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。

阿拉斯泰尔·雷，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。

前言
第1章 量子力学并非火箭科学
第2章 波与粒子
第3章 能量背后的量子力学
第4章 量子、金属与绝缘体
第5章 半导体与计算机芯片
第6章 超导现象
第7章 信息处理中的量子力学
第8章 量子力学应用中的延伸概念及难题
第9章 享受量子力学带来的智识挑战
术语表

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，最有
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
，却是爱因斯坦的第一篇
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
最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。
在本书的最后部分，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，
我们也在本书最后提供了
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。最后，我会
对书中的任何错误或不准
确描述负责。

探究量子力学领域最具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。
本书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蕞贴近生活的基础面向。

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

近年来，“火箭科学”已经成为极度复杂的事物的代名词。火箭科学家需要对用于制造航天器的材料的性质有深入的了解，也需要了解为火箭提供动力的燃料所具有的潜能和危险性，还需要深入了解行星和卫星在重力作用下的运行原理。若要对比难度，量子力学与火箭科学不相上下；可若想深度理解众多量子现象背后的原理，即便对很多博学多识的物理学家来说，也是不小的挑战。物理学界很多聪明的科学家都致力于解答如下未解之谜：如何用量子力学解释黑洞内部存在着巨大引力，而这种引力在宇宙的早期演变中起着至关重要的作用。
然而，量子力学的基本理念并非火箭科学，理解量子力学的难点更多地在于我们对它的陌生感，而不是因为它真的那么难以理解。我们必须抛弃从现实观察和经验中获得的关于世界运行方式的一些认知，一旦抛弃了这部分认知，再用理解量子力学所需的新概念取而代之，接下来我们需要做的就是一些想象力的练习，而非对智慧的锻炼。此外，无须具备专业级别的复杂数学分析能力，我们也可以理解量子力学的基本原理在日常生活中的作用。
量子力学的理论基础非常独特，也让人觉得很陌生，对它的解读至今仍存在争议。不过，我们会把对这个问题的大部分讨论放到最后一章进行，因为这本书的主要目的是帮助读者理解如何用量子力学对众多自然现象做出解释，比如类似原子形态的物质如何运动，再比如解释我们在现实世界中熟悉的众多自然现象。我们会在第2章中讨论量子力学的基本原理，我们会发现，物质的基本粒子与足球、谷粒或者沙子这些日常物体不同，有时这些基本粒子会像波一样运动。这种波粒二象性现象在决定原子以及它们内部的“亚原子”(subatomic)世界的结构和性质时起到了至关重要的作用。
我们将从第3章开始讨论以下问题：量子力学的基本原理在我们熟悉且重要的现代生活中起到了怎样的基础性作用?第3章的标题为“能量背后的量子力学”，讲述了量子力学如何成为现代社会众多动力来源的理论基础。我们在这一章里还会讨论温室效应，这个在控制地球温度、保护地球环境中具有重要意义的效应，本质上也与量子力学有关。虽然现代科技的发展在很大程度上导致了温室效应，进而导致了全球变暖，但量子力学在开发用于对抗温室效应的一些绿色技术中还是起到了很大作用。
在第4章里，我们将了解波粒二象性在一些宏观现象中的表现。比如说，量子力学解释了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。第5章讨论了性质介于金属和绝缘体之间的半导体(semiconductors)的物理结构。我们会发现，量子力学在这些材料的结构和性质中起到了重要作用，而这些材料也被用于制造硅芯片。硅芯片是构成现代电子设备的基础，而电子设备则在现代世界信息及通信技术中发挥着核心作用。
在第6章中，我们将会了解超导现象，量子特性以一种极为夸张的方式得以展现：大量的量子现象导致材料阻断电流的能力彻底消失。最近开发的一种新的信息处理技术与量子现象也存在特定的联系，我们会在第7章对此进行讨论，我们可以使用量子力学传输信息，而未经授权的人将无法读取这些信息。我们还会了解到，人类已经制造出了“量子计算机”(quantum computer)，其运算速度会比日常使用的计算机快上几百万倍。
在第8章中，我们将回到如何解读并理解量子力学独特概念的问题上，同时引入一些在量子力学领域仍然存在争议的话题。第9章则致力于将所有内容整合在一起，对这个学科的未来发展做出一些猜想。
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