尋找薛定諤的貓∶量子物理和真實性

尋找薛定諤的貓∶量子物理和真實性
定價:228
NT $ 198
 

內容簡介

約翰·格里賓是一位著名的科學家,同時又是一位優秀的科學作家,他以淺顯易懂的文字向讀者展現了現代物理學最幽深、最美麗的一面。

本書是格里賓兩部著作的合集——《尋找薛定諤的貓》和《薛定諤的小貓》,書中全面論述了量子理論的基本概念,並賦予那些無限復雜又傷腦筋的實驗以生機,使我們可以毫不費力地看破現代量子力學之謎。

同時,本書還揭示了一些讓人著迷的發現——或許將來有一天,量子粒子可用來作星際的信息遠程傳輸,且運用量子效應可使傳送的信息不致被截獲和破譯。
 

目錄

第一篇 尋找薛定諤的貓
引言
序言:真實並不存在
第一部分 量子理論
第一章 光
是波還是粒子?/波動理論的勝利
第二章 原子
19世紀的原子論/愛因斯坦的原子論/電子/離子/X射線/放射性/原子的內部
第三章 光與原子
黑體線索/不朝而至的革命/h是什麽?/愛因斯坦、光和量子
第四章 玻爾的原子論
電子的躍遷/得到解釋的氫原子/一個偶然的要素:上帝的骰子/透視原子/得到解釋的化學
第二部分 量子力學
第五章 光子和電子
光的粒子性/波粒二象性/電子波/與過去決裂/泡利和不相容原理/下一步去何方
第六章 矩陣和波
黑利格蘭德的突破/量子數學/薛定諤的理論/一次退步/量子調制術
第七章 用量子進行調制
反物質/原子核的內部/激光器和受激輻射微波放大器/功能強大的顯微術/超導體/生命本身
第三部分 題外話
第八章 可能性和不確定性
不確定性的意義/哥本哈根解釋/雙孔實驗/壩塌的波/互補性原理
第九章 悖論和可能性
匣子里的鍾表/「EPR悖論」/時間旅行/愛因斯坦的時間/無中生有/薛定諤的貓/參與的宇宙
第十章 布丁的驗證
自諱悖論/偏振方面的迷惑/貝爾實驗/證據/這到底意味著什麽?/確認和應用
第十一章 多個世紀
誰觀察觀察者?/薛定諤的貓/超越科幻小說/超越愛因斯坦了嗎?/回顧一下/超越埃弗雷特/我們的特殊位置
後記 未完的工作
時空的制扭曲/對稱性破缺/超引力/宇宙是真空漲落的產物嗎?膨脹和當今宇宙
參考文獻
量子理論/科幻小說
第二篇 薛定諤的小貓
前言
序言 問題
光的奇異性/電子干涉/標准觀點/深水/盒子中的貓/真實性的另一面/薛定諤貓的兒女
第一章 古代光學
第一個現代科學家/從伍爾西索普到劍橋再到伍爾西索普/在牛頓的遮蔽下/牛頓的世界觀/揚的觀點/菲涅耳、泊松及亮班/書籍裝訂商的學徒/法拉第的場/神秘的顏色/驚人的麥克斯韋方程組
第二章 現代
以太之死/走向狹義相對論/愛因斯坦的洞見/超光速與時間倒退/進入光子世界/教愛因斯坦計算光子的人/有關光子與物質的新理論/量子電動力學的勝利/未來的光學
第三章 奇異而真實
看到不可能的光/深入探索光子行為/兼顧雙方/無中生有/「趕緊發送我,斯科特」/量子密碼術/深入光子內部/觀察量子/奇妙的電子回路/什麽時候是光子?
第四章 絕望中的補救
哥本哈根解釋的垮台/我想,因此/馮·諾依曼的愚蠢的錯誤/不可分割的整體/宇宙的擴散/量子主題的多元性/絕望中的忠告/相對性的一個方面/一個與時間有關的實驗
第五章 思考之思考
構造誇克/認識愛因斯坦/描述不可描述的/了解現實世界/進駐量子實在的整體進路
結語 解決方案:我們這一時代的秘密
充分利用質量/把萬有引力串起來/復雜性的簡單方面/與宇宙握手/拿出時間去制造時間
參考書目
 

我們題目中的貓是個神奇的動物,而薛定諤卻是個真實的人。厄爾文·薛定諤是一位奧地利科學家。他在20世紀20年代中期創立了現在被稱為量子力學的科學分支中的一個方程。這個分支幾乎不能算是個正確的描述,但是量子力學卻為所有現代科學提供了基礎。這個方程描述很小的物體,一般說來是原子大小或者比原子更小的物體。這為微觀世界提供了唯一一種解釋。沒有這些方程,物理學家將無法建設核電站(或制造原子彈),制造激光器,或者解釋太陽為什麼是熾熱的。沒有量子力學,化學家們將仍然停留在黑暗年代,也不會有分子生物學,不會有對DNA的理解,不會有遺傳工程——不會有任何科學。

