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圖解量子力學
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  • 圖解量子力學

  • 作者:椎木一夫
  • 出版社:商周出版
  • 出版日期:2012-05-07
  • 定價:200元
  • 優惠價:79折 158元
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內容簡介

◆本書為商周於2005年出版的《圖解量子力學》改版書! 量子力學,是二十世紀最重要的物理理論,也是最撲朔迷離的一門學問。它顛覆牛頓力學,和我們對事物的一般認知不同,但它卻能完美解釋許多古典力學無法說明的現象。 本書透過擬人化的薛家小貓,以淺顯易懂的敘述方式、精彩的比喻,以及生動扼要的圖示,將量子力學裡最基礎、也最難充分掌握的概念一此講清楚、說明白。你將會發現微觀的世界竟是如此奇妙! 除此之外,本書最後一章還介紹量子力學如何被運用,包括:在原子大小的範圍內作結構的控制,製造出臨界溫度高的超導體、兼具磁鐵與超導體等複合性質的新機能材料,以及有用的新元件;大幅提高硬碟儲存資訊密度;製造高速且容量大的記憶體;製造能同時並列執行許多計算的量子電腦;未來更可望製造出超高速電腦。 量子力學豐富了我們的生活,卻也留下諸如原子彈的負面產物。如何好好利用這項利器,不能只倚賴科學家埋頭鑽研及其道德自律,而得靠全人類的睿智。 第一步,就從「了解什麼是量子力學」開始!

目錄

◎前言

◎第一章 不問Why,問How
‧1.從日常世界進入量子力學的世界
‧2.古典力學的勝利
‧3.電與磁
‧4.把牛頓力學踢到一邊去
‧5.不問Why,問How,然後是What
‧專欄1:量子力學的價值觀

◎第二章 先來看光的問題
‧1.古典力學的破綻來自光的問題
‧2.量子力學——開始是產官學界的共同計畫?
‧3.黑體輻射問題
‧4.何謂波?
‧5.光是粒子嗎?
‧專欄2:發掘的才能

◎第三章 波與粒子的二元性
‧1.光是波,也是粒子
‧2.自然界的借貸也有基本單位
‧3.數位世界——量子是什麼?
‧4.普朗克假設的意義
‧5.貨幣的單位就是普朗克常數
‧專欄3:創造性的工作需要水平思考法

◎第四章 量子力學家族
‧1.何謂電子?
‧2.德布羅意的逆向思考
‧3.電子是粒子,也是波
‧4.量子力學家族的名字裡都有「on」
‧5.如何同時表現出是粒子,也是波的性質?
‧專欄4:物理學與音樂

◎第五章 直覺的波動力學
‧1.薛丁格方程式
‧2.波動函數的值的平方代表什麼意思?
‧3.波動函數的解釋
‧4.波包的縮併
‧5.測量問題的解答
‧專欄5:隱變數

◎第六章 量子力學的奇幻世界
‧1.兩個量不可置換
‧2.何謂算符?
‧3.進退兩難的測不準原理
‧4.攝氏零下273度的零點振動
‧5.神奇的穿隧效應
‧專欄6:分析性的思考

◎第七章 悖論
‧1.薛丁格的災難/愛因斯坦的抵抗
‧2.薛丁格的貓
‧3.平行的世界
‧4.量子力學式的「扭曲」方法
‧5.量子國的犯人
‧專欄7:魏格納的友人

◎第八章 電腦應用了矩陣力學
‧1.薛丁格王國與波耳聯邦的戰爭
‧2.何謂矩陣?
‧3.矩陣力學
‧4.電腦很懂矩陣
‧5.包矢+括矢=一個完整的括弧
‧專欄8:物理學家與數學家

◎第九章 粒子不可分辨
‧1.不可分辨性
‧2.電子計分板理論
‧3.如果無法分辨粒子的話……
‧4.玻色子與費米子
‧5.電子是費米子
‧專欄9:不可分辨性之謎

