★大师中的大师唯一亲笔科普

本书作者马克斯;玻恩：诺贝尔物理学奖得主/20世纪科学界巨擘/“哥廷根学派”首脑/量子力学的伟大奠基者之一/旧量子理论的摧毁者/原子世界决定论的终结者/爱因斯坦一生挚友/培养出数位诺奖得主的超级导师……

★独具创意的插画，科学原理瞬间秒懂

7组随翻动而起舞的动画，12页实验过程的摄影插图，500多张充满细节的手绘图片，让纸面上的物理世界生动活泼起来！

★用形象解释抽象，把知识融入故事

本书从宏观到微观，从熟悉的身边事物逐渐引入眼睛无法看到的原子世界，通过类比等方式说明抽象的科学概念或事实，并讲述了20世纪上半页物理学的主要发展成果和历程。

★有良知科学家的深度反思

经历了两次世界大战，目睹了核物理的发展与原子弹的爆炸，玻恩在书中写下了自己对战争的反思与对核威胁的警告。这不仅体现了他作为一位ding尖科学家的心境，更凸显了他高洁的人性与良知。

这是一本关于原子物理学发展的科普书，讲述了20世纪50年代之前，几代科学家如何打破经典力学的禁锢，并搭建现代物理学高楼的过程。作者由浅入深、从宏观到微观：首先介绍气体、花粉等大分子的运动和性质；然后从原子、电子等微观粒子入手，讲述对终极粒子的探寻，以及光的波动说和粒子说理论；最后深入到原子核内，探究质子和中子的本性，以及其中蕴含的巨大能量。

书中配有大量插图，结合日常生活，详细生动地介绍了重要的实验和原理，并制作了别具一格的“翻页动画”，于动态中解释物理现象，极富趣味性和可读性，也更有助于读者的理解。书中还包含玻恩对战争的反思与对核威胁的警告，让我们得以品味他在签署《罗素_爱因斯坦宣言》之前的心路历程。

马克斯;玻恩 Max Born（1882.12.11—1970.1.5）

德国著名理论物理学家、数学家，量子力学奠基人之一。他一生所获荣誉众多，被先后邀请为近10个guo家级科学院（或学会）的院士，并于1954年被授予诺贝尔物理学奖，以表彰他在量子力学领域的基础研究。

马克斯;玻恩曾在德国组建著名的“哥廷根学派”，并将哥廷根建设成世界物理学研究中心之一。他曾在德国和英国多所顶级院校担任教授，泡利和海森堡曾是他的助手，费米和奥本海默曾是他的学生。他还教导过很多中国科学家，包括“两弹一星”元勋彭桓武、程开甲，中国核物理学会理事长杨立铭、中国半导体技术奠基人黄昆等。

玻恩一生著述众多，发表论文300多篇，出版著作20多部，本书是他唯一为大众所写的科普著作。

“这本书应该受到所有人的欢迎。”

——《科学哲学》杂志

“这本书比大多数尝试都更透彻、更深入，巧妙的论述既轻松又有趣。”

——《化学化工新闻》杂志

第一章　空气及其相关物质

1.气压—2.碰撞及其影响—3.分子的运动—4.偶然性定律—5.温度与分子速率—6.热传导—7. 分子束—8.分子的大小和数量—9.花粉和香烟烟雾—10.蓝天与红日—11.分子的第一级分支：原子—12.“摩尔”与分子量—13.元素周期表

第二章　电子和离子

1.终极粒子问题—2.电解导电—3.阴极射线—4.电偏转和磁偏转—5.电子的荷质比—6.相对论的一些注解—7.质量和能量—8.电子电荷的测定—9.气体离子—10.测量和统计粒子

第三章　波和粒子

1.光波与干涉—2.不可见光—3.光量子—4.气体的谱线—5.玻尔的谱线理论—6.光电台球游戏—7.电子波—8.波群与群速—9.物质波的实验探测—10.波动力学及其统计学解释

