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量子宇宙 版權(quán)信息
- ISBN：9787543983618
- 條形碼：9787543983618 ; 978-7-5439-8361-8
- 裝幀：一般輕型紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
量子宇宙 本書特色
◆世界公認(rèn)的量子力學(xué)入門經(jīng)典 回答愛因斯坦關(guān)于世界本質(zhì)的發(fā)問“上帝擲骰子嗎？” 揭開宇宙大爆炸后運(yùn)行130億年的真相 ◆英國明星科學(xué)家，給你科普前沿物理知識 逐一推導(dǎo) 雙縫實驗｜薛定諤的貓｜反物質(zhì)｜量子場論 助力揭開《三體》《星際穿越》《復(fù)仇者聯(lián)盟》等，科幻背后的科學(xué) ◆多家聞名世界的媒體爭相推薦 布萊恩·考克斯已經(jīng)成為物理學(xué)界的領(lǐng)軍人物。——《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》 全文簡明扼要，閱讀它是一種享受。——《新科學(xué)家》
量子宇宙 內(nèi)容簡介
對于物理學(xué)者來說，量子力學(xué)是支持我們理解自然世界的三根砥柱之一，另外兩根是愛因斯坦的狹義和廣義相對論。愛因斯坦的理論分別處理了時間和空間的性質(zhì)，以及引力問題，而量子力學(xué)處理剩下的一切問題。量子世界的“怪異”有很多豐碑“雙縫實驗”“薛定諤的貓”“不確定性原理”，它常常導(dǎo)致混亂，坦率地說，是糟糕的科學(xué)。《量子宇宙》中的量子力學(xué)為自然界提供了一個具體的模型，其本質(zhì)可與牛頓的運(yùn)動定律、麥克斯韋的電磁理論、愛因斯坦的相對論相媲美。本書從物理切入，追問對自然界的哪些觀察使量子力學(xué)成為必要，它是如何構(gòu)建的，以及為什么我們相信，盡管它有明顯的怪異性，但它是一個好理論。
量子宇宙 目錄
**章 異事登場 1
第二章 同時出現(xiàn)在兩地 7
第三章 何為粒子 30
第四章 只要可能都會發(fā)生 49
第五章 作為幻象的運(yùn)動 80
第六章 原子之音律 95
第七章 針鋒中的宇宙
（以及為何我們不會落入地面） 119
第八章 彼此聯(lián)結(jié) 141
第九章 現(xiàn)代世界 164
第十章 相互作用 177
第十一章 虛空不空 201
結(jié)語：恒星之死 221
拓展閱讀 249
致謝 251
《量子宇宙》大事件 252
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量子宇宙 節(jié)選
量子（quantum）這個詞令人大惑不解而又回味無窮。它既可以是證明科學(xué)之偉大的直接證據(jù)，也可以是人類深陷在怪誕的亞原子領(lǐng)域泥沼時直覺邊界的象征，這取決于你的觀點如何。對于物理學(xué)者來說，量子力學(xué)是支持我們理解自然世界的三根砥柱之一，另外兩根是愛因斯坦的狹義和廣義相對論（Special and General Relativity）。愛因斯坦的理論分別處理了時間和空間的性質(zhì)，以及引力問題，而量子力學(xué)處理剩下的一切問題。可以說，無論它是叫人大惑不解還是回味無窮，都無關(guān)緊要；量子力學(xué)只是一套描述事物行為的物理理論。從這一務(wù)實的角度看，它的精確性和解釋力都相當(dāng)出色。現(xiàn)代量子理論中*古老也是*明晰的實驗便是通過觀測電子在磁鐵附近的行為來完成量子電動力學(xué)測試（quantum electrodynamics）。理論物理學(xué)者辛勤工作多年，想要以紙、筆和電腦來預(yù)測實驗結(jié)果；實驗物理學(xué)者設(shè)計并操作了精密的實驗，都是為了揭示大自然更深的奧秘。雙方各自得出了精確的結(jié)果；他們的準(zhǔn)確程度相當(dāng)于測量從英國曼徹斯特到美國紐約的距離，并將誤差控制在幾厘米之內(nèi)。測試結(jié)果的非同尋常之處在于測量和計算的結(jié)果殊途同歸，實驗學(xué)者和理論學(xué)者獨(dú)立得到的結(jié)果竟然嚴(yán)絲合縫。 這個巧合著實令人動容，也十分玄妙；但如果你認(rèn)為量子理論就只著眼于對事物縮影的描摹，那人們對此大驚小怪并不理解也是正常的。雖然科學(xué)本身不以實用為目的，但很多革命性的技術(shù)和社會變化都出自單純渴望理解世界的當(dāng)代探索者之手。