清晨，你的闹钟响了，你起身来到厨房，为自己烤了几片吐司，煮了一杯咖啡。但你很可能不知道，当你闻着空气中弥漫的咖啡香气时，你的这个普通早晨已经和一种极其怪诞的科学发现联系在一起了。
在普通人眼中，量子物理学的世界往往深奥得不可救药，让非专业人士望而生畏。经典物理学向我们解释了为什么一个球会滚下山坡，为什么一架飞机能飞上天空，等等；量子物理学告诉我们的则是粒子的波动性、鬼魅般的超距作用、薛定谔的猫、黑洞和时空弯曲。但无论你相信与否，即使最普通的日常活动也深受抽象而奇异的量子物理学的影响。
在这本书中，查德·奥泽尔围绕他的一个早晨和一顿早餐，揭示了我们的日常生活中隐藏的怪诞量子物理学现象。从日出、闹钟、烤面包机、食物的香味到数码照片、计算机芯片、互联网、量子密钥，这些我们熟悉的事物都与量子物理学有着根深蒂固的关系。
威廉·布莱克从一粒沙子看世界，查德·奥泽尔则从一片吐司中看到了宇宙。这本书在原汁原味地保留科学理念的前提下，让相对论、量子力学等抽象概念变得“接地气儿”。读完这本书后，相信你的普通早晨将会变得不同寻常。

查德·奥泽尔，美国斯克内克塔迪联合大学的天文与物理学系教授，拥有威廉姆斯大学物理学学士学位和马里兰大学帕克分校化学物理学博士学位。他也是一位科普作家，著有《如何让你的狗学会量子物理学》(How to Teach Quantum Physics to Your Dog)等三本科普读物。目前，他和他的妻子、两个孩子及小狗查理一起住在美国纽约州。

前言
第1章 日出：基本相互作用
引力
电磁力
强核力
弱核力
故事的其余部分
第2章 加热元件：普朗克的量子假设和黑体辐射公式
光波与颜色
热与能量
紫外灾难
量子假设
第3章 数码照片：赫兹的偶然发现和爱因斯坦的启发性
观点
赫兹的实验
一名专利审查员的启发性观点
光电技术
第4章 闹钟：足球运动员的原子模型
计时技术简史
谱线的秘密
最不可思议的事：原子内部
进入量子世界
原子钟
第5章 互联网：寻找问题的解决方案
互联网之前的网络
原子是如何发光的
爱因斯坦对光的理解
激光的历史
“一个寻找问题的解决方案
激光之网
第6章 气味：泡利不相容原理与电子的波动性
气味的作用原理
元素周期表
从“旧量子理论”到现代量子力学
泡利不相容原理与电子壳层
电子的自旋和内禀角动量
从轨道到导波再到概率
现代化学
第7章 固体：海森堡的不确定性原理
必然存在的不确定性
零点能量
不确定性原理
原子的稳定性
泡利不相容原理与固形物
白矮星、中子星与黑洞
第8章 计算机芯片：互联网与薛定谔的猫
猫悖论
把化学键视为猫态
多即不同
从谱线到能带
为什么会有带隙
绝缘体和导体
半导体的广泛应用
第9章 磁体：让物理学家乐此不疲的磁性材料
磁导航
磁性电子
磁性原子
磁性晶体
磁性数据存储
第10章 烟雾探测器：α粒子和量子隧穿效应
烟雾探测的经典物理学
放射性的奥秘
量子隧穿
阳光和原子分裂
第11章 量子加密：最后一个杰出的错误
保密技术的奥秘
和宇宙玩掷骰子游戏
量子物理学和贝特里奇头条定律
从爱因斯坦到贝尔再到阿斯佩
量子密码术
一个杰出的错误
结语
致谢

