莱德曼量子物理通识讲义

“如果宇宙是答案，那么问题是什么？”只为了这一句话，我就愿意读莱德曼。

—— 曹则贤，中国科学院物理研究所研究员

莱德曼是诺奖得主和物理学最佳名词之一“上帝粒子”的命名者，也是物理学界的高级段子手，他再一次出手为公众讲述量子物理和量子世界的史诗。真实而又捉摸不定，虚幻而又客观显现，本书的副书名“给‘诗人’的量子物理公开课”真是恰如其分。

—— 张双南，中科院高能物理研究所研究员

尼尔斯·玻尔曾说，“如果你不对量子力学感到震惊的话，说明你还没有理解它”。这本书改变了这一切，既让你感到震惊，又让你理解它！

—— 洛基·科尔布，芝加哥大学天体物理系主任

阅读这本书，就好像围坐在餐桌旁，两个非常热情、风趣、富有亲和力的物理学家在滔滔不绝地把电子的诡异路径讲给你听，告诉你爱因斯坦、薛定谔、海森堡如何毕生探求这些问题的答案。

—— 彼得·加里森，哈佛大学物理学和科学史教授

莱德曼和希尔，两位广为人知的物理学家，以诗一般的文笔为我们写下了这样一本令人喜欢、富有启发性的优秀著作，指引我们探索神秘的量子世界。

——吉诺·塞格雷，宾夕法尼亚大学物理学和天文学系主任

“叙述得非常有趣，从早期的“尤里卡”时刻到场论和弦论，带你窥探现代物理学的奇迹——非常优秀的量子物理入门读物。  

——《出版人周刊》 

“这本书所讲述的主题，从在很多方面来讲,不仅神秘，而且非常宏大……“诗人”们，以及其他想要了解这个神奇世界的人，都能够从这本书中获取知识、享受乐趣。两位作者不仅是具有威望的物理学家，而且是讲故事的高手。”

——《当代物理书评》 

“莱德曼和希尔为读者提供了大量入门级干货，很好地讲述了量子物理学的发展，把量子物理学核心中令人吃惊的地方阐释得很清楚……这不是写给诗人的量子物理学，而是一本量子物理学‘通识手册’。这是一本很有用的书，我由衷地推荐这本书。”  

——《物理世界》 

“写作风格是口语化的、通俗的，在某种程度上，我从未在面向类似读者的科学书籍中遇到过。我认为这些特点有助于读者阅读这本书更能感到乐趣，但同时不会影响它的实际效果。”  

——《数学评论》

“这本书精彩而又清晰地讲述了量子革命如何改变了20世纪的科学。更令人惊喜的是，它向我们展示了物理学和诗歌之间的相通之处。”  

——《芝加哥论坛报》 

作者写得通俗易懂，书中所讲的量子理论基础和发展史，即使我们这些从未修过天体物理学的人也能理解……虽然是针对外行人的浅近解释，却也包含透彻而发人深省的论点。就像一首好诗一样，书中关于宇宙的理论和复杂方面会让你思考地球上的生命及其无尽的可能性。”  

——《堪萨斯城星报》

这是一本诺贝尔物理学奖得主写的量子力学科普图书。

量子力学不仅是现代物理的两大基石之一，还是一门充满神奇色彩的学科。人们一方面对薛定谔的猫、量子纠缠等典故津津乐道，另一方面又难以真正理解其中的精妙。本书的作者——真正的粒子物理学名家，本着帮助普通读者真正理解量子物理的意愿，撰写了这本严谨而不失趣味的科普图书，详细而准确地讲解了量子物理的发展故事、基本概念和科学意义。通过大量的比喻，量子世界的“怪现象”被作者讲得精辟透彻，生动而幽默。

利昂·莱德曼：著名物理学家，1922年生于纽约，1951年博士毕业于哥伦比亚大学物理系，1958年后任该校教授，1979—1989年任费米国家加速器实验室主任，并主持设计了超导超级对撞机建造计划。他在粒子物理实验领域成果卓著，于1988年获得诺贝尔物理学奖。

莱德曼热衷于科学教育事业，曾任美国科学促进会理事会主席。2018年10月，莱德曼在爱达荷州去世，享年96岁。

克里斯托弗·希尔：著名物理学家，本科和硕士毕业于麻省理工学院，博士毕业于加州理工学院，师从1969年诺贝尔物理学奖得主默里·盖尔曼。现就职于费米国家加速器实验室。

