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兒童開學展

沙灘上的薛丁格,生活中的量子力學

Schrödinger à la plage : La physique quantique dans un transat

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內容簡介

法國物理教授講解量子力學
法文直譯台灣繁體中文版本

讓文科生也能看懂微觀世界中的物理學
16張插圖幫助理解抽象的量子力學

  還以為量子科技離我們很遠嗎?
  量子力學已發展出影響日常生活的半導體、網路科技和通訊工具:
  GPS、核能、太陽能、磁浮列車、雷射手術、醫學影像等。
  微軟、G20、Google、IBM、Intel更競相發展量子電腦,
  世界正為未來的量子資訊科學做準備。

  在量子的世界裡,萬物只是機率和波動、振動和能量的結合;
  貓可以維持半死半活的狀態、物體可以同時存在兩個位置、
  輪子能同時順時針與逆時針轉、還能從A點瞬間移動到B點。
  量子的不確定性與隨機性,在測量的當下便創造了無數個平行宇宙!

  量子力學不僅更新理論與科技,
  還有更多未知的領域與應用等著被啟動。

  量子力學如何改變我們的世界觀?量子力學誕生於二十世紀初,透過埃爾溫·薛丁格(Erwin Schrödinger, 1887-1961)的不死貓思想實驗(薛丁格的貓)而開始普及。薛丁格幾乎參與了所有量子力學發展的關鍵階段。他的方程式描述了物理系統的量子型態,如何隨時間而演化。起初,此方程式遭到愛因斯坦「上帝不擲骰子」的批評,最終卻演變量子力學的基石之一。

  量子力學探究無限微觀的奇怪世界,它對我們的影響至今仍遭誤解。從字面上重新創造了現實,打破了我們所有的確定性。量子力學是如此令人驚訝,在量子的世界裡,一切僅是概率和虛波、量子躍遷和短暫振動……如今,量子力學無處不在我們的日常生活中;從智慧型手機、GPS、雷射手術到醫學影像等。未來,量子力學將為我們提供如量子電腦、量子遙傳等新工具。

  現在,讓我們舒服地坐在沙灘椅上,一起聆聽法國物理教授查爾斯‧安托萬為我們娓娓道來這奇妙的量子世界。不過,在開始這段量子旅程前,如果你看過漫威電影的《蟻人》縮小後進入微觀世界,這裡得先提醒你,恐怕不能毫髮無傷地出來……

超前推薦

  暢銷科普作家|林文欣
  中研院天文及天文物理研究所研究副技師|曾耀寰
  中央大學光電系副教授|欒丕綱(推薦序)
  (按姓氏筆畫排序)

好評推薦

  「在即將進入的量子時代,任何人應該都躲不開量子力學。
  量子力學知識的普及化,可說是刻不容緩。
  本書的出現,可說是來得正是時候。」──中央大學光電系副教授 欒丕綱

外媒讚譽

  「本書是不可或缺的量子理論。」──法國雜誌《科學與未來》

  「這本書讓我們能夠更好地理解未來用以計算或通訊的量子信息革命。」──法國日報《世界報》

  「本書帶領我們回到量子力學的起源,回到薛丁格既豐富、充實又緊密的生活當中。」──法國文化電臺「科學方法」頻道

  「讓讀者自己抓起這本書,通往迷宮的中心,等著你的是與薛丁格同名的貓,而這一路上還有更多的驚喜等你來挖掘!」──法國經濟日報《回聲報》
 
 

作者介紹

作者簡介

查爾斯‧安托萬(Charles ANTOINE, 1977~)


  巴黎第六大學-索邦大學(Sorbonne Université)副教授與講師,凝聚態理論物理實驗室的研究員。
  已出版量子物理學和相對論等入門書籍:《量子物理學導論》、《現代物理學導論:相對論與量子力學》。

譯者簡介

林承賢


  國立臺灣大學社會學系及中英翻譯學程畢業,赴法國巴黎第七大學社會學系交換。曾任雜誌編輯、記者、翻譯公司專案專員,現於法商公司從事人力資源工作。譯有《沙灘上的馬克思,生活中的資本論》、《沙灘上的薛丁格,生活中的量子力學》。

