沙滩上的薛定谔：带着量子物理学去度假

什么是量子？

什么是波粒二象性？

量子物理究竟在研究什么？

它用哪些理论“积木”构建起崭新的科学大厦？

它如何定义了整个世界的“不确定性”？

它在我们的日常生活和科技领域中有哪些应用？

自从20世纪初量子物理诞生，我们的世界观就发生了颠覆性的改变！

“从探索量子物理学的那一天起，我们便yong远不再是曾经的我们了。”

埃尔温·薛定谔正是这一时期的标志性人物，他几乎参与了量子力学的每一个关键阶段，他的研究给这一理论不断带来决定性的启发。他创立了波动力学，他那只“处于生与死叠加态”的猫成为人人皆知的譬喻。他的方程描述了微观状态下粒子随时间而发生的变化，他与爱因斯坦一同提出了量子纠缠这一概念，他还成功地为80年后出现的新兴的量子生物学开辟道路。

时至今日，我们每个人都在不知不觉中享受着这一理论为我们带来的便利。从GPS、原子钟到智能手机，从医学成像到量子通信，量子物理学不可遏制地改变了我们的生活，影响了我们的未来。

法国物理学教授夏尔·安东尼用轻松诙谐的语言、直观明了的图表向我们展示了奇异的量子世界，我们在了解量子物理发展的同时，更能深刻地感受这一理论所构建的远大前景。

巴黎第六大学副教授，科学作家，曾出版多部作品，包括《量子力学导论》《现代物理学导论：相对论与量子力学》等。

序言···i

第一章　开启非凡之旅 ···001

量子物理学，一言以蔽之/ 量子物理十问

第二章 光和它的双重面孔···019

1900 ：历史上的重要节点/ 光是一种波吗？ / 爱因斯坦眼中不连续的世界/ 黑体辐射与普朗克常数

第三章 量子跃迁与确定性的终结 ···047

能量的不连续性与量子跃迁/ 爱因斯坦的概率，闪耀着智慧的光芒/ 海森伯无穷尽的数表

第四章 一切都只是波函数···065

德布罗意揭开物质波的神秘面纱/ 波，是的，但……是概率波！ / 量子物理王子的盛装：薛定谔方程

第五章 量子测量：本书因你而变！···089

什么是经典测量？ / 什么是量子测量？ / 坍缩与流浪/ 某种不确定性/ 让时间溜走的缝 / 量子物理蓝天中的不协调

第六章 薛定谔和他的猫—量子物理的核心 ···121

量子世界的莎士比亚或许会说：生存与死亡同在 / 量子比特：量子密码学与量子计算机/ 从量子纠缠到量子隐形传态/ 与原子发生纠缠的猫，太奇怪啦！ / 交响曲在寻找演奏者

第七章 自旋、身份特性的丧失和物质—光 ···157

自旋，却不动！ / 身份丧失的奇幻效应/ 场的关键之处：光与物质的结合

结 语 量子世界的眩晕与前景···181

万有引力、暗物质、暗能量……每一次危机都是机遇吗？ / 从量子生物学到量子意识/ 开启下一段旅程！

术语表···199

第七章 自旋、身份特性的丧失和物质——光

量子物理学认为，物质和光的结构可以借助粒子的自旋和不可分辨性（玻色子和费米子）得以知晓。作为量子力学与相对论结合的产物，量子电动力学的预言都得到了极好的验证，尤其是关于真空能量波动效应的预言。

“内心必须混沌一片，才能产出一颗舞动的星星。”—弗里德里希·尼采《查拉图斯特拉如是说》

在量子物理所质疑的许多经典物理概念中，“身份特性”这一概念或许是最令人困惑的。即便这样的量子效应乍看起来并不适用于像人类这样的大型和复杂生物，但这种身份特性的丧失还是不折不扣地颠覆了我们对一个概念的理解，这个概念就是可以定义这个有形世界中的事物的东西—其本身的存在。

实际上，在量子物理学中，个体性已不再是一种法则。正如我们在之前的章节中所讲的那样，两个纠缠的粒子会形成一个合二为一的物理体系，无论二者距离有多远。同样，量子隐形传态和隧道效应使一个粒子从一处跳到另一处，不经过任何中间位置，就像是在一处瞬间消失，又在另一处瞬间出现一样。量子态的叠加和量子跃迁也是如此。因此，量子身份与我们熟识的经典物理学中的身份完全不一样，量子身份是可以逐级变化的，而且是突然发生且无法预料的。如果说这种与生俱来的不确定性由于自旋概念的提出而被部分消除了的话，那也只是为了强化个体性的普遍丧失，这种丧失是统治基本粒子的法则，它能让我们弄懂物质和光的结构。