◎第十章 原子的世界
‧1.歡迎進入微觀世界
‧2.原子的結構
‧3.電子的住址
‧4.核分裂
‧5.核融合
‧專欄10:日本的原子彈研究

◎第十一章 相對論量子力學
‧1.四次元的世界
‧2.狄拉克方程式
‧3.驢子電子
‧4.基本粒子的世界
‧5.基本粒子家族
‧專欄11:磁單極子

◎第十二章 現代煉金術
‧1.現代煉金術
‧2.不可思議的超流體
‧3.超導現象
‧4.超導城市
‧5.磁矩
‧6.電晶體
‧7.電腦的機制
‧8.小型大容量硬碟
‧9.終極的記憶體——MRAM
‧10.約瑟夫森電腦
‧11.量子電腦
‧專欄12:許諾一個更美好的未來

◎索引

序跋

前言


  我是一隻貓,我的主人是叫做薛丁格的理論物理學家,所以人們又叫我薛家小貓。有些人不知道是太忙、還是太懶,也叫我薛小貓。算了,怎麼叫我都可以。我現在住在量子國裡,常常懷念躺在母親溫暖懷抱中聽到的古典力學的故事,像是……

  咦?大家比較有興趣我現在待的這個國家的故事?可是在那之前,先聽我講一些以前的故事吧。

  我會到這個國家,是因為遇到了普朗克先生。那是一百年前的事囉。那天他從鼓風爐附近的舊建築走出來,一邊逗著我口中一邊念念有詞地說,「還是搞不懂光子啊」。

  沒想到他的這句話在後來引發了很大的影響,讓我踏上了遠赴量子國的旅程。

  量子國是一個不可思議的地方。我最喜歡吃鯖魚了,主人每天都會為我買兩條魚,我都是吃得精光。但是早餐吃一條魚嫌不飽,吃兩條又消化不良。量子國裡,似乎不賣1.7條魚。母親說以前還有賣1.7條魚的小販,所以數位世界還真是傷腦筋啊。

  有一天發生了這樣的一件事。我跳上一堵磚牆,並朝主人房間開了小縫的窗戶跳了過去,沒想到我真的穿過了不可能穿過的細縫進到主人房裡。原來我是貓也是波啊。

  又有一天我出門散步,發現就在稍早還玩在一起的光子正坐在公園的長椅上。她將我抱起放在膝上,安靜地摸著我的頭。我舒服的微閉眼睛、輕輕抬起頭,就看到光子從遠處走來。玻色家的小孩都長一個模樣,完全分不出誰是誰,實在令人困擾。

  在這個國家連做的夢都很奇怪喲。我總夢到遠方還有一個我,就像照鏡子一樣,我舉起右手,對方也會舉起左手,靠近看,就感覺有一股怪力要拉著我更靠近。還來不及問,「你是誰?」「我是反薛小貓」的對話,我們就合而為一,變成光,然後消失,接著我就醒了。

  研究這個奇妙國家的我家主人很辛苦喔。

  有一陣子我聽到前來探視生病主人的波耳先生與主人的對話,「波動函數表現的是實體,」我的主人這麼說,「別開玩笑了,波動函數表現的是機率,我們哥本哈根學派的人都這麼認為。」波耳先生說。然後蹲坐在病房角落打瞌睡的我,突然就被主人一把拎起放進了一個箱子裡。

  他們要做猜測箱子打開時我是生是死的實驗。波耳先生說箱子打開的瞬間,我會是半生半死的狀態,我家主人則爭辯說不可能有那種狀態。最可憐的就是我了,他們都不在乎我的感受。不過多虧了這個實驗讓我的名氣大增。

  雖然不可思議的事情一籮筐,但是我在量子國裡可是過得很舒適,還打算待久一點。那麼,就讓我來為您介紹這個國家吧!

