自然科学总论 类型
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174千字 字数
2022-08-01 发行日期
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主编推荐语

一本人人都能读懂的量子物理书。

内容简介

1900年左右，物理学家发现了像电子、质子和中子这样的粒子。这些发现被认可，使得他们能够预测原子的内部行为。然而，当他们将预测与实际的实验结果对比时却发现，经典物理学和力学的原理远不能解释原子尺度的现象。这种认识的形成，使量子物理学的出现成了人类历史上最重要的智力运动之一。

今天，量子物理学无处不在：它解释了我们的计算机如何工作，激光如何通过互联网传输信息，并允许科学家准确地预测自然界中几乎所有粒子的行为。物理学的运用，一直是调查与我们的世界和宇宙相关的最广泛问题的根本。

虽然众所周知，量子物理学领域和原理几乎可以被无限应用，但是，要理解出现这种情况的根本原因远没有那么容易。本书中，量子物理学家迈克尔·G.雷默提取了这种抽象领域的基本原则，并且从很多方面提出了量子物理学是当今科学的一个关键因素，也是人人都需知、可知的科普知识。

目录

  • 版权信息
  • 总序
  • 序
  • 致谢
  • 1 什么是量子物理学？
  • 什么是量子物理学？
  • 量子物理学怎样影响着我们的日常生活？
  • 什么是物理学理论，以及什么是物理学课题？
  • 为什么当我们谈论物理时会使用“模型”这个词？
  • 为什么2015年是量子物理学特别成功的一年？
  • 为什么有些物体可以用经典物理模型来描述，而有些却需要用量子物理模型来描述？
  • 什么是组成物理世界的最基本实体？
  • 光在经典物理学和量子物理学中的描述有何不同？
  • 光探测的离散性具有什么物理意义？
  • 人们有可能制造出并且探测到单光子吗？
  • 量子物理学是如何被发现的？
  • 电磁场具有量子本质吗？
  • 2 量子测量以及测量产生的后果
  • 什么是经典物理学中的“测量”？
  • 什么是光的偏振？
  • 我们怎样确定或者测量光的偏振？
  • 如果光包含有多种偏振，会发生什么？
  • 如果光是纯偏振光，但偏振不在H或者V方向，会发生什么？
  • 这些测量偏振的结果背后有什么物理意义？
  • 什么是光的相干性？它扮演了什么角色？
  • 我们可以测量单光子的偏振吗？
  • 我们如何制备偏振在某一特定方向上的纯偏振态单光子？
  • 你可以通过量子测量来确定单光子的偏振态吗？
  • 光的偏振态在经典物理学和量子物理学中的区别是什么？
  • 我们如何预测光偏振态测量中的概率？
  • 在量子领域中进行测量到底是什么意思？
  • 什么是互补测量？
  • 为什么宏观物体看上去具有确定的性质，但组成它的量子个体却不具备这种确定性？
  • 什么是我们所指的物体的“态”？
  • 什么是量子态？
  • 鲍勃有可能在实验上确定爱丽丝制备的量子态吗？
  • 鲍勃能复制(克隆)一个光子的量子态吗？
  • 什么是量子相干性？
  • 什么是量子力学的指导性原则？
  • 量子力学到底描述了什么？
  • 3 应用量子数据加密
  • 人类可以利用量子物理学来创造出绝对安全的通信网络吗？
  • 加密是如何使信息保密的？
  • 绝大部分的加密方法都能被破译，这是真的吗？
  • 有没有一种无法破译的加密方式？
  • 文本信息在二进制编码中如何显示？
  • 文本信息是如何被二进制密钥加密和解密的？
  • 光子的偏振态是如何被用来创建安全密钥的？
  • 量子密钥分发是基于哪些物理学原理？
  • 量子密钥分发的工作原理是什么？
  • 如果有窃听者，情况会怎样？
  • 爱丽丝和鲍勃如何得知窃听者伊夫是否存在？
  • 如果伊夫一直存在怎么办？
  • 伊夫有可能使用其他更好的窃听方式吗？
  • 量子密钥分发的研究现状是什么？
  • 4 量子行为
  • 在没有被测量的情况下，量子物体的行为是什么？
  • 电子和弹珠的行为有什么区别？
  • 为什么电子总是落到山羊上？
  • 如果我们改变设置，结果会怎么样呢？
