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《双缝实验和量子力学》一个简单的光学实验如何串起不确定的量子世界和确定的经典世界

诺贝尔奖得主、著名物理学家理查德·费曼曾说:“双缝实验包含了量子世界的全部奥秘。” 那么,什么是双缝实验?

 

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☆这本书讲述了围绕双缝实验的历史、人和事,它不仅是量子力学中最经典的实验之一,也是贯穿量子力学发展的一个重要的线索,更催生出2022年诺贝尔物理学奖。

☆以这个实验为蓝本,我们可以追溯在量子力学这条探索之路上出现的闪闪发光的人和事,更加深对量子力学的前沿研究的了解。

 

【内容简介】

诺贝尔奖得主、著名物理学家理查德·费曼曾说:“双缝实验包含了量子世界的全部奥秘。”

我们在中学物理课都会学到,一道光穿过两道狭缝后将会发生干涉形成明暗条纹,这就是众所周知的双缝实验。如果只让单个光子进入设备,光子竟然也会自己与自己发生干涉,在多次实验后同样形成明暗条纹。更神奇的是,一旦研究者试图探测光子到底通过了哪道狭缝,干涉条纹即刻就消失了,仿佛能感知到我们的意识一般。

托马斯·杨在19世纪早期设计了这个模型,以证明光像波一样运动,这与艾萨克·牛顿的粒子观点形成了鲜明的对比。近一个世纪后,阿尔伯特·爱因斯坦证明了光以量子或粒子的形式存在,这个实验成为爱因斯坦和尼尔斯·玻尔之间关于现实本质的激烈辩论的关键。可以说,双缝实验串起了人类对物质世界规律,乃至现实本质的探索。十年又十年,一个又一个假设,科学家们以这个实验为蓝本,回答了关于宇宙结构的越来越深的问题,它也催生了2022年诺贝尔物理学奖。

在这本书中,作者周游世界,穿越历史,深入探索了我们尚未了解的物质现实的最小尺度,为读者展现了一幅兼具科学与美感的画卷。

 

【作者简介】

阿尼尔·阿南塔斯瓦米

《新科学家》杂志的前任副主编和现任顾问,加利福尼亚大学圣克鲁斯分校科学写作项目客座编辑。他为《国家地理新闻》《探索》等杂志撰稿,并且是美国公共广播公司(PBS)新星纪录片频道开设的博客“现实的本性”的专栏作者。他曾获得英国物理学会物理新闻奖和英国科学作家协会最佳调查新闻奖。他的shou部著作《湿婆之舞》被评为《物理世界》“2010年年度图书奖”。

 

【目录】

序言 大自然对我们的嘲弄 III

第1章 回顾双孔实验 001
理查德·费曼对中心谜题的解释

第2章 “存在”的意义是什么? 017
通向现实的道路:从哥本哈根到布鲁塞尔

第3章 现实与知觉 047
如何只用一个光子做双缝实验

第4章 神圣经文的启示 075
揭秘幽灵般的超距作用

第5章 擦除,还是不擦除 089
山顶实验带我们逼近真相

第6章 博姆狂想曲 121
显而易见的本体以显而易见的方式演化

第7章 找到最大的薛定谔的猫 155
将时空引入量子理论

第8章 修复丑陋的伤疤 181
名为多重世界的药方

后记 用不同的方式看待相同的事物? 213

注释 223
致谢 243
作者介绍 247

 

【文章摘要】

序 言

大自然对我们的嘲弄

在我见过的所有物理学家的办公室里,这肯定是最简约的一间。一张小桌子旁边是一把椅子,桌上什么也没有。没有书,没有论文,没有台灯,没有电脑,什么也没有。唯一称得上装饰性的东西只有一张沙发。巨大的窗户俯瞰着一汪小湖,湖边的树都是光秃秃的,只有个别落叶晚的树上还有一些秋叶,执着地拒绝加拿大安大略省的寒冬的来临。卢西恩·哈迪(Lucien Hardy)把笔记本电脑往桌上一放,他说自己大部分的研究工作都是在咖啡厅完成的,所以他的办公室只需要一张咖啡厅那样的桌子,能搁下笔记本电脑就行。

黑板当然是必不可少的,哈迪办公室里的这块黑板几乎占了一整面墙。他开始在上面写写画画,没过多久,黑板上就满是图形和公式——绝大多数我认识的量子物理学家都喜欢这样做。

