《狗狗也能玩转物理学》和之前的一系列畅销作品《黑天鹅》、《魔鬼经济学》一样，也运用了日常生活——具体来说，就是小狗艾米的举动和它追逐的小玩意儿——来解释量子物理学的基本理论。查德·奥泽尔博士极具幽默感地带领我们走进了伟大理论的世界，不仅向我们呈现了一段经典物理学简史，而且也让我们了解了量子物理学的发展，另外，还为我们介绍了那些伟大的物理学家。

《狗狗也能玩转物理学》由查德·奥泽尔编著。

《狗狗也能玩转物理学》内容如下：

物理学家Chad Orzel在宠物收容所遇到了小狗艾美。艾美并不急于需要一个家，不那么友善却很健谈，对新主人的职业很感兴趣。

不久，艾美就产生了用量子物理学的一些怪想法来解决她生活中的大事：追赶小动物、获得狗食以及出去散步。她不断向Chad提出问题：她能通过量子隧道穿过邻居家的篱笆去追赶小动物吗？在小松鼠逃走之前用上量子瞬间传输会怎么样？艾美把牛排掉在地上时，那里的那些宇宙又在哪里呢？没有任何目的，就会在院子里出现一些奶酪做的小兔子，这可能吗？

Chad用一种非常幽默的方式向艾美（也是向读者）解释了什么是量子力学，它是如何运作的，尽管它不能帮你追到小松鼠或者吃到牛排，但是对于所有的狗和人类来说它都是非常奇怪、令人吃惊并且是非常重要的。

Chad和艾美谈了很多量子理论的核心元素，从像波的粒子和海森伯的不确定原理到纠缠（在远处令人恐惧的行为）和虚粒子。在这过程中，他们谈论了理论的历史，例如那个发现电子既是波又是粒子的实验，以及爱因斯坦和玻尔数十年来关于量子理论到底是什么的争论（也许两人中爱因斯坦更聪明一些，但是往往观点正确的都是玻尔）。

引 言 为什么要跟小狗谈论物理学？

第一章　哪种方法？两种方法：波粒二象性

第二章　我的骨头在哪里？海森伯的不确定性原理

第三章　薛定谔的狗：哥本哈根诠释

第四章　多世界，多食物：多世诠释

第五章　我们还在那儿吗？量子芝诺效应

第六章　不需要挖掘的量子隧道

第七章　鬼魅般的超距叫声：量子纠缠

第八章　给我发送一只小兔子：量子隐形传送

第九章　奶酪小兔：虚粒子和量子动量学

第十章　再见了，邪恶的松鼠：量子力学的误用

致谢

其他阅读材料

重要术语小词典

第四章 多世界，多食物：多世诠释

我正坐在电脑旁打字的时候，艾美跑过来撞在了我的腿上。我低下头，发现她正专心致志地嗅着我脚周围的地板。

“你在下面做什么呢？”

“我在寻找牛排！”她说道，满怀希望地摇着她的尾巴。

“我非常确定下面没有牛排，”我说，“我从来不在电脑旁吃牛排，所以我也从来不会将牛排掉在地板上。”

“在某个世界，你这样做过。”她说道，仍然在不停地嗅着。

我叹了口气，说道：“好吧，你傻傻的小狗脑袋瓜子现在又想到了什么荒唐的理论啊？”

“呃，你是有可能在电脑旁边吃牛排的，对吗？”

“是的，我确实吃牛排，有的时候我也可以在电脑旁边吃，所以，当然可能。”

“所以，如果你在电脑旁边吃牛排，那么你就有可能掉一些在地板上。”

“我不知道……”

“老兄，我曾经看到过你吃的。”是的，这只狗称我为“老兄”。也许以后要给她上一些服从性训练课程。

“好吧，我们承认这一可能性。”

“所以，你是有可能在地板上掉牛排的。根据埃弗雷特（Everett）的量子力学多世诠释，这就意味着你曾将牛排掉在地板上，这也就是说我只需要找到它就好了。”