  • 到目前为止，我们可以得出什么结论？
  • 我们可以测量电子运动的路径吗？
  • 为什么我们不能把同样的逻辑用在弹珠上呢？
  • 什么是共轭表现？
  • 有没有其他共轭过程的例子来说明主要论点？
  • 一个过程如果是共轭的，会有哪些进一步的后果？
  • 在双路径实验里，物质的表现可不可以和光子的表现相同？
  • 光子的表现会不会偶尔符合经典概率论？
  • 我们如何把上述的讨论总结为一个物理学原理？
  • 在量子物理学中，什么是一次测量？
  • 一个量子物体可以同时出现在两个地点吗？
  • 量子密钥分发是如何利用共轭过程这个概念的？
  • 量子理论如何描述具有两种可能性的态？
  • 量子理论是如何描述一个拥有两条可通过路径的电子的？
  • 状态箭头可以用来代表宏观物体的“态”吗？
  • 结果的概率和量子可能性是如何联系在一起的？
  • 一个电子是如何被“分离”进入两条路径的？
  • 当路径干涉出现时，如何使用状态箭头来计算概率？
  • 如果我们更改其中一条路径，会发生什么？
  • 我们怎样把上面的想法总结成一个指导性原则？
  • 如果我们进一步改变路径长度，结果会怎样呢？
  • 从上面的实验中我们能否推导出一个普适性原则？
  • 本章的结束语是什么？
  • 5 应用方面——用量子干涉感应重力
  • 什么是感应技术？
  • 感应引力强度有什么用途？
  • 怎样利用量子物理学来感应引力？
  • 本章的引力干涉仪和前一章的电子干涉仪有什么不同？
  • 中子干涉仪是一个有实际意义的引力感应器吗？
  • 6 量子概率和波动性
  • 波这个概念是如何被引入量子理论的？
  • 什么是波？
  • 什么是波干涉？
  • 什么是量子概率波？
  • psi-波函数是如何掌控其内部时序的？
  • 是什么决定了粒子内部时钟的循环时间或者频率？
  • 我们如何把提出的指导性原则结合成一个有条理的量子理论？
  • 什么是动量，以及什么可以改变动量？
  • 什么是能量？
  • 薛定谔方程是怎样描述量子物体在时空中的运动过程的？
  • 量子概率波是怎样和概率联系在一起的？
  • 能否举一个薛定谔方程在应用中的实例？
  • 一个量子粒子是如何穿过0概率区域的？
  • 什么是海森堡不确定性原理？
  • 电子既是粒子又是波的说法正确吗？
  • 7 里程碑和三岔路口
  • 当你来到三岔路口时，你应该做什么？
  • 迄今为止，我们有哪些重要的里程碑？
  • 8 定域实在论的终结和贝尔测试
  • 物理实验可以探究“实在论”的本质吗？
  • 什么是相关性？它告诉了我们什么？
  • 能否举一个有关相关性属性的例子？
  • 能否举一个有关相关性表现的例子？
  • 相关性是如何被计量的？
  • 经典相关性和量子相关性的区别是什么？
  • 什么是实在论，以及我们如何在实验里测试它？
  • 如何为测试实在论做好准备？
  • 如果我们只能进行部分测量，那会怎么样呢？
  • 怎样阻止实验双方之间互通信息？
  • 什么是定域实在论？
  • 什么样的实验可以推翻定域实在论？
  • 对于原子中释放的光子对，是不是任何量子态都能产生上述结果？
  • 在上述讨论中，是否有任何漏洞或者瑕疵？
  • 什么样的实验克服了潜在的瑕疵？
  • 约翰·贝尔对于这样的实验结果做出了什么评价？
  • 定域实在论这一观点的崩塌意味着我们必须放弃经典直觉和经典物理学吗？
  • 我们应该放弃定域因果原则或者实在论吗？或者两者都放弃？
  • 9 量子纠缠和隐形传态
  • 什么是量子纠缠？
  • 我们如何表示一个复合体的量子态？
  • 我们如何表示光子对的量子纠缠态？
  • 我们如何制备处于贝尔纠缠态的光子对？
  • 贝尔纠缠态是如何违背定域实在论的？
  • 关于一个量子组合体的组成部分，哪些是你可以知道的？
  • 在实际情况中，知道了关于量子组合体所能知道的一切将意味着什么？
  • 什么是我们利用量子纠缠可以做到，而没有量子纠缠就做不到的？
  • 量子纠缠是怎样使量子态的隐形传送变为可能的？
  • 在爱丽丝那里发生的事会影响鲍勃那边吗？
  • 量子态的隐形传送是瞬时的吗？
