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上帝掷骰子吗(量子物理史话)(精)

作者:曹天元 出版社:京华
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  • 出版社:京华
  • ISBN:9787550217454
  • 作者:曹天元
  • 页数:381
  • 出版日期:2013-09-01
  • 印刷日期:2013-09-01
  • 包装:精装
  • 开本:16开
  • 版次:1
  • 印次:1
  • 字数:349千字
  • 开本:其他
  •    曹天元等编著的《上帝掷骰子吗(量子物理史话)(精)》是关于量子论的故事。量子论是一个极为奇妙的理论:从物理角度来说,它在科学家中间引起了最为激烈的争议和关注;从现实角度来说,它给我们的社会带来了无与伦比的变化和进步(它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础);从科学史角度来说,也几乎没有哪段历史比量子论的创立得到了更为彻底的研究。然而不可思议的是,它的基本观点和假说至今没有渗透到大众的意识中去,这无疑又给它增添了一道神秘的光环。

  • 荣获 “科学时报读书杯”**科普创作奖(2005)
      第三届“吴大猷科普奖”(2006)
      **图书馆文津图书奖(2007)
      中国版《时间简史》,**性与趣味性兼备,超好看的科普佳作

  • 这本书是关于量子论的故事。量子论是一个极为奇妙的理论:从物理角度来说,它在科学家中间引起了*为激烈的争议和关注;从现实角度来说,它给我们的社会带来了无与伦比的变化和进步;从科学史角度来说,也几乎没有哪段历史比量子论的创立得到了更为彻底的研究。然而不可思议的是,它的基本观点和假说至今没有渗透到大众的意识中去,这无疑又给它增添了一道神秘的光环。
      这本书带读者做一次量子之旅,从神话时代出发,沿着量子发展的道路,亲身去经历科学史上的乌云和暴雨,追逐流星的辉光,穿越重重迷雾和险滩,和*伟大的物理学家们并肩作战。除了回顾基本的历史背景,还将向着未来探险,去逐一摸索量子论面前的不同道路,闯入人迹罕至的未知境地,和先行者们一起开疆扩土。让人惊叹的,不仅仅是沿途那令人眼花缭乱的绚丽风景,更来自于人内心深处的思索和启示——那是科学深植在每个人心中不可抗拒的魅力。
      这本书适合任何有中学基本物理概念的读者。 

  •  曹天元(Capo),出生于上海,足迹遍及内地、香港和美国,现居香港。本人不愿透露具体身份。

  • 序                        
    **章黄金时代                            
    第二章乌云                            
    第三章火流星                            
    第四章白云深处                            
    第五章 曙光
    第六章 殊途同归
    第七章 不确定性
    第八章 决战
    第九章 歧途
    第十章 回归经典
    第十一章 不等式的判决
    第十二章 新探险
    尾声
    外一篇 海森堡和德国原**计划
    后记
    主要参考资料
    人名索引

  •   **章 黄金时代
      一
      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《*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**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 RudolfHertz)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**成为和他的老师亥姆霍兹(Hermannvon 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(CarlBenz)一起成为这个小城的骄傲。现在他的心思,只是完**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*好的科学杂志如《物理学纪事》(AnnalenderPhysik)都没能把它们印在论文里面。但是我们**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。