  個人網頁:profile.hsien.tw/
 
 

目錄

推薦序:迎接嶄新的量子時代──欒丕綱

前言:神祕的理論,與離經叛道的物理學家

第一章:揭開旅程序幕──歡迎來到量子世界

用一句話形容量子力學!
量子力學的十個大哉問:
1.    何時以及為何要建立量子力學理論?
2.    「量子」是什麼意思?
3.    量子力學的發展史上,有哪些重要的實驗?
4.    量子力學理論是否經過詳盡的驗證?
5.    量子力學對哪些領域有興趣?
6.    量子力學與其他理論的差異為何?
7.    有沒有一項原則,可以讓人了解整個量子力學理論?
8.    量子力學主要應用於哪些領域?
9.    量子力學跟我們有什麼關係?
10.    為什麼光在量子力學中占有重要地位?
量子星球 場、力、能量

第二章:光有兩張面孔!?
一九〇〇年:各領域承先啟後的一年
光是一種波動嗎?
愛因斯坦眼中的量子化世界
黑光燈和普朗克常數
量子星球 其實科學從未完備過
量子星球 波動是什麼?
量子星球 光電效應的應用:人工視網膜和月球的土壤
量子星球 每個理論都有自己的常數

第三章:量子躍遷與確定性的終結
能量的量子化與量子躍遷
愛因斯坦的狡猾機率
海森堡的無限表格
量子星球 光子真的存在嗎?
量子星球 狡猾的宇宙:上帝似乎很會擲骰子?
量子星球 勸你別讀這段說明!
量子星球 量子力學需要新的語言

第四章:萬物皆為機率波
德布羅意發現了物質波!
沒錯,是波動......但是物質波!
王子的新衣:薛丁格方程式
量子星球 一九二二年的阿羅沙,薛丁格未能完成的發現
量子星球 物質波真的存在嗎?
量子星球 穿隧效應:沒有空間的空間
量子星球 令人著迷的虛數
量子星球 一九二五年的阿羅沙:方程式中的情慾

第五章:量子測量:閱讀的當下,你已經改變了這本書!
古典測量是什麼?
量子測量是什麼?
突如其來的塌陷!波包塌縮
海森堡的測不準原理
時間流逝而過的狹縫
太空中的「去同調」
量子星球 量子力學完全沒有模糊地帶
量子星球 彼此相像卻有差異的測量方式
量子星球 來想像不存在的測量儀器吧!
量子星球 陰陽互補的聯盟
量子星球 宇宙規模的實驗
量子星球 費曼的路徑積分表述
量子星球 量子芝諾效應:只要一直測量,就無法變化!
量子星球 量子力學有太多很扎實、但不完整的答案

第六章:量子力學的核心:薛丁格的貓
存在與不存在,這兩者能同時存在嗎?
量子位元 :量子密碼學和量子電腦
從量子糾纏到量子遙傳
解密!薛丁格的貓
尋找詮釋的協奏曲
量子星球 可以在火車上整理房間嗎?你在開玩笑嗎?
量子星球 古典密碼學的基本概念
量子星球 量子霸權與去同調
量子星球 瞬間移動真的存在量子世界中!
量子星球 勇往直前的冒險家!
量子星球 測量的問題、去同調、意識扮演的角色
量子星球 從振動的水滴到量子氣候

第七章:自旋、迷失身分、光與物質
旋轉、跳躍,不停轉動的自旋!
迷失身分的神奇現象
場的關鍵:光與物質的結合
量子星球 包立和自旋:介於失誤與神來一筆之間
量子星球 難道沒有軌道的話,粒子就不存在嗎?
量子星球 物質的組成結構(目前已知的範圍)
量子星球 發送給外星生物的訊息?
量子星球 我們談的到底是哪一種真空?

