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第一推动丛书·量子探秘系列(新版套装共5册)pdf-epub-mobi-txt-azw3
书名:第一推动丛书·量子探秘系列
作者:布鲁斯·罗森布鲁姆等
格式:EPUB/MOBI/AZW3
标签:物理 科普
ISBN:

内容简介:


本套装集结了《第一推动丛书·25周年纪念版》中关于量子物理最经典的五本著作——《量子之谜》《宇宙的琴弦》《不同的宇宙》《时间之箭》《存在之轻》。
《量子之谜——物理学遇到意识》:量子力学获得了惊人的成功,至今没有一项理论预言是错的,然而量子力学还是显得迷雾重重。它告诉我们,物理实在是由观察产生的,并且这种“幽灵作用”能够在两个相距遥远的事件之间瞬时传递——无需借助物理力。从人类的角度来看,量子力学使物理学遭遇到意识问题。本书描述了一些无可争议的实验事实以及量子理论对它们的公认解释,借助于风趣的故事和量子理论创立者们的趣闻轶事,用非专业术语浅显明了地阐述了现今各种各样的解释以及每一种这类解释如何遇到意识上的困境,同时介绍了近年来对量子力学的基础和奥秘的研究和应用的进展。简言之,这是一本由资深专家用平实的大众语言撰写的,融亲身经历和当今理论前沿、技术前沿为一体的不可多得的枕边书。
《宇宙的琴弦》:本书解释了爱因斯坦、海森伯以来的主要物理学成就,不但能具体提供一些现代物理学的基本材料,如狭义相对论、广义相对论和量子力学;同时也能把从四面八方走来寻求统一理论的研究者们动人的兴奋和激动传给大家。本书通过类比和比喻,尽量避开了专业术语和数学方程,让读者对科学家如何达到当今的宇宙概念有一个直觉的认识。 当今世界弦理论的大师、普林斯顿高级研究所的惠藤,这样评价本书:“每个对理论物理学好奇的人将会对本书爱不释手。
《不同的宇宙》:《不同的宇宙》是一本真正具有启智意义的书,诺贝尔奖获得者罗伯特·劳克林认为科学前沿就在我们脚下。他用极为生动的语言讲述了量子行为的神奇世界是如何渗透在我们熟悉的日常生活中。他没去寻找终极理论。而是在思考世界的突现性质——就是晶体保持其形状和硬度的那种性质,它起源于大量原子的自组织——并且向我们展示了为什么说物理学的基本规律事实上也是突现性的。
《时间之箭》:《第一推动物理系列:时间之箭》论证了现代科学理论关于时间的最普遍观点。时间就像一只箭,射向未知的前方,把过去永远留在后面。作者回顾了3个世纪的科学史,大胆地对牛顿力学、爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论、量子力学以及最近的混沌理论进行了重新解释。作者引导读者济览了所有企图解开时间奥秘的重要科学理论。他们探究时间的物理理论——牛顿力学,爱因斯坦的相对论,量子理论与势力学——以及考查更广泛的时间昭示:时间如何出现在诗、化学到生物学——从"马维尔的双翼战车"和"生理时钟"到造成旅行时差和星期一早晨沮丧心情的原因。 最后他们总结各种不同的时间阐释,描述出一种崭新方式赋予时间方向感,并呼吁要找出能涵盖时间箭头的全新理论。“时间”仍是人类最难解答的谜之一,虽然当今重要科学理论都有它的踪迹,但是仍然缺乏明确的对"时间"的科学解释。例如:时间在很多重要的科学理论中没有方向,是“可逆的”。
《存在之轻》:几乎在不知不觉中,我们对自然界最深层次实在的理解在过去的四分之一世纪里已经有了重大改变、现在我们己非常接近于长期寻求的突破:自然界基本力的大统一。作为一位深受欢迎的物理学家,诺贝尔奖得主弗兰克·维尔切克一直在这片新天地的舞台上扮演主角。通过超越旧的物质和空间观念,他诠释了一个全新的发现:物质是由几乎无重量的单元构造的。纯能量是质量的最终之源,维尔切克把这个发现称为“存在之轻”但他向我们展示的远不止这些、空间绝不是单纯的容器,不是空无一物和被动的它是一种动态的网格——一种现代意义上的以太,网格要比任何“基本”粒子更基本;其自发活动产生并消灭着粒子这种对物质和“虚空”的新认识解释了引力为什么那么微弱,并使自然界所有力的大统一图像变得格外清晰。本书是探索这些革命性概念的意义的第一本著作,维尔切克向我们展示了迷人宇宙的全新图像,并憧憬了基础物理学新的黃金时代。
编辑推荐
本套装是探索量子物理理论最前沿、最权威的理论,科普迷不可错过的经典。读懂量子物理,就从《第一推动丛书·量子探秘系列》开始!

