量子物理学（精装全彩版）

　　1900年左右，物理学家发现了像电子、质子和中子这样的粒子。这些发现被认可，使得他们能够预测原子的内部行为。然而，当他们将预测与实际的实验结果对比时却发现，经典物理学和力学的原理远不能解释原子尺度的现象。这种认识的形成，使量子物理学的出现成了人类历史上最重要的智力运动之一。今天，量子物理学无处不在：它解释了我们的计算机如何工作，激光如何通过互联网传输信息，并允许科学家准确地预测自然界中几乎所有粒子的行为。物理学的运用，一直是调查与我们的世界和宇宙相关的最广泛问题的根本。 虽然众所周知，量子物理学领域和原理几乎可以被无限应用，但是，要理解出现这种情况的根本原因远没有那么容易。本书中，量子物理学家Michael G. Raymer提取了这种抽象领域的基本原则，并且从很多方面提出了量子物理学是当今科学的一个关键因素，也是人人都需知、可知的科普知识。

　　作者 [美]迈克尔·G.雷默（MichaelG. Raymer），美国物理学会会士，美国光学学会会士，美国俄勒冈大学物理学教授。主要研究方向为量子力学、量子信息科学、非线性光学和激光物理。曾担任《物理评论快报》（Physical Review Letters）和《现代光学杂志》（Journal of Modern Optics）编委会成员。 译者 吴纯白，激光物理专家，美国俄勒冈大学物理学博士，致力于量子和非线性光学的研究。现就职于德国大陆集团（Continental AG）汽车事业部，担任高级资深光学工程师。曾在《物理评论快报》、《美国光学学会期刊》（Journal of the Optical Society of America）等杂志上发表过多篇论文，并获美国专利。博士生导师为本书作者迈克尔 · G.雷默。

1什么是量子物理学？
1什么是量子物理学？2
量子物理学怎样影响着我们的日常生活？4
什么是物理学理论，以及什么是物理学课题？5
为什么当我们谈论物理时会使用“模型”这个词？7
为什么2015年是量子物理学特别成功的一年？8
为什么有些物体可以用经典物理模型来描述，而有些却
需要用量子物理模型来描述？10
什么是组成物理世界的最基本实体？12
光在经典物理学和量子物理学中的描述有何不同？15
光探测的离散性具有什么物理意义？16
人们有可能制造出并且探测到单光子吗？19
量子物理学是如何被发现的？21
电磁场具有量子本质吗？25
2量子测量以及测量产生的后果29
什么是经典物理学中的“测量”？30
什么是光的偏振？31
我们怎样确定或者测量光的偏振？33
如果光包含有多种偏振，会发生什么？36
如果光是纯偏振光，但偏振不在H或者V方向，
会发生什么？37
这些测量偏振的结果背后有什么物理意义？39
什么是光的相干性？它扮演了什么角色？41
我们可以测量单光子的偏振吗？43
我们如何制备偏振在某一特定方向上的纯偏振态单光子？45
你可以通过量子测量来确定单光子的偏振态吗？45
光的偏振态在经典物理学和量子物理学中的区别是什么？46
我们如何预测光偏振态测量中的概率？47
在量子领域中进行测量到底是什么意思？51
什么是互补测量？52
为什么宏观物体看上去具有确定的性质，但组成它的
量子个体却不具备这种确定性？54
什么是我们所指的物体的“态”？55
什么是量子态？56
鲍勃有可能在实验上确定爱丽丝制备的量子态吗？58
鲍勃能复制(克隆)一个光子的量子态吗？60
什么是量子相干性？61
什么是量子力学的指导性原则？61
量子力学到底描述了什么？63
3应用量子数据加密65
人类可以利用量子物理学来创造出绝对安全的通信网络吗？66
加密是如何使信息保密的？66
绝大部分的加密方法都能被破译，这是真的吗？67
有没有一种无法破译的加密方式？69
文本信息在二进制编码中如何显示？70
文本信息是如何被二进制密钥加密和解密的？71
光子的偏振态是如何被用来创建安全密钥的？71
量子密钥分发是基于哪些物理学原理？73