自从粒子具有不可分辨性这种创新性的说法被提出后，量子物理学出现了不同的扩展理论。在这些被称为“量子场论”的理论中，量子电动力学是毫无争议的原型和毋庸置疑的珍宝，它给我们求知若渴的头脑带来了数不清的形而上学思考，尤其是关于多产的虚无与我们之间的关系这一问题。

自旋，却不动！

如果如我在前文中介绍的那样，一个物体的量子身份可以简化为它的量子态，即最终简化为一种完全符合量子物理学标准解释的信息，那么量子身份在实际中到底对应着什么呢？

事实上，量子身份由两组列表组成。一组是物理属性列表，包括质量、带电情况、自旋（稍后再介绍）等，另一组是数字列表，这里的数字被称为量子数。这些数字体现了不同物理属性的特征，如能量或角动量（与物体绕中心轴旋转速度相关，如陀螺的旋转）。这些物理属性可以在一定条件下实现量子化，也就是说只取某些特定的值，不能取其他值。组成我们周围普通物质的粒子就是这样。

在这些量子属性中，有一个属性对粒子可能具有的个性化特征极其重要，那就是自旋。虽然叫自旋，但其实完全不是粒子以自我为中心进行旋转。这是一个典型的量子属性，在经典物理学中没有与之对应的概念。自旋是量子力学和爱因斯坦相对论相结合的产物，只能通过数学、几何，或者比喻的方式来描述。

泡利和自旋，介于错误与天才之间

和物理学中的许多其他重大发现一样，自旋的发现也是理论和实验不断交融的结果，就好似一支扑朔迷离的舞蹈，节奏越来越让人抓得住、识得出。在这支量子舞蹈中，沃尔夫冈·泡利尽管并非一直都是耀眼的明星，但毫无疑问是一名编舞大师。是他在1924 年专门引入一个新的量子数（其意义当时还不为人知）来尝试描述某些金属所发出的光的频率。这个数只能取两个值，因此可能描述的是一个特殊物理量的量子化现象。

但这是用来描述哪一个物理量的呢？科学史上完全找不到与这一奇特属性相对应的物理量。最先提出将这一奇怪的新数与粒子以自我为中心旋转（这也是自旋一词的由来）的属性联系起来的是一位来自德国的20 岁年轻助教，他的名字叫拉尔夫·克罗尼格。1925 年初，泡利还对此加以嘲讽并劝阻克罗尼格不要发表这一成果，但到年底时，荷兰莱顿大学的两位年轻物理学家乔治·乌伦贝克和塞缪尔·古德斯密特也提出了同样的想法，情况这时就不同了。

尽管这一解释是错误的（自旋在任何情况下都与粒子以自我为中心旋转毫无关系），但它对泡利的研究工作还是起到了指引作用。1927 年，泡利认识到自旋事实上表明了一个与旋转属性有关的新的物理量的存在。但在经典物理学中，完全没有与之对应的概念，而且在我们所处的这个世界里，自旋是无法看到的。

泡利的观点与1922 年的斯特恩- 盖拉赫实验的结果相符，并且在许多方面都可以说是革命性的，它彻底地将科学思想从图像和经典物理学概念中解放了出来。

自旋是理解量子世界中个体性概念的关键所在。令人惊讶的是，量子世界在本质上是分离主义主宰的世界，考虑到我在前几章中介绍的波粒二象性和量子世界某些方面的模糊性，这一点就更加令人惊讶了。自旋值特征不同的粒子的行为也截然不同。自旋为半整数（如1/2 或3/2）的粒子被称为费米子，自旋为整数（0、1、2 等）的粒子被称为玻色子。

由于迄今为止观测到的自旋不是整数就是半整数，因此微观粒子的量子世界就分成了两大阵营：费米子阵营和玻色子阵营。费米子阵营中有电子、质子、中子、中微子、夸克、氦-3 等，泛泛地说，组成物质的大多数粒子都是费米子。玻色子阵营中的成员则是在组成物质的粒子间传递相互作用的光子、胶子、引力子、声子等。

请注意，自旋可不只是一个能将粒子分成两类的抽象的数！事实上，它是我们对物质的磁性和结构的最新认知中一个基本的组成部分。它有着非常重要的物理效应，这些物理效应并不仅仅局限于实验室中，而是广泛地出现在我们的周围。比如，在解释物质的稳定性和坚固性，或者超导和超流现象的时候都会用到自旋。它还是核磁共振医学成像技术的核心，也是控制读取硬盘和磁性随机存储器的巨磁阻效应发生机制的核心（德国科学家彼得·格林贝格尔和法国科学家阿尔贝·费尔因发现巨磁阻效应于2007 年获诺贝尔物理学奖）。

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