作者简介:


布鲁斯·罗森布鲁姆,美国加州大学圣克鲁斯分校物理系名誉教授,前系主任。
弗雷德·库特纳,美国加州大学圣克鲁斯分校物理系讲师。
布莱恩·R. 格林,毕业于哈佛大学,在牛津大学获博士学位,是罗德学者(Rhodes Scholars)。1990年,他来到康奈尔大学物理系,1995年被聘为教授,1996年到哥伦比亚大学任物理学和数学教授。他曾在20多个国家开过普及和专业讲座,公认在超弦理论中有过许多开拓性的发现。他还曾出演过《生活大爆炸》。他现在住纽约绮色佳。
罗伯特·B.劳克林,斯坦福大学Robert M.and Anne Bass物理学讲席教授。1998年,他因在分数量子霍尔效应方面的工作而分获诺贝尔物理学奖。
彼得·柯文尼博士,在威尔斯大学担任物理化学教授,曾是牛津凯博学院的研究员。曾经和诺贝尔化学奖得主伊里亚·普利高金教授一起从事研究工作。现居北威尔斯的可温湾。
罗杰·海菲尔德博士,伦敦通讯日报的科学编辑。曾当选1987年最佳年度医学报道记者,1988年最佳年度科学报道记者以及1989年最佳年度专业报道记者。现居伦敦格林威治。
弗兰克·维尔切克,麻省理工学院物理学赫尔曼·费施巴赫讲座教授。2004年荣获诺贝尔物理学奖。他的书《渴望和谐》曾荣登当年度《纽约时报》畅销书榜。维尔切克一直是“全美最佳科普作品”和The Norton Anthology of Lighth Verse排行榜的入围人选。他与妻子Betsy Devine一起住在坎布里奇。
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部分摘录:


爱因斯坦为何称其为“幽灵”
我对量子问题的思考可以说和对广义相对论的思考一样多。

——阿尔伯特·爱因斯坦

我无法真正相信(量子理论),因为……物理学表示的是一种时间和空间上的实在,容不得超距的幽灵行为。

——阿尔伯特·爱因斯坦

20世纪50年代的一个周末,我在普林斯顿大学访友时,朋友曾问他的女婿比尔·贝内特和我(布鲁斯)是否愿意和他的朋友阿尔伯特·爱因斯坦晚上小聚一下。这样,我们两个诚惶诚恐的物理系研究生不久便来到爱因斯坦家的客厅,他穿着拖鞋和运动衫来到楼下。我因为紧张,只记得茶点,却忘了谈话是如何开始的。

爱因斯坦很快就问起我们关于量子力学课的事情。他赞同我们的主讲老师选用戴维·玻姆的书作教材,他问我们是否喜欢玻姆对量子理论所暗示的奇异性质的处理。我们无法回答,因为课上老师让我们跳过教材的这一部分,将注意力集中在题为“量子理论的数学形式体系”一节。爱因斯坦坚持与我们探讨关于这一理论的真正含义,但他所关注的问题是我们不熟悉的。我们的量子物理课程侧重的是这一理论的运用而不是它的意义。爱因斯坦对我们对这个问题的反应感到失望,于是谈话便随之结束了。

