从量子到宇宙——颠覆人类认知的科学之旅

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。[1]

2图书目录

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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[1]

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

13.4GRW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[1]

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

15.2EPR佯谬：纠缠态登场119

15.3纠缠态的实验证明120

15.4GHZ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

20.3M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[1]

参考资料：

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