在各科學(xué)領(lǐng)域中，追本溯源的發(fā)現(xiàn)之旅帶來了人類預(yù)期壽命的延長、洲際航空旅行、現(xiàn)代電子通信、免于躬耕的自由，以及面對無垠星海的激揚(yáng)、謙沖和自知之明。但從某種意義上來說，這些都只是副產(chǎn)品。探索是因為好奇，而不只是為了實現(xiàn)真實的宏大圖景，或者研發(fā)更好的器物。 量子理論可能是既玄妙虛無又卓有成效的*佳范例。說玄妙虛無，是因為在它的世界中，粒子可以同時出現(xiàn)在多個地方，在從一處運(yùn)動到另一處的同時窮盡整個宇宙。說卓有成效，是因為只要理解這一宇宙中*小構(gòu)件的行為，就能理解剩下的一切。這種說法近乎傲慢，因為世界充滿繁蕪龐雜的現(xiàn)象。雖說有這種復(fù)雜性，但我們還是發(fā)現(xiàn)，萬物都由一些微小粒子構(gòu)成，它們的運(yùn)動遵循量子理論的法則。這里*神秘莫測的是，事物的根本性質(zhì)并不需要由一整個圖書館的書籍來解釋。這些法則非常簡單，可以在一個信封的背面概括完畢。 我們愈是了解世界的本性，它看上去似乎愈簡潔。萬事俱備后，本書會解釋，萬物的基本法則是什么，以及前述的微小構(gòu)件如何共同構(gòu)成世界。但是，為避免我們在直面宇宙深層的簡潔時感到無所適從，這里需要提醒一句：雖然游戲的基本規(guī)則很簡單，其推論卻不易得出。我們的日常經(jīng)驗由數(shù)萬億的原子共同控制，試圖從**性原理（firstpriciple）中推導(dǎo)出植物甚至人的行為，無疑是癡人說夢。但承認(rèn)這個困難并不會削弱重點—所有現(xiàn)象確實都由描述微小粒子的量子物理學(xué)所決定。 想想你周圍的世界：你拿著一本紙質(zhì)書籍，紙由粉碎的木漿制成，后者則來自樹木。樹木是一臺能夠獲取原子和分子的機(jī)器，并通過分解它們，重造出由數(shù)萬億部件構(gòu)成的細(xì)胞共同體。這個過程由一類叫作葉綠素的分子完成，該分子由百余個碳、氫、氧原子扭曲成復(fù)雜的形狀，并靠少量氮、鎂原子固定。這些粒子的集合體能吸收一個距離我們1.5億千米、足以容納百萬個地球的核反應(yīng)爐（太陽）的光，接著把光中的能量送進(jìn)細(xì)胞的核心，從而使二氧化碳和水在制造分子的同時，釋放出富含生命的氧氣。正是這些分子鏈構(gòu)成了樹木和所有生命，以及本書中的紙張。你能閱讀書籍并理解文字，是因為你的眼睛能把書頁散射的光轉(zhuǎn)化成電信號，并由宇宙已知范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)*復(fù)雜的—大腦來解讀。我們發(fā)現(xiàn)所有這些都只不過是一些原子的集合，而各種原子都僅由三種粒子構(gòu)成：電子、質(zhì)子和中子。我們還發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子和中子又由更小的實體—夸克組成。這就是我們目前認(rèn)知的極限，而量子理論支撐著這一切。 正如現(xiàn)代物理學(xué)所揭示的，深層次來看，我們所處的宇宙是由簡潔的圖案描繪；在視線不及之處，微觀現(xiàn)象清歌雅舞，并由此衍生出繁雜的宏觀世界。這或許是當(dāng)代科學(xué)的至高成就：將包括人類在內(nèi)的世間紛紜還原到對少數(shù)亞原子粒子及它們之間四種作用力的描述。其中有三種力能很好地用量子理論描述，這包括作用于原子核深處的強(qiáng)核力和弱核力，以及把原子和分子粘起來的電磁力。四種力中，只有*弱卻也或許是*為人所知的引力，直到現(xiàn)在還沒有一個盡如人意的量子描述。 應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，量子理論中是有些古怪的東西，多少誕妄不經(jīng)都以之為名。貓可以既生又死，粒子可以同處兩地，海森伯的不確定性原理，這些都是事實，但絕不能因此認(rèn)為微觀世界中發(fā)生的事總是那么奇怪，而我們就應(yīng)該默認(rèn)它的神秘。超感官知覺、神秘治愈術(shù)，或是號稱能防輻射什么的能量手環(huán)等，就經(jīng)常在“量子”一詞的掩護(hù)下魚目混珠，登上大雅之堂。這些都是無稽之談，大概來自思緒不清、執(zhí)念深重、無端誤解、有意曲解，或是上述原因不幸兼有。量子理論能精確地描述世界，這些以數(shù)學(xué)語言寫成的定律，跟牛頓或伽利略提出的理論一樣真實可靠。這就是在前述的例子中，電子的磁響應(yīng)能計算得如此嚴(yán)絲合縫的原因。你將在本書中發(fā)現(xiàn)，量子理論對大自然的描述有巨大的預(yù)測力和解釋力，涵蓋的現(xiàn)象范圍之廣，小到硅片、大至星辰。 編寫本書的目的，就是揭秘量子物理的理論框架。量子理論以令人不解聞名，甚至連早期的量子理論學(xué)者也深感困惑。