“呃，学术上来说，多世诠释所说的是在幺正变换下宇宙波函数的某一个分支里，我曾经将牛排掉在地板上。”

“嗯……是的，是这样的。不管怎样，我只需要找什么是单一就行了。”

“但是，问题是我们只能察觉到波函数的一个分支。”

“可能是你只能察觉到一个分支。我的鼻子很灵的，我可以嗅到额外空间维。它们里面都是讨厌的长着山羊胡子的松鼠。”

“那是《星际迷航》，不是科学，而且不管怎样，额外空间维是一个完全不同的东西。在多世诠释中，一旦波函数的分支之间有足够的去相干，也就是说，不同部分之间没有相互干扰的可能性，那么实际上，它们就是分割开的，难以接近的世界。”

“去相干？你是指什么？”

“呃，比如说，我这儿确实有一块牛排——不要摇你的尾巴了，这只是假设——量子力学认为如果我把它掉在了地板上，然后又将它捡起来，那么在描述牛排掉落和牛排没有掉落的两个波函数之间就可能会有一种干扰。当然，因为我只是有可能会将牛排掉下，所以你就需要掉下的和没掉下的两块牛排。”

“那是什么意思？”

“我并不是太确定那是什么样的。但是，关键是它并不碍事。牛排不断地与它周边的环境相互作用——空气，桌子，地板——”

“还有狗！”

“管它呢！那些相互作用在本质上是随机的，而且是不可测量的。它们导致了不同牛排的波函数的转变，而那些转变就会使得波函数的干预不再那么清洁。这个过程就叫做去相干，它发生得非常快。”

“有多快啊？”它看上去充满希望地问道。

“这取决于特定的形式，但是粗略猜测的话，大约是10秒，或者是更少。”

“哦。”她有点泄气，“那确实很快。”

“是的。一旦去相干发生，波函数的不同分支就不能够彼此相互作用。本质上来说，这就意味着不同的分支就变成了分割的世界，并且不同世界之间彼此完全不能够接近。发生在其他世界中的事情对于我们的世界是绝对没有影响的。”

“那为什么我们只能够看到你说的那个什么的一个分支呢？”

“啊，现在这是一个大问题。没有人真正知道原因。有人认为这就是说量子力学本质上是不完整的，并且整个社会的科学家都在研究量子理论的基础和有关它的诠释。重要的是，在这个世界，你是没有办法能够在我的桌子底下找到牛排的，所以请你出去。”

“哦，好的。”她闷闷不乐地从桌子底下出来，低垂着脑袋，耷拉着尾巴。

“喂，要向好的一面看嘛，”我说道，“在把牛排掉在地板上的那个版本的我所处的世界里，也有一个版本的你啊！”

“是吗？”她抬起了头。

“是的。你是一条非凡的猎犬，所以很有可能在我将它捡起来之前你就得到牛排了。”

“真的？”她的尾巴也开始晃起来了。

“真的。所以，在我掉牛排的那个世界里，你可以吃牛排。”

“喔！”她的尾巴疯狂地摇晃着，“我喜欢牛排。”

“我知道你喜欢。”我停下正在做的事，“跟你说，我们去散步怎么样？”

“喔！太好了！”她立刻就消失在我面前，铮铮地跑下楼到后门去拿皮带了。

对于上一章探讨的哥本哈根诠释，几乎没有物理学家对它完全满意。无数其他的诠释被提出，都试图找到一个更加令人满意的处理量子测量问题的方法。其中，最著名的一个俗称多世诠释，它对无数个可供选择的世界进行的预测，在这些世界中，事件发生的路径与我们所看到的不同。正是由于这一点，如果称不上是在物理学家中间，至少它在流行文化中取得了主导地位。这是一个神奇的科幻小说构想，它不断地出现在书中，电影中，以及著名的以一个邪恶的留着山羊胡子的斯波克为主演的《星际迷航》片段中。

