量子物理學 Quantum Physics: What Everyone Needs to Know

1900年左右，物理學家發現了像電子、質子和中子這樣的粒子。
這些發現被認可，使得他們能夠預測原子的內部行為。
然而，當他們將預測與實際的實驗結果對比時卻發現，經典物理學和力學的原理遠不能解釋原子尺度的現象。
這種認識的形成，使量子物理學的出現成了人類歷史上最重要的智力運動之一。
今天，量子物理學無處不在：它解釋了我們的計算機如何工作，
激光如何通過互聯網傳輸信息，並允許科學家準確地預測自然界中幾乎所有粒子的行為。
物理學的運用，一直是調查與我們的世界和宇宙相關的最廣泛問題的根本。

雖然眾所周知，量子物理學領域和原理幾乎可以被無限應用，
但是，要理解出現這種情況的根本原因遠沒有那麼容易。
本書中，量子物理學家Michael G. Raymer提取了這種抽象領域的基本原則，
並且從很多方面提出了量子物理學是當今科學的一個關鍵因素，也是人人都需知、可知的科普知識。

Michael G. Raymer
美國物理學會會士，美國光學學會會士，美國俄勒岡大學物理學教授。
主要研究方向為量子力學、量子信息科學、非線性光學和激光物理。
曾擔任《物理評論快報》(Physical Review Letters）和《現代光學雜誌》(Journal of Modern Optics）編委會成員。

譯者
吳純白
激光物理專家，美國俄勒岡大學物理學博士，致力於量子和非線性光學的研究。
現就職於德國大陸集團（Continental AG）汽車事業部，擔任高級資深光學工程師。
曾在《物理評論快報》、《美國光學學會期刊》
（Journal of the Optical Society of America）等雜誌上發表過多篇論文，並獲美國專利。
博士生導師為本書作者邁克爾· G.雷默。