內文試閱

專欄一:量子力學的價值觀


  法國天文學家拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)曾經提到,我們只要清楚所有的力學定律,在給定的某個瞬間,知道存在於宇宙中的所有物體的位置與速度,便能清楚宇宙的過去、現在和未來的所有一切。古典力學的牛頓運動定律讓人產生這樣的錯覺。

  古典力學讓人們相信所有的自然現象都可以用科學解釋,相反的,這也讓人們失去夢想,因為在宇宙開始的那一刻,我們已經可以算出宇宙何時滅亡。量子力學則為這種因果論劃上休止符。稍後我們將提到,量子力學只能以機率預測結果,因此,量子力學為人類帶來希望,不管現在如何晦暗,未來仍有機會成就彩色人生。

  因果論似乎是許多人所抱持的人生哲學,相信在因果的作用下可以獲得某個確定的結果。因此在量子力學創立之初,許多人對它的機率說這個基本原理不甚滿意,因為古典力學的基礎原理是可確定的決定論。雖然在(古典)統計力學中曾出線機率的探討,但那是因為我們對於多粒子系統沒有足夠的資訊,為討論現象而不得不使用的手法,並非要否認因果論。為此,不滿量子力學機率說的人,甚至嘗試將量子力學回歸到古典力學的解釋,不過至今仍未成功。

  小時候,我們都被教導「努力必得回報」,但是換成量子力學的說法則是,「努力後獲得回報的機率增加」。事實上踏入社會後,我們會發現量子力學才比較實際,必得回報是幻想、願望,每個大人都知道雖然不一定有回報,但還是要努力。

第三章:波與粒子的二元性


1.光是波,也是粒子

  讓我們來做個複習:光有波的性質,繞射、干涉就是很好的例子,但是我們看不到光的實際振動前進,只能感覺光的能量。可能有人會說:「我看過照進黑暗房間的光線」,那並不是光的實體,而是空氣中細微塵埃所造成的光的散射。眼睛看到燈泡發光,其實是燈泡內的鎢絲被加熱所發出的白熱。

  但是從光電效應的實驗,我們知道光的強度大小取決於某個基本單位的數目多寡,而這個基本單位又是由頻率決定的。這個基本單位就是我們所說的粒子,所以光到底是波還是粒子呢?

  當我們要以既有的之事來理解未曾見過的新是務實,總是會出現這類的問題。就像瞎子摸象,摸到的部位不同,對象的理解便完全不同。瞎子甲摸到象的尾巴,他說:「大象長得跟蛇一樣」,或許因此把大象歸為爬蟲類。瞎子乙摸到象的腿,感覺像棵大樹,可能就說大象是植物。因此,要從一小部分來正確推測整體是非常困難的。

  大象是大家熟知的動物,或許不會有這種情形發生,但若換作是未知的宇宙生物,是有可能因為某項性質的研究結果,而將它歸類為植物或者是動物,此時就需要針對它到底是植物還是動物進行辯論。萬一辯論不出個所以然,便可以知道這個宇宙生物已經不是用我們的常識所能理解的,就應該說它「既是動物也是植物」。

  光是波還是粒子的爭論,就是要在已知的狹隘知識範圍內,理解全新事物的必然結果。後來我們知道光既是波(wave)也是粒子(particle),它兼具波動粒子二像性(wavicle)。光的二元性,就是量子力學的本質。

作者資料

椎木一夫

1971 年取得慶應大學工學碩士後,同年,進入日立製作所中央研究所(The Central Research Laboratory of Hitachi, Ltd.)從事研究工作。取得慶應大學工學博士後,於 1993 年受聘為慶應大學理工學院副教授,次年便升任教授。作品有《給工學院學生的量子力學》等書。

基本資料

作者:椎木一夫 譯者:朱麗真 出版社:商周出版 書系:科學新視野系列 出版日期:2012-05-07 ISBN:9789862721612 城邦書號:BU0061X 規格:平裝 / 單色 / 176頁 / 14.8cm×21cm
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