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數理科學和化學 物理學 理論物理學
 
 
 
 
啤酒與肥皂:用量子理論重新定義世界
 作  者: (美)邁克爾•D•菲爾
 出版單位: 中信
 出版日期: 2018.03
 進貨日期: 2018/10/11
 ISBN: 9787508683379
 開  本: 16 開    
 定  價: 435
 售  價: 348
  會 員 價 : 319
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編輯推薦:

1.前沿性和創新性。量子理論是最近熱起的前沿理論,量子電腦等發明大大改變了世界的原有規律,對我們瞭解和解釋世界提供了一種全新的思維認知方式。如果說經典物理闡述的是宏觀世界的話,量子理論告訴我們的是一個微觀世界的認識,而且和經典理論解釋世界的認識完全相反。
2.科普性。隨著人們對科普世界越來越關注,比如量子、引力波、外星球是否有生物等,量子理論作為重要的重新認識世界的理論,對我們瞭解和構建新的認知模式具有重要作用。
3.通俗易懂,深入淺出,大量配圖。
4.權威媒體隆重推薦。


內容簡介:

在日常生活中,我們的直覺通常都是對的。我們看到棒球飛到空中,劃出一道弧線、然後下落,最後在地面靜止。根據我們利用感官收集到的數據以及基本的經典力學定律,球的運動完全合情合理。
然而,一旦涉及電子運動、分子形狀等關於世界上最小粒子的問題,我們自詡已經知曉的事物就徹底發生了改變。真正理解周遭的事情,讀懂關於絕對小事物背後神秘、反直覺的科學,我們需要以量子力學理論的視角看待世界和自然。
《啤酒與肥皂》首開先河,不涉及複雜的數學,以科學小白就能夠讀懂的方式講述了十分具有挑戰性的量子力學理論。全書闡述清晰,以實例和圖表取代密集的公式幫助讀者理解:
為什麼草莓是紅的,藍莓是藍的
為什麼粒子僅僅會因為被觀察而從“混合”狀態變成“純態”
為什麼一個光子能同時位於兩個地方
為什麼量子物質有時像粒子,有時又具有波的性質
為什麼一塊金屬加熱後會發紅,溫度升得更高後反而會變藍
為什麼鹽能溶於水而油卻不能
《啤酒與肥皂》遵循了史蒂芬•霍金(Stephen Hawking)和劉易斯•托馬斯(Lewis Thomas)的傳統,帶你探討光子、原子、分子等跟人類量級的世界截然不同的最小粒子的反直覺世界,揭開量子力學的神秘面紗,並生動介紹了一些為當代量子物質學說作出貢獻的科學家以及相應的實驗。


作者簡介:

邁克爾 D. 菲爾(Michael D Fayer),博士,斯坦福大學David Mulvane Ehrsam & Edward Curtis Franklin講席化學教授,美國國家科學院成員,在物理、化學和分子光譜學領域獲得眾多重要獎項和榮譽,著有《量子力學的元素》(Elements of Quantum Mechanics)一書,現居加利福尼亞州斯坦福。


圖書目錄:

第一章?薛定諤的貓\001
第二章?大小是絕對的\009
第三章?各種波\021
第四章?光電效應和愛因斯坦的解釋\035
第五章?光:是波還是粒子?\045
第六章?光子的大小和海森堡不確定性原則\057
第七章?光子、電子和棒球\075
第八章?量子短柄牆球和水果的顏色\089
第九章?氫原子的歷史\107
第十章?氫原子:量子理論\119
第十一章?多電子原子和元素週期表\135
第十二章?氫分子和共價鍵\157
第十三章?什麼把原子聚在一起:雙原子分子\171
第十四章?更大的分子:多原子分子的形狀191
第十五章?啤酒和肥皂213
第十六章?脂肪,主要看雙鍵231
第十七章?溫室氣體249
第十八章?芳香族分子265


章節試讀:

第一章 薛定諤的貓
薛定諤的貓

薛定諤的貓( Schr.dinger’s Cat)經常被拿來解釋用量子力學描述自然時產生的悖論。 1933年,布埃爾溫 •薛定諤( Erwin Schr.dinger,1887—1961)和保羅•狄拉克( Paul A.M. Dirac,1902—1984)共同獲得諾貝爾物理學獎,以表彰其為量子力學的發展做出的貢獻,特別是“發現了在原子理論堳雃野峈熒s形式。薛定諤一直不贊成量子理論基礎的力學基本闡釋。困擾薛定諤的一些點也正是本書要討論的點。他用大家熟知的“薛定諤的貓”來描述一些困擾他的問題。這堙A作者在重述薛定諤的貓這一理論時做了些修改,以簡單說明用量子力學討論日常生活看起來並不合理。但這堛漯岩誑u是為解釋清楚上述問題,不是薛定諤的版本,原版更加深奧。這個場景我們後面會再討論。我們把它比作由量子理論解釋的一個真實實驗,但並不是量子力學實際操作過的一個例子。
假設你面前有 1000個盒子,而在你即將參與的實驗中,你要打開這些盒子。你被告知盒子堶惘酗@只半死的貓。所以,在打開一個盒子時,你可能以為自己看到的是一只病怏怏的貓。事實上,上面的陳述需要澄清。正確的說法是,並不是盒子堛漕C一只貓都處於半死狀態,而是每一只貓都同時處於死透或是完全健康的狀態。死的和活的各占一半。換句話說,貓有 50%是活的,50%是死的。這 1000個盒子堛 1000只貓都是處於相同的狀態。準備盒子的實驗者沒有在 500個盒子堜騅i 500只死貓,也沒有在另外 500個盒子堜騅i 500只活貓。每個盒子堛瑪蒆ㄛO一樣的,都有 50%的可能性是死掉的或是完全健康的。關在盒子堮氶A貓的狀態不變;它們依然處於半死半活的狀態。當你打開盒子往堿摁氶A你就決定了貓的命運。你查看貓是死是活的這個行為將決定這只貓是死是活。
打開第一個盒子時,你發現堶惇O一只完全健康的貓。打開另外三個盒子時,你發現堶惘酗T只死貓。再打開一個,又發現一只活的。等 1000個盒子都被打開後,你發現了 500只活貓、 500只死貓。也許,更讓你瞠目結舌得是如果再重新打開一遍,每個盒子婺邞瑭椄O半死半活的貓,死、活的概率各占一半。即使你是按跟上一次一樣的順序打開盒子,每個盒子塈e現的結果並不一定跟前一次一樣。比如,你第一次打開第 10個盒子看到是一只活貓。在第二次打開時,你會發現堶惇O一只死貓。第一次的實驗並不能在第二次實驗時告訴你每次打開盒子的結果。然而,等你再次把所有的 1000個盒子都打開後,你還是發現有 500只活貓、500只死貓。
這塈痚竣F一點簡化處理。在薛定諤的兩輪實驗中,每一次你不一定都能恰好發現 500只死貓、 500只活貓。這就有點像把一枚沒有作假的硬幣翻轉 1000次。你可以得到一個特定結果的可能性是相對一件事而言,得到一個可能的累積結果是針對許多事件而言。

不等同於拋硬幣

拋硬幣與薛定諤的貓或者說真實的量子實驗之間存在本質的差異。在丟一枚硬幣之前,我知道結果要麼是正面、要麼是反面。在拋硬幣之後,我雖然不知道結果,但硬幣從頭到尾都處於一種已經被完全定義的狀態——正面或反面。開發一臺硬幣投擲機,每次都精准地呈現統一結果是完全有可能的。沒有什麼固有的性質會妨礙我們製造這樣一臺機器。如果一枚正面朝上的硬幣被丟進這個機器堙A一個開關就可以決定最終這個硬幣是正面朝上還是反面朝上。在用手拋硬幣時,“拋”這個動作的不可複製性使結果變得隨機。一個裝著薛定諤的貓的盒子卻完全是另外一回事。這只貓是半死半活的狀態。打開盒子以及觀察貓的動作使它從一個“混合狀態”變成了要麼生、要麼死的“純粹狀態”。這跟打開盒子的方式是否精准毫無關係。跟丟硬幣不同的是,造一臺以完全相同的方式一一打開 1000個盒子的機器並不能複製結果。打開任何一個盒子時,可以確定的是找到一只活貓的概率是 50%。

真實現象有可能像薛定諤的貓

如前所述,薛定諤的貓這個問題無法在現實中操作。不過在自然中,很多粒子和很多情況確實跟薛定諤的貓奡y述的情況很相似。光子(光的粒子)、電子、原子以及分子等粒子都有“混合狀態”,並且在觀察的過程中會變成“純粹狀態”,就像薛定諤的貓奡y述的情景一樣。這些構成了日常事物、過程和現象,它們在本質層面的行為乍一看和薛定諤的貓一樣反常。但問題不是出在這些電子和原子的行為上,而是出在我們對事物運作的直覺上。我們的直覺建立在日常經驗之上。我們用感官接收資訊,而我們的感官只能觀察到遵循經典力學定律的物質的行為。量子力學的世界無法用感官得到的直覺來理解,要理解並接受這部分世界,建立一種新的自然認知和直覺十分必要。
第一章 薛定諤的貓
薛定諤的貓