第四章　原子的电子结构

1.原子中正电荷的发现—2.玻尔的氢原子理论—3.氢原子的波动力学—4. X射线光谱—5.电子的自旋—6.泡利不相容原理—7.元素周期系统的意义—8.磁子

第五章　核物理

1.放射性—2.衰变规律—3.同位素—4.氘核—5.中子—6.正电子—7.核嬗变—8.核结构—9.结论

后记

1.科学与历史—2.订正—3.无害物理学的进展—4.核物理的实验进展—5.核理论的进展—6.核的结合能与稳定性—7.介子—8.核裂变—9.政治裂变与核聚变—10.原子弹—11.天堂或地狱

插图

第三章

波和粒子

1. 光波与干涉

光是最重要的信使，给我们带来外部世界的消息。它究竟告诉了我们什么？我们自以为看到了世间万物，看到了它们的轮廓和色彩。但实际上，光传达的是这样的信息：“我来自某某方向，振动强度是这样的，振动频率是这样的。我完全忘记了旅途中的事情，只知道我从诞生后就出发，最后在你的视网膜里长眠。”其他的一切，比如我们对彩色物体的感知，并不像某位报刊记者的“手稿”，而是像编辑部（大脑）对成千上万份记者报道的无意识组合，是依赖于所有感官结合在一起产生的印象。

大多数人都发现这种“新闻组合”十分迷人，以至于几乎没有注意到“记者”的技巧。然而，物理学家对这些新闻特别感兴趣。他们不会无意识地把它们组合在一起，相反，他们利用澎湃的创造力和精巧的装置，有意识地分析它们。

然后，物理学家得到了一个完全不同的故事：一个由原子组成的永不停息的宇宙，有着奇怪的法则。

对于永不停息的微观世界，光本身构成了它的一部分。即使在没有原子的地方，比如在空旷的星际空间里，也有来自恒星的光线朝着各个方向移动。在恒星附近，比如在太阳附近，光与原子争锋，跳着狂野之舞向前飞奔。

我们已经说过，人们通常认为光是一种波动，每一种波长对应着特定的颜色。然而在伟大的牛顿所处的时代，人们并没有一致接受这个观点。牛顿本人更喜欢这样的假设：光是一种粒子雨（牛顿称之为“微粒”），由发光物体释放出来。他不知道惠更斯1提出的“波动说”如何解释光的直线传播（阴影有明锐边界这一事实），而在“微粒说”的基础上这是显而易见的。牛顿在光学上有重大发现，特别是他成功地利用棱镜把白色的太阳光分解成彩虹的颜色。今天我们会说，他创造了光谱。但是，在“是波还是粒子”的问题上，科学界都站在惠更斯那边。理由很充分，我们必须考虑一下。

首先，光并不是在任何情况下都沿直线传播。假设我们在纸板或金属屏幕上开一个非常小的孔，并在后面放一盏灯。

从屏幕正面的各个方向看，这个孔都会是一个发光的点。牛顿的理论无法解释它，惠更斯的理论却可以：光波进入的孔就像是一个次级中心，波从这个中心沿球面扩散。这个实验以及接下来的实验都可以用水波来模拟，尽管水波并不是空间中的波，而是液体表面的波。把一块石子扔进水里，它会产生一种圆形波，如插图Ⅰ（b）所示；而在空间中（以光为例），一个发光的粒子（振动的粒子）产生了球面波。从远处看，波的波前1几乎是直线的。把一根棍子放在水里，然后周期性地移动它，我们也能得到直线波。插图Ⅰ（c）显示了一个直线波撞击在一个有孔的板上；在板的后面，我们看到了一个圆形波。这与上面提到的光学实验完全一致。

两列波可以相互穿过而互不影响，也就是说，当它们再次分离的时候，会像没有遇见过彼此一样继续前进。从湖面的轮船上我们可以清楚地看到这一点：轮船激起的波浪穿过了湖面已有的波浪（图48）。

