中科院曹則賢為你開啟量子之旅!

2021-02-10 量子科學

《量子力學(少年版)》為你開啟量子之旅

小小年紀的少年,就需要閱讀量子力學了嗎?能讀懂嗎?別急,看完下面的內容,心中自有答案。

量子力學和相對論是20世紀物理學的兩大支柱。現在,21世紀,量子力學的研究成果已經主導了我們的生活。雷射,基於半導體技術的各種電子學、光電子學器件如計算機、太陽能電池、手機等,醫用的核磁共振儀,都是在利用量子力學理解物質、改造物質的基礎上實現的。對今天的物理學家來說,量子力學應該是基礎知識而不再是高深的學問。

人們越來越多地聽到或看到關於「量子」的信息,但是很多人都感到困惑不解。實際上,科學家們也沒能真正理解它,並一直為之爭論不休。然而,人類的好奇心正是被這種具有挑戰性的難題所激起,為理想奮起直追。在這個量子時代,理解量子力學能夠幫助我們打破傳統經典力學的局限,更真實地認識這個世界,認識自然的本性,最終認識自己。

那麼,量子理論的創立者是在什麼時候建功立業的呢?

愛因斯坦(Albert Einstein)1905年解釋光電效應時26歲,玻爾(Niels Bohr)1913年提出原子的行星模型時28歲,海森堡(Werner Heisenberg)1925年構造量子力學的矩陣力學形式時24歲,而約當(Pascual Jordan)才23歲,費米(Enrico Fermi)1926年得出電子的統計規律時25歲,狄拉克(P. A. M. Dirac)1928年給出電子的相對論量子力學方程時26歲。即便是那些在量子力學創立時屬於年紀偏大的,歲數也沒大到哪裡去。玻色(Satyendra Nath Bose)1924年提出黑體輻射的另一種推導時30歲,德布羅意(Louis de Broglie)1924年提出物質波概念時也才32歲,薛丁格(Erwin Schrödinger)1926年寫下著名的薛丁格方程時39歲,普朗克(Max Planck)1900年解決黑體輻射問題時42歲,玻恩1926年給出波函數機率解釋時也不過44歲。量子力學必用的一個概念叫希爾伯特空間。其提出者希爾伯特(David Hilbert)於1900年在巴黎的世界數學家大會上提出著名的數學23個問題時也才38歲。有道是「自古英雄出少年」,至少就量子力學來說,確實如此。

閱讀《量子力學(少年版)》,確實是撥開迷霧領略量子世界的神秘和魅力的一個好機會。孩子們的思維是活躍的、自由的,不受傳統經典的限制,更易接受最前沿的科學觀念。讓孩子們早早接觸到像量子力學這樣有挑戰性的內容無疑對培育孩子的科學素養是有益的。

《量子力學(少年版)》是一本包含著嚴肅的、應有的物理和數學的量子力學入門書,它循著量子力學發展的歷史脈絡,用關鍵的人物、物理事件與數學思想構築量子力學的知識體系,引導讀者在體會如何創造知識的愉悅中不知不覺地走進量子力學的世界,其著眼點不止在於量子力學知識體系的介紹,更著重強調量子力學在經典物理的基礎上被創建的過程細節。

此書是作者獻給自家少年和廣大少年的特殊禮物,萌芽於2005年,醞釀十餘年之久,字裡行間凝聚了作者的心血和思考,傾注了作者的熱忱和愛意。

此書封面的創意也頗耐人尋味,你能猜出其中的涵義嗎?編輯在此為大家做兩點提示。

薛丁格的貓是一個關於量子理論的著名的理想實驗。

一隻貓被封在一個箱子裡,箱子裡有食物有毒藥。毒藥瓶上有一個錘子,錘子由一個開關控制,開關由放射性原子控制。如果原子核衰變,則放出α粒子,會觸動開關,錘子落下,砸碎毒藥瓶,釋放出裡面的氰化物氣體,貓會被毒死。這樣,貓是死是活就顯示了微觀世界裡放射性物質是未衰變還是衰變了兩種量子狀態。原子核的衰變是隨機事件,物理學家所能精確知道的只是半衰期——衰變一半所需要的時間。如果一种放射性元素的半衰期是一天,則過一天,該元素就少了一半,再過一天,就少了剩下的一半。物理學家卻無法知道,它在什麼時候衰變,是上午,還是下午。如果我們不打開箱子,根據我們的慣常思維,可以判斷,貓或者死,或者活。這是它的兩種本徵態。而在薛丁格的虛擬式表述中,貓處於一種活與不活疊加的量子態。這與我們的常識相牴觸,很詭異。也只有在我們打開箱子的時候,才能知道真正的謎底,否則一切都是不確定的。

這隻既死又活的貓就是所謂的「薛丁格貓」。薛丁格的貓是諸多量子困惑中有代表性的一個。

愛因斯坦不承認薛丁格的貓的非本徵態之說,他認為一定有一個內在的機制組成了事物的真實性。愛因斯坦相信「上帝不會擲骰子」。他企圖設計一個實驗來檢驗這種內在真實性是否確在起作用,但是他沒有完成這種設計就去世了。他還有另一個名言:「月亮是否只有在你看著它的時候才存在?」與「上帝不會擲骰子」一樣,這就是經典的世界觀,即表明世界是確定的。薛丁格的貓實驗,反映著量子力學背後有一雙會擲骰子的手,在控制著貓的死活狀態。也就是說,一切皆有可能,一切都是不確定的。

上帝會擲骰子嗎?這個問題已經超越了物理,啟示那些深陷傳統世界觀中的人們開始全新的思考。量子時代已到來,量子論的創立是人類科學和思想領域中的一場偉大的革命。量子時代充滿了不確定性。

親愛的讀者們,不知不覺中,我們已經進入量子世界了。

 

歡迎各位讀者在文後留言,留言獲贊數前3名的熱心讀者將會得到中國科學技術大學出版社出版的《量子力學(少年版)》。

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