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內容簡介: |
本书以各种不可思议的量子现象为主线,以物理学家们所做的各种令人惊奇的实验为脉络,循序渐进地介绍了人类探索量子世界的整个过程。作为一本科普读物,本书涵盖了波粒二象性、叠加态、概率幅、纠缠态、隧道效应、电子云、超流体、量子真空涨落、费曼图、超弦理论等量子力学中引人入胜的大部分内容,也介绍了扫描隧道显微镜、量子计算机、量子隐形传态等量子工程技术,同时还把相关的历史趣事穿插其中。另外,书中还介绍了一些与量子物理相关的粒子物理、相对论、宇宙学等内容,其中就包括了目前更前沿的领域,如反物质、希格斯粒子、暗物质、平行宇宙,以及引力波等。
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目錄:
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1 光的本性之争:光是粒子还是波? 001
1.1 惠更斯的波动学说 001
1.2 牛顿的粒子学说 002
1.3 杨氏双缝干涉实验 003
1.4 泊松的乌龙球 004
1.5 光就是电磁波 006
2 电磁波能量谜团:能量竟然不连续? 007
2.1 黑体辐射谜团 007
2.2 光电效应谜团 009
2.3 原子光谱谜团 010
2.4 石破天惊的量子化假设 011
3 量子化与连续性之辩 014
3.1 芝诺悖论:你能追上乌龟吗? 014
3.2 玄而又玄的无穷 015
3.3 时空是量子化的 017
3.4 运动是连续的吗? 017
3.5 量子化才是世界的本质 018
4 光的波粒二象性 020
4.1 爱因斯坦的光子理论 020
4.2 光子理论是牛顿粒子论的回马枪吗? 022
4.3 原子能量量子化与原子光谱 024
4.4 量子理论与光的本性 026
5 爱因斯坦的疑问:什么是光子? 028
5.1 光与电磁波:剪不断理还乱 028
5.2 波动光学与量子光学:为什么有两种? 030
5.3 光的偏振:光子也会思考吗? 031
5.4 光速不变:相对中的绝对 034
5.5 静止质量为零:有还是没有? 035
6 实物粒子的波粒二象性 038
6.1 德布罗意的惊人假设 038
6.2 实物粒子波动性的观察 041
6.3 实物粒子的双缝干涉实验 042
6.4 德布罗意波的应用 045
7 量子力学的建立 047
7.1 薛定谔的波动力学 047
7.2 概率构成的物质波 049
7.3 玻尔的对应原理 051
7.4 海森堡的矩阵力学 052
7.5 量子力学正式建立 054
7.6 概率论与决定论的争论:上帝掷骰子吗? 056
8 单个粒子的波粒二象性 059
8.1 单个电子的双缝干涉实验 059
8.2 概率波与概率幅 061
8.3 观察电子的轨迹 065
8.4 跟人类捉迷藏的电子 067
9 量子力学正统解释:哥本哈根解释 068
9.1 不确定原理 068
9.2 互补原理 070
9.3 叠加态:人为测量竟如此重要? 072
9.4 波函数坍缩 076
附录 量子计算机 077
10 神奇的量子隧道效应 079
10.1 隧道效应:穿墙而过不是梦 079
10.2 扫描隧道显微镜 081
11 独辟蹊径的路径积分 084
11.1 路径积分:所有路径求和 084
11.2 路径积分对双缝实验的解释 086
11.3 路径积分的广泛应用 088
11.4 费曼图:物理学家的看图说话 089
12 坚持决定论的隐变量理论 093
12.1 德布罗意的导波理论 093
12.2 玻姆的量子势理论 095
13 量子力学的其他解释 098
13.1 意识论:我思故我在? 098
13.2 热力学不可逆过程 099
13.3 退相干理论 100
13.4 GRW理论 101
13.5 多世界理论:人人都能创造平行宇宙 102
14 人类和光子的博弈 106
14.1 单光子偏振实验 106
14.2 单光子广角干涉实验 108
14.3 单光子延迟选择实验 110
14.4 量子擦除实验 113
15 幽灵般的超距作用:纠缠态之谜 115
15.1 玻尔与爱因斯坦过招 115
15.2 EPR佯谬:纠缠态登场 119
15.3 纠缠态的实验证明 120
15.4 GHZ三粒子纠缠 124
15.5 量子隐形传态: 超空间传送能实现吗? 125
16 原子内部的世界 128
16.1 古人的物质组成观点 128
16.2 原子论的胜利 129
16.3 原子还不是最小 130
16.4 原子内部结构 132
16.5 原子结构的初期模型 134
16.6 电子云:电子在哪儿? 136
16.7 电子云节面之谜 139
16.8 电子的自旋 140
16.9 电子自旋之谜 142
17 组成世界的基本粒子 145
17.1 物质的镜像:反物质 145
17.2 宇宙隐形人:中微子 148
17.3 世界的基石:夸克 149
17.4 世界的基石:轻子 152
17.5 四种基本力和力的传递粒子 153
17.6 上帝粒子:希格斯粒子 156
17.7 标准模型 157
附录 高速粒子对狭义相对论的检验 158
18 宏观量子现象:玻色–爱因斯坦凝聚 161
18.1 费米子与玻色子 161
18.2 泡利不相容原理 163
18.3 玻色.爱因斯坦凝聚 165
18.4 液氦超流现象 168
19 量子场论 171
19.1 场与粒子的统一 171
19.2 粒子的产生与转化 172
19.3 真空里隐藏的奥秘 174
19.4 再析费曼图:时间能倒流吗? 177
19.5 量子电动力学:精确度惊人的预测 180
19.6 量子色动力学:夸克禁闭 182
20 超弦理论:万物至理? 183
20.1 统一理论的探索 183
20.2 宇宙的琴弦:超弦理论 185
20.3 M理论:终极理论? 188
20.4 平行宇宙 190
附录 是否存在交叉宇宙? 191
21 宇宙大爆炸 193
21.1 膨胀的宇宙 193
21.2 广义相对论与宇宙学 196
21.3 宇宙理论的发展 199
21.4 宇宙的演化 202
21.5 恒星的演化 204
21.6 暗物质与暗能量之谜 208
21.7 时空的颤抖:引力波 210
后记 215
参考文献 217
谁要是不为量子理论感到震惊,那就是因为他还不了解量子理论。
——尼尔斯·玻尔
我想我可以相当有把握地说,没有人能理解量子力学。
——理查德·费曼
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