本书以各种不可思议的量子现象为主线，以物理学家们所做的各种令人惊奇的实验为脉络，循序渐进地介绍了人类探索量子世界的整个过程。作为一本科普读物，本书涵盖了波粒二象性、叠加态、概率幅、纠缠态、隧道效应、电子云、超流体、量子真空涨落、费曼图、超弦理论等量子力学中引人入胜的大部分内容，也介绍了扫描隧道显微镜、量子计算机、量子隐形传态等量子工程技术，同时还把相关的历史趣事穿插其中。另外，书中还介绍了一些与量子物理相关的粒子物理、相对论、宇宙学等内容，其中就包括了目前更前沿的领域，如反物质、希格斯粒子、暗物质、平行宇宙，以及引力波等。

量子力学，作者对量子物理很感兴趣，十余年来钻研图书馆中的相关科普和专业书籍超过百本，具备了撰写量子力学科普作品的能力。作者在结合实际讲课经验的基础上，总结了学生对于量子力学知识的认知规律，由此根据循序渐进、通俗易懂的原则，用自己的方式把神奇的量子世界系统介绍给读者。随着大众受教育程度的提高，科普作品具有越来越广阔的读者群，目前国内量子力学方面的畅销科普书大都是翻译的外国作品，且大多只专注于某一方面，并不系统，该书体系完整，简明扼要又深入浅出，和同类科普书籍相比具有鲜明特点。本书的定位是一本适合高中水平以上人群的大众科普读物，以青少年读者为主。

