本书带领读者游历量子物理学的每个领域，从宇宙大爆炸、原子世界、同位素之谜、迷人的聚变到薛定谔方程、哥本哈根诠释、芝诺效应、超导体、黑洞等，为你逐步揭开微观物理世界的神秘面纱。

写给青少年的简明量子物理学科普书；量子物理学的，这是一场绝妙的科学探索之旅！精装，全彩，送给孩子的阅读大礼。 量子物理学的如此迷人，因为其核心仍有许多未解之谜。量子物理学是现代科学的重要研究领域，它描述了组成物质的原子和亚原子粒子的行为和相互关系，揭示了许多复杂难懂但却本质的现象，比如构成电学和磁学基础的光现象（也就是电磁波的本质）。20世纪许多重要的发明都来自电学和磁学的发展，量子物理学中发生的一切事情都那么不可思议。让我们翻开这本书，一起量子物理学的神秘。

量子物理学的如此迷人，因为其核心仍有许多未解之谜。量子物理学是现代科学的重要研究领域，它描述了组成物质的原子和亚原子粒子的行为和相互关系，揭示了许多复杂难懂但却本质的现象，比如构成电学和磁学基础的光现象（也就是电磁波的本质）。20世纪许多重要的发明都来自电学和磁学的发展，量子物理学中发生的一切事情都那么不可思议。

把一个粒子（比如电子）想象成小球并不困难。如果知道一个小球所处环境的各种具体参数，那么我们就可以预言把小球扔出去会发生什么，但是量子的奇妙之处就在于不确定性。量子物理的不确定性令许多量子理论的早期探索者，尤其是阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein），感到头疼。其中手的一个问题是：描述粒子在特定时间所处位置的方程只给出了粒子位置的概率，这样我们就没法知道粒子在10秒后所处的位置，只能知道粒子在10秒后出现在空间各处的概率分布。在我们准确测量粒子的位置之前，粒子的位置只是一些概率值。这种不确定性在量子尺度下普遍存在。

量子中物体的行为与宏观中日常物体的行为不同。就拿抛一枚硬币来说，如果落下后硬币正面或反面朝上的概率各占一半，那么我们一旦抛出硬币，即使还没有看到落地后的结果，我们也能清楚地知道硬币只会有一面朝上——正面朝上或反面朝上。如果我们在量子中做类似“抛硬币”的实验，那么在“硬币”与宏观发生相互作用之前，只存在“正面朝上的概率为50%，反面朝上的概率为50%”这样的结果。当量子物理学的诸位领军物理学家在1927年的索尔维（Solvay）会议上碰面时，量子物理学这一奇妙的概率特性在与会的各位物理学家中引起了激烈的争论。以爱因斯坦和埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）等为代表的一批物理学家坚信，一定有比“概率”更本质、更深层、更“实际”的某种东西，这种东西不由概率决定。而以尼尔斯·玻尔（Niels��Bohr）和沃纳·海森堡（Werner��Heisenberg）等为代表的另一批物理学家则认为量子物理学不需要这种“实际的东西”。后来事实证明玻尔和海森堡说对了。

这看上去似乎只是哲学细节的争辩而已，尽管我们知道日常生活中的宏观物体都是由量子尺度下的众多微观粒子组成的，但是我们身处凡和我们身边的熟悉物体都仍然按照我们过去理解的方式运行着。这样看来的话，在量子尺度下究竟发生了什么对我们来说真的重要吗？答案是肯定的。正是量子尺度下的这种奇妙的量子行为让原子得以存在，让太阳得以闪耀，让现代社会使用的诸多技术得以实现。

量子物理学一直都被认为很深奥，的确如此，其背后的数学真的很晦涩难懂，但量子物理学的基本概念其实好理解，尤其当我们真的想要去理解我们所处的这个由量子组成的时。在开始全入量子物理学的之前，我们需要了解量子物理学的开端。要想知道量子物理学的开端，我们就需要回顾历史，回顾一下人们对物质和光的理解是如何一步步发展的。

布莱恩��克莱格（Brian Clegg），毕业于英国剑桥大学，是英国的理论物理学家，全球知名的科普作家。他是英国艺术学会（Royal Society of Arts）会员，物理学会（Institute of Physics）会员，撰写了大量科普图书，并被译为多国语言在全范围内出版发行。他为许多期刊撰写专栏、专题与评论，其中包括《自然》《卫报》《物理》等。他还是一位知名的演说家，他在伦敦学院的演讲场场爆满，他在牛津大学和剑桥大学的讲座受到人们的热捧。

