實驗和帕松的烏龍球如何挑戰我們對光的認知。隨後，我們將探討電磁波能量的謎團，包括黑體輻射謎團、光電效應謎團和原子光譜謎團。我們將一窺石破天驚的量子化假設如何解開這些謎團，並開啟了全新的量子世界。

【探索量子化與連續性之辯】
隨著對光的本性有了更深入的了解，我們將進入量子化與連續性之辯的領域。我們將討論芝諾的悖論如何引發了對運動的連續性質的質疑，並探究時空是如何被量子化塑造的。進一步探討量子化的概念如何成為我們理解世界的基石，並挑戰傳統連續性觀念的局限。在這個探索連續性與離散性的辯證過程中，我們將一起踏入量子力學的神祕花園，解開其中的種種奧祕。

【推展至量子世界的奧祕】
隨著我們越深入探索量子世界的奧祕，將逐步揭開光的波粒二象性的面紗。著重於愛因斯坦提出的光子理論，我們將進一步了解光子在揭露光的本性方面扮演的關鍵角色。在潛入量子世界的過程中，我們將探尋實物粒子的波粒二象性，尤其聚焦於德布羅意的驚人假設和實物粒子的波動性觀察。透過實物粒子的雙狹縫干涉實驗，我們將揭示物質波的驚人特性以及其在科學與技術上的應用。進一步深入了解量子力學的建立過程，從薛丁格的波動力學到海森堡的矩陣力學，我們將一起鑽研量子力學的基本原理與概念。

【揭開量子世界的最終謎題】
隨著我們走進量子世界的迷離之旅，我們將進一步探討單一粒子的波粒二象性對於現象解釋的重要性。透過深入討論量子力學正統解釋的哥本哈根詮釋和其他量子力學解釋的新思維，我們將不斷挑戰傳統物理觀念，探求宇宙規律的更深一層奧祕。隨著奇幻量子世界的探索不斷深入，我們將踏上揭開量子世界最終謎題的旅程，探求宇宙中最微小的粒子背後所隱藏的真相。


本書特色：本書從光是粒子還是波的古老問題出發，帶領讀者穿越物理學的重大發現和理論革新，涵蓋惠更斯的波動說、牛頓的微粒說到愛因斯坦的光量子理論和量子力學的建立。作者以通俗易懂的語言解釋了黑體輻射謎團、光電效應等關鍵實驗，並介紹了量子化、波粒二象性等核心概念。同時穿插相關歷史趣事，使讀者能更深入理解這奇妙的世界。

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！

自序
Chapter 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
Chapter 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
Chapter 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
Chapter 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
Chapter 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？
Chapter 6實物粒子的波粒二象性
6.1　德布羅意的驚人假設
6.2　實物粒子波動性的觀察
6.3　實物粒子的雙狹縫干涉實驗
6.4　物質波的應用
Chapter 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？
Chapter 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
Chapter 9量子力學正統解釋：哥本哈根詮釋
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
Chapter 10神奇的量子穿隧效應
10.1　穿隧效應：穿牆而過不是夢
10.2　掃瞄穿隧顯微鏡
Chapter 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
Chapter 12堅持決定論的隱變量理論
12.1　德布羅意的領波理論
12.2　玻姆的量子位能理論
Chapter 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
Chapter 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
Chapter 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 三粒子纏結
15.5　量子隱形傳態：超空間傳送能實現嗎？.
Chapter 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？
16.7　電子雲節面之謎
16.8　電子的自旋
16.9　電子自旋之謎
Chapter 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　四種基本交互作用和力的傳遞粒子
17.6　上帝粒子：希格斯粒子
17.7　標準模型
附錄　以高速粒子檢驗狹義相對論
Chapter 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　包立不相容原理
18.3　玻色−愛因斯坦凝態
18.4　液氦超流現象
Chapter 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　真空裡隱藏的奧祕
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
Chapter 20超弦理論：萬物至理？
20.1　統一理論的探索
20.2　宇宙的琴弦：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？
Chapter 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 239

【內文試閱】
Chapter 1　光的本性之爭：光是粒子還是波？
「量子」這個概念最早源自科學家對光的認識，所以就讓我們從光的性質說起吧。
自古以來，太陽就是人類膜拜的對象，陽光是人類必不可少的生命源泉，但人們對於光到底是什麼卻說不清楚，所以古人只好把太陽當作神靈來崇拜，把太陽作為光明的象徵，也把太陽看作是世界的統治者。
很長一段時間，人類對光的認識只限於某些簡單的現象和規律描述，例如戰國時期的《墨經》，記載了投影、針孔成像等光學現象；古希臘學者歐幾里得在《反射光學》中，論述了光在傳播過程中的直線傳播原理和光的反射定理。
隨著科學的發展，人們終於開始以科學方法研究光，並發現了反射、折射等一些基本的光學現象。到了十七世紀，人們開始研究光的本性，但對於光的性質卻有了水火不容的爭論：牛頓認為光是一種粒子，惠更斯卻認為光是一種波。

