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。

　　高鹏，山西五寨人，毕业于哈尔滨工业大学，现在哈工大威海校区任教。　　从2002年开始痴迷于量子世界，十余年来研读相关专业和科普书籍近百本，并开设相关课程，由此产生了用自己的方式把神奇的量子世界介绍给读者的想法，希望能跟广大科学爱好者们一起分享徜徉于量子世界中那无法言说的快乐，一起探索这个存在于我们身边的奇异世界。

版权信息
自序
1 光的本性之争：光是粒子还是波？
1.1 惠更斯的波动学说
1.2 牛顿的粒子学说
1.3 杨氏双缝干涉实验
1.4 泊松的乌龙球
1.5 光就是电磁波
2 电磁波能量谜团：能量竟然不连续？
2.1 黑体辐射谜团
2.2 光电效应谜团
2.3 原子光谱谜团
2.4 石破天惊的量子化假设
3 量子化与连续性之辩
3.1 芝诺悖论：你能追上乌龟吗？
3.2 玄而又玄的无穷
3.3 时空是量子化的
3.4 运动是连续的吗？
3.5 量子化才是世界的本质
4 光的波粒二象性
4.1 爱因斯坦的光子理论
4.2 光子理论是牛顿粒子论的回马枪吗？
4.3 原子能量量子化与原子光谱
4.4 量子理论与光的本性
5 爱因斯坦的疑问：什么是光子？
5.1 光与电磁波：剪不断理还乱
5.2 波动光学与量子光学：为什么有两种？
5.3 光的偏振：光子也会思考吗？
5.4 光速不变：相对中的绝对
5.5 静止质量为零：有还是没有？
6 实物粒子的波粒二象性
6.1 德布罗意的惊人假设
6.2 实物粒子波动性的观察
6.3 实物粒子的双缝干涉实验
6.4 德布罗意波的应用
7 量子力学的建立
7.1 薛定谔的波动力学
7.2 概率构成的物质波
7.3 玻尔的对应原理
7.4 海森堡的矩阵力学
7.5 量子力学正式建立
7.6 概率论与决定论的争论：上帝掷骰子吗？
8 单个粒子的波粒二象性
8.1 单个电子的双缝干涉实验
8.2 概率波与概率幅
8.3 观察电子的轨迹
8.4 跟人类捉迷藏的电子
9 量子力学正统解释：哥本哈根解释
9.1 不确定原理
9.2 互补原理
9.3 叠加态：人为测量竟如此重要？
9.4 波函数坍缩
附录 量子计算机
10 神奇的量子隧道效应
10.1 隧道效应：穿墙而过不是梦
10.2 扫描隧道显微镜
11 独辟蹊径的路径积分
11.1 路径积分：所有路径求和
11.2 路径积分对双缝实验的解释
11.3 路径积分的广泛应用
11.4 费曼图：物理学家的看图说话
12 坚持决定论的隐变量理论
12.1 德布罗意的导波理论
12.2 玻姆的量子势理论
13 量子力学的其他解释
13.1 意识论：我思故我在？
13.2 热力学不可逆过程
13.3 退相干理论
13.4 GRW理论
13.5 多世界理论：人人都能创造平行宇宙
14 人类和光子的博弈
14.1 单光子偏振实验
14.2 单光子广角干涉实验
14.3 单光子延迟选择实验
14.4 量子擦除实验
15 幽灵般的超距作用：纠缠态之谜
15.1 玻尔与爱因斯坦过招
15.2 EPR佯谬：纠缠态登场
15.3 纠缠态的实验证明
15.4 GHZ三粒子纠缠
15.5 量子隐形传态：超空间传送能实现吗？
16 原子内部的世界
16.1 古人的物质组成观点
16.2 原子论的胜利
16.3 原子还不是最小
16.4 原子内部结构
16.5 原子结构的初期模型
16.6 电子云：电子在哪儿？
16.7 电子云节面之谜
16.8 电子的自旋
16.9 电子自旋之谜
17 组成世界的基本粒子
17.1 物质的镜像：反物质
17.2 宇宙隐形人：中微子
17.3 世界的基石：夸克
17.4 世界的基石：轻子
17.5 四种基本力和力的传递粒子
17.6 上帝粒子：希格斯粒子
17.7 标准模型
附录 高速粒子对狭义相对论的检验
18 宏观量子现象：玻色-爱因斯坦凝聚
18.1 费米子与玻色子
18.2 泡利不相容原理
18.3 玻色−爱因斯坦凝聚
18.4 液氦超流现象
19 量子场论
19.1 场与粒子的统一
19.2 粒子的产生与转化
19.3 真空里隐藏的奥秘
19.4 再析费曼图：时间能倒流吗？
19.5 量子电动力学：精确度惊人的预测
19.6 量子色动力学：夸克禁闭
20 超弦理论：万物至理？
20.1 统一理论的探索
20.2 宇宙的琴弦：超弦理论
20.3 M理论：终极理论？
20.4 平行宇宙
附录 是否存在交叉宇宙？
21 宇宙大爆炸
21.1 膨胀的宇宙
21.2 广义相对论与宇宙学
21.3 宇宙理论的发展
21.4 宇宙的演化
21.5 恒星的演化
21.6 暗物质与暗能量之谜
21.7 时空的颤抖：引力波
后记
参考文献

