沙灘上的薛丁格，生活中的量子力學

推薦序：迎接嶄新的量子時代──欒丕綱

前言：神祕的理論，與離經叛道的物理學家

第一章：揭開旅程序幕──歡迎來到量子世界
用一句話形容量子力學！
量子力學的十個大哉問：
1.    何時以及為何要建立量子力學理論？
2.    「量子」是什麼意思？
3.    量子力學的發展史上，有哪些重要的實驗？
4.    量子力學理論是否經過詳盡的驗證？
5.    量子力學對哪些領域有興趣？
6.    量子力學與其他理論的差異為何？
7.    有沒有一項原則，可以讓人了解整個量子力學理論？
8.    量子力學主要應用於哪些領域？
9.    量子力學跟我們有什麼關係？
10.    為什麼光在量子力學中占有重要地位？
量子星球 場、力、能量

第二章：光有兩張面孔！？
一九〇〇年：各領域承先啟後的一年
光是一種波動嗎？
愛因斯坦眼中的量子化世界
黑光燈和普朗克常數
量子星球 其實科學從未完備過
量子星球 波動是什麼？
量子星球 光電效應的應用：人工視網膜和月球的土壤
量子星球 每個理論都有自己的常數

第三章：量子躍遷與確定性的終結
能量的量子化與量子躍遷
愛因斯坦的狡猾機率
海森堡的無限表格
量子星球 光子真的存在嗎？
量子星球 狡猾的宇宙：上帝似乎很會擲骰子？
量子星球 勸你別讀這段說明！
量子星球 量子力學需要新的語言

第四章：萬物皆為機率波
德布羅意發現了物質波！
沒錯，是波動......但是物質波！
王子的新衣：薛丁格方程式
量子星球 一九二二年的阿羅沙，薛丁格未能完成的發現
量子星球 物質波真的存在嗎？
量子星球 穿隧效應：沒有空間的空間
量子星球 令人著迷的虛數
量子星球 一九二五年的阿羅沙：方程式中的情慾

第五章：量子測量：閱讀的當下，你已經改變了這本書！
古典測量是什麼？
量子測量是什麼？
突如其來的塌陷！波包塌縮
海森堡的測不準原理
時間流逝而過的狹縫
太空中的「去同調」
量子星球 量子力學完全沒有模糊地帶
量子星球 彼此相像卻有差異的測量方式
量子星球 來想像不存在的測量儀器吧！
量子星球 陰陽互補的聯盟
量子星球 宇宙規模的實驗
量子星球 費曼的路徑積分表述
量子星球 量子芝諾效應：只要一直測量，就無法變化！
量子星球 量子力學有太多很扎實、但不完整的答案

第六章：量子力學的核心：薛丁格的貓
存在與不存在，這兩者能同時存在嗎？
量子位元 ：量子密碼學和量子電腦
從量子糾纏到量子遙傳
解密！薛丁格的貓
尋找詮釋的協奏曲
量子星球 可以在火車上整理房間嗎？你在開玩笑嗎？
量子星球 古典密碼學的基本概念
量子星球 量子霸權與去同調
量子星球 瞬間移動真的存在量子世界中！
量子星球 勇往直前的冒險家！
量子星球 測量的問題、去同調、意識扮演的角色
量子星球 從振動的水滴到量子氣候

第七章：自旋、迷失身分、光與物質
旋轉、跳躍，不停轉動的自旋！
迷失身分的神奇現象
場的關鍵：光與物質的結合
量子星球 包立和自旋：介於失誤與神來一筆之間
量子星球 難道沒有軌道的話，粒子就不存在嗎？
量子星球 物質的組成結構（目前已知的範圍）
量子星球 發送給外星生物的訊息？
量子星球 我們談的到底是哪一種真空？

結語：迷人的量子，以及未來的前景
重力、暗物質、暗能量……很危險嗎？
從生物學到量子意識
這不過是另一場旅程的開端！
量子星球 希格斯玻色子：慣性產生質量
量子星球 追求量子力學的普遍性
量子星球 量子生物學之父──薛丁格
量子星球 抱持開放的心與思考的腦

參考書目

前言

神秘的理論、離經叛道的物理學家

　　您即將開始的這趟旅途十分危險。
　　深入量子力學奇異的世界雖是趟非凡的旅程，
　　但沒有人可以完好如初地歸來……

　　在量子力學的世界中，神秘的貓可以維持半死半活、狡猾的老鼠只需看一眼月亮就能讓月亮存在、特定的作用可以在時間與空間之外進行、物體可以同時存在於兩個位置，還能從一個位置瞬間前往另一個位置，不需經過任何中介地點……在這個世界中，萬物都只是機率和想像中的波動、物質只不過是不斷重新創造的短暫振動、所謂「真空」充滿著大量能量、無限小的量和無限大糾結在一起、平行世界因為人的意志而無限增加、荒謬和命運並肩而行……