1什麼是量子物理學？
1什麼是量子物理學？2
量子物理學怎樣影響著我們的日常生活？4
什麼是物理學理論，以及什麼是物理學課題？5
為什麼當我們談論物理時會使用“模型”這個詞？7
為什麼2015年是量子物理學特別成功的一年？8
為什麼有些物體可以用經典物理模型來描述，而有些卻
需要用量子物理模型來描述？10
什麼是組成物理世界的最基本實體？12
光在經典物理學和量子物理學中的描述有何不同？15
光探測的離散性具有什麼物理意義？16
人們有可能製造出並且探測到單光子嗎？19
量子物理學是如何被發現的？21
電磁場具有量子本質嗎？25
2量子測量以及測量產生的後果29
什麼是經典物理學中的“測量”？30
什麼是光的偏振？31
我們怎樣確定或者測量光的偏振？33
如果光包含有多種偏振，會發生什麼？36
如果光是純偏振光，但偏振不在H或者V方向，
會發生什麼？37
這些測量偏振的結果背後有什麼物理意義？39
什麼是光的相干性？它扮演了什麼角色？41
我們可以測量單光子的偏振嗎？43
我們如何製備偏振在某一特定方向上的純偏振態單光子？45
你可以通過量子測量來確定單光子的偏振態嗎？45
光的偏振態在經典物理學和量子物理學中的區別是什麼？46
我們如何預測光偏振態測量中的概率？47
在量子領域中進行測量到底是什麼意思？51
什麼是互補測量？52
為什麼宏觀物體看上去具有確定的性質，但組成它的
量子個體卻不具備這種確定性？54
什麼是我們所指的物體的“態”？55
什麼是量子態？56
鮑勃有可能在實驗上確定愛麗絲製備的量子態嗎？58
鮑勃能複制(克隆)一個光子的量子態嗎？60
什麼是量子相干性？61
什麼是量子力學的指導性原則？61
量子力學到底描述了什麼？63
3應用量子數據加密65
人類可以利用量子物理學來創造出絕對安全的通信網絡嗎？66
加密是如何使信息保密的？66
絕大部分的加密方法都能被破譯，這是真的嗎？67
有沒有一種無法破譯的加密方式？69
文本信息在二進制編碼中如何顯示？70
文本信息是如何被二進制密鑰加密和解密的？71
光子的偏振態是如何被用來創建安全密鑰的？71
量子密鑰分發是基於哪些物理學原理？73
量子密鑰分發的工作原理是什麼？75
如果有竊聽者，情況會怎樣？78
愛麗絲和鮑勃如何得知竊聽者伊夫是否存在？80
如果伊夫一直存在怎麼辦？81
伊夫有可能使用其他更好的竊聽方式嗎？83
量子密鑰分發的研究現狀是什麼？83
4量子行為85
在沒有被測量的情況下，量子物體的行為是什麼？86
電子和彈珠的行為有什麼區別？86
為什麼電子總是落到山羊上？88
如果我們改變設置，結果會怎麼樣呢？89
如果我們擋住一條路徑，會發生什麼？90
到目前為止，我們可以得出什麼結論？91
我們可以測量電子運動的路徑嗎？92
為什麼我們不能把同樣的邏輯用在彈珠上呢？93
什麼是共軛表現？94
有沒有其他共軛過程的例子來說明主要論點？96
一個過程如果是共軛的，會有哪些進一步的後果？97
在雙路徑實驗裡，物質的表現可不可以和光子的表現相同？100
光子的表現會不會偶爾符合經典概率論？102
我們如何把上述的討論總結為一個物理學原理？103
在量子物理學中，什麼是一次測量？104
一個量子物體可以同時出現在兩個地點嗎？104
量子密鑰分發是如何利用共軛過程這個概念的？105
量子理論如何描述具有兩種可能性的態？106
量子理論是如何描述一個擁有兩條可通過路徑的電子的？106
狀態箭頭可以用來代表宏觀物體的“態”嗎？109
結果的概率和量子可能性是如何联系在一起的？109
一個電子是如何被“分離”進入兩條路徑的？110
當路徑干涉出現時，如何使用狀態箭頭來計算概率？111
如果我們更改其中一條路徑，會發生什麼？113
我們怎樣把上面的想法總結成一個指導性原則？114
如果我們進一步改變路徑長度，結果會怎樣呢？114
從上面的實驗中我們能否推導出一個普適性原則？118
本章的結束語是什麼？120
5應用方面——用量子乾涉感應重力123
什麼是感應技術？124
感應引力強度有什麼用途？125
怎樣利用量子物理學來感應引力？126
本章的引力干涉儀和前一章的電子乾涉儀有什麼不同？129
中子乾涉儀是一個有實際意義的引力感應器嗎？129
6量子概率和波動性131
波這個概念是如何被引入量子理論的？132
什麼是波？132
什麼是波干涉？134
什麼是量子概率波？135
psi波函數是如何掌控其內部時序的？137
是什麼決定了粒子內部時鐘的循環時間或者頻率？138
我們如何把提出的指導性原則結合成一個有條理的
量子理論？140
什麼是動量，以及什麼可以改變動量？141
什麼是能量？143
薛定諤方程是怎樣描述量子物體在時空中的運動過程的？144
量子概率波是怎樣和概率聯繫在一起的？146
能否舉一個薛定諤方程在應用中的實例？147
一個量子粒子是如何穿過0概率區域的？149
什麼是海森堡不確定性原理？150
電子既是粒子又是波的說法正確嗎？153
7里程碑和三岔路口155
當你來到三岔路口時，你應該做什麼？156
迄今為止，我們有哪些重要的里程碑？157
