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“上帝掷骰子吗:量子物理史话”,作者:[曹天元]
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上帝掷骰子吗:量子物理史话 Kindle电子书

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商品描述

序言


如果要评选物理学发展史上最伟大的那些年代,那么有两个时期是一定会入选的:17世纪末和20世纪初。前者以牛顿《自然哲学之数学原理》的出版为标志,宣告了近代经典物理学的正式创立;而后者则为我们带来了相对论和量子论,并彻底地推翻和重建了整个物理学体系。所不同的是,今天当我们再次谈论起牛顿的时代,心中更多的已经只是对那段光辉岁月的怀旧和祭奠;而相对论和量子论却仍然深深地影响和困扰着我们至今,就像两颗青涩的橄榄,嚼得越久,反而更加滋味无穷。
我在这里要给大家讲的是量子论的故事。这个故事更像一个传奇:由一个不起眼的线索开始,曲径通幽,渐渐地落英缤纷,乱花迷眼,正在没个头绪处,突然间峰回路转,天地开阔,如河出伏流,一泻汪洋。然而还未来得及一览美景,转眼又大起大落,误入白云深处不知归路……量子力学的发展史是物理学上最激动人心的篇章,我们会看到物理大厦在狂风暴雨下轰然坍塌,却又在熊熊烈焰中得到了洗礼和重生。我们会看到最革命的思潮席卷大地,带来了让人惊骇的电闪雷鸣,同时却又展现出震撼人心的美丽。我们会看到科学如何在荆棘和沼泽中艰难地走来,却更加坚定了对胜利的信念。
量子理论是一个极为复杂而又难解的谜题。她像一个神秘的少女,我们天天与她相见,却始终无法猜透她的内心世界。今天,我们的现代文明,从电脑到激光,从核能到生物技术,几乎没有哪个领域不依赖于量子论。但量子论究竟意味着什么?这个问题至今却依然难以回答。在自然哲学观上,量子论带给了我们前所未有的冲击和震动,甚至改变了整个物理世界的基本思想。它的观念是如此地革命,乃至最不保守的科学家都在潜意识里对它怀有深深的惧意。现代文明的繁盛是理性的胜利,而量子论无疑是理性的最高成就之一,但是它被赋予的力量太过强大,以致连它的创造者本身都难以驾驭,以致量子论的奠基人之一玻尔(Niels Bohr)都要说:“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论。”
掐指算来,量子概念的诞生已经超过整整100年,但不可思议地是,它的一些基本思想却至今不为普通的大众所熟知。那么,就让我们再次回到那个伟大的年代,去回顾一下那场史诗般壮丽的革命吧。我们将沿着量子论当年走过的道路展开这次探险,我们将和20世纪最伟大的物理天才们同行,去亲身体验一下他们当年曾经历过的那些困惑、激动、恐惧、狂喜和震惊。这将注定是一次奇妙的旅程,我们将穿越幽深的森林和广袤的沙漠,飞越迷雾重重的峡谷和惊涛骇浪的狂潮。你也许会感到晕眩,可是请千万跟紧我的步伐,不要随意观光而掉队,否则很有可能陷入沼泽中无法自拔。请记住我的警告。
不过现在,已经没时间考虑这么多了。请大家坐好,系好安全带,我们的旅程开始了。

文摘


我们的故事要从1887年的德国小城——卡尔斯鲁厄(Karlsruhe)讲起。美丽的莱茵河从阿尔卑斯山区缓缓流下,在山谷中辗转向北,把南方温暖湿润的风带到这片土地上。它本应是法德两国之间的一段天然边界,但16年前,雄图大略的俾斯麦通过一场漂亮的战争击败了拿破仑三世,攫取了河对岸的阿尔萨斯和洛林,也留下了法国人的眼泪和我们课本中震撼人心的《最后一课》的故事。和阿尔萨斯隔河相望的是巴登邦,神秘的黑森林从这里延展开去,孕育着德国古老的传说和格林兄弟那奇妙的灵感。卡尔斯鲁厄就安静地躺在森林与大河之间,无数辐射状的道路如蛛网般收聚,指向市中心那座著名的18世纪的宫殿。这是一座安静祥和的城市,据说,它的名字本身就是由城市的建造者卡尔(Karl)和“安静”(Ruhe)一词所组成。对于科学家来说,这里实在是一个远离尘世喧嚣,可以安心做研究的好地方。
现在,海因里希•鲁道夫•赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)就站在卡尔斯鲁厄大学的一间实验室里,专心致志地摆弄他的仪器。那时候,赫兹刚刚30岁,新婚燕尔,也许不会想到他将在科学史上成为和他的老师亥姆霍兹(Hermann von Helmholtz)一样鼎鼎有名的人物,不会想到他将和汽车大王卡尔•本茨(Carl Benz)一起成为这个小城的骄傲。现在他的心思,只是完完全全地倾注在他的那套装置上。
赫兹给他的装置拍了照片,不过在19世纪80年代,照相的网目铜版印刷技术还刚刚发明不久,尚未普及,以致连最好的科学杂志如《物理学纪事》(Annalen der Physik)都没能把它们印在论文里面。但是我们今天已经知道,赫兹的装置是很简单的:它的主要部分是一个电火花发生器,有两个大铜球作为电容,并通过铜棒连接到两个相隔很近的小铜球上。导线从两个小球上伸展出去,缠绕在一个大感应线圈的两端,然后又连接到一个梅丁格电池上,将这套古怪的装置连成了一个整体。
赫兹全神贯注地注视着那两个几乎紧挨在一起的小铜球,然后合上了电路开关。顿时,电的魔力开始在这个简单的系统里展现出来:无形的电流穿过装置里的感应线圈,并开始对铜球电容进行充电。赫兹冷冷地注视着他的装置,在心里面想象着电容两端电压不断上升的情形。在电学的领域攻读了那么久,赫兹对自己的知识是有充分信心的。他知道,当电压上升到2万伏左右,两个小球之间的空气就会被击穿,电荷就可以从中穿过,往来于两个大铜球之间,从而形成一个高频的振荡回路(LC回路)。但是,他现在想要观察的不是这个。
果然,过了一会儿,随着细微的“啪”的一声,一束美丽的蓝色电花爆开在两个铜球之间,整个系统形成了一个完整的回路,细小的电流束在空气中不停地扭动,绽放出幽幽的荧光来。火花稍纵即逝,因为每一次的振荡都伴随着少许能量的损失,使得电容两端的电压很快又降到击穿值以下。于是这个怪物养精蓄锐,继续充电,直到再次恢复饱满的精力,开始另一场火花表演为止。

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2016年10月5日
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2014年8月18日
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2017年9月16日
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2018年9月15日
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2017年7月22日
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2017年10月22日
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