太阳刚刚升起，我的闹钟就响了。我从床上爬起来，
开始了新的一天。卧室外面的走廊还很暗，烟雾探测器的
状态指示灯在墙上投下微弱的光。我来到楼下的厨房，准
备烧水泡茶。我先看了看加热元件有没有变红，以防再次
把水壶放错炉头。接下来，要做早饭了。我小心翼翼地打
开冰箱，以免碰掉靠磁体吸附在冰箱门上的那些艺术品。
我把几片面包放入烤面包机，然后靠着操作台等待。我时
不时地晃动烤架，避免面包黏在上面。
茶还有点儿烫，无法入口。在等它冷却的同时，我一
边品味着飘过来的阵阵茶香，一边打开电脑浏览新闻。每
天早晨，我的社交媒体上都充斥着大同小异的内容，包括
欧洲和非洲国家的早间新闻、亚洲国家和澳大利亚的晚间
新闻，还有世界各地的朋友发在网上的孩子和猫的数码照
片。至于电子邮件，大多是我的学生发来的作业帮助请求
，还有一些是在线购物收据和快递单号通知。
喝完茶，吃完面包，我牵着狗出门散步。等我们回来
，就该喊孩子们起床上学了。等他们上了公共汽车，我也
该出发去学校了。每天，我都会给不同班级的学生讲授他
们身边的物理学知识。
当知道我是一位物理学家时，人们经常会问我一些关
于奇异现象的问题，这些生动多彩的案例反映出几十年来
量子理论引发的辩论，包括那只著名的在同一时刻既活又
死的薛定谔的猫，被爱因斯坦讥讽为“鬼魅般的超距作用
”的量子纠缠，上帝是否真的在和宇宙玩掷骰子游戏等。
这些话题既让专业物理学家无限神往，也让非科学人员浮
想联翩，因为它们扰乱了我们对世界如何运转的直觉认识
。
虽然物理学家与物理学的普及者已经成功地让这些抽
象和看似奇怪的概念融入了流行文化，但在某种程度上，
我们也是这种成功的受害者。听说这些奇怪而迷人的现象
之后，大多数人都以为这类情况只会出现在耗资数十亿美
元的大型强子对撞机等实验中，或者发生在像黑洞的事件
视界附近那样的极端天体物理环境中。由于这些现象的反
直觉性质，以及我们必须借助隐喻才能用非数学术语描述
它们，因此大多数人都认为量子物理学与日常生活完全无
关。
然而，如果没有“奇异”的量子物理学，那么本书开
头描述的发生于一个平凡早晨的那些事都不可能发生，这
也许会让你感到惊讶吧。闹钟表示的时间可以追溯到原子
内部的能态，能态之所以存在，是因为电子具有波动性。
我们经常用电脑相互发送有趣的猫模因，但如果没有像薛
定谔的那只声名狼藉的僵尸猫那样的量子叠加，我们就无
法理解在电脑中发挥核心作用的半导体芯片。如果没有奇
怪的量子自旋统计定理，我们就无法解释香味的化学原理
，也无法解释阻止早饭穿过餐桌掉到地上的固态物质的稳
定性。
仔细审视就会发现，在我们的日常世界里，“奇异”
“抽象”的量子物理学现象的影响几乎无处不在。即使是
最普通的活动，例如我们每天早晨的常规活动，只要我们
稍加挖掘，就会发现它们基本上也是量子现象。
乍听上去这似乎不太可能，但如果你仔细想想，就会
发现确实如此。毕竟，物理学家和我们生活在同一个日常
世界中。尽管最先进的物理学实验使用激光和粒子加速器
，并以超出我们的日常经验水平来探索世界，但即使是最
复杂的实验和观测，也必须开始和完结于日常现实。这些
实验使用的精密仪器都有平凡的“血统”：即使是用来研
究最神秘物理现象的工具和技术，也都是追随着奇怪现象
的蛛丝马迹，经过多年一点一滴的积累形成的。而将我们
引向奇异、抽象的物理现象的线索，则始于普通物体运行
状态中隐藏的迹象和秘密。如果量子物理学不影响日常的
宏观世界，我们就根本没必要发现它。
量子物理学的发现故事始于观测与技术，所有做过早
餐的人几乎都很熟悉。第一个量子理论，也就是将“量子
”一词引入物理学的那个理论，是由马克斯·普朗克提出
的，目的是解释高温物体（例如电炉或烤箱中的加热元件
）发出的光。尼尔斯·玻尔的氢原子模型率先将量子理论
应用于物质对象。打开一盏荧光灯，它发光的背后就是物
理学在起作用。
量子物理学的历史也是一部科学家大胆飞跃和侥幸命
中的历史。普朗克和玻尔引入量子模型来解释经典物理学
无法解释的现象，可以说这是他们在不得已的情况下做出
的选择。路易·德布罗意（Louis de Broglie）为了追求
数学上的优雅感，提出电子可能具有波的特性。事实证明
，物质的波动性对于理解和控制电流的运动至关重要，大
量的现代技术因此诞生。沃尔夫冈·泡利（Wolfgang
Pauli）提出的泡利不相容原理，轻松地解释了化学的基础
概念。在理解就连泡利本人也没有考虑到的问题（例如，
冰箱贴的物理学原理，固体不会自行坍缩的原因）时，泡
利不相容原理也很重要。
阿尔伯特·爱因斯坦是这一切的关键人物，所以他的
名字出现在本书封面上并不只是为了增加销量。我们通常
会把爱因斯坦和现代物理学的另一个分支——相对论联系
在一起，如果将他与量子理论放在一起讨论，则往往会引
用