引言 *章：不可分的原子 万物本质 元素论 原子论 光之谜 杨氏双缝干涉实验 以太 电 磁 麦克斯韦的电磁理论 以太的终结 第二章入原子 道尔顿的元素 电子 布朗原子 李子布丁 卢瑟福的薄纸片 微型太阳系 解释元素 同位素之谜 中子来救驾 分割原子 链式反应 年轻的太阳 迷人的聚变 第三章：逆转大灾难 一个小问题 光电效应 爱因斯坦的提议 玻尔修正原子 量子跃迁 粒子和波 再论杨氏双缝干涉实验 物质波 原子波 第四章：量子实境 矩阵力学 薛定谔方程 补鞋匠爱因斯坦 测不准原理 那只猫 分身术？ 哥本哈根诠释 导航波 退相干 多重 量子隧穿 超光速 第五章：量子电动力学 泡利的例外条款 狄拉克和相对论 无处不在的场 量子电动力学 偏振 时间旅行者 超前光子与滞后光子 幅面体 第六章：纠缠之网 量子自旋 窗户之谜 分光镜 爱因斯坦的挑战 EPR 即时通信 量子加密 量子传送 量子芝诺效应 第七章：黄金标准 无处不在的反物质 加速器和对撞机 来自宇宙的粒子 粒子动物园 对称法则 多变的中微子 标准模型 为什么粒子具有质量 超对称 暗物质 第八章：量子惊喜 自然厌恶真空 *零度 超导体 超流体 玻色-爱因斯坦凝聚态 宏观与微观 量子酶 隧穿DNA 光合作用 为鸟类导航 第九章：活在量子 无处不在的量子 巧合的量子 克鲁克斯管 电子学 电子真空管 半导体 晶体管 集大成者 发明激光 磁共振成像 磁悬浮列车 闪存 量子摄影 约瑟夫森结和超导量子干涉仪 量子光学 量子点 量子比特 量子计算机 第十章：量子宇宙 宇宙量子论 没有万有理论 大爆炸 黑洞 引力量子化 引力波 引力子 弦理论 多重维度 M理论 圈量子引力 原著索引 图片来源

无处不在的反物质

所有的基本粒子都是量子粒子，但粒子物理学的首要任务并不是搞清楚这些基本粒子的量子本质是什么，而是着手建立一种能解释基本粒子是什么，以及它们之间相互关系的模型。对这一模型不断探索而取得的极大成就就是今天粒子物理学中的“标准模型”。

这里我们需要延伸一下反物质的概念。前面已经介绍过狄拉克将正电子视为电子的反粒子，并且他认为任何“普通”粒子都有反粒子。如今的宇宙学理论认为物质是由能量产生的。而宇宙中要产生这么多的物质就应该有同样多的反物质，因为能量转化为物质的过程必然伴随着粒子和反粒子对的出现。

我们没法观察到全部的宇宙（更别提宇宙是不是无限的这个问题了）。原则上讲，一半的宇宙也许都是由反物质组成的，只是我们还没有观察到而已，但是人们并不清楚为什么会出现这样的结果。

每个基本粒子都有其对应的反粒子，复合粒子也同样有其对应的反粒子。比如质子和中子就是一种复合粒子，它们由更小的粒子（夸克和反夸克）组成。质子的反粒子是反质子，反质子的电荷与质子相反，带负电。而中子由于本身不带电，所以它的反粒子，即反中子，也是电中性的，但反中子的其他量子性质和中子截然不同。

物质都去哪儿了？

时至今日，人们也只能观察到极小的一部分宇宙，人们对宇宙中的反物质到底去哪儿了提出了大量的猜想。其中，被人所支持的猜想认为：物理学中有一丁点极小的不对称，便产生了物质比反物质多那么一丁点的结果，并形成了我们今天观察到的宇宙的状态。

加速器和对撞机

绝大部分粒子物理学的实验都采用一乎幼稚的研究方法：既然我们看不到微观粒子到底发生了什么，那我们就把它们统统砸碎，看看能蹦出来什么东西。这就好比我们为了理解一台构造精密的时钟是如何工作的，我们很幼稚地选择用大锤子把时钟砸得稀烂，并用高速摄像机拍下砸的过程中蹦出来了什么零件，然后再用慢动作回放仔细研究。

粒子物理学家的“大锤子”就是加速器和对撞机（这两者通常是在一起的）。加速器和对撞机可以将粒子加速到极高的速度，然后与另一个运动中的粒子或者一个静止的靶粒子相撞，并捕捉碰撞后的粒子碎片的轨迹用于分析。