　　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

　　“量子”这个概念最早源自科学家对光的认识，所以就让我们从光的性质说起吧。
　　自古以来太阳就是人类膜拜的对象。阳光是人类必不可少的生命源泉，但人们对于光到底是个什么东西却说不清楚，所以古人只好把太阳当作神灵来崇拜，把太阳作为光明的象征，也把太阳看作是世界的统治者。
　　在很长一段时间内，人类对光的认识只限于某些简单的现象和规律描述，例如，战国时期的《墨经》中记载了投影、小孔成像等光学现象；古希腊学者欧几里得的《反射光学》论述了光在传输过程中的直线传播原理和光的反射定理。
　　随着科学的发展，人们逐渐开始以科学的方法来研究光，并发现了反射、折射等一些基本的光学现象。到了17世纪，人们开始研究光的本性，但对于光的性质却发生了似乎是水火不容的争论：牛顿认为光是一种粒子，而惠更斯却认为光是一种波。
　　荷兰物理学家惠更斯认为，如果光是一种粒子，那么光在交叉时就会因发生碰撞而改变方向，可人们并没有观察到这种现象，所以粒子说是错误的。他认为，光是发光体产生的振动在“以太”中的传播过程，以球面波的形式连续传播。当时人们认为以太是充满了整个空间的一种弹性粒子，当然，现在已经证明这是一种子虚乌有的东西。惠更斯认为，以太波的传播形式不是以太粒子本身的移动，而是以振动的方式传播。
　　1690年，惠更斯出版了《光论》一书，阐述了他的光波动原理。他指出：
　　“光波向外辐射时，光的传播介质中的每一物质粒子不只是把运动传给前面的相邻粒子，而且还传给周围所有其他和自己接触并阻碍自己运动的粒子。因此，在每一粒子周围就产生以此粒子为中心的波。”
　　惠更斯在此原理基础上，推导出了光的反射和折射定律，解释了光速在光密介质中减小的原因，同时还解释了光进入冰洲石所产生的双折射现象（1669年，丹麦学者巴尔托林发现了此现象，透过它可以看到物体呈双重影像）。
　　惠更斯的波动学说虽然冠以“波动”一词，但他把错误的“以太”概念引入波动光学，对波动过程的基本特性也缺乏足够的说明。他认为光波是非周期性的，波长和频率的概念在他的理论中是不存在的，所以难以说明光的直线传播现象，也无法解释他发现的光的偏振现象。惠更斯的光学理论只是很不完备的波动理论。
　　牛顿则坚持光的粒子说。他做过很多光学实验，其中就包括著名的三棱镜色散实验。其实这个实验在他之前就有人做过，不过做得不好，只获得了两侧带有颜色的光斑，而牛顿则获得了展开的光谱。而且他用各种不同的棱镜以及不同的组合方式严谨地研究了色散现象，所以不少人都认为色散现象是他最早发现的。
　　牛顿认为，既然光是沿直线传播的，那就应该是粒子，因为波会弥散在空间中，不会聚成一条直线。最直观的实验证明就是物体能挡住光而形成阴影。他在1675年12月9日送交英国皇家学会的信中鲜明地指出：
　　“我认为光既非以太也不是振动，而是从发光物体传播出的某种与此不同的东西……可以设想光是一群难以想象的微小而运动迅速的、大小不同的粒子，这些粒子从远处发光体那里一个接着一个地发射出来，但我们却感觉不到相继两个粒子之间的时间间隔，它们被一个运动本原所不断推向前进……”