1 光的本性之争：光是粒子还是波？ 001

1.1 惠更斯的波动学说 001

1.2 牛顿的粒子学说 002

1.3 杨氏双缝干涉实验 003

1.4 泊松的乌龙球 004

1.5 光就是电磁波 006

2 电磁波能量谜团：能量竟然不连续？ 007

2.1 黑体辐射谜团 007

2.2 光电效应谜团 009

2.3 原子光谱谜团 010

2.4 石破天惊的量子化假设 011

3 量子化与连续性之辩 014

3.1 芝诺悖论：你能追上乌龟吗？ 014

3.2 玄而又玄的无穷 015

3.3 时空是量子化的 017

3.4 运动是连续的吗？ 017

3.5 量子化才是世界的本质 018

4 光的波粒二象性 020

4.1 爱因斯坦的光子理论 020

4.2 光子理论是牛顿粒子论的回马枪吗？ 022

4.3 原子能量量子化与原子光谱 024

4.4 量子理论与光的本性 026

5 爱因斯坦的疑问：什么是光子？ 028

5.1 光与电磁波：剪不断理还乱 028

5.2 波动光学与量子光学：为什么有两种？ 030

5.3 光的偏振：光子也会思考吗？ 031

5.4 光速不变：相对中的绝对 034

5.5 静止质量为零：有还是没有？ 035

6 实物粒子的波粒二象性 038

6.1 德布罗意的惊人假设 038

6.2 实物粒子波动性的观察 041

6.3 实物粒子的双缝干涉实验 042

6.4 德布罗意波的应用 045

7 量子力学的建立 047

7.1 薛定谔的波动力学 047

7.2 概率构成的物质波 049

7.3 玻尔的对应原理 051

7.4 海森堡的矩阵力学 052

7.5 量子力学正式建立 054

7.6 概率论与决定论的争论：上帝掷骰子吗？ 056

8 单个粒子的波粒二象性 059

8.1 单个电子的双缝干涉实验 059

8.2 概率波与概率幅 061

8.3 观察电子的轨迹 065

8.4 跟人类捉迷藏的电子 067

9 量子力学正统解释：哥本哈根解释 068

9.1 不确定原理 068

9.2 互补原理 070

9.3 叠加态：人为测量竟如此重要？ 072

9.4 波函数坍缩 076

附录 量子计算机 077

10 神奇的量子隧道效应 079

10.1 隧道效应：穿墙而过不是梦 079

10.2 扫描隧道显微镜 081

11 独辟蹊径的路径积分 084

11.1 路径积分：所有路径求和 084

11.2 路径积分对双缝实验的解释 086

11.3 路径积分的广泛应用 088

11.4 费曼图：物理学家的看图说话 089

12 坚持决定论的隐变量理论 093

12.1 德布罗意的导波理论 093

12.2 玻姆的量子势理论 095

13 量子力学的其他解释 098

13.1 意识论：我思故我在？ 098

13.2 热力学不可逆过程 099

13.3 退相干理论 100

13.4 GRW理论 101

13.5 多世界理论：人人都能创造平行宇宙 102

14 人类和光子的博弈 106

14.1 单光子偏振实验 106

14.2 单光子广角干涉实验 108

14.3 单光子延迟选择实验 110

14.4 量子擦除实验 113

15 幽灵般的超距作用：纠缠态之谜 115

15.1 玻尔与爱因斯坦过招 115

15.2 EPR佯谬：纠缠态登场 119

15.3 纠缠态的实验证明 120

15.4 GHZ三粒子纠缠 124

15.5 量子隐形传态: 超空间传送能实现吗？ 125

16 原子内部的世界 128

16.1 古人的物质组成观点 128

16.2 原子论的胜利 129

16.3 原子还不是最小 130

16.4 原子内部结构 132

16.5 原子结构的初期模型 134

16.6 电子云：电子在哪儿？ 136

16.7 电子云节面之谜 139

16.8 电子的自旋 140

16.9 电子自旋之谜 142

17 组成世界的基本粒子 145

17.1 物质的镜像：反物质 145

17.2 宇宙隐形人：中微子 148

17.3 世界的基石：夸克 149

17.4 世界的基石：轻子 152

17.5 四种基本力和力的传递粒子 153

17.6 上帝粒子：希格斯粒子 156

17.7 标准模型 157

附录 高速粒子对狭义相对论的检验 158

18 宏观量子现象：玻色–爱因斯坦凝聚 161

18.1 费米子与玻色子 161

18.2 泡利不相容原理 163

18.3 玻色.爱因斯坦凝聚 165

18.4 液氦超流现象 168

19 量子场论 171

19.1 场与粒子的统一 171

19.2 粒子的产生与转化 172

19.3 真空里隐藏的奥秘 174

19.4 再析费曼图：时间能倒流吗？ 177

19.5 量子电动力学：精确度惊人的预测 180

19.6 量子色动力学：夸克禁闭 182

20 超弦理论：万物至理？ 183

20.1 统一理论的探索 183

20.2 宇宙的琴弦：超弦理论 185

20.3 M理论：终极理论？ 188

20.4 平行宇宙 190

附录 是否存在交叉宇宙？ 191

21 宇宙大爆炸 193

21.1 膨胀的宇宙 193

21.2 广义相对论与宇宙学 196

21.3 宇宙理论的发展 199

21.4 宇宙的演化 202

21.5 恒星的演化 204

21.6 暗物质与暗能量之谜 208

21.7 时空的颤抖：引力波 210

后记 215

参考文献 217

谁要是不为量子理论感到震惊，那就是因为他还不了解量子理论。

——尼尔斯·玻尔

我想我可以相当有把握地说，没有人能理解量子力学。

——理查德·费曼

每个人眼中都有一个世界。

每个人眼中的世界都不同。

但是，我们能看到、能感受到的世界只是宏观的世界，是一个看上去按部就班的世界。如果我们能缩小十个数量级，进入量子世界，那其中的奇幻景象，恐怕是你尽最大的想象力也想不到的。

你一定好奇什么是“量子”？它不是一种粒子，而是一种概念。它指的是小尺度世界的一种倾向：物质的能量和其他一些属性都倾向于以特定的方式不连续地变化。

量子世界中的一切物理现象都与我们在日常生活中认知的牛顿力学世界完全不同，我们在日常生活中熟悉的许多基本物理规律在量子世界中都被彻底颠覆。

量子世界是一个由量子力学统治的世界。量子力学对于实验现象的解释和预见性是如此精确，以至于大多数人都不假思索地对它进行应用。但是在量子世界里，一系列不可思议的现象又会让我们怀疑我们到底是否能真正地理解这个世界。量子力学大师费曼曾经说过：“我想我可以相当有把握地说，没有人能理解量子力学。”

十多年前，当我第一次接触量子物理时，我就被它深深地迷住了。量子世界是一个谜一般的世界，在这个世界里，你以往的一切经验都会失去作用；在这个世界里，你就像一个懵懂无知的孩童，一切都会让你觉得新奇。这十年来，我有幸讲授与量子力学相关的课程，我一直在不断地从各种书籍中汲取与量子物理有关的知识，但是，对它的认识越深，我就越觉得它是如此的不可思议。

我们应该感谢那些伟大的物理学天才们，他们对量子物理的探索谱写了科学史上最壮丽的史诗，他们对量子世界的探索让我们知道了世界竟然是如此的神奇。

原来，我们眼中的世界并不是世界的全部。

既然有幸来到这个世界，我们就应该尽量了解这个世界的全部，欣赏这个世界的奇妙，这是作为生命的一种乐趣。

本书以各种不可思议的量子现象为主线，以物理学家们所做的各种令人惊奇的实验为主线，循序渐进地介绍了人类探索量子世界的过程，介绍了量子理论的产生、发展、应用、分支乃至分歧，当然也提出了一些疑问和思考。作为一本科普读物，本书涵盖了波粒二象性、叠加态、概率幅、纠缠态、隧道效应、电子云、超流体、量子真空涨落、费曼图、超弦理论等量子力学中引人入胜的大部分内容，也介绍了扫描隧道显微镜、量子计算机、量子隐形传态等量子工程技术，同时还把相关的历史趣事穿插其中。另外，书中还介绍了一些与量子物理相关的粒子物理、相对论、宇宙学等方面的内容，以使读者对这个奇妙的世界有更深刻的理解。

本书在写作过程中参考了大量相关书籍，主要参考书目列于书后。这些书使我受益匪浅，在此对这些书的作者表示衷心的感谢。

我国本土科学家到现在还没有人获得过诺贝尔物理学奖，原因是多方面的，但我认为，我们太注重于让学生学习课本知识而忽视了课堂之外的知识海洋是原因之一。青少年时期是培养科学兴趣最重要的时期，只有广泛涉猎才能发现自己的兴趣爱好，为将来打下基础。希望本书能够激发广大读者朋友尤其是青少年朋友们对科学的热情，这正是我写作的初衷所在。另外，由于能力所限，疏漏和不足之处在所难免，敬请读者朋友们批评指正。

高鹏

2016年8月份于山东威海