我們的介紹將會采用現(xiàn)代觀點，其中包含了一個世紀(jì)以來的后見之明和理論進(jìn)展。然而，為了介紹故事背景，我們還是會從20世紀(jì)之交啟程，探索當(dāng)年導(dǎo)致那些物理學(xué)者走上迥異歧路的問題。 那時，人們發(fā)現(xiàn)了一些不能由科學(xué)范式所解釋的自然現(xiàn)象，像科學(xué)領(lǐng)域中其他一些例子一樣，這些發(fā)現(xiàn)沉淀下來，*后形成了量子理論。這些現(xiàn)象多種多樣、星火燎原，令人振奮而茫然，催生出一個實驗與理論創(chuàng)新的黃金時代—這個詞有點陳腐，放在這里卻是實至名歸。故事主角們的大名，刻在所有物理專業(yè)學(xué)生的心底，直到今天依然貫穿本科課程始終：盧瑟福、玻爾、普朗克、愛因斯坦、泡利、海森伯、薛定諤，還有狄拉克。可能再也不會出現(xiàn)這樣一個時期，涌現(xiàn)如此多科學(xué)偉人，共同追尋一個目標(biāo)：一個有關(guān)組成物理世界的原子和力的全新理論。1924年，當(dāng)歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）回顧量子理論的草創(chuàng)歲月時，這位生于新西蘭、并在曼徹斯特發(fā)現(xiàn)原子核的物理學(xué)家寫道：“1896年……對于物理科學(xué)是名副其實的英雄時代元年。在那段激蕩歲月里，具有根本重要性的新發(fā)現(xiàn)層出不窮，這在物理學(xué)史上是前所未有的。” 跟隨本書我們將回到19世紀(jì)的法國巴黎，去見證量子理論的誕生，但在此之前，我們還得先問一句：“量子”這個詞到底是什么意思呢？這個詞在1900年通過馬克斯·普朗克（MaxPlanck）的著作引入物理學(xué)。當(dāng)時普朗克正致力于找到一套新理論，以描述高溫物體發(fā)出的輻射，即所謂“黑體輻射”（black body radiation）。這項工作起源于一家電氣照明公司的委托，可見宇宙奧秘之門偶爾也會為柴米油鹽而開。本書會在后面詳細(xì)討論普朗克的真知灼見；現(xiàn)在只需知道，普朗克發(fā)現(xiàn)黑體輻射后，為解釋其性質(zhì)，他只能假設(shè)光須以小份能量的形式輻射出去，稱之為“量子”。這個詞本身的意思是“包”或“離散”。起初，普朗克認(rèn)為這只是一個數(shù)學(xué)技巧，但就在1905年，阿爾伯特·愛因斯坦（AlbertEinstein）在光電效應(yīng)（photo electric effect）現(xiàn)象上的后續(xù)研究中進(jìn)一步支持了量子假說。這結(jié)果發(fā)人深省，因小份能量即可視為粒子的同義詞。 歷史上很長一段時間，都認(rèn)為光是由一串小子彈組成的，可以追溯到標(biāo)志現(xiàn)代物理學(xué)誕生的艾薩克·牛頓（Isaac Newton）時期。然而，1864年，由蘇格蘭物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）發(fā)表的一系列論文似乎全面消除了對于光的疑慮，這些論文后來被阿爾伯特·愛因斯坦形容為“自牛頓時代以來，物理學(xué)*為透徹和豐碩的論著”。麥克斯韋證明，光是一列涌過空間的電磁波。自此，光是一種波的觀點成為正統(tǒng)，看起來似乎毋庸置疑。然而，在1923年到1925年間，阿瑟·康普頓（Arthur Compton）及其同事在美國圣劉易斯華盛頓大學(xué)（Washington University in St.Louis）進(jìn)行了一系列實驗，并成功地使光量子從電子上反彈出去。光量子和電子的行為都像臺球一樣，這一現(xiàn)象為普朗克的理論猜想提供了鐵證，是其在現(xiàn)實世界中堅實的理論基礎(chǔ)。到了1926年，光量子被賜名為“光子”（photon）。光的行為既像波又像粒子，證據(jù)確鑿。 這標(biāo)志著經(jīng)典物理的終結(jié)，也是量子理論草創(chuàng)時期的終結(jié)。
量子宇宙 作者簡介
布萊恩·考克斯 英國曼徹斯特大學(xué)理論物理學(xué)教授 英國皇家學(xué)會研究員 享有英國z高榮譽(yù)“不列顛帝國勛章” 他有三份工作： 在英國曼徹斯特大學(xué)教書；在歐洲粒子物理實驗室（CERN）里研究大型強(qiáng)子對撞機(jī)；主持BBC紀(jì)錄片《行星》《宇宙的奇跡》《太陽的奇跡》等。 杰夫·福修 英國曼徹斯特大學(xué)理論物理學(xué)教授 “麥克斯韋物理學(xué)獎?wù)隆钡弥?曾任職于盧瑟福實驗室
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