1.1 惠更斯的波動說
荷蘭物理學家惠更斯認為：如果光是一種粒子，那麼光在交叉時就會因碰撞而改變方向，可人們並沒有觀察到這種現象，所以微粒說是錯誤的。他認為光是發光體產生振動後，在「乙太」中的傳播過程，並以球面波的形式連續傳播，當時的人們認為「乙太」是充塞整個空間的一種彈性粒子；當然，現在已經證明這是一種子虛烏有的東西。惠更斯認為，乙太波的傳播形式不是乙太粒子本身的移動，而是以振動的方式傳播。
1690年，惠更斯出版了《光論》一書，闡述了他的光的波動原理：
「光波向外輻射時，光傳播介質中的每一物質粒子，不只是把運動傳給前面的相鄰粒子，還傳給周圍所有和自己接觸、並阻礙自己運動的粒子。因此，在每一粒子周圍，就產生以此粒子為中心的波。」
惠更斯在此原理基礎上，推導出了光的反射和折射定律，解釋了光速在光密介質（折射率較高的介質）中減小的原因，同時還解釋了光進入冰島晶石（透明方解石）的雙折射現象（1669年，丹麥學者巴爾托林發現了此現象，透過它可以看到物體呈雙重影像）。
惠更斯的波動說雖然冠以「波動」一詞，但他把錯誤的「乙太」概念引入波動光學，對波動過程的基本特性也說明不足。他認為光波是非週期性的，波長和頻率的概念在他的理論中不存在，故難以說明光的直線傳播現象，也無法解釋他發現的光的偏振現象，惠更斯的光學理論，尚只是很不完備的波動理論。

1.2 牛頓的微粒說
牛頓則堅持光的微粒說，在其做過很多的光學實驗裡，就包括著名的三稜鏡色散實驗。其實這個實驗在他之前已有人做過，不過做得不佳，只獲得了兩側帶有顏色的光斑，而牛頓則獲得了展開的光譜。他還用各種不同的稜鏡以及不同的組合方式，嚴謹地研究了色散現象，所以不少人都認為牛頓是最早發現色散現象的人。
牛頓認為：既然光是沿直線傳播，那就應該是粒子，因為波會彌散在空間中，不會聚成一條直線，最直觀的實驗證明就是物體能擋住光形成陰影，他在1675年12月9日送交英國皇家學會的信中鮮明地指出：
「我認為光既非乙太也不是振動，而是發光物體所傳播出、某種與此不同的東西……可以設想光是一群具有難以想像微小運動迅速、大小不同的粒子，這些粒子從遠處發光體處一個接一個發射，但我們卻感覺不到相繼兩個粒子之間的時間間隔，它們被一個運動本源不斷推進……」
牛頓在1704年發表了《光學》一書，書中論述了關於光的反射、折射以及顏色等問題的實驗和討論，也提到了對於光繞射現象的一些觀察實驗。雖然《光學》一書主要在論述牛頓的微粒說觀點，但他也不得不含糊借用一些波動理論來解釋一些實驗現象。實際上，牛頓在後期的研究中精確地測量了各種色光的波長，但他並不將其稱為波長，而且聲明：
「這是何種作用或屬性，究竟它在於光線或媒質，還是別的某些東西的一種圓周運動或是振動，我在此不予探究……」
由於牛頓和惠更斯都提出了有理有據的論證，但都有一些破綻，所以科學家分成了兩大陣營，對光的微粒說和波動說吵得不可開交。雖然牛頓含糊借用了一些波動論的觀點，但由於他極高的聲望、以及著作中實驗和理論分析的嚴謹性，一時間光的微粒學說占了上風。

1.3 楊氏雙狹縫干涉實驗
一個世紀以後，情況發生了變化。1807年，英國科學家湯馬斯．楊格發表了一篇論文，這篇論文裡描述了他發現的光的干涉實驗：
「讓一束單色光照射一塊屏，屏上開有兩道狹縫，可認為這兩條縫就是兩束光的發散中心；而當這兩束光照射到放置在它們前進方向上的屏上時，就會形成寬度近於相等、若干條明暗相間的條紋……」
這個實驗現在叫做楊氏雙狹縫干涉實驗，是物理學史上最著名的實驗之一。一束光照射到兩道平行狹縫上，如果按照牛頓的光粒子理論，這束光只能在兩道狹縫後的屏幕上照出兩條亮條紋，但實驗結果卻是整個屏幕上都出現了明暗相間的條紋，這不就是波的干涉條紋嗎？湯馬斯．楊格終於找到了支持波動說的有力證據：光從兩道狹縫中通過後，波峰和波峰疊加形成亮條紋，波峰和波谷疊加形成暗條紋。
湯馬斯．楊格成功完成了光的干涉實驗，並由此測定光的波長，為光的波動性提供了重要的實驗依據。