在普通人眼中，量子力学是最抽象、最深奥的学科之一，让非专业人士望而生畏。然而，查德·奥泽尔在这本书中精彩地展现了日常生活的方方面面，包括烧水泡茶、烤面包和在朋友圈发照片，这些都依赖于量子定律。通过聚焦于量子力学对一个普通早晨的影响，他以轻松易懂的文字，拉近了我们和量子物理学的距离，让它来到我们的身边。

一本书出版时，封面上的署名作者通常只有一个，但
它的出版事实上是很多人共同努力的结果，他们必须得到
作者的衷心感谢。就本书而言，我首先要感谢的是我的代
理人艾琳·霍西尔，是她为本书找到了出版商。
书中的一些想法在我的《福布斯》（Forbes)博客上
进行了某种程度的“试运行”。我要感谢亚历克斯·纳普
给了我把这些想法变成文字的机会。得益于和其他科学家
的讨论，特别是艾希·乔加莱卡尔、尼利亚·曼恩、道格
拉斯·内特森、迈克尔·尼尔森、戴夫·菲利普斯、汤姆
·斯旺森和马克·沃克尔，我进一步明晰了自己的某些想
法。他们帮助我订正了错误，如果本书仍有疏漏之处，那
肯定不是他们的错。
感谢本书英文版的编辑。本贝拉出版公司的亚历克萨
·史蒂文森和一个世界出版公司的萨姆·卡特尔帮助我厘
清和聚焦了观点，文字编辑斯科特·卡拉马尔和詹姆斯·
弗雷利帮我订正了语法和标点符号错误。感谢杰西卡·里
克和出版团队的其他成员，他们让本书看起来更棒。
这是我写作的第四本书，在某种程度上也是最难写的
一本。万分感谢我的家人，如果没有他们的支持，这一切
都不可能实现。我要特别感谢凯特·内普弗的耐心聆听、
试读，以及对我与众不同的作息时间和我心不在焉的包容
。感谢克莱尔和戴维为我时不时地远离电脑提供了出色的
借口。

物理学无处不在，隐藏于万物之中。少有人能在
深入浅出地解释物理学方面与查德·奥泽尔相熄美。
这本书是为你的大脑准备的一顿营养大餐。
约翰·斯卡尔齐
为什么灯泡不会产生足以把我们烤焦的致命辐射
呢?我们为什么不能把手伸入坚固的墙体内部呢?为什
么并非所有的金属屑都有磁性呢?许多科学书籍都聚焦
于最新取得的奇怪宇宙发现，而奥泽尔向我们展示了
我们周围的平常世界的怪诞之处。
乔治·马瑟
在普通人眼中，量子力学是最抽象、最深奥的学
科之一，让非专业人士望而生畏。然而，查德·奥泽
尔在这本书中精彩地展现了日常生活的方方面面，包
括烧水泡茶、烤面包和在朋友圈发照片，这些都依赖
于量子定律。通过聚焦于量子力学对一个普通早晨的
影响，他以轻松易懂的文字，拉近了我们和量子物理
学的距离，让它来到我们的身边。
保罗·哈尔彭
这本书通过生动有趣的文字将量子力学的奇妙之
处清楚地展现在我们眼前，并告诉我们它们就在日常
生活中。查德·奥泽尔是一位高明的向导，把我们带
入了原子和光子世界。他让我们了解到，如果没有现
代物理学的奇迹，我们就连一顿普通的早餐也做不出
来。
詹姆斯·卡卡里奥斯