　　「人生中最開心的時刻，就是啟程前往未知世界的時候。」——英國探險家理察．弗朗西斯．伯頓的日記（Richard Francis Burton，1821-1890）

　　量子力學到底是什麼呢？抽象語言愛好者打造的純粹人工知識？為了解答形上學疑問提出的詭異數學算式？與哲學、瘋狂只有一線之隔的非主流科學理論？如果這個理論的預測能力並沒有被證明如革命般強大，也許很多人會回答是的。畢竟，量子力學的理論雖看似瘋狂，卻通過非常嚴謹的實驗驗證。不過，量子力學的確偶爾令人感到疑惑難懂，尤其是在討論光與物質之間的相互作用的時候。

　　然而，量子力學並非一位隱藏自己的美人。她並沒有將自己謎團般的精采之處隱藏起來，不讓微觀世界的探險家一探究竟。雖然難以注意到，但量子力學其實存在於我們日常生活中的每一個動作：滑智慧型手機、用手指敲鍵盤，乃至每次使用含電子元件的裝置，其實都涉及量子力學！因為，如果沒有量子力學，人類就無法理解二極體和電晶體如何運作，因而也無法製造電路、微處理器和快閃記憶體。如果沒有量子力學，就沒有物質波、原子鐘和GPS。沒有量子力學，就沒有雷射、磁浮列車、超精準醫療影像和超安全通訊工具。

　　未來，當我們使用電子投票、刷信用卡、使用穿戴式裝置、在地球上或太空中移動時，我們的環境已充滿人類透過量子力學，在實驗室中創造的各種裝置，例如量子電腦、使用量子遙傳的裝置，還有石磨烯和碳奈米管等新物質。

　　此外，如同法國廣播節目主持人阿美桑（Jean-Claude Ameisen，1951-，為免疫學家，亦主持科普節目）所說：晚期的研究顯示量子效應也存在於生物體之中，例如植物行光合作用、特定候鳥的眼睛等等。在此之前，由於生物體太過複雜、不易維持量子同調這麼細微的現象，所以學界從未討論過此領域的量子效應。現在，甚至連人類意識──或者說是傳遞人類精神所觀察到的資訊的轉變過程──看起來似乎也與量子力學有關……

　　的確，就如美國物理學家萬伯格（Steven Weinberg，1933-）所說：「從發現量子力學的那天起，人類便不再是相同的人類了。」這本書邀請您參與的旅程，超乎尋常。
 
　　在所有量子力學的重要探險家和學者之中，有誰比埃爾溫．薛丁格（Erwin Schrödinger，1887-1961）更適合當這趟旅程的導遊呢？他的名氣或許不如普朗克、愛因斯坦、費曼；前瞻性的視野或許不如波耳、德布羅意、包立；也並未和狄拉克、馮紐曼和海森堡等人一同名列量子力學的早期先驅（別擔心，如果沒聽過這些名字，這本書正是為您量身訂做！）但是薛丁格的一生和其著作，正象徵著量子力學的發展。

　　薛丁格的年紀介於兩代見證量子力學誕生的物理學家之間。他也促成了幾乎所有量子力學發展中的里程碑──建立了量子力學的核心方程式「薛丁格方程式」，這是現代許多科學技術應用原理的起源。他成功整合量子力學理論的兩大版本（海森堡、玻恩和約當的「矩陣力學」，以及他自己受法國學者德布羅意影響而發展的波動力學）。他也提出了著名的「薛丁格的貓」思想實驗，用以批評量子力學的標準詮釋，並與好友愛因斯坦一同提出「量子糾纏」的基本概念。不僅如此，他更持續研究能整合現代物理兩大支柱（量子力學和廣義相對論）的超級理論，儘管結果徒勞無功。另外，他也對哲學，還有科學和靈性間的關聯充滿熱情。最後，他為一九八〇年後全新的「量子生物學」領域打開了大門。

　　薛丁格不只在科學研究中拒絕墨守成規，他在感情、友誼和人生的選擇上亦如是。他擁有自由的靈魂，拒絕任何形式的傳統，儼然是當年的科學代表人物。他也大大地翻轉了許多常識。人們不斷重新發現、欣賞他的科學與哲學作品。但似乎還需要時間的沉澱，我們才能真正認識薛丁格的遠見與全貌。

　　愛因斯坦曾說：「發明，就是從另一個角度思考。」薛丁格的一生與作品就是最好的例子，他的每一步都為我們點亮量子力學更豐富的內容！