1.4 帕松的烏龍球
楊氏雙狹縫干涉實驗，拉開了光的波動說對微粒說的反擊序幕。1818年，菲涅耳和帕松又發現光在照射圓盤時，在盤後方一定距離的屏幕上，圓盤的影子中心會出現一個光斑。這是光的圓盤繞射，是波動說的又一個有力證據。
當單色光照射在寬度小於或等於光源波長的小圓盤上時，會在後面的光屏上出現環狀、互為同心圓的繞射條紋，並且在圓心處會出現一個極小的光斑，這個光斑被稱為帕松光斑。
帕松光斑的發現說起來還是一段歪打正著的笑話呢！
1818年，法國科學院提出一個徵文競賽題目：利用精確的實驗確定光線的繞射效應。
當時只有三十歲的菲涅耳向科學院提交了應徵論文，他提出一種半波帶法，定量計算了圓孔、圓板等形狀的障礙物產生的繞射花紋，得出的結果與實驗非常吻合。更令人驚奇的是，菲涅耳竟然用波動理論解釋了光沿直線傳播的現象。
競賽評獎委員會中有著名的科學家帕松，但他當時是堅定的光的微粒說支持者，菲涅耳的波動理論自然遭到了帕松的反對。
帕松希望找到菲涅耳的破綻來駁倒他，於是他運用菲涅耳的理論推導了圓盤繞射，結果導出了一種非常奇怪的現象：如果在光束的傳播路徑上放置一塊不透明的圓盤，那麼在離圓盤一定距離的地方，圓盤陰影的中央應當出現一個光斑。對當時的人來講，這簡直不可思議，所以帕松宣稱，他已經駁倒了菲涅耳的波動理論。
但是另一位評委阿拉戈卻是波動說的支持者，他支持菲涅耳接受這個挑戰。他們立即用實驗，檢驗帕松提出的問題，結果發現：影子中心真的出現一個光斑，這個實驗精彩地證實了菲涅耳波動理論的正確性。在事實面前，帕松啞口無言。
這件事轟動了法國科學院，菲涅耳理所當然地榮獲了這一屆的科學獎。
令人啼笑皆非的是，原本想反對波動說的帕松，竟無意幫了波動說一個大忙，雖然屬於自擺烏龍，但畢竟為波動論進了一球；波動論者也沒有忘記他的功勞，慷慨地把這個現象稱為帕松光斑。不管帕松願不願意，他在後人心目中已經成了波動說陣營中的一員大將。

1.5 光就是電磁波
隨著時間推移，波動說取得了越來越多的證據。英國科學家馬克士威在建立電磁理論時，於1862年就已預見到光是起源於電磁現象的一種橫波，他在相關論文中用斜體字寫道：
「我們很難避免得出這樣的結論，即光是由引起電現象和磁現象的同一介質當中的橫波所組成。」
馬克士威在多年研究的基礎上，於1873年出版了《電磁通論》一書，指出了光就是電磁波！
馬克士威將電磁學裡的四個公式結合，提出馬克士威方程組，明確指出變化的電場會產生磁場，變化的磁場又會產生電場，這樣電和磁可以像波（稱為電磁波）一樣，在真空中向前傳播而不需要介質。電磁波彌漫整個空間，以光速傳播，馬克士威同時預測：光就是電磁波。
1879年，馬克士威因病逝世，年僅四十八歲。不少人都喜歡講這樣一個巧合：愛因斯坦正好在1879年出生，莫非冥冥之中二人有什麼連繫？遺憾的是，這樣的謠傳經不起檢驗，因為馬克士威在11月5日去世，而愛因斯坦在3月14日就出生了。
雖然馬克士威提出了電磁波理論，但不少人對此還是半信半疑。1886年，德國物理學家赫茲發明了一種電波環，他用這種電波環做了一系列實驗，終於在1888年發現了人們期待已久的電磁波。赫茲的實驗公布後，轟動了世界，馬克士威的電磁理論至此取得了決定性的勝利。
於是，可見光、紫外線、紅外線，以及後來發現的X射線、γ射線等，這些之前被認為不相干的東西，現在全被統一成電磁波，光也開始明確地與電磁波對應。
至此，波動說終於徹底擊敗了微粒說──至少當時人們這樣認為。