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量子力学如何应用于对抗温室效应？

为什么一些金属材料可以导电，而绝缘体材料则可以完全阻断电流？

半导体与量子力学有什么关系？

超导现象是量子特性的表现？

如何用量子力学加密信息？

量子计算机运算速度如何？

在《人人都该懂的量子力学》中，阿拉斯泰尔·雷将带领任何一位有意愿了解量子力学的读者深入日常生活，解析日常生活背后的量子力学原理。

《人人都该懂的量子力学》属于湛庐文化重磅推出的“新核心素养”系列图书之一。本系列图书致力于推广通识阅读，扩展读者的阅读面，培养批判性思考的能力。其中涵盖了哲学、心理学、法律、艺术、物理学、生物科技等诸多人文科学和自然科学的知识，其中《人人都该懂的量子力学》避开了难以理解的量子力学原理，解释了很多日常生活中的量子力学现象，讨论了量子力学原理在计算机、超导体、全球变暖中的应用和表现形式，让你一本书了解量子力学贴近生活的基础面向。

前言

量子力学并非火箭科学

波与粒子

能量背后的量子力学

量子、金属与绝缘体

半导体与计算机芯片

超导现象

信息处理中的量子力学

量子力学应用中的延伸概念及难题

享受量子力学带来的智识挑战

术语表

[英]阿拉斯泰尔·雷（Alastair Rae）

曾担任《欧洲物理学杂志》编辑。他写作的《量子力学》一书已成为该领域的畅销教材，目前已出版至第四版，被翻译成了六种语言。此外，他还写作了《量子物理学：幻觉还是现实》一书，吸引了大量读者。

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了解日常中的量子力学

2005年是世界物理年（World Year of Physics），是对爱因斯坦于1905年相继发表的三篇划时代论文的100周年纪念。这三篇论文中，有名的应该是第三篇，因为他在这篇文章中提出了举世闻名的相对论，而第二篇则为“物质由原子构成”这一在当时存在争议的观点提供了明确的证据。这两篇论文都对20世纪及之后的物理学发展产生了深远影响，然而，真正带领我们走进量子力学时代的，却是爱因斯坦的篇论文。

在这篇论文中，爱因斯坦论述了自己不久前做的一些实验。虽然在很多情况下光被人们认为是以波的形式传播的，但爱因斯坦却在论文中表示，量子（quantum）是指在光束中以波包形式传播的能量。这个明显的悖论引出了波粒二象性（wave-particle duality）概念，并终引出了著名的或者说“臭名昭著”的“薛定谔的猫”理论。我写作《人人都该懂的量子力学》这本书的目的，就是想向读者介绍量子力学领域具有代表性的一些成果和重大突破。

虽然书中包含了一部分解释物质如何以原子及更小形式运动的内容，但我们的重点还是会放在解释日常生活中的量子力学现象上。很多人并没有意识到，许多现代科技都有着明确的量子力学基础。例如，驱动计算机运转的硅芯片内部的运行机制，以及电流能够通过金属线传导却无法通过绝缘体传导这种现象背后，都包含着量子力学原理。多年来，人们一直担心现代科技会对环境造成不良的影响，尤其是大量二氧化碳排放到地球大气中后导致的全球变暖现象。这种温室效应实际上也是量子力学的一种表现形式，而科学家们正在研究环保技术与之对抗。我们在书里讨论了这些现象，也讨论了量子力学在超导性（superconductivity）材料和信息技术中的应用。在本书的后部分，我们阐述了量子力学所涉及的一些哲学思考。

量子力学是公认的极度复杂且难以理解的学科，人们普遍认为，一个人只有相当聪明且精通高等数学，才能理解量子力学。然而，量子力学并不是火箭科学（rocket science）。我们可以利用波粒二象性的概念，在不需要掌握太多数学知识，或者说不需要具备任何高等数学能力的前提下，就能理解很多重要的量子力学概念。因此，本书基本不包含高等数学的内容，不过对于一些观点，我们会用数学专栏做出补充说明。我们只会用到基础的数学知识，这些都是很多读者上学时就会学到的知识，即便忽略这些内容也不会影响对书中观点的理解。此外，这本书的目标是引领读者了解量子力学，而不是仅仅用一些惊人的量子力学结果来让大家留下印象。出于这个原因，我们适当地使用了一些图片或表格，我们建议读者结合文字对此进行认真的研究。书中不可避免地会出现各种专业术语，我们也在本书后提供了术语表。一些读者可能已经对物理学有了一定的了解，所以会注意到书中对一些观点做了简化处理。对入门级别的图书来说，简化处理不可避免，但我希望并且相信，这样的简化不会造成模型或论点的使用错误。

我要感谢伯明翰大学里我曾经的学生和同事们，我在那里教了30多年物理学，我要感谢他们给了我机会，拓展并深化了我对物理学的了解。维多利亚·罗达姆（Victoria Roddam）和Oneworld出版公司表现出了足够的耐心，但也给我施加了必要的压力，我虽然没有按时交付稿件，但也没有拖延太久。我还要感谢安和我的其他家人，感谢他们的耐心和包容。后，我会对书中的任何错误或不准确描述负责。