第1章　如果你没感到震惊，说明你还不懂 

第2章　经典力学：从伽利略到牛顿 

第3章　“光”怪陆离 

第4章　量子幽灵的出现

第5章　海森堡的不确定性 

第6章　奏效的量子科学——解释元素周期表 

第7章　世纪论战：爱因斯坦VS 玻尔 

第8章　现代量子物理学 

第9章　广义相对论与量子力学的结合：弦理论 

第10章　千禧年的量子物理 

附录 

致谢 

注释

第1章  如果你没感到震惊，说明你还不懂

在电视剧《星际迷航》及其衍生作品中，“进取”号（Enterprise）飞船穿梭在各个星系之间，它的一个为期五年的任务便是去探索那些人类未曾踏上的星球。“进取”号的船员使用的是那些属于遥远未来的科技：数倍于光速的曲速飞行，利用“子空间通信”与几光年外的舰队司令部联络，扫描正在靠近的飞船和陌生星球的表面，以及偶尔用质子鱼雷抵御一些不友好的势力，等等。其中脑洞开得最大的恐怕就是舰队队员可以“哔”一下瞬间转移到其他星球的表面，看到各种奇特的风景，和其他文明种族的首领来个面对面的交流，这些种族的文明程度都或多或少地领先于人类。

然而，在《星际迷航》以及其他我们知道的科幻故事的情节中，没有一个能比1900—1930 年发生在地球上的那次探索更异想天开。20 世纪初是属于科学的时代，当时先驱者们探索的空间可以说和《星际迷航》的船员们所面对的空间一样广袤——这不是指跨越星际数十亿光年，而是指人类向隐藏在自然界深处的、完全未知的、从未前往过的最小物体的一次旅行，正是这种小之又小、微乎其微的东西构成了我们看到的整个宇宙。

在19 世纪末20 世纪初的时候，当时最先进的科学技术，从某种意义上第一次让人类能够探测那个全新的、令人难以置信的“外星世界”——原子的世界。在这段时期，物理学家们遇到了难以形容的现象，它现实存在却又超越现实：他们在自然世界的最深处揭开了一个奇妙而陌生的全新世界，这个超现实的现实之于科学的意义，就好比同一时期的毕加索的眼睛之于艺术、勋伯格的耳朵之于音乐、卡夫卡的笔之于文学。事实上，人们经过三百年发展并完善了一整套物理学定律，而这精致的经典物理学在这个新发现的世界中却被证明是完全错误的。就好像柯克船长和他“进取”号上的伙伴们降落在了一个遵循着各种奇怪自然规则的星球，堪比爱丽丝掉入兔子洞后遭遇到的种种。它是一种真实存在的“梦中奇境”：在某个地方存在的物体会突然间在另一个地方出现；一个光滑而坚硬的石头可以变得模糊，然后在科学家的眼皮底下弥散消失；一面坚固的城墙可以被轻松地穿过；事件在时空中瞬间发生改变。

在这个全新的世界里，物质中大量的“粒子”会游过来游过去、游过去游过来。科学家仔细观察了这些“粒子”后发现，它们在一定的时间内从A点到B点并不是简单地走一段单一的路径，不遵从三百年之前伽利略或牛顿设想的移动方式。取而代之的，人们发现自然界中这种组成世界万物的“基本粒子”——比如微小的电子——会走过所有可能的路径，并且是在同一时间！粒子看起来并不存在，实际上却无处不在。它们仿佛幽灵一样掌握所有可能到达目的地的路线，然而人们却根本不知道它们选择的到底是哪条。科学家们实验后发现，当挡住粒子在A点和B点之间的一些可能路线后，粒子到达B点的行为便受到影响，它们可能会更多地到达B点，也可能就再也无法到达了——即便这种改变仅仅是挡住了两点间众多路线当中的一条，而且无论它是否真的选择了这条路径。

粒子是极小的“点状物质”，没有明显的或可辨别的内部结构，但却能够在探测器中留下清晰的轨迹，在荧光屏上产生一个个小亮点，或是使盖革计数器“嘀嗒”作响。然而与此同时，这种极其微小的物质还是波——它们表现得像一列波、像一团云，运动的方式模糊不清，波峰和波谷很像湖泊或大海表面的波浪。而像无线电波和光，这些曾经被认为是波的物质，现在又被认为是各种粒子。波变成粒子，粒子亦变成波，时而体现前者，时而体现后者，或者同时发生。天哪，就仿佛是同一时代的那群“癫狂”的画家、作曲家和文学家在设计自然界的基本规律！

总而言之，在20 世纪初的探索者眼前——借助高度复杂的仪器设备——这个世界已发生翻天覆地的变化，与自启蒙运动以来三百年间科学给我们的解释不同，世间万物如今以一种全新的方式运行。这一次，人们对物理规律的理解发生了巨大改变，开始以完全不同的方式来审视自然，并由此诞生了一门全新而又更加基础的科学——量子力学。

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