新量子世界

作者简介

安东尼·黑在英国南安普顿大学任教，是几本书的合著者，其中两本与帕特里克·沃尔特斯合著，《新量子世界》（剑桥，1987）和《爱因斯坦的镜子》（剑桥，1997）。 帕特里克·沃尔特斯是斯旺西威尔士大学继续教育的讲师。他协调DACE的物理科学计划，包括天文学计划。他的研究兴趣包括科学教育，他还为普通读者和刚毕业的大学生撰写非技术性的科学书籍。 译者：雷奕安，北京大学物理学院副教授。

内容简介

现在，科普读物的出版和发行已经成为图书出版商和发行商的重要利润来源。要出一本“好卖的”科普读物，一般的做法是把单词量控制在 100 000 左右（大约 200 页），并且不要使用太多图表或照片。目标读者群是受过一定教育，并对科学有一般兴趣的读者。这一出版领域的另一分支是科普工具书的出版，如百科全书、地图集等。我们面向的读者群处于这两个极端之间。我们希望我们出的书不仅仅能够使上面说的“受过教育的”的读者感兴趣，也能，而且更重要的是，激起年轻读者们的好奇和思考。我们认为，让年轻的读者了解一点物理学的激动人心之处是非常重要的，因为这可能使年轻人以后去接受物理学的挑战，从事有关的研究。在当今这个世界上，年轻人们有很多很多的选择，大家一般都会认为像自然科学和数学这样的学科是很“难”的。 当然，要想理解这些学科，不付出努力是不行的，要想真正掌握它们，更是要付出数年的艰辛。所以我们不可能保证读者们能够很快收获颇丰。但我们可以保证的是，学好数学和自然科学，一定能够使我们更深入地了解这个迷人的世界——我们生活的世界，一个量子的世界。还有一点需要指出，那就是我们好像进入了一个怪圈，由于我们越来越依赖于科学和技术，这个世界也变得在技术上也越来越脆弱了，因为了解我们所依赖的这些技术的人越来越少。但是我们文明的必须延续，因此我们必须激励年轻的人们接受科学的挑战。这些年轻人才是我们这本书的真正目标读者群。但是我们希望我们采用的文字，大量的图表、彩色照片，著名科学家的传记等，本身也很有意思，能受到“受过教育的”读者们的欢迎。 我们第一本讲解量子力学的书，《量子世界》（The Quantum Universe），出版于 1987 年。当时的迫切需要是，把量子力学的奇异原理介绍给普通的读者，因为这一理论是日常生活中用到的很多“高技术”设备的工作基础。因此，简单地介绍了量子力学基本原理之后，我们更注重解释如何从量子力学的角度来理解原子、原子核、所有的化学元素，以及天上的星星。量子力学使似乎不可思议的硅芯片成为现实，也是我们今天看到的成千上万的激光器件的基础。 它不仅仅能解释木星的结构，也使我们能够理解在我们的太阳和其他恒星中，巨大的能量是怎么产生的。由于在基本原理层面上，量子理论非常奇怪，很难理解，因此我们特意避免去讨论各种哲学方面的问题，并根据理查德·费曼的意见，采取了一种注重实际效果的做法。我们侧重说明这一理论的实际结果是什么，不管看起来有多么奇怪。自从量子力学在二十世纪二十年代由尼尔斯·玻尔（Niels Bohr），埃尔文·薛定谔（Erwin Schr?dinger），沃纳·海森堡（Werner Heisenberg），保罗·狄拉克（Paul Dirac）等创立以来，除了应用更为广泛以外，这么多年似乎并没有什么新的发现。 但让我们吃惊的是，在最近的十五年里，量子技术突然产生了巨大的进展。虽然没有出现新的实验事实挑战传统的量子理论的权威性，但的确有了很多激动人心的新发现。主要的进展是，我们可以越来越熟练地控制量子体系。因此我们相信，我们正在亲眼目睹科学王国中一个崭新的学科——“量子工程学”——的诞生。这一学科的名字本身，就意味着在这个新世纪里，我们将越来越熟练地在量子尺度上控制和操作物质，并将引起另一类新的引人入胜的应用——“纳米技术”——的出现。这对半导体工业来说，显然具有非常重大的意义。我们将看到，很快摩尔定律就要失效了。摩尔定律是指，计算机芯片里面晶体管的数目，也就是芯片计算速度和存储量，每隔十八个月就会翻一番。再过大约十年，硅芯片上的特征尺寸（晶体管或导线）将变得非常小，以至于硅片上单个原子或电子的性质将对芯片产生决定性的影响。这些量子物质不能通过经典理论描述。