量子宇宙

作者简介

布莱恩·考克斯 英国曼彻斯特大学理论物理学教授 英国皇家学会研究员 享有英国最高荣誉“不列颠帝国勋章” 他有三份工作： 在英国曼彻斯特大学教书；在欧洲粒子物理实验室（CERN）里研究大型强子对撞机；主持BBC纪录片《行星》《宇宙的奇迹》《太阳的奇迹》等。 杰夫·福修 英国曼彻斯特大学理论物理学教授 “麦克斯韦物理学奖章”得主 曾任职于卢瑟福实验室

内容简介

第一章 异事登场 量子（quantum）这个 词令人大惑不解而又回味 无穷。它既可以是证明科 学之伟大的直接证据，也 可以是人类深陷在怪诞的 亚原子领域泥沼时直觉边 界的象征，这取决于你的 观点如何。对于物理学者 来说，量子力学是支持我 们理解自然世界的三根砥 柱之一，另外两根是爱因 斯坦的狭义和广义相对论 （Special and General Relativity）。爱因斯坦的 理论分别处理了时间和空 间的性质，以及引力问题 ，而量子力学处理剩下的 一切问题。可以说，无论 它是叫人大惑不解还是回 味无穷，都无关紧要；量 子力学只是一套描述事物 行为的物理理论。从这一 务实的角度看，它的精确 性和解释力都相当出色。 现代量子理论中最古老也 是最明晰的实验便是通过 观测电子在磁铁附近的行 为来完成量子电动力学测 试（quantum electrodynamics）。理论 物理学者辛勤工作多年， 想要以纸、笔和电脑来预 测实验结果；实验物理学 者设计并操作了精密的实 验，都是为了揭示大自然 更深的奥秘。双方各自得 出了精确的结果；他们的 准确程度相当于测量从英 国曼彻斯特到美国纽约的 距离，并将误差控制在几 厘米之内。测试结果的非 同寻常之处在于测量和计 算的结果殊途同归，实验 学者和理论学者独立得到 的结果竟然严丝合缝。 这个巧合着实令人动容 ，也十分玄妙；但如果你 认为量子理论就只着眼于 对事物缩影的描摹，那人 们对此大惊小怪并不理解 也是正常的。虽然科学本 身不以实用为目的，但很 多革命性的技术和社会变 化都出自单纯渴望理解世 界的当代探索者之手。在 各科学领域中，追本溯源 的发现之旅带来了人类预 期寿命的延长、洲际航空 旅行、现代电子通信、免 于躬耕的自由，以及面对 无垠星海的激扬、谦冲和 自知之明。但从某种意义 上来说，这些都只是副产 品。探索是因为好奇，而 不只是为了实现真实的宏 大图景，或者研发更好的 器物。 量子理论可能是既玄妙 虚无又卓有成效的最佳范 例。说玄妙虚无，是因为 在它的世界中，粒子可以 同时出现在多个地方，在 从一处运动到另一处的同 时穷尽整个宇宙。说卓有 成效，是因为只要理解这 一宇宙中最小构件的行为 ，就能理解剩下的一切。 这种说法近乎傲慢，因为 世界充满繁芜庞杂的现象 。虽说有这种复杂性，但 我们还是发现，万物都由 一些微小粒子构成，它们 的运动遵循量子理论的法 则。这里最神秘莫测的是 ，事物的根本性质并不需 要由一整个图书馆的书籍 来解释。这些法则非常简 单，可以在一个信封的背 面概括完毕。 我们愈是了解世界的本 性，它看上去似乎愈简洁 。万事俱备后，本书会解 释，万物的基本法则是什 么，以及前述的微小构件 如何共同构成世界。但是 ，为避免我们在直面宇宙 深层的简洁时感到无所适 从，这里需要提醒一句： 虽然游戏的基本规则很简 单，其推论却不易得出。 我们的日常经验由数万亿 的原子共同控制，试图从 第一性原理（firstpriciple ）中推导出植物甚至人的 行为，无疑是痴人说梦。 但承认这个困难并不会削 弱重点—所有现象确实都 由描述微小粒子的量子物 理学所决定。 想想你周围的世界：你 拿着一本纸质书籍，纸由 粉碎的木浆制成，后者则 来自树木。树木是一台能 够获取原子和分子的机器 ，并通过分解它们，重造 出由数万亿部件构成的细 胞共同体。这个过程由一 类叫作叶绿素的分子完成 ，该分子由百余个碳、氢 、氧原子扭曲成复杂的形 状，并靠少量氮、镁原子 固定。这些粒子的集合体 能吸收一个距离我们1.5亿 千米、足以容纳百万个地 球的核反应炉（太阳）的 光，接着把光中的能量送 进细胞的核心，从而使二 氧化碳和水在制造分子的 同时，释放出富含生命的 氧气。正是这些分子链构 成了树木和所有生命，以 及本书中的纸张。你能阅 读书籍并理解文字，是因 为你的眼睛能把书页散射 的光转化成电信号，并由 宇宙已知范围内结构最复 杂的—大脑来解读。我们 发现所有这些都只不过是 一些原子的集合，而各种 原子都仅由三种粒子构成 ：电子、质子和中子。我 们还发现，质子和中子又 由更小的实体—夸克组成 。这就是我们目前认知的 极限，而量子理论支撑着 这一切。 P1-3 ◆世界公认的量子力学入门经典 回答爱因斯坦关于世界本质的发问“上帝掷骰子吗？” 揭开宇宙大爆炸后运行130亿年的真相 ◆英国明星科学家，给你科普前沿物理知识 逐一推导 双缝实验｜薛定谔的猫｜反物质｜量子场论 助力揭开《三体》《星际穿越》《复仇者联盟》等，科幻背后的科学 ◆多家闻名世界的媒体争相推荐 布莱恩·考克斯已经成为物理学界的领军人物。——《经济学人》 全文简明扼要，阅读它是一种享受。——《新科学家》