      赫兹*加紧张了。他跑到窗口,将所有的窗帘都拉上,同时又关掉了实验室的灯,让自己处在一片黑暗之中。这样一来,那些火花就显得格外醒目而刺眼。赫兹揉了揉眼睛,让它们*为习惯于黑暗的环境。他盯着那串间歇的电火花,还有电火花旁边的空气,心里面想象了一幅又一幅的图景。他不是要看这个装置如何产生火花短路,他这个实验的目的,是为了求证那虚无飘渺的“电磁波”的存在。那是一种什么样的东西啊,它看不见,摸不着,到那时为止谁也没有见过,验证过它的存在。可是,赫兹对此是坚信不疑的,因为它是麦克斯韦(Maxwell)理论的一个预言,而麦克斯韦理论……哦,它在数学上简直**得像一个奇迹!仿佛是上帝之手写下的一首诗歌。这样的理论,很难想象它是错误的。赫兹吸了一口气,又笑了:不管理论怎样无懈可击,它毕竟还是要通过实验来验证的呀。他站在那里看了一会儿,在心里面又推想了几遍,终于确定自己的实验无误:如果麦克斯韦是对的话,那么每当发生器火花放电的时候,在两个铜球之间就应该产生一个振荡的电场,同时引发一个向外传播的电磁波。赫兹转过头去,在不远处,放着两个开口的长方形铜环,在接口处也各镶了一个小铜球,那是电磁波的接收器。如果麦克斯韦的电磁波真的存在的话,那么它就会飞越空间,到达接收器,在那里感生一个振荡的电动势,从而在接收器的开口处也同样激发出电火花来。
      图1.1 赫兹的装置及简图(Schleiermacher 1901)
      实验室里面静悄悄地,赫兹一动不动地站在那里,仿佛他的眼睛已经看见那无形的电磁波在空间穿越。当发生器上产生火花放电的时候,接受器是否也同时感生出火花来呢?赫兹睁大了双眼,他的心跳得快极了。铜环接受器突然显得有点异样,赫兹简直忍不住要大叫一声,他把自己的鼻子凑到铜环的前面,明明白白地看见似乎有微弱的火花在两个铜球之间的空气里跃过。是幻觉,还是心理作用?不,都不是。一次,两次,三次,赫兹看清楚了:虽然它一闪即逝,但上帝啊,千真万确,真的有火花正从接收器的两个小球之间穿过,而整个接收器却是一个隔离的系统,既没有连接电池也没有任何的能量来源。赫兹不断地重复着放电过程,每一次,火花都听话地从接收器上被激发出来,在赫兹看来,世上简直没有什么能比它*加美丽了。
      良久良久,终于赫兹揉了揉眼睛,直起腰来:现在一切都清楚了,电磁波真真实实地存在于空间之中,正是它激发了接收器上的电火花。他胜利了,成功地解决了这个8年前由柏林普鲁士科学院提出悬赏的问题;同时,麦克斯韦的理论也胜利了,物理学的一个新高峰——电磁理论终于被建立起来。伟大的法拉第(MichaelFaraday)为它打下了地基,伟大的麦克斯韦建造了它的主体,而**,他——伟大的赫兹——为这座大厦封了顶。
      赫兹小心地把接受器移到不同的位置,电磁波的表现和理论预测的分毫不爽。根据实验数据,赫兹得出了电磁波的波长,把它乘以电路的振荡频率,就可以计算出电磁波的前进速度。这个数值在可容许的误差内恰好等于30万公里/秒,也就是光速。麦克斯韦惊人的预言得到了证实:原来电磁波一点都不神秘,我们平时见到的光就是电磁波的一种,只不过普通光的频率正好落在某一个范围内,而能够为我们的眼睛所感觉到罢了。
      无论从哪一个意义上来说,这都是一个了不起的发现。古老的光学终于可以被**包容于新兴的电磁学里面,而“光是电磁波的一种”的论断,也终于为争论已久的光本性的问题下了一个似乎是不可推翻的定论(我们马上就要去看看这场旷日持久的精彩大战)。电磁波的反射、衍射和干涉实验很快就做出来了,这些实验进一步地证实了电磁波和光波的一致性,无疑是电磁理论的一个巨大成就。
      赫兹的名字终于可以被闪光地镌刻在科学史的名人堂里。虽然他英年早逝,还不到37岁就离开了这个奇妙的世界,然而,就在那一年,一位在伦巴底度假的20岁意大利青年读到了他的关于电磁波的论文。两年后,这个青年已经在公开场合进行无线电的通讯表演,不久他的公司成立,并成功地拿到了专利证。到了1901年,赫兹死后的第7年,无线电报已经可以穿越大西洋,实现两地的实时通讯了。这个来自意大利的年轻人就是古格列尔莫?马可尼(GuglielmoMarconi),与此同时俄国的波波夫(AleksandrPopov)也在无线通讯  领域做了同样的贡献。他们掀起了一场革命的风暴,把整个人类带进了一个崭新的“信息时代”。如果赫兹身后有知,他又将会做何感想呢?
    但仍然觉得赫兹只会对此置之一笑。他是那种纯粹的科学家,把对真理的追求当作人生*大的价值。恐怕就算他想到了电磁波的商业前景,也会不屑去把它付诸实践的吧?也许,在美丽的森林和湖泊间散步,思考自然的**奥秘;在秋天落叶的校园里,和学生探讨学术问题,这才是他真正的人生吧?**,他的名字已经成为“频率”这个物理量的单位,被每个人不断地提起,可是,说不定他还会嫌我们打扰他的安宁呢?
      图1.2 赫兹无疑,赫兹就是这样一个淡泊名利的人。1887年10月,基尔霍夫(Gustav RobertKirchhoff)在柏林去世,亥姆霍兹强烈地**赫兹成为那个教授职位的继任者,但赫兹却拒*了。也许在赫兹看来,柏林的喧嚣并不适合他。亥姆霍兹理解自己学生的想法,写信勉励他说“一个希望与众多科学问题搏斗的人*好还是远离大都市。”
      只是赫兹却没有想到,他的这个决定在冥冥中忽然改变了许多事情。他并不知道,自己已经在电磁波的实验中亲手种下了一个幽灵的种子,而顶替他去柏林任教的那个人,则会在一个命中注定的时刻把这个幽灵从沉睡中唤醒过来。在那之后,一切都改变了,在未来的30年间,一些**奇妙的事情会不断地发生,**地重塑整个物理学的面貌。一场革命的序幕已经在不知不觉中悄悄拉开,而我们的宇宙,也即将经受一场暴风雨般的洗礼,从而变得*加神秘莫测,光怪陆离,震撼人心。
      但是,我们还是不要着急,一步一步地走,耐心地把这个故事从头讲完。


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