微观世界之谜 : 从经典到量子

掐指算来，量子概念的诞生已经超过一个世纪了，但其含义非常深奥，在大众心中还是迷雾重重，她就像一个神秘的少女，我们天天与她相见，却始终无法猜透她的内心世界……

岁月虽然已经过去千百年，而我们还生活在伽利略、牛顿揭示的物理世界里。这个世界与我们的直觉思维是一致的，但是，对于量子层面的物体，也就是当我们试图观测像电子这样的基本粒子时，直觉思维却不再适用，我们必须从经典力学中走出来，构造一个更为真实的关于量子世界的理论——量子力学。

诺贝尔物理学奖获得者默里·盖尔曼说：“量子力学的发现是人类历史上最伟大的成就之一，但它同时也是人类最难掌握的理论之一……它违反了我们的直觉思维——更确切地说，应该是人类直觉思维是建立在忽略量子效应的基础上。”

人类直觉思维形成的、经典力学所解释的世界是一个确定性的世界。在这里，万事万物都已经由物理定律规定下来，连一个细节都不能更改。过去和未来就像已经写好的剧本，宇宙的运动、变化只能严格按照这个剧本进行，无法跳出这个窠臼。从某种角度看，经典力学规律就像计算机程序：读取输入，产生输出。这里，输入就是某一事物在给定时刻的状态，而输出则是其在未来某个时刻的状态。精确的输入产生精确的输出，因此预测具有确定性。

量子力学认为每次观测只能给出其结果出现的概率，就算我们用最完美的方法知道了物体现在的状态，这并不能保证我们可以准确地预测它未来的状态。未来可能发生的事件并不是预先决定好的。我们得到的只是或大或小的概率而已。诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼说：“这是不是意味着物理学——一门极精确的科学——已经退化到‘只能计算事件的概率，而不能精确地预言究竟将要发生什么’的地步了呢？是的！这是一个退却！但事情本身就是这样的：自然界允许我们计算的只是概率，不过科学并没有因此垮台。”所以，接受量子力学就意味着必须放弃精确预测未来的雄心壮志。读者学习量子力学要致力于转变自己的思维模式，弥补自己的思维短板，理解量子力学不同于经典力学的崭新的物理观念。

总之，量子力学完全站在经典力学的对立面。无论是牛顿力学的创始人，还是相对论的发现者，他们都深信宇宙的一切必须在决定论的监视下一丝不苟地运行。决定论强调必然性，不可动摇，不可更改的方面，人们必须遵守，必须服从，没有商量的余地。量子力学用概率统计方法描述微观世界，在这里，一切瞬息万变的量子态只能给出一个可能的、概率的结果。这种理论强调不确定性、随机性和多可能性。自然界应该是开放的，未来不再由过去和现在决定。以上是两种不同的科学世界观，读者学习量子力学必须从根本上转变自己的世界观。

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《微观世界之谜 : 从经典到量子》（吴今培, 李雪岩编著. 北京 : 科学出版社, 2024. 8）是一本关于量子力学的科普读物。本书用富有哲学色彩的语言以及生动形象的比喻向读者深入地展示量子世界里那些最有趣、最不可思议的地方。内容涵盖了光量子假说、波粒二象性、双缝实验、矩阵力学、波动力学、量子纠缠等激动人心的内容。

它的主要特点：

▋ 第一，本书以量子的新形式、新性质、新规律为主线，循序渐进地给读者讲述人类探索量子世界的神奇故事。

对于量子概念这个问题，不光普通的人，即使是学过物理的人，也并非都能真正理解或接受量子概念。量子力学就是为探索这个对象而来，也为解释这个概念所困。

本书向读者揭示量子力学是如何第一次重新审视人类赖以生存的这个世界。原来，我们所熟悉的日常世界并不是世界的全部。既然我们有幸来到这个世界，就应该了解这个世界的全部，欣赏这个世界的真相和奇妙。我们的目标是让更多的人走进量子课堂，理解量子，关注量子，拥抱量子。

▋ 第二，读者零基础学习量子理论。

作为一个科普读物，其性质决定了它的通俗性，要到众多的读者中去扎根。鲁迅先生曾在赞扬某些外国科普作品注意通俗性后，批评说：“中国的某些译本，却将这些删去，单留下艰难的讲学语，使它复近于教科书……。”通俗化的本质是一种转换，将深奥的专业知识转化为通俗易懂的内容，不要求读者来上专业课。为此，本书尽可能把量子力学中的精华部分提炼出来，用平实易懂的语言加以解释，而不借助复杂的数学知识。我们始终把注意力集中在物理概念上，避开了艰深的数学推导，读者不会因此望而却步。科普读物必须照顾到读者的基础，本书只要求读者具备高中程度的数学和物理知识，不会把对量子力学有兴趣但缺乏足够数学基础的许多读者挡在门外。我们的目标是要激励更多人学习量子力学的热情，形成广泛的读者群。

本书虽然不追求严格的数学推导，但也不打算停留在走马观花的科普水平。既强调内容的通俗性，又不失专业的严谨性，而要把握好这个“度”。为此，我们在内容取舍和讲解方法上都考虑到这方面的要求，尽可能做到“高起低落”，深入浅出，专家学者看了不觉为浅，大众读者读来不觉为深。能同时满足三类读者的要求：如果你过去没有学过量子力学，可以把它作为入门书来读；如果你正在学习量子力学，可以把它作为参考书来读；如果你已经学过量子力学，可以把它作为交流心得来读。

▋ 第三，用尽量精短的篇幅容纳尽量丰富的内容，让读者尽快了解量子世界的真相。

考虑现代人的时间宝贵，总是想用最短的时间获取最有用的知识，所以小而精的书利用率最高。我们知道，现代科学的每一项发现或成就，既有继承，更有创新。牛顿的脚下踩着哥白尼的《天体运行》和伽利略的《对话》，而爱因斯坦又踩着牛顿的《自然哲学的数学原理》，给后人留下了《狭义相对论》和《广义相对论》。这些旷世杰作都是他们每一个人独立完成的，从诞生的那刻起便闪耀着神圣不可侵犯的光辉和唯我独尊的气魄。但量子论却不同，量子论的创立是 20 世纪初以来一大批最杰出的天才们共同努力完成的。量子论的成长史，更像是一部艰难的探索史，其中的每一步都充满了陷阱、荆棘和迷雾，正是这样的磨砺，量子论的创立过程更显得波澜壮阔，激动人心，奇闻轶事层出不穷，引人入胜。这方面的内容有很多书已经详细描写了。为了避免重复，本书基本上不涉及名人轶事，而是侧重将量子论中博大精深的思想及其伟大发现提炼出来，用通俗易懂的语言加以解释，如果读者掌握了这方面的内容，也就掌握了解开“微观世界之谜”的钥匙。

对于量子世界中每一个神奇的领域，书中没有罗列铺陈难懂的数学公式，而是构建了一套新颖的、认识微观世界的逻辑思维体系，通过陪伴读者充分领略宏微观世界颠覆性的差异，进而带着问题，环环相扣，一步步突破自身的直觉，揭开量子世界最为深刻的奥秘。

本书得到李雪岩博士主持的国家自然科学基金项目（72103019）资助。

本书摘编自《微观世界之谜 : 从经典到量子》（吴今培, 李雪岩编著. 北京 : 科学出版社, 2024. 8）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-079196-2

责任编辑：余 丁

本书不仅可以作为一般读者了解量子世界的普及读物，也可以作为量子理论及其相关领域学者和研究者的参考书。

（本文编辑：刘四旦）

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