我们刚开始讨论的话题是深奥的量子力学,结果哈迪停下来,说:“我选错了切入点。”为了重启我们的讨论,他说:“假设你有一家制造炸弹的工厂。”他的话勾起了我的兴趣。

他在黑板上写了两个名字:伊利泽和韦德曼。他要讲的正是“伊利泽–韦德曼炸弹问题”。这个问题由两位以色列物理学家的姓氏命名,它的目的是让不搞物理学研究的人也能理解量子世界的反直觉本质。即使是对物理学家来说,量子世界的性质也很令人困惑。

炸弹问题的内容如下。假设有一家生产炸弹的工厂,它给炸弹装配的触发装置十分灵敏,以至于一个粒子(无论什么粒子,哪怕是一个光子)都能引爆炸弹。但这家工厂碰到了一个难题:该厂的组装线不过关,所以带触发装置的合格炸弹里混着大量不带触发装置的次品炸弹。哈迪将这两种炸弹分别标记为“好炸弹”和“坏炸弹”,然后开玩笑说:“显然,如果你的道德标准异于常人,好和坏也可以互换。”

我们的任务是设法识别哪些炸弹是合格的。这意味着我们必须检查炸弹是否安装了触发装置。但逐个检查炸弹的方法是不可行的, 因为要查看触发装置就需要光,而无论是多么微弱的光,都会导致合格的炸弹爆炸。检查到最后,我们就只剩下一堆没有触发装置的哑弹了。

那么,这个问题究竟要如何解决呢?我们不妨做一个让步:允许引爆一部分炸弹,前提是最后可以剩下一些能用的好炸弹。

从我们对于世界是如何运作的日常经验来看,这个问题是无解的。但量子世界(微观事物,比如分子、原子、电子、质子和光子所在的世界)本来就很奇特。研究微观世界里的物理现象的物理学科被称为量子物理学或量子力学。而我们可以利用量子物理学,在不引爆好炸弹的情况下把它们找出来。只需一套简单的装置,就能保全大约一半的好炸弹。我们要用到的是一个已经有200 年历史的物理实验以及它的现代改良版本。

这个实验被称为双缝实验,在19 世纪初被提出,最初的目的是挑战牛顿对于光的本质的看法。20 世纪初,量子物理学的两位奠基人——阿尔伯特·爱因斯坦和尼尔斯·玻尔——为双缝实验究竟揭示了现实的何种本质而争得不可开交,两人的争论让这个实验再次成黑板当然是必不可少的,哈迪办公室里的这块黑板几乎占了一整面墙。他开始在上面写写画画,没过多久,黑板上就满是图形和公式——绝大多数我认识的量子物理学家都喜欢这样做。

我们刚开始讨论的话题是深奥的量子力学,结果哈迪停下来,说:“我选错了切入点。”为了重启我们的讨论,他说:“假设你有一家制造炸弹的工厂。”他的话勾起了我的兴趣。

他在黑板上写了两个名字:伊利泽和韦德曼。他要讲的正是“伊利泽–韦德曼炸弹问题”。这个问题由两位以色列物理学家的姓氏命名,它的目的是让不搞物理学研究的人也能理解量子世界的反直为焦点。20 世纪60 年代,理查德·费曼对双缝实验大加赞赏,称它包括了量子世界的全部奥秘。很难找到一个比它更简单同时又更精巧的实验:双缝实验的原理连高中生都能理解,但它的内涵却深邃无比,连爱因斯坦和玻尔都没能参透,这个实验引起的困惑直到今天都没有得到解答。

本书将通过一个经典实验以及这个经典实验巧妙而复杂的改良版本(该版本解决了伊利泽–韦德曼炸弹问题,后文会详细介绍), 讲述量子力学的故事。无论是智慧的头脑想出的思想实验,还是在物理系地下室通过艰苦努力完成的实验项目,所有这些实验都是双缝实验的变体。这是一个关于大自然如何嘲弄我们的故事:有本事就来抓我啊。

 

Weight 0.5 kg
Dimensions 14.8 × 1.3 × 21 cm
Author

Date Published

01/06/2024

Format

Paperback

ISBN/Ean

9787521765083

Language

Pages

250

Publisher

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