第1章　量子力学并非火箭科学

近年来，“火箭科学”已经成为极度复杂的事物的代名词。火箭科学家需要对用于制造航天器的材料的性质有深入的了解，也需要了解为火箭提供动力的燃料所具有的潜能和危险性，还需要深入了解行星和卫星在重力作用下的运行原理。若要对比难度，量子力学与火箭科学不相上下；可若想深度理解众多量子现象背后的原理，即便对很多博学多识的物理学家来说，也是不小的挑战。物理学界很多聪明的科学家都致力于解答如下未解之谜：如何用量子力学解释黑洞内部存在着巨大引力，而这种引力在宇宙的早期演变中起着至关重要的作用。

然而，量子力学的基本理念并非火箭科学，理解量子力学的难点更多地在于我们对它的陌生感，而不是因为它真的那么难以理解。我们必须抛弃从现实观察和经验中获得的关于世界运行方式的一些认知，一旦抛弃了这部分认知，再用理解量子力学所需的新概念取而代之，接下来我们需要做的就是一些想象力的练习，而非对智慧的锻炼。此外，无须具备专业级别的复杂数学分析能力，我们也可以理解量子力学的基本原理在日常生活中的作用。

量子力学的理论基础非常独特，也让人觉得很陌生，对它的解读至今仍存在争议。不过，我们会把对这个问题的大部分讨论放到最后一章进行，因为这本书的主要目的是帮助读者理解如何用量子力学对众多自然现象做出解释，比如类似原子形态的物质如何运动，再比如解释我们在现实世界中熟悉的众多自然现象。我们会在第2章中讨论量子力学的基本原理，我们会发现，物质的基本粒子与足球、谷粒或者沙子这些日常物体不同，有时这些基本粒子会像波一样运动。这种波粒二象性现象在决定原子以及它们内部的“亚原子”（subatomic）世界的结构和性质时起到了至关重要的作用。

我们将从第3章开始讨论以下问题：量子力学的基本原理在我们熟悉且重要的现代生活中起到了怎样的基础性作用？第3章的标题为“能量背后的量子力学”，讲述了量子力学如何成为现代社会众多动力来源的理论基础。我们在这一章里还会讨论温室效应，这个在控制地球温度、保护地球环境中具有重要意义的效应，本质上也与量子力学有关。虽然现代科技的发展在很大程度上导致了温室效应，进而导致了全球变暖，但量子力学在开发用于对抗温室效应的一些绿色技术中还是起到了很大作用。

在第4章里，我们将了解波粒二象性在一些宏观现象中的表现。比如说，量子力学解释了为什么一些金属材料可以导电，而绝缘体材料则可以完全阻断电流。第5章讨论了性质介于金属和绝缘体之间的半导体（semiconductors）的物理结构。我们会发现，量子力学在这些材料的结构和性质中起到了重要作用，而这些材料也被用于制造硅芯片。硅芯片是构成现代电子设备的基础，而电子设备则在现代世界信息及通信技术中发挥着核心作用。

在第6章中，我们将会了解超导现象，量子特性以一种极为夸张的方式得以展现：大量的量子现象导致材料阻断电流的能力彻底消失。最近开发的一种新的信息处理技术与量子现象也存在特定的联系，我们会在第7章对此进行讨论，我们可以使用量子力学传输信息，而未经授权的人将无法读取这些信息。我们还会了解到，人类已经制造出了“量子计算机”（quantum computer），其运算速度会比日常使用的计算机快上几百万倍。

在第8章中，我们将回到如何解读并理解量子力学独特概念的问题上，同时引入一些在量子力学领域仍然存在争议的话题。第9章则致力于将所有内容整合在一起，对这个学科的未来发展做出一些猜想。

读者可以看到，这本书的大部分内容都在讲述量子力学对我们日常生活的影响，因此，我们讨论的是现实中出现在我们眼前的量子力学现象，而不仅仅是只存在于理论中的量子力学。例如，虽说量子力学是理解原子内部结构的关键，但很多时候，原子本身也遵循规范的日常物体运动的物理学原理。所以，气体中的原子会四处运动，像小球一样撞到容器壁上，或者互相碰撞。与此形成对比的是，当几个原子结合在一起形成分子时，它们的内部结构就会由量子定律决定，而这些定律直接决定着分子的某些重要特性，比如一些分子具有在温室效应中吸收并重新散发辐射的能力（见第3章）。

在本章中，我会对理解后续章节所需的概念做出解释。首先，我会对量子力学出现前形成的一些数学和物理的基本概念进行定义。其次，我会回顾一些19世纪的科学发现，尤其是和原子本质有关的发现。这些发现表明我们的思维需要进行革命性的改变，而这个改变就是后来的量子力学。