这条规律叫“叠加原理”。它也适用于光。否则，我们怎么可能看得见东西呢？如果我朝某个方向看，到达我眼球的光波会在途中遇到无数的其他光波，但不会被它们干扰。

那么，两列波叠加的点上会发生什么呢？

插图Ⅰ（d）显示了水波的情况。两个浮在水面的木球相隔一定的距离，一根细绳使它们周期性运动。然后，每个木球都发出一列圆形波，这些圆形波会产生一种奇怪的波形。

在某些点，两列波相互加强；而在另一些点，它们彼此抵消，水面保持静止。

这是波动的一种基本现象，叫“干涉”。在波峰与波峰相遇的点，两列波相互加强；而在波峰与波谷相遇的点，两列波相互减弱。如果波峰与波谷正好大小相等，它们就完全抵消了。

应用在光上，这意味着光＋光并不是永远等于更多的光，在某些特定的情况下可能更暗。这是真的吗？

大约120 年前，物理学像今天一样充满了重大发现。其中，托马斯;杨1首次观察的光的干涉以及菲涅尔2对光波理论的发展也许是最伟大的。

杨在一个屏幕上做了两条狭缝，他让光线穿过狭缝，并落在有一定距离的另一个屏幕上。接着，就像“波动说”预测的那样，他真的看到了暗带和亮带（条纹）交替出现。如果观察毛发之类的细小障碍物，也会出现类似的条纹，如插图Ⅱ（d）所示。然而，为了达到目的，设想两条狭缝会更方便，这两条狭缝只允许单色光（单一波长的光）通过，通过的光会被另一个屏幕捕捉。在某些特定的点，一列波与另一列波的差距为完整波长，我们很容易计算和标记屏幕上的这些点，并且会在这些点上找到亮带，每两条亮带都会被一条暗带隔开（图49）。有干涉条纹的屏幕实际上垂直于纸面。

如果测量连续的条纹之间的距离，并且知道两条狭缝的距离以及双缝与屏幕的距离，我们就可以通过一个简单的几何方法计算光的波长。

这种结构也表明，双缝之间的距离越远，干涉条纹就越窄，反之亦然。双缝之间的距离与条纹之间的距离成反比。

如果落在双缝上的不是单色光，而是像白光一样混合着不同的波长，那么每一种波长都会形成自己的条纹系统，这些条纹叠加在一起，在人眼看来就是彩色的、多少有些模糊的条纹。

通过使用大量的平行狭缝，我们有可能使每种波长都产生窄条纹，而正中间的暗条纹非常宽。这样，不同波长（颜色）的条纹就会并排放置，而不是重叠或混合。只有中心条纹会同时包含所有波长，也就是呈白色（在白光下）。下一级条纹会把所有的颜色排列在一起，也就是说，将形成一个完整的光谱（所谓的“一级光谱”）。之后的条纹也会形成光谱，叫“二级光谱”“三级光谱”等。

这种仪器叫“干涉仪”，在许多功能上比牛顿用于分解光的棱镜好得多。比如，干涉仪可以测定波长。干涉仪通常不是有狭缝的屏幕，而是排列着平行细线的金属镜子，也叫“光栅”。有的光栅每毫米有多达2000 条细线。除了未分解的中心条纹，光栅还能提供一系列光谱。

“波动说”与事实完全一致，这令人信服地证明了惠更斯假说的正确性。

致读者

你也许很奇怪，为什么本书中有那么多相似的图片。很可能你已经发现了它们的作用。我将试着向你描述永不停息的宇宙，试着让你亲眼看到它的一些内在秘密。你会不时读到“动画times;”之类的字眼，这时你可以把书横过来，从第120页往前翻，或从第121 页往后翻，文字外侧的图片就会形成动画效果。因此，阅读本书前半部分时，你最好右手拿书，用左手的拇指在书页上快速翻动；而阅读后半部分时，左右手操作相反。先快速浏览每一部“动画”，然后慢一点儿，仔细观察究竟发生了什么。

马克斯;玻恩