在本章中，我们将谈论多世诠释，以及它是怎样解决哥本哈根诠释提出的一些问题的。我们也将讨论所谓“去相干”的物理过程，在这一过程中，与环境之间波动的相互作用使波函数不同部分之间的干扰的影响变得不明显。去相干是量子力学现代化理解的核心，可能也是理解从量子物理学的微观世界到日常物体的经典世界的关键因素。

然后测量就发生了：哥本哈根的问题

到目前为止，哥本哈根诠释最令人烦恼的一个因素就是，缺少描述你对某个数量进行测量时所发生的事情的数学程序。薛定谔方程使得你能够计算测量之间的波函数发生的事，但是哥本哈根诠释认为在测量的瞬间，普通物理会停止，有些事会发生，从而以一种不涉及到任何已知数学方程的方式选择出了一个单一的结果。

哥本哈根诠释的特别本质，以及它在微观和宏观物理及神秘的“波函数坍塌”之间的任意分割，是非常恼人的，因为现代理论物理的整个项目都是为了找到一个对世界一致的数学描述。波函数坍塌这一原因不明的过程就像一位科学家著名的西德尼·哈里斯（Sidney Harris）连环漫画一样，他写到“然后奇迹发生了”，并将它作为问题的第二步。普通科学是没有发生奇迹的空间的，而哥本哈根坍塌的思想就有点太神奇了而显得不太舒服。

绝大多数物理学家（特别是实验主义者）乐意将波函数坍塌这一思想当做一个计算的捷径，进而继续对物理世界进行预测和测量，在这一方面，定期量子理论的适用度惊人的好。在这个“关上和计算”的诠释中，为量子测量寻找到一个一致的解释的问题被搁置在一边让哲学家来处理。某个更好的理论可能最终会被提出，但是到那时之前，我们应该用我们已经得到的理论（可能结果证明是非常糟糕的）来做我们能够做的事。  但是，从量子理论的第一天开始，测量的本质就一直是一个问题，一些物理学家一直不停地深入思考这些问题。这些物理学家中有许多人都认为波函数的“坍塌”缺少一个明确的解释就表明哥本哈根诠释在本质上就是有缺陷的。因此，他们总是在不停地寻找其他的诠释。

P52-55

为什么要跟小狗谈论物理学？

在特洛伊城外莫霍克——哈德森协会附近，有一条穿越树林的小路，你可以和领养的小狗沿路散步。小路经过一小片开阔地，路边还有一条凳子，我就经常领着自己的小狗，坐在那条凳子上。

她蹲在凳子旁边，用鼻子拱着我的手，我则在她耳朵后抓痒。我和妻子凯特一起看了好多狗，但她要上班，所以我只好一个人来挑选，这条狗看起来比较合适。

她一岁多，是条混血狗，大概是牧羊犬和其他什么狗的混血。她有牧羊犬典型的黑色脊背和棕褐色皮毛，但体型比牧羊犬要小，而且耳朵下垂。狗窝门上的名字为“公主”，但好像并不适合她。

“小女孩，想什么呢？”我问，“怎么称呼？”

“叫我艾美。”她说。

“为什么呢？”

“笨蛋，因为那是我的名字。”

被一只小狗称作笨蛋，多少有点出乎我的意料，但我觉得她说得有道理。“好吧，我不和你争论，你想和我们一起生活吗？”

“呃，这要看情况了，”她说，“你们家生活环境怎样啊？”

“你是说？”

“我喜欢追赶小动物，那里有动物让我追吗？”

“当然，我们有一个相当大的院子，里面有很多鸟和松鼠，偶尔也会有小兔子。”

“哇，我喜欢小兔子！”她快乐地摇摇尾巴，“散步呢，我喜欢散步。”

“当然可以。”

“有好东西吃吗？我喜欢吃美食。”