太阳刚刚升起，我的闹钟就响了。我从床上爬起来，开始了新的一天……
这是一本关于日常事物的量子物理学书籍，却从太阳谈起，似乎给人一种挂羊头卖狗肉的感觉。毕竟，太阳是一个巨大的球形热等离子体，体积是地球的100万倍还多，飘浮在距离我们9300万英里之遥的太空中。一方面，它不是像闹钟那样的日常事物，被闹钟吵醒后，如果你还没睡够，那么你可以随手抓起闹钟，把它扔到墙角。另一方面，太阳从某种意义上说又是最重要的日常事物，日出意味着一天的开始，但这个浅显的表达并不足以表现它的重要性。如果没有太阳光，地球上的生命就无法生存—我们赖以为生的植物和氧气将不复存在，海洋也会结冰，诸如此类。所以，人类的存在根本离不开太阳的光和热。
就本书而言，太阳也是一个有用的“演员经纪人”，可以为我们介绍量子物理学这部大戏的关键演员：构成普通物质的12种基本粒子，以及它们之间的4种基本相互作用。
12种基本粒子分成两大“家族”，各包含6种粒子。夸克家族的成员有上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克和底夸克，轻子家族则包括电子、子、T粒子和与它们对应的中微子。4种基本相互作用是引力、电磁力、强核力和弱核力。这些粒子和相互作用有一个极其普通的总称—“物理学标准模型”，你经常可以在物理教室悬挂的彩色图表中看到它们。标准模型囊括了我们知道的关于量子物理学的所有知识(从中也能看出物理学家善于为物理现象取一些朗朗上口的名字），被视为人类文明最伟大的智力成就之一。太阳是用来介绍标准模型的一个极佳案例，因为太阳的发光过程与所有4种基本相互作用都密不可分。
因此，我们的故事从太阳讲起，通过对它的内部运行机制展开一次旋风式的参观之旅，了解基本的物理学知识，为我们的后续研究奠定基础。我们将依次讨论每一种基本相互作用，首先是最为人所知也最明显的作用力——引力。
引力
如果你打算按照体育电台的“实力排名”方式，对标准模型的4种基本相互作用进行排序，那么其中三种都有跻身榜首的充分理由。不过，如果非要做出选择，我可能会把这项殊荣授予引力，因为引力是恒星存在的根本原因，它也是构成我们的身体和周围一切事物的原子存在的必要条件。正因为如此，我们才能坐在这里，讨论如何对基本力进行排序的蠢笨话题。
在日常生活中，引力可能是我们最熟悉也是最躲避不了的基本相互作用。早晨起床时，你需要克服引力的作用；我无法完成灌篮动作，也是因为引力（是的，因为引力，好吧，还因为我的体形有点儿走样了…)。我们在一生中的绝大多数时间里都能感受到引力的作用，因此在游乐园乘坐那些急速下降的设施时，短暂的失重感才如此令人着迷，甚至兴奋不已。
这种熟悉感也让引力成为科学史上研究次数最多的力之一。至少从历史记载中人类开始思考自然界运行机制的那一天开始，我们就一直在思考物体落地背后的机制。一个流传甚广的故事将物理学的起源追溯至年轻的艾萨克·牛顿，说他被树上掉落的苹果砸中后受到启发，于是提出了引力理论。但是，真实的情况与这个虚构的故事正相反。早在牛顿之前，科学家和哲学家就已经充分意识到引力的存在，对引力的作用机制的思考也取得了重要的成果。到了牛顿时代，伽利略、西蒙·斯蒂文(Simon Stevin)等人在这个问题上甚至取得了一些定量研究结果，证明了所有物体无论重量如何，都会以同样的加速度掉落地面。
年迈的牛顿曾给他的年轻同事讲述过他与苹果的故事，但当时的文献资料并没有提到这件事(尽管那段时间他正在从事引力研究)。不过，由于瘟疫爆发导致大学停课，牛顿确实在他家位于林肯郡的农场中待了很长一段时间。然而，即使这个故事是真实的，最流行的那个版本也误解了牛顿洞见的实质。牛顿的顿悟与引力的存在无关，而与它的作用范围有关。他意识到，让苹果落地的作用力和让月球围绕地球运行及让地球围绕太阳运行的作用力是一样的。
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