8定域實在論的終結和貝爾測試163
物理實驗可以探究“實在論”的本質嗎？164
什麼是相關性？它告訴了我們什麼？165
能否舉一個有關相關性屬性的例子？166
能否舉一個有關相關性表現的例子？167
相關性是如何被計量的？168
經典相關性和量子相關性的區別是什麼？172
什麼是實在論，以及我們如何在實驗裡測試它？173
如何為測試實在論做好準備？175
如果我們只能進行部分測量，那會怎麼樣呢？178
怎樣阻止實驗雙方之間互通信息？181
什麼是定域實在論？183
什麼樣的實驗可以推翻定域實在論？183
對於原子中釋放的光子對，是不是任何量子態都能
產生上述結果？191
在上述討論中，是否有任何漏洞或者瑕疵？192
什麼樣的實驗克服了潛在的瑕疵？193
約翰·貝爾對於這樣的實驗結果做出了什麼評價？193
定域實在論這一觀點的崩塌意味著我們必須放棄經典
直覺和經典物理學嗎？195
我們應該放棄定域因果原則或者實在論嗎？
或者兩者都放棄？195
9量子糾纏和隱形傳態197
什麼是量子糾纏？198
我們如何表示一個複合體的量子態？199
我們如何表示光子對的量子糾纏態？201
我們如何製備處於貝爾糾纏態的光子對？203
貝爾糾纏態是如何違背定域實在論的？204
關於一個量子組合體的組成部分，哪些是你可以知道的？206
在實際情況中，知道了關於量子組合體所能知道的
一切將意味著什麼？207
什麼是我們利用量子糾纏可以做到，而沒有量子糾纏
就做不到的？209
量子糾纏是怎樣使量子態的隱形傳送變為可能的？210
在愛麗絲那裡發生的事會影響鮑勃那邊嗎？213
量子態的隱形傳送是瞬時的嗎？214
人類可以被隱形傳送嗎？215
量子態的隱形傳送有什麼用？216
10應用——量子計算217
信息是有形的嗎？218
什麼是計算機？218
計算機是怎麼工作的？220
單個邏輯門可以有多小？223
我們可以創造出使用內在量子表現的計算機嗎？224
什麼是量子比特？225
哪個物理原理區分了經典計算機和量子計算機？226
量子計算機會使用哪些邏輯門？227
我們將如何操作量子計算機？231
為什麼質因數分解很難？234
量子計算機如何解決質因數問題？237
量子計算機還能解決計算機科學中的其他難題嗎？239
量子計算機可以解決哪些物理和化學難題？241
為什麼製造量子計算機如此艱難？244
製造量子計算機的前景如何？245
用哪些方法有希望製造出量子計算機？246
11能量量子化和原子249
什麼是能量量子化？250
為什麼當一個粒子受到約束時，能量會被量子化？250
在一個原子中，電子的能量是如何量子化的？253
為什麼電子不會停留在勢阱的底部？256
原子如何吸收光波？257
一個原子如何輻射出光？260
經典物理學理論中電子圍繞原子核進行軌道運動的說法，
在量子物理學理論中變成了什麼？260
環形psi波函數和量子尺有什麼關係？262
電子的psi波函數在三維空間是什麼樣的？262
12應用——利用量子技術感應時間、位移和引力265
什麼是基於量子物理學的感應技術？266
什麼是時間的科學定義？266
什麼是時鐘？267
我們怎樣才能製造出完全相同的時鐘？268
為什麼基本量子體可以被製成最完美的時鐘？269
為什麼先進的時鐘技術非常重要？270
目前的原子鐘有多精確？272
原子鐘的基本工作原理是什麼？273
最先進的原子鐘是如何工作的？275
什麼是慣性傳感器？278
什麼是加速度計？279
常規加速度計是怎麼工作的？280
加速度計有什麼用途？281
什麼是重力儀？它的用途是什麼？282
常規重力儀如何工作？282
第一台量子重力儀是如何工作的？284
高級量子重力儀如何工作？285
原子乾涉儀可以探測到引力波嗎？288
13量子場和它的激發子291
什麼是經典物理學中的粒子和場？292
統一了粒子和場這兩個概念的量子物理學原理是什麼？294
如果我們測量一個量子場，會發生什麼？296
網格的量子理論如何被應用到光波上？298
什麼是量子場？300
什麼是光子？301
粒子和場是同一種事物的不同形態嗎？302
場和粒子的統一也適用於電子上嗎？302
為什麼我們看不到普通物體的出現和消失？304
宇宙是由什麼組成的？305
什麼是真空？305
基本粒子是怎樣獲得質量的？307
還有其他事實為量子場的存在提供證據嗎？309
對量子場的理解解開了貝爾關係式的謎團嗎？311
對量子場的理解解開了量子測量的謎團嗎？312
為什麼關於量子場的討論被推遲到接近本書的結尾處？313
14有待解決的問題和爭議315
關於量子物理學，有哪些是我們不知道的？316
什麼樣的自然界是量子理論試圖告訴我們的？317
量子理論很明顯的一個問題是什麼？318
量子糾纏態是如何更新的？321
海森堡的觀點解決了“測量難題”嗎？323
退相干有什麼用？327
“從實際情況出發”，足夠嗎？328
量子概率是私有的嗎？330
這一切都在我的腦海裡嗎？334
相干性萬歲？336
為什麼貝爾關係式會出現？341
本書的意義是什麼？342
註釋345