結語:迷人的量子,以及未來的前景
重力、暗物質、暗能量……很危險嗎?
從生物學到量子意識
這不過是另一場旅程的開端!
量子星球 希格斯玻色子:慣性產生質量
量子星球 追求量子力學的普遍性
量子星球 量子生物學之父──薛丁格
量子星球 抱持開放的心與思考的腦

參考書目
 

前言

神秘的理論、離經叛道的物理學家


  您即將開始的這趟旅途十分危險。
  深入量子力學奇異的世界雖是趟非凡的旅程,
  但沒有人可以完好如初地歸來……

  在量子力學的世界中,神秘的貓可以維持半死半活、狡猾的老鼠只需看一眼月亮就能讓月亮存在、特定的作用可以在時間與空間之外進行、物體可以同時存在於兩個位置,還能從一個位置瞬間前往另一個位置,不需經過任何中介地點……在這個世界中,萬物都只是機率和想像中的波動、物質只不過是不斷重新創造的短暫振動、所謂「真空」充滿著大量能量、無限小的量和無限大糾結在一起、平行世界因為人的意志而無限增加、荒謬和命運並肩而行……

  「人生中最開心的時刻,就是啟程前往未知世界的時候。」——英國探險家理察.弗朗西斯.伯頓的日記(Richard Francis Burton,1821-1890)

  量子力學到底是什麼呢?抽象語言愛好者打造的純粹人工知識?為了解答形上學疑問提出的詭異數學算式?與哲學、瘋狂只有一線之隔的非主流科學理論?如果這個理論的預測能力並沒有被證明如革命般強大,也許很多人會回答是的。畢竟,量子力學的理論雖看似瘋狂,卻通過非常嚴謹的實驗驗證。不過,量子力學的確偶爾令人感到疑惑難懂,尤其是在討論光與物質之間的相互作用的時候。

  然而,量子力學並非一位隱藏自己的美人。她並沒有將自己謎團般的精采之處隱藏起來,不讓微觀世界的探險家一探究竟。雖然難以注意到,但量子力學其實存在於我們日常生活中的每一個動作:滑智慧型手機、用手指敲鍵盤,乃至每次使用含電子元件的裝置,其實都涉及量子力學!因為,如果沒有量子力學,人類就無法理解二極體和電晶體如何運作,因而也無法製造電路、微處理器和快閃記憶體。如果沒有量子力學,就沒有物質波、原子鐘和GPS。沒有量子力學,就沒有雷射、磁浮列車、超精準醫療影像和超安全通訊工具。

  未來,當我們使用電子投票、刷信用卡、使用穿戴式裝置、在地球上或太空中移動時,我們的環境已充滿人類透過量子力學,在實驗室中創造的各種裝置,例如量子電腦、使用量子遙傳的裝置,還有石磨烯和碳奈米管等新物質。

  此外,如同法國廣播節目主持人阿美桑(Jean-Claude Ameisen,1951-,為免疫學家,亦主持科普節目)所說:晚期的研究顯示量子效應也存在於生物體之中,例如植物行光合作用、特定候鳥的眼睛等等。在此之前,由於生物體太過複雜、不易維持量子同調這麼細微的現象,所以學界從未討論過此領域的量子效應。現在,甚至連人類意識──或者說是傳遞人類精神所觀察到的資訊的轉變過程──看起來似乎也與量子力學有關……

  的確,就如美國物理學家萬伯格(Steven Weinberg,1933-)所說:「從發現量子力學的那天起,人類便不再是相同的人類了。」這本書邀請您參與的旅程,超乎尋常。
 
  在所有量子力學的重要探險家和學者之中,有誰比埃爾溫.薛丁格(Erwin Schrödinger,1887-1961)更適合當這趟旅程的導遊呢?他的名氣或許不如普朗克、愛因斯坦、費曼;前瞻性的視野或許不如波耳、德布羅意、包立;也並未和狄拉克、馮紐曼和海森堡等人一同名列量子力學的早期先驅(別擔心,如果沒聽過這些名字,這本書正是為您量身訂做!)但是薛丁格的一生和其著作,正象徵著量子力學的發展。