如果量子工程师们不能提供替代的有竞争力的新技术，摩尔定律就要失效了，每十八个月升级一次计算机也不必要了。已经出现的一种可能的替代技术是“量子计算”。量子计算机不像在现行的“经典”计算机上那样把信息严格限定为“1”和“0”，它允许在算法中使用量子位 —— “qubits”（量子位），大致相当于一个存储位上同时存着 1 和 0——来进行计算。 这一发现导致了一个崭新的研究领域——“量子信息理论”——的诞生和发展，并且很有可能已经在密码学中得到了实际应用。虽然我们这本书的原意是讲解量子力学，但是为了适应技术的发展，我们大量改写和更新了有关量子技术应用的章节。另外，我们加了新的一章“量子工程学”，专门介绍纳米技术和量子信息论的基本原理和应用。 正如我们说过的，在以前出版的关于量子力学书中，我们采纳了费曼的建议，避免提出诸如“但是怎么会是这样呢？”之类的问题。但是，最近的十五年里，人们对理解量子力学这一理论越来越感兴趣了，因为毕竟这一理论解释了我们生活的世界的基本物理原理。因而我们另加了一章“量子佯谬”，向读者介绍尼尔斯·玻尔与阿尔伯特·爱因斯坦之间那一场没有完结的争论。是玻尔创立了量子力学的正统“哥本哈根学派”理论，也是这一理论最有力的支持者。根据玻尔的解释，不确定性和不可预测性是量子理论的内秉属性，而量子体系的实际物理观测值是可以讨论的。[xi]玻尔的长期朋友和同事，阿尔伯特·爱因斯坦，一直不同意这一正统理论，并穷其余生与玻尔争论不休。他把他对哥本哈根诠释的反对总结为一句众所周知的名言：“上帝不掷骰子！”在一场冗 长而没有结论的争论之后，爱因斯坦直到去世那一刻仍然不相信量子力学理论。他去世不久，爱尔兰物理学家约翰·贝尔（John Bell）提出了一个方案，来判别玻尔的正统量子力学理论和爱因斯坦喜欢的决定论。用来验证“贝尔不等式”的实验现在已经有了结果。结果证明量子力学是正确的。看起来爱因斯坦应该再好好想想。因为贝尔的结果对量子力学理论非常重要，所以我们也 以直观的方式介绍了贝尔不等式。我们的讲解非常接近约翰·贝尔自己在日内瓦作的一个报告。 在任何关于量子力学理论的讨论中，都会提到的另一个很重要的小东西是薛定谔的猫。薛定谔猫佯谬问题以图示的方式说明了量子力学的所谓“测量问题”。我们讨论了流行的休·埃弗雷特（Hugh Everett）的量子力学“多世界”理论，和沃切克·祖莱克（Wojtek Zurek）等提出的“退相干”机制，以在某种程度上解释量子测量问题。 最后，作为一个轻松的“编后记”，我们讨论了科幻小说里面对量子力学的处理。赫伯特·乔治·韦尔斯（H. G. Wells）首先在他的科幻小说《解放的世界》（The World Set Free）中描述了原子弹爆炸的世界末日景象。在量子力学发展早期，科幻小说作者就一直努力把我们对原子的最新认识写进小说情节里。 而现代的科幻小说家已经把多宇宙理论和纳米科技当成他们了的标准理论基础的一部分 。 最后 ，在迈克尔·克莱顿 (Michael Crichton) 的 新 书《时间线》(timeline) 中，量子计算机，远程传物 (teleportation)，时间旅行等编织在一起，开拓了科幻小说发展和探索的一片新天地。 著名的理论物理学家和作者保罗·戴维斯 (Paul Davis) 曾经预言： 十九世纪是机械时代，二十世纪在历史上将被称为信息时代。我相信二十一世纪将会是量子时代。 在下一个十年里，我们就能看出这一预言如何实现，以及实现到什么程度。当然，我们相信，这种由量子力学支持的，即将到来的纳米技术革命，对我们社会的影响，至少会与目前的生物信息学大发展产生的影响一样深刻。我们希望这本书能够为激发未来新一代量子工程师的兴趣和梦想做出贡献。 《新量子世界》中文版出版已经15年了。该书的第一版《量子世界》出版于1987年，曾受到著名物理学家理查德·费曼的衷心称赞和推荐。他本人非常强调清晰明白地把抽象的科学理论介绍给公众。 虽然已经过去了15年，这本书的内容并不过时。除了一些具体应用的发展，如量子信息，量子调控，量子工程，基本概念方面迷惑依旧，争论依旧。 量子力学入门级经典之作，这本书并不要求读者受过相关高等教育，也没有用到很多数学，对那些喜欢科学的读者，有很大的启发作用。