量子理論代表着科學的最大進展,比相對論具有更大的意義,也更直接更實用,甚至能引發許多奇特的預言。量子力學世界是那麼神奇,實際上連阿爾伯特·愛因斯坦也發現其難以理解,因而拒絕接受由薛定諤及其同事創立的理論結果。愛因斯坦及許多其他科學家發現將量子力學方程視為一種數學上的簡單表述更為合適,認為它僅是對原子及亞原子粒子行為的一個合理的描述。但其本身隱藏了更深的真理,這些真理更接近於日常的真實性。因為量子力學給出的是:沒有什麼是真實的,我們不去觀察它們時,則什麼也不能說。薛定諤那奇怪的貓用來區別量子世界以及日常生活中所見到的世界。

在量子力學世界中,日常所見的熟悉的物理定律不再成立。取而代之的是事件發生的概率性。例如具有輻射性的原子可能衰變放出電子,也可能不。可以這樣設計一個實驗:具有輻射能力的物質具有50%的機會在某一特定時間內發生衰變。如果其衰變,就會被探測器記錄下來。薛定諤也像愛因斯坦那樣,被量子力學結果弄得心神不安,嘗試着用一個假想的實驗來檢驗理論隱含的晦澀之外。設想在一個封閉的房子中或匣子里,有一只活貓及一瓶毒藥。當衰變發生時,藥瓶被打破,貓將被毒死。也就是說,在現實世界中,貓有50%的機會被毒死。

不用看匣子,我們就會肯定地說,貓可能死了也可能還活着。這就是量子力學的奇異之處。這理論說,這兩種機會取決於輻射物質,因而對貓來說除非被觀察到否則就沒有真實性。原子可能衰變,也可能不;貓可能死,也可能活。除非我們向匣子中看,發生了什麼。堅持量子力學直接解釋的理論學者認為存在一個中間態,貓既不死也不活,直到進行觀察看看發生了什麼。除非進行觀測,否則一切都不是真實的。

這個觀點對愛因斯坦和其他科學家來說無非是麻醉劑。當引述世界由一大堆量子層次上的隨機選擇決定的理論時,他說道:「上帝不會擲骰子。」他不承認薛定諤的貓的非真實態之說,認為一定有一內在的機制組成了事物的真實本性。他花了數年時間企圖設計一個實驗來檢驗這種內在真實性是否在起作用,但他沒有完成這種設計就去世了。也許他沒有活着看到他的思路所引發的結果會更好一些。

在1982年夏天,在法國南巴黎大學,由艾倫·艾斯派克特領導的研究小組完成了意將探測量子非真實世界的內在真實性的系列實驗。內在真實性——基本機制——被取名為「隱變量」,實驗對象是從源中朝相反方向飛出的兩個質子或粒子(在第十章中對其有完整的描述)。但基本上可以認為是對真實性的檢驗。兩個從同一源中飛來的質子可以被兩個檢測器檢測到,可測量它的偏振性質。根據量子理論,這種性質是不存在的,除非實施了測量。根據隱變量觀點,每個質子從它產生就有「真實的」極性。由於它們同時發射,所以它們的極性是相互關聯在一起的。但是實際測量到的在與真實性的兩種觀點不一致。

這些關鍵的實驗結果是沒有含糊的。沒有發現由隱變量理論所預言的那種關聯,卻發現了由量子理論所預言的那種關聯。而且正如量子理論所預言的那樣,對一個質子的測量對另一質子具有瞬間效應的影響。一些作用關聯在一起,糾纏不清,雖然它們以光速飛離。相對論告訴我們沒有信號能超過光速傳播。實驗證明世界沒有內在的真實性。日常所謂的「真實性」在描述組成世界的基本粒子行為時不是一個好的方法,而且這些粒子同時聯成不可分離的整體,每一個都能覺察到別的粒子發生的事。

探索薛定諤的貓就是尋找量子的真實性。簡單總結說,好像這種尋求是沒有什麼結果的,因為不存在日常詞匯中的真實性。但這不能算完,尋找薛定諤的貓可引導我們對瞬間的真實性及一般量子力學有新的理解。路是漫長的,但它卻是始於那些科學家們。如果他們發現了自己苦苦尋找的、正是我們現在所獲得的答案的話,他們會比愛因斯坦更加驚恐。艾薩克·牛頓在3個世紀前研究光的本質時,不會想到他那時就已經踏上了尋求薛定諤之貓的征程。
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