“如果你表现好，肯定会受到款待的。”

她好像有点不高兴。“我表现非常好，你肯定会给我好吃的东西。你是干什么的啊？”

“哦？你这是在调查我？”

“我要知道你是否配得上有一条像我一样好的狗。”“公主”这个名字好像比我想象地更贴切。“你是干什么的？”

“嗯，我妻子凯特是一名律师，我在斯克内克塔迪联合学院当物理学教授，我教授并研究原子物理学和量子光学。”

“量子是什么？”

“广义上说，如果你想用量子物理学描绘光和原子，那么量子光学就是研究光和原子的相互作用。”

“听起来很复杂。”

“是的，但也很有趣，量子物理学拥有很多奇妙的特质，粒子像波一样运动，而波又像粒子一样运动。只有测量的时候，你才会了解粒子的性质。广阔的空间充满时隐时现的‘虚粒子’。很有意思。”

“嗯。”她看起来若有所思，马上又说“最后一个问题”。

“什么？”

“挠挠我的肚子。”她平躺在地上，我伸手去摸她的肚子，过了一会儿，她站起来，抖抖身子。“好，你很棒，我们回家吧。”

我们返回狗舍去填写领养表。在往回走的路上，她说，“量子物理学，对吧？我想学一些相关的知识。”

“我愿意以后向你解释一些量子物理学的知识。”

和大多数狗的主人一样，我经常和狗谈话。大部分谈话都和日常生活相关——不准吃什么，不准跳到家具上，出去散步。然而，其中我们之间会有一些关于量子物理学的谈话。

为什么要和小狗谈论量子物理学？哦，这是我所从事的职业：我是大学物理学教授。因此，我要花很多时间琢磨它。

量子物理学是什么？量子物理学是现代物理学的一部分，指的大概是1900年后发现的基于各种规律的物理学。而1900年前发现的物理学规则和原理基本上都被称为“经典物理学”。

经典物理学是有关日常物品的物理学——网球和会叫的玩具，炉子和冰块，磁铁和带电的线路，经典运动规律适用于能用裸眼看到的一切物体的运动。经典热心学用于解释加热和冷却物体的物理学，以及发动机和冰箱运行的物理学。经典电磁学解释了灯泡、收音机和磁力的工作原理。

现代物理学用于描述日常生活之外我们所见的更为奇特的世界。这个世界于19世纪末和20世纪初在实验室里展现，物理学经典规律解释不了，所以新领域的各种规律都有待发现和发展。

现代物理学分为两个部分，每个部分都与经典物理学截然不同。其中一个部分是相对论，研究快速运动的物体，或强大引力下的物体。阿尔伯特·爱因斯坦在1905年发现了相对论，这个领域也非常有趣，但本书中不涉及这一理论。

现代物理学的另一个部分是我和小狗谈论的内容。现代物理学有一部分主要讲光和分子，单原子或亚原子粒子等非常小的物质。这就是现代物理学中的量子物理学和量子力学。普朗克在1900年发明了“量子”一词，爱因斯坦因第一个提出了量子光学理论而获得诺贝尔奖，量子力学在之后30多年的时问里获得了全面发展。

普朗克和玻尔等人是这一领域的先驱，他们建成第一个氢原子量子模型；费恩曼和施温格等人是这个领域的先知，他们独立发现了“量子电动力学”（QED）理论。这些人都可以被称为物理学巨人。量子理论的有些部分超出了物理学的范围，并激发了人们无限的想象，比如海森伯的不确定性理论和薛定谔的猫佯谬，和埃弗雷特（Hugh Everett）多个世界的平衡宇宙解释。

如果没有量子力学，现代生活真的是不可想象。如果不理解电子和量子性质，就无法制造出电脑运转所需的半导体集成电路；如果不理解光和元子的量子性质，就无法制造出通过光缆通讯线发送信息所使用的激光。