量子密钥分发的工作原理是什么？75
如果有窃听者，情况会怎样？78
爱丽丝和鲍勃如何得知窃听者伊夫是否存在？80
如果伊夫一直存在怎么办？81
伊夫有可能使用其他更好的窃听方式吗？83
量子密钥分发的研究现状是什么？83
4量子行为85
在没有被测量的情况下，量子物体的行为是什么？86
电子和弹珠的行为有什么区别？86
为什么电子总是落到山羊上？88
如果我们改变设置，结果会怎么样呢？89
如果我们挡住一条路径，会发生什么？90
到目前为止，我们可以得出什么结论？91
我们可以测量电子运动的路径吗？92
为什么我们不能把同样的逻辑用在弹珠上呢？93
什么是共轭表现？94
有没有其他共轭过程的例子来说明主要论点？96
一个过程如果是共轭的，会有哪些进一步的后果？97
在双路径实验里，物质的表现可不可以和光子的表现相同？100
光子的表现会不会偶尔符合经典概率论？102
我们如何把上述的讨论总结为一个物理学原理？103
在量子物理学中，什么是一次测量？104
一个量子物体可以同时出现在两个地点吗？104
量子密钥分发是如何利用共轭过程这个概念的？105
量子理论如何描述具有两种可能性的态？106
量子理论是如何描述一个拥有两条可通过路径的电子的？106
状态箭头可以用来代表宏观物体的“态”吗？109
结果的概率和量子可能性是如何联系在一起的？109
一个电子是如何被“分离”进入两条路径的？110
当路径干涉出现时，如何使用状态箭头来计算概率？111
如果我们更改其中一条路径，会发生什么？113
我们怎样把上面的想法总结成一个指导性原则？114
如果我们进一步改变路径长度，结果会怎样呢？114
从上面的实验中我们能否推导出一个普适性原则？118
本章的结束语是什么？120
5应用方面——用量子干涉感应重力123
什么是感应技术？124
感应引力强度有什么用途？125
怎样利用量子物理学来感应引力？126
本章的引力干涉仪和前一章的电子干涉仪有什么不同？129
中子干涉仪是一个有实际意义的引力感应器吗？129
6量子概率和波动性131
波这个概念是如何被引入量子理论的？132
什么是波？132
什么是波干涉？134
什么是量子概率波？135
psi波函数是如何掌控其内部时序的？137
是什么决定了粒子内部时钟的循环时间或者频率？138
我们如何把提出的指导性原则结合成一个有条理的
量子理论？140
什么是动量，以及什么可以改变动量？141
什么是能量？143
薛定谔方程是怎样描述量子物体在时空中的运动过程的？144
量子概率波是怎样和概率联系在一起的？146
能否举一个薛定谔方程在应用中的实例？147
一个量子粒子是如何穿过0概率区域的？149
什么是海森堡不确定性原理？150
电子既是粒子又是波的说法正确吗？153
7里程碑和三岔路口155
当你来到三岔路口时，你应该做什么？156
迄今为止，我们有哪些重要的里程碑？157
8定域实在论的终结和贝尔测试163
物理实验可以探究“实在论”的本质吗？164
什么是相关性？它告诉了我们什么？165
能否举一个有关相关性属性的例子？166
能否举一个有关相关性表现的例子？167
相关性是如何被计量的？168
经典相关性和量子相关性的区别是什么？172
什么是实在论，以及我们如何在实验里测试它？173
如何为测试实在论做好准备？175
如果我们只能进行部分测量，那会怎么样呢？178
怎样阻止实验双方之间互通信息？181
什么是定域实在论？183
什么样的实验可以推翻定域实在论？183
对于原子中释放的光子对，是不是任何量子态都能
产生上述结果？191
在上述讨论中，是否有任何漏洞或者瑕疵？192
什么样的实验克服了潜在的瑕疵？193
约翰·贝尔对于这样的实验结果做出了什么评价？193
定域实在论这一观点的崩塌意味着我们必须放弃经典
直觉和经典物理学吗？195
我们应该放弃定域因果原则或者实在论吗？
或者两者都放弃？195
9量子纠缠和隐形传态197
什么是量子纠缠？198