薛定諤的貓( Schr.dinger’s Cat)經常被拿來解釋用量子力學描述自然時產生的悖論。 1933年,布埃爾溫 •薛定諤( Erwin Schr.dinger,1887—1961)和保羅•狄拉克( Paul A.M. Dirac,1902—1984)共同獲得諾貝爾物理學獎,以表彰其為量子力學的發展做出的貢獻,特別是“發現了在原子理論堳雃野峈熒s形式。薛定諤一直不贊成量子理論基礎的力學基本闡釋。困擾薛定諤的一些點也正是本書要討論的點。他用大家熟知的“薛定諤的貓”來描述一些困擾他的問題。這堙A作者在重述薛定諤的貓這一理論時做了些修改,以簡單說明用量子力學討論日常生活看起來並不合理。但這堛漯岩誑u是為解釋清楚上述問題,不是薛定諤的版本,原版更加深奧。這個場景我們後面會再討論。我們把它比作由量子理論解釋的一個真實實驗,但並不是量子力學實際操作過的一個例子。
假設你面前有 1000個盒子,而在你即將參與的實驗中,你要打開這些盒子。你被告知盒子堶惘酗@只半死的貓。所以,在打開一個盒子時,你可能以為自己看到的是一只病怏怏的貓。事實上,上面的陳述需要澄清。正確的說法是,並不是盒子堛漕C一只貓都處於半死狀態,而是每一只貓都同時處於死透或是完全健康的狀態。死的和活的各占一半。換句話說,貓有 50%是活的,50%是死的。這 1000個盒子堛 1000只貓都是處於相同的狀態。準備盒子的實驗者沒有在 500個盒子堜騅i 500只死貓,也沒有在另外 500個盒子堜騅i 500只活貓。每個盒子堛瑪蒆ㄛO一樣的,都有 50%的可能性是死掉的或是完全健康的。關在盒子堮氶A貓的狀態不變;它們依然處於半死半活的狀態。當你打開盒子往堿摁氶A你就決定了貓的命運。你查看貓是死是活的這個行為將決定這只貓是死是活。
打開第一個盒子時,你發現堶惇O一只完全健康的貓。打開另外三個盒子時,你發現堶惘酗T只死貓。再打開一個,又發現一只活的。等 1000個盒子都被打開後,你發現了 500只活貓、 500只死貓。也許,更讓你瞠目結舌得是如果再重新打開一遍,每個盒子婺邞瑭椄O半死半活的貓,死、活的概率各占一半。即使你是按跟上一次一樣的順序打開盒子,每個盒子塈e現的結果並不一定跟前一次一樣。比如,你第一次打開第 10個盒子看到是一只活貓。在第二次打開時,你會發現堶惇O一只死貓。第一次的實驗並不能在第二次實驗時告訴你每次打開盒子的結果。然而,等你再次把所有的 1000個盒子都打開後,你還是發現有 500只活貓、500只死貓。
這塈痚竣F一點簡化處理。在薛定諤的兩輪實驗中,每一次你不一定都能恰好發現 500只死貓、 500只活貓。這就有點像把一枚沒有作假的硬幣翻轉 1000次。你可以得到一個特定結果的可能性是相對一件事而言,得到一個可能的累積結果是針對許多事件而言。

不等同於拋硬幣

拋硬幣與薛定諤的貓或者說真實的量子實驗之間存在本質的差異。在丟一枚硬幣之前,我知道結果要麼是正面、要麼是反面。在拋硬幣之後,我雖然不知道結果,但硬幣從頭到尾都處於一種已經被完全定義的狀態——正面或反面。開發一臺硬幣投擲機,每次都精准地呈現統一結果是完全有可能的。沒有什麼固有的性質會妨礙我們製造這樣一臺機器。如果一枚正面朝上的硬幣被丟進這個機器堙A一個開關就可以決定最終這個硬幣是正面朝上還是反面朝上。在用手拋硬幣時,“拋”這個動作的不可複製性使結果變得隨機。一個裝著薛定諤的貓的盒子卻完全是另外一回事。這只貓是半死半活的狀態。打開盒子以及觀察貓的動作使它從一個“混合狀態”變成了要麼生、要麼死的“純粹狀態”。這跟打開盒子的方式是否精准毫無關係。跟丟硬幣不同的是,造一臺以完全相同的方式一一打開 1000個盒子的機器並不能複製結果。打開任何一個盒子時,可以確定的是找到一只活貓的概率是 50%。

真實現象有可能像薛定諤的貓

如前所述,薛定諤的貓這個問題無法在現實中操作。不過在自然中,很多粒子和很多情況確實跟薛定諤的貓奡y述的情況很相似。光子(光的粒子)、電子、原子以及分子等粒子都有“混合狀態”,並且在觀察的過程中會變成“純粹狀態”,就像薛定諤的貓奡y述的情景一樣。這些構成了日常事物、過程和現象,它們在本質層面的行為乍一看和薛定諤的貓一樣反常。但問題不是出在這些電子和原子的行為上,而是出在我們對事物運作的直覺上。我們的直覺建立在日常經驗之上。我們用感官接收資訊,而我們的感官只能觀察到遵循經典力學定律的物質的行為。量子力學的世界無法用感官得到的直覺來理解,要理解並接受這部分世界,建立一種新的自然認知和直覺十分必要。

 
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