  • 人类可以被隐形传送吗？
  • 量子态的隐形传送有什么用？
  • 10 应用——量子计算
  • 信息是有形的吗？
  • 什么是计算机？
  • 计算机是怎么工作的？
  • 单个逻辑门可以有多小？
  • 我们可以创造出使用内在量子表现的计算机吗？
  • 什么是量子比特？
  • 哪个物理原理区分了经典计算机和量子计算机？
  • 量子计算机会使用哪些逻辑门？
  • 我们将如何操作量子计算机？
  • 为什么质因数分解很难？
  • 量子计算机如何解决质因数问题？
  • 量子计算机还能解决计算机科学中的其他难题吗？
  • 量子计算机可以解决哪些物理和化学难题？
  • 为什么制造量子计算机如此艰难？
  • 制造量子计算机的前景如何？
  • 用哪些方法有希望制造出量子计算机？
  • 11 能量量子化和原子
  • 什么是能量量子化？
  • 为什么当一个粒子受到约束时，能量会被量子化？
  • 在一个原子中，电子的能量是如何量子化的？
  • 为什么电子不会停留在势阱的底部？
  • 原子如何吸收光波？
  • 一个原子如何辐射出光？
  • 经典物理学理论中电子围绕原子核进行轨道运动的说法，在量子物理学理论中变成了什么？
  • 环形psi-波函数和量子尺有什么关系？
  • 电子的psi-波函数在三维空间是什么样的？
  • 12 应用——利用量子技术感应时间、位移和引力
  • 什么是基于量子物理学的感应技术？
  • 什么是时间的科学定义？
  • 什么是时钟？
  • 我们怎样才能制造出完全相同的时钟？
  • 为什么基本量子体可以被制成最完美的时钟？
  • 为什么先进的时钟技术非常重要？
  • 目前的原子钟有多精确？
  • 原子钟的基本工作原理是什么？
  • 最先进的原子钟是如何工作的？
  • 什么是惯性传感器？
  • 什么是加速度计？
  • 常规加速度计是怎么工作的？
  • 加速度计有什么用途？
  • 什么是重力仪？它的用途是什么？
  • 常规重力仪如何工作？
  • 第一台量子重力仪是如何工作的？
  • 高级量子重力仪如何工作？
  • 原子干涉仪可以探测到引力波吗？
  • 13 量子场和它的激发子
  • 什么是经典物理学中的粒子和场？
  • 统一了粒子和场这两个概念的量子物理学原理是什么？
  • 如果我们测量一个量子场，会发生什么？
  • 网格的量子理论如何被应用到光波上？
  • 什么是量子场？
  • 什么是光子？
  • 粒子和场是同一种事物的不同形态吗？
  • 场和粒子的统一也适用于电子吗？
  • 为什么我们看不到普通物体的出现和消失？
  • 宇宙是由什么组成的？
  • 什么是真空？
  • 基本粒子是怎样获得质量的？
  • 还有其他事实为量子场的存在提供证据吗？
  • 对量子场的理解解开了贝尔关系式的谜团吗？
  • 对量子场的理解解开了量子测量的谜团吗？
  • 为什么关于量子场的讨论被推迟到接近本书的结尾处？
  • 14 有待解决的问题和争议
  • 关于量子物理学，有哪些是我们不知道的？
  • 什么样的自然界是量子理论试图告诉我们的？
  • 量子理论很明显的一个问题是什么？
  • 量子纠缠态是如何更新的？
  • 海森堡的观点解决了“测量难题”吗？
  • 退相干有什么用？
  • “从实际情况出发”，足够吗？
  • 量子概率是私有的吗？
  • 这一切都在我的脑海里吗？
  • 相干性万岁？
  • 为什么贝尔关系式会出现？
  • 本书的意义是什么？
  • 注释
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评分及书评

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出版方

华中科技大学出版社

华中科技大学出版社创建于1980年12月，是教育部直属的全国重点大学出版社，教育部教材出版中心之一；1995年被原新闻出版署批准为电子出版物出版单位；2003年经新闻出版总署批准成立电子音像出版社，同年被批准为全国首批具有网络出版权的出版单位之一，从此拥有了图书、音像、电子出版物、网络出版物等四大媒介的正式出版权。