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现代大学的学术分科太过专门，知识被严重割裂，于是通识教育与通识阅读应运而生。本书系目的在于让读者对不同的学科有所认识，能将不同的知识融会贯通，培养独立思考能力，成为一个兼备人文素养与科学素养的全方面发展的公民。

探究量子力学领域代表性的成果和重大发现，一本书读懂量子力学的实际应用、哲学思考及基础争议。

《人人都该懂的量子力学》一书将带领读者了解量子力学领域具有代表性的一些成果和重大突破，聚焦于解释日常生活中的量子力学现象，探讨了量子力学在前沿科技领域的应用，是一本人人读得懂的量子力学科普。

湛庐文化出品。

媒体评论

阿拉斯泰尔做了一项令人印象深刻的工作。任何愿意付出一点努力的读者，不仅可以从这本书中了解量子力学理论的一些重要的实际应用，还能理解为什么其概念基础仍然是一些激烈辩论的主题。

——安东尼·莱格特 2003年诺贝尔物理学奖得主    

很少有人意识到量子力学对生活在21世纪的人们的日常生活有着多么深刻的影响，而这本书能够让大家对“量子力学”这一抽象的概念在实际生活中的作用产生切实且充分的了解。

——迈克尔·贝里 布里斯托大学皇家学会研究员  

前言

了解日常中的量子力学

2005 年是世界物理年（World Year of Physics），是对爱因斯坦于1905 年相继发表的三篇划时代论文的100 周年纪念。这三篇论文中，有名的应该是第三篇，因为他在这篇文章中提出了举世闻名的相对论，而第二篇则为“物质由原子构成”这一在当时存在争议的观点提供了明确的证据。这两篇论文都对20 世纪及之后的物理学发展产生了深远影响，然而，真正带领我们走进量子力学时代的，却是爱因斯坦的篇论文。

在这篇论文中，爱因斯坦论述了自己不久前做的一些实验。虽然在很多情况下光被人们认为是以波的形式传播的，但爱因斯坦却在论文中表示，量子（quantum）是指在光束中以波包形式传播的能量。这个明显的悖论引出了波粒二象性（wave-particle duality）概念，并终引出了著名的或者说“臭名昭著”的“薛定谔的猫”理论。我写作《人人都该懂的量子力学》这本书的目的，就是想向读者介绍量子力学领域具有代表性的一些成果和重大突破。

虽然书中包含了一部分解释物质如何以原子及更小形式运动的内容，但我们的重点还是会放在解释日常生活中的量子力学现象上。

很多人并没有意识到，许多现代科技都有着明确的量子力学基础。例如，驱动计算机运转的硅芯片内部的运行机制，以及电流能够通过金属线传导却无法通过绝缘体传导这种现象背后，都包含着量子力学原理。多年来，人们一直担心现代科技会对环境造成不良的影响，尤其是大量二氧化碳排放到地球大气中后导致的全球变暖现象。这种温室效应实际上也是量子力学的一种表现形式，而科学家们正在研究环保技术与之对抗。我们在书里讨论了这些现象，也讨论了量子力学在超导性（superconductivity）材料和信息技术中的应用。在本书的后部分，我们阐述了量子力学所涉及的一些哲学思考。

量子力学是公认的极度复杂且难以理解的学科，人们普遍认为，一个人只有相当聪明且精通高等数学，才能理解量子力学。然而，量子力学并不是火箭科学（rocket science）。我们可以利用波粒二象性的概念，在不需要掌握太多数学知识，或者说不需要具备任何高等数学能力的前提下，就能理解很多重要的量子力学概念。因此，本书基本不包含高等数学的内容，不过对于一些观点，我们会用数学专栏做出补充说明。我们只会用到基础的数学知识，这些都是很多读者上学时就会学到的知识，即便忽略这些内容也不会影响对书中观点的理解。此外，这本书的目标是引领读者了解量子力学，而不是仅仅用一些惊人的量子力学结果来让大家留下印象。出于这个原因，我们适当地使用了一些图片或表格，我们建议读者结合文字对此进行认真的研究。书中不可避免地会出现各种专业术语，我们也在本书后提供了术语表。一些读者可能已经对物理学有了一定的了解，所以会注意到书中对一些观点做了简化处理。对入门级别的图书来说，简化处理不可避免，但我希望并且相信，这样的简化不会造成模型或论点的使用错误。

我要感谢伯明翰大学里我曾经的学生和同事们，我在那里教了30 多年物理学，我要感谢他们给了我机会，拓展并深化了我对物理学的了解。维多利亚·罗达姆（Victoria Roddam）和Oneworld出版公司表现出了足够的耐心，但也给我施加了必要的压力，我虽然没有按时交付稿件，但也没有拖延太久。我还要感谢安和我的其他家人，感谢他们的耐心和包容。后，我会对书中的任何错误或不准确描述负责。