讀得懂的量子力學

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提到量子力學，人們總有高深莫測之感。

但中科院物理研究所研究員曹則賢的這本《量子力學（少年版）》或許可以告訴我們，其實量子力學的世界並非想像中那樣難以接近。

《量子力學（少年版）》

曹則賢著，中國科學技術大學出版社2017年7月出版

《量子力學（少年版）》開篇有兩個作者序和一篇補充說明，這實在是很少見。

第一篇作者序寫於2005年。曹則賢在序言中介紹說，那時自己的兒子快10歲了，他希望能寫一本有關量子力學的書送給他。此前已經有日本作者作了有益的嘗試，科普作家都築卓司撰寫了《十歲學量子理論》，雖然那本更像量子力學簡史。曹則賢的一些同事也認為，應該有一本給中國少年們的量子力學入門書。所以，寫作計劃就這樣開始了。

沒想到，序言寫完後，書稿寫作卻一拖再拖。2007年，曹則賢寫下了第二篇作者序，「歡迎親愛的小朋友開始閱讀這本書」。可由於諸多原因，直到2016年春本書的書稿才得以完成。

雖然遲了11年，但對於更廣泛的讀者來說，這本有關量子力學的書卻來得恰逢其時。如今，隨著信息傳播時代的來臨，量子力學的成果不時出現在新聞報道中，關於量子力學的各種爭論也展現在更多人面前。量子力學到底是什麼，是很多人好奇的問題。

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量子力學和相對論是20世紀物理學的兩大支柱，相對論隨著愛因斯坦的名字不斷地出現在各種場合，為世人普遍知曉，量子力學則似乎一直居於高高的學術象牙塔中。但其實，量子力學離我們並不遙遠，它的研究成果已經主導了我們的生活，到處都能看到量子力學改變生活的證據。激光，基於半導體技術的各種電子學，光電子學器件如計算機、太陽能電池、手機等，還有醫用的核磁共振儀，都是在利用量子力學理解物質、改造物質的基礎上實現的。

雖然本書是講量子力學的，但曹則賢沒有單單只講量子力學本身，而是將其置於物理學這條綿密的思想河流中，去追根溯源量子力學創造的過程。量子力學創立過程中的每一個思想基礎是什麼？它面對的是什麼問題？創立者用了什麼方法和工具？他們如何嘗試去解決量子力學的問題從而構造量子力學體系的？

帶著這樣的問題，曹則賢循著量子力學發展的歷史脈絡，用關鍵的人物、物理事件與數學思想，構築量子力學的知識體系，強調量子力學在經典物理的基礎上被創建的過程細節，從而引導讀者走進量子力學的世界。

在書的開篇，曹則賢就寫「宇宙如棋局」，告訴讀者物理學家探索量子世界的秘密的過程，就好像一個孩子看別人下象棋，要很久才能記住有整個棋盤上一共幾個棋子，然後再慢慢琢磨出下象棋的規則，這個過程並不是一蹴而就的。

隨後，曹則賢從牛頓用三稜鏡發現白色光的七色彩虹分解講起，通過夫琅和費在太陽光譜中發現暗線的歷史故事，講到了量子力學中的原子吸收問題。接著，他又介紹了普朗克的黑體輻射曲線以及對能量量子化的解釋，隨後則介紹了愛因斯坦用光量子的觀點解釋了光電效應的奇特現象。

對於光譜線的強度，曹則賢寫到了克拉默斯的努力，以及克拉默斯建立的那個不太正確的模型。隨後，他以一貫犀利的風格評價了海森堡的「半截子論文」——海森堡是在思考光譜線的強度的問題時得到了量子力學的「矩陣形式」的。但整個思維過程海森堡其實自己也是懵懂的。海森堡自己也沒有完全想清楚到底是怎麼一回事，只是寫了一個論文發表出去了，卻陰差陽錯地成了量子力學的奠基人。

此後，從德布羅意的物質波，到薛定諤得到波動方程的思考過程，從科學史上第一個人為設計的觀測量子態的實驗——斯特恩—蓋拉赫實驗，到古德斯密特與烏倫貝克提出的「自旋」的假說，再到泡利對自旋的矩陣描述，曹則賢將量子力學創立和發展過程中的關鍵人物和事件一一呈現，最後還介紹了量子力學的實際用處，比如說激光與半導體的發明。

在書中，曹則賢把科學創造的過程展現出來，包括做對的，也包括做錯的。在這個量子力學的世界裡，不僅有那些完美的結論，也有概念產生、演化、改進甚至被摒棄的過程。而後者對於我們理解物理學或許更為重要。

雖然人物和故事輪番登場，但這本書畢竟還有一定的專業性。如果只用通俗的語言介紹量子力學這樣的學問必定有不精確、不到位的地方，因此書中除了解釋關於量子力學初步的、直觀的知識外，還用到了一些數學。但即使跳過這些複雜的數學內容，依然不影響讀者接著看下去。

正如曹則賢在序言中所說：「通過本書你要記住一些偉大的名字，那些改變了人類認知的偉大事件及其哲學、方法論的背景，那些不同尋常的大腦里的古怪想法。等你長大了，就能更深入地理解量子力學的內容，一起經歷和理解未來那些激動人心的發現。即使不想成為物理學家，量子理論訓練的思維方式仍然有助於你認識世界。」

1938年，科幻作家傑克·威廉森出版了科幻小說《無邊的時間》，故事中說人類的未來有希望和墮落兩種可能，選擇將由一個男孩作出。他可能會在草地上撿起一塊小磁鐵，成為了一個偉大的科學家，或者撿起一塊小石子，成為一個流浪漢。這本書或許能成為這樣的一塊小磁鐵，撩起許多孩子甚至成年人對科學的好奇心。

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