我们如何表示一个复合体的量子态？199
我们如何表示光子对的量子纠缠态？201
我们如何制备处于贝尔纠缠态的光子对？203
贝尔纠缠态是如何违背定域实在论的？204
关于一个量子组合体的组成部分，哪些是你可以知道的？206
在实际情况中，知道了关于量子组合体所能知道的
一切将意味着什么？207
什么是我们利用量子纠缠可以做到，而没有量子纠缠
就做不到的？209
量子纠缠是怎样使量子态的隐形传送变为可能的？210
在爱丽丝那里发生的事会影响鲍勃那边吗？213
量子态的隐形传送是瞬时的吗？214
人类可以被隐形传送吗？215
量子态的隐形传送有什么用？216
10应用——量子计算217
信息是有形的吗？218
什么是计算机？218
计算机是怎么工作的？220
单个逻辑门可以有多小？223
我们可以创造出使用内在量子表现的计算机吗？224
什么是量子比特？225
哪个物理原理区分了经典计算机和量子计算机？226
量子计算机会使用哪些逻辑门？227
我们将如何操作量子计算机？231
为什么质因数分解很难？234
量子计算机如何解决质因数问题？237
量子计算机还能解决计算机科学中的其他难题吗？239
量子计算机可以解决哪些物理和化学难题？241
为什么制造量子计算机如此艰难？244
制造量子计算机的前景如何？245
用哪些方法有希望制造出量子计算机？246
11能量量子化和原子249
什么是能量量子化？250
为什么当一个粒子受到约束时，能量会被量子化？250
在一个原子中，电子的能量是如何量子化的？253
为什么电子不会停留在势阱的底部？256
原子如何吸收光波？257
一个原子如何辐射出光？260
经典物理学理论中电子围绕原子核进行轨道运动的说法，
在量子物理学理论中变成了什么？260
环形psi波函数和量子尺有什么关系？262
电子的psi波函数在三维空间是什么样的？262
12应用——利用量子技术感应时间、位移和引力265
什么是基于量子物理学的感应技术？266
什么是时间的科学定义？266
什么是时钟？267
我们怎样才能制造出完全相同的时钟？268
为什么基本量子体可以被制成最完美的时钟？269
为什么先进的时钟技术非常重要？270
目前的原子钟有多精确？272
原子钟的基本工作原理是什么？273
最先进的原子钟是如何工作的？275
什么是惯性传感器？278
什么是加速度计？279
常规加速度计是怎么工作的？280
加速度计有什么用途？281
什么是重力仪？它的用途是什么？282
常规重力仪如何工作？282
第一台量子重力仪是如何工作的？284
高级量子重力仪如何工作？285
原子干涉仪可以探测到引力波吗？288
13量子场和它的激发子291
什么是经典物理学中的粒子和场？292
统一了粒子和场这两个概念的量子物理学原理是什么？294
如果我们测量一个量子场，会发生什么？296
网格的量子理论如何被应用到光波上？298
什么是量子场？300
什么是光子？301
粒子和场是同一种事物的不同形态吗？302
场和粒子的统一也适用于电子上吗？302
为什么我们看不到普通物体的出现和消失？304
宇宙是由什么组成的？305
什么是真空？305
基本粒子是怎样获得质量的？307
还有其他事实为量子场的存在提供证据吗？309
对量子场的理解解开了贝尔关系式的谜团吗？311
对量子场的理解解开了量子测量的谜团吗？312
为什么关于量子场的讨论被推迟到接近本书的结尾处？313
14有待解决的问题和争议315
关于量子物理学，有哪些是我们不知道的？316
什么样的自然界是量子理论试图告诉我们的？317
量子理论很明显的一个问题是什么？318
量子纠缠态是如何更新的？321
海森堡的观点解决了“测量难题”吗？323
退相干有什么用？327
“从实际情况出发”，足够吗？328
量子概率是私有的吗？330
这一切都在我的脑海里吗？334
相干性万岁？336
为什么贝尔关系式会出现？341
本书的意义是什么？342
注释345