很多年以后我才明白,爱因斯坦为什么这么关注量子理论的神秘影响。我不知道,早在1935年他便指出,这个理论需要以一地的观察能够在无须任何物理力的作用下瞬时影响到遥远之处所发生的事情为前提。他将这种实际上并不存在的性质讥讽为“幽灵作用”。这令量子理论的推动者们倍感诧异。

爱因斯坦还为下述理论陈述所困扰:如果你观察小的对象,譬如说某处的一个原子。结果却造成因为你的观察而使它跑到别处去了。这种效应对于大的物体是否适用呢?原则上,是的。作为嘲笑量子理论的例子,爱因斯坦曾半开玩笑地对一位物理学同行说,他是否相信月亮的存在只有在看到它时才算。根据爱因斯坦的理解,如果你认真对待量子理论,你就必须否认存在一个独立于观察的物理实在世界。这是一项非常严重的质疑,因为量子理论不只是许多物理学理论中的一种,而更是整个物理学的基本框架。

本书着重于量子理论中那些困扰爱因斯坦的神秘推断。这些推断大致出现于从他1905年最初建议的量子学说直到他去世后的半个世纪的时间里。在与爱因斯坦交谈的那个晚上之后,我几乎没有想过量子的古怪性质,即物理学家所称的“测量问题”。作为研究生,我曾对“波粒二象性”问题感到疑惑。它是这样一种疑难:如果你以这种方式来观察,你可以证明原子是一个物质聚集于一处的致密客体;但如果你用另一种方式来观察,你得到的结果完全是另一码事儿。你能确信原子不是一个致密物体,而是在广泛区域里传播的波。这一矛盾让我困惑,但我以为,如果花上几个小时来仔细思索,我能够想得通,就像我的老师那样。但作为一名研究生,我有更紧迫的事情要做。我的博士论文涉及大量的量子理论,但像大多数物理学家那样,我很少关心这一理论的深层含义,更没有意识到它远远超出了单纯的“波粒二象性”范围。

在做了10年的应用物理研究和科研管理之后,我转任加州大学圣克鲁斯分校(UCSC)教师。在为文科学生开设物理课的同时,量子力学的奥秘吸引了我。而在意大利举行的为期一周的关于量子力学基础的会议则又将我带回到很久以前在普林斯顿那个毫无准备的与爱因斯坦交谈的夜晚。

当我(弗雷德)在麻省理工学院大学三年级上量子力学课时,我在笔记本里写下了薛定谔方程,我看着这个主宰宇宙中一切的方程而感到非常激动。后来我变得疑惑:量子力学断言,原子的自旋方向可以同时指向不止一个方向。我花了好些时间试图弄懂它,但最后还是放弃了。我猜想恐怕得学到更多的知识后才能理解它。

因此在进行博士论文选题时,我选了磁系统的量子分析作为攻读方向。我在运用量子理论时变得轻率,没有时间去思考那到底意味着什么。我忙于发表论文,拿到学位。在几个高科技公司干了一段时间后,我加入了加州大学圣克鲁斯分校的物理系。

我们两个人开始探索物理学与思辨哲学的边界,这使我们的物理学同事感到惊讶。我们以前的研究领域是相当传统的,甚至实用(有关我们在工业和学术研究方面的更多背景和联系信息,见本书网站www.quantumenigma.com)。

物理学领域的难言之隐
量子力学获得了惊人的成功,至今没有一项理论预言是错的。全球经济的三分之一依赖于以此为基础的产品。然而,我们对量子理论所要求的世界观的陌生程度可能远远超乎我们的想象。让我们来看看为什么是这样。

我们大多数人都有这样一些常识性的直觉:一个对象不可能同时处在分开的两地。显然,一个人在这里决定做什么不可能立即影响到远离此地的某个地方发生的事情。我们也不会认为“那里”的真实世界与我们是否看到它有关系。量子力学则挑战这些直觉。若什(J.M.Jauch)告诉我们:“对于许多有思想的物理学家来说,(量子力学的深层含义)还是像家丑那样的难言之隐。”