  薛丁格的年紀介於兩代見證量子力學誕生的物理學家之間。他也促成了幾乎所有量子力學發展中的里程碑──建立了量子力學的核心方程式「薛丁格方程式」,這是現代許多科學技術應用原理的起源。他成功整合量子力學理論的兩大版本(海森堡、玻恩和約當的「矩陣力學」,以及他自己受法國學者德布羅意影響而發展的波動力學)。他也提出了著名的「薛丁格的貓」思想實驗,用以批評量子力學的標準詮釋,並與好友愛因斯坦一同提出「量子糾纏」的基本概念。不僅如此,他更持續研究能整合現代物理兩大支柱(量子力學和廣義相對論)的超級理論,儘管結果徒勞無功。另外,他也對哲學,還有科學和靈性間的關聯充滿熱情。最後,他為一九八〇年後全新的「量子生物學」領域打開了大門。

  薛丁格不只在科學研究中拒絕墨守成規,他在感情、友誼和人生的選擇上亦如是。他擁有自由的靈魂,拒絕任何形式的傳統,儼然是當年的科學代表人物。他也大大地翻轉了許多常識。人們不斷重新發現、欣賞他的科學與哲學作品。但似乎還需要時間的沉澱,我們才能真正認識薛丁格的遠見與全貌。

  愛因斯坦曾說:「發明,就是從另一個角度思考。」薛丁格的一生與作品就是最好的例子,他的每一步都為我們點亮量子力學更豐富的內容!
 

詳細資料

  • ISBN:9789570532807
  • 叢書系列:THALES
  • 規格:平裝 / 256頁 / 14.8 x 21 x 2.1 cm / 普通級 / 雙色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣
 

內容連載

第一章
 
揭開旅程序幕──歡迎來到量子世界
 
用一句話和十個問來概括量子力學!
 
阿根廷詩人豪爾赫·路易斯·波赫士(Jorge Luis Borges, 1899~1986)曾說:「人類不需要建造迷宮,畢竟宇宙本身就是迷宮」。本書的第一章就是你在量子力學之旅中的指南、航海日誌、同時也是邀請函,為你引介後面即將出現的詳細量子力學概念和原理。
 
關於這門引人入勝的學問,想必你已經有一些問題想問:「量子力學說的是什麼?」「有哪些原理?」「和其他理論的差異是什麼?」「為什麼光在這門學科很重要?」「『量子』一詞是什麼意思?」
 
「所有的旅人原先都是一名夢想家。」──英格蘭旅遊作家布魯斯·查特文(Bruce Chatwin, 1940~1989),《巴塔哥尼亞高原上》(In Patagonia, 1977)
 
本章立刻讓你深入迷人的量子力學理論,讓你透過幾句話,就能回應你旁邊躺在沙灘椅上的人,不斷逼問著:「究竟鼎鼎大名的量子力學是什麼?」……當然,如果你早就能回答這個問題,可以直接跳過這一章。相反地,如果幾個專業術語或喜歡閒逛的奧地利學者名就讓你驚駭不已,別緊張,以下段落能讓你在旅程中踩著踏實又穩健的步伐。
 
先說一聲,若你想登上量子力學世界的聖母峰頂,完全沒有問題!本書的目的就是為你準備好工具、紮好第一個營地,並告訴你登上聖母峰的祕訣……
 
但是請注意,本書並不打算剝奪你挑戰難題的樂趣!即便在介紹理論時,部分段落採用簡化或比喻的方式,勢必不夠精確,所以這趟旅程仍需要你的專心一致、求知慾和深入參與。就像法國演員暨詩人的雅克·岡布蘭(Jacques Gamblin, 1957~)常說的:「沒有壓力,就沒有輸贏。沒有慾望,就沒有競賽與歡愉!」
 
用一句話形容量子力學!
 
如同物理學家愛因斯坦在相對論中,以著名的公式E = mc2說明「萬物皆為能量」,我們也能用一句話來概括量子力學的精髓:
 
「萬物皆為振動!」

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