量子理论对于科学的影响超出了实际——它是物理学家与哲学家讨论的问题。量子物理学限制了我们对宇宙和宇宙中物质特性的理解，量子力学甚至改变了我们对于测量的理解。它使得人类在最基础的层面重新考虑现实。

量子力学描述的是一个完全怪诞的世界。在你测量之前，这个世界上没有东西是确定的，物体也没有固定的性质。在这个世界里，遥远的物体以奇特的方式相互连接；在这个世界里，我们宇宙周围有很多历史各异的宇宙；在这个世界中，虚粒子在广阔的空问中时隐时现。

量子力学听起来好像是臆想杜撰的东西，但它的确是科学。使用量子理论所描述的是我们的微观世界。量子物理所预测的影响是真实的，具有真实的结果和应用。量子理论经过超精确的水平测试，因而它成为科学理论中最准确的理论之一。即使是最奇特的预言也是被实验验证过的。（可以参考第七、八和九章）

那么，既然量子物理学是纯粹的学问，与小狗有何关系呢？

狗在接触物理方面比人更具优越条件。人类有许多先人为主的看法，而狗不一样，她们能够接受人类认为出乎意料的东西。小狗可以在同一条街道上来回走上一年，而每天的经历都是全新的。她可以去嗅每一块石头，每一片灌木丛和每一棵树，仿佛她从来没有嗅过一样。

如果狗食出现在厨房的空地上，人类往往会生气，但狗却泰然自若。的确，对于小狗来说，突然出现的狗食是一种惊喜——她们经常期望人类在没有任何明显目的情况下给她们狗食。

量子力学对人类来说复杂棘手，难以理解，因为它推翻人类关于世界如何运转的普遍认识。而狗却是更容易接受的听众，对于狗来说，世界每天都是新的，充满惊奇，量子理论并不比转动门把手更新奇，更奇妙。

和我的小狗谈论物理学很有用，可以让我更好地和人类谈论量子力学。学习量子力学的一点小诀窍就是像狗一样思考，如果你可以像狗一样看待这个世界，把它当做无尽惊奇和神奇的源头，那么量子力学就会更加容易理解。

这本书再现了我和小狗进行的一系列关于量子物理学的谈话。每个谈话最后都会详细解释涉及的物理学，期望能吸引读者。我们的话题非常广泛，从很多人听说过的想法，例如波粒二象性（第一章）和不确定性原理（第二章），到更为先进的虚粒子理论和量子电动力学QED（第九章），这些解释包括对这些神秘理论和预言的讨论（实际上的和哲学上的）以及用于证明这些预言的实验，是小狗最感兴趣的部分，也是人类最为惊奇的部分。

“我不知道，我认为她需要更多……”

“更多什么？”

“更多关于我，你并没有说我是一只非常聪明的小狗。”

“那好……”

“并且是非常伶俐的。”

“可以，但……”

“并且别忘掉说我的好，我比别的小狗聪明得多。”

“什么别的狗？”

“其他狗。”

“你看，这是一本关于物理的书，不是关于你的书。”

“你就是应该更多地来讨论我，这就是我想说的。”

“不，你必须与之共存。”

“好吧，虽然你需要我帮你理解物理知识。”

“你什么意思？”

“嗯，有些时候，你遗漏一些东西，也没有回答我全部问题，你这样做不好。”

“比如什么呢？给我举一个例子。”

“嗯……，我现在想不出来，但如果你给我读这本书，我会指出来。”

“好，这听起来比较公平，下面我们就这么做，我们一起读完这本书，如果你认为我在什么地方有遗漏，我们可以一起讨论，我会把你的评论写在这本书里。”

“像我们现在一样讨论吗？”

“对，像我们现在一样讨论。”

“你还要把对话写在书中？”

“对，我会的。”

“如果那样，我们应该讨论我是最棒的，讨论我的聪明伶俐，我应该留下更多脚印，并且……”

“喂，够了。”

“现在开始吧。”