我们从困扰爱因斯坦的量子理论开始叙述。什么是量子理论呢?量子理论是一种在20世纪早期发展起来的、用于解释原子行为机制的理论。在早期,人们发现,一个物体的能量可以按某个离散量的大小即量子来改变,因此描述这种行为的理论被称为“量子力学”。“量子力学”既包括实验观察也包括量子理论对观察结果的解释。

量子理论是每一门自然科学——从化学到宇宙学——的基础。我们需要量子理论来理解为什么阳光普照,电视机是如何产生图像的,为什么草是绿的,以及宇宙是如何从大爆炸演化而来的。现代技术就是建立在基于量子理论所设计的器件之上的。

前量子理论物理学,或称“经典力学”或“经典物理学”,有时也称“牛顿物理学”,是一种用来描述比分子大得多的物体的绝好的近似理论,它对物体的处理通常要比量子理论简单得多,但它只是一种近似处理。对于由原子构成的一切事物,它无能为力。尽管如此,经典物理学却是我们的传统智慧——牛顿世界观——的基础,尽管我们现在知道这个古典的世界观在根本上是有缺陷的。

自古以来,哲学家一直对物理实在的性质进行着深奥的猜测。在量子力学之前,人们拒绝这样的理论性思考,而采取一种简单的、常识性世界观,具有逻辑上的必然性。今天,量子实验否定了这种常识性的物理实在。它不再是一种合理的选择。

量子力学建议的世界观与科学之外的东西可能有关联吗?对此请考虑两个确实有这类相关性的早期发现:否定了地球是宇宙中心的哥白尼理论和达尔文的进化论。在某种意义上,量子力学与外界的相关性要比哥白尼或达尔文的思想更直接,后者处理的是与遥远之外或很早以前的联系,而量子理论研究的是这里和现在,它甚至与我们人类的本质——我们的意识——相联系。

那么,为什么量子力学没有像那些早期的思想那样对人类产生知识上和社会性的影响呢?这也许是因为这些早期思想较容易理解,从而也更易为人们所相信的缘故。你可以用几句话大致总结哥白尼或达尔文的影响。至少对现代人来说,这些理论都好理解。但如果你尝试总结量子理论的影响,你所得到的结论听上去则有一种神秘感。

不管怎样,这里我们试着粗略总结一下:量子理论告诉我们,对一物的观察可以瞬间影响到遥远距离之外的另一个物体的行为,即使二者间不存在任何连接。这些作用就是爱因斯坦所称的“幽灵作用”,但现在它们已被证明是真实存在的。量子理论还告诉我们,一个物体可以同时出现在两个地方。只有在对其观察后我们才能发现它恰好在某个特定的地方。因此,量子理论否认存在一个独立于观察的物理实在世界。(我们将看到,“观察”是一个棘手且有争议的概念。)

奇怪的量子现象只有在小物体上才能得到直接验证。经典物理学能够在近似程度极高的水平上描述大物体的合理行为。但大物体是由小物体组成的。因此作为一种世界观,经典物理学对于微观世界是行不通的。

经典物理学可以相当好地解释世界,它只是不能处理“细节”。而量子物理学则能够完美地处理“细节”,但它恰恰无法解释世界。因此你可以知道为什么爱因斯坦感到不安。

现代量子理论的创始人之一薛定谔曾通过他的著名的猫故事来强调量子理论所述东西的“荒谬性”。根据量子理论,这只未观测到的薛定谔猫既是死的也是活的,直到你对它的观察使得它要么死掉要么活着,二者择一。这里有些东西更难接受:如果发现猫死了,那么这个发现便产生出其尸僵发展的历史;如果发现它活着,则这个发现触发了其饥饿的历史。时间上总是倒回去的。

量子理论所包含的谜团已经使物理学家为此奋斗了80年。这期间,尽管形成了特定的专业知识,培养了天才的物理学家,但并不能保证目前的理解就非常可靠。因此,我们这些物理学家只能以谦虚的方式来处理这个问题,尽管我们发现这很难。

值得注意的是,要讲清楚什么是量子之谜,基本上无须涉及太多的物理学背景。那是不是有可能某个在量子理论方面未经多年训练的人就能提出新的见解?只有小孩子才会指出皇帝没穿衣服。

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