什麼是量子力學：探索量子世界的奧祕 (電子書)

總序
第1篇 量子力學是什麼
01 經典力學的世界
02 施特恩-格拉赫實驗
03 級聯施特恩-格拉赫實驗
04 實驗初分析
05 新的力學
06 測量與狀態
07 死結
08 疊加態
09 回顧實驗
10 不對易
11 量子力學
12 系統狀態
13 力學量
14 靜態的影像
15 薛丁格的工作
16 薛丁格方程
17 基本框架
18 一個電子
19 表象
20 玻恩規則
21 波函式
22 位置表象
23 不連續的問題
24 直覺和反直覺
25 波粒二象性
26 能量是否連續
27 定態薛丁格方程
28 能量本徵態
29 勢函式
30 自由粒子
31 一維無限深方勢阱
32 不連續性
33 氫原子
34 原子模型
35 雙縫實驗
36 不確定性原理
37 量子力學詮釋
38 結語
第2篇 不確定性原理到底在說什麼
39 常見的誤解
40 力學量的平均值
41 方差和標準差
42 不確定性原理
43 一般的不確定關係
44 對易式
45 對易的力學量
46 不對易的力學量
47 位置-動量不確定關係
48 傅立葉變換
49 能量-時間不確定關係
50 時間的意義
51 結語
參考文獻
後記

總序
2018年5月，當我在網路上寫下第一篇關於相對論的科普文章時，不會想到有一天我的文字會以紙質書的形式出現，更加想不到不只出版一本，而是會有一個系列。

我的第一篇長文是從談「宇稱不守恆」開始的。一開始我也沒打算把文章寫得特別長，只是發現為了把宇稱不守恆講清楚，就需要費不少筆墨。然後這篇文章就火了，它被推上熱榜，在網路上被很多「大號」轉載，閱讀量也隨之暴漲，我突然發現原來這種深度長文還是很受歡迎的。於是趁熱打鐵，繼續科普楊振寧先生更加重要的楊-米爾斯理論，然後這篇文章就更火了。

經此一役，我徹底確定了自己的文風。我發現與其為了追求更新頻率寫一些短文，還不如花精力把一個問題徹底講透，打磨一篇長文。雖然文章的更新頻率降低了，但文章品質卻有了極大的提高，影響力也更大了，我稱這種高品質長文為「主線文章」。

與此同時，我發現了一件更加重要的事：當我試圖把一個問題徹底講清楚，特別是想給中小學生也講清楚的時候，文章的語言就必須非常通俗，邏輯就必須非常縝密，這個過程會倒逼我把問題想得非常清楚。因為你只要有一點想不明白，科普的時候就會發現難以說清楚，問題也就暴露出來了，於是我們就可以針對這一點繼續學習。如果沒有這個過程，我們無法知道自己到底哪裡不懂，學的時候感覺都懂了，一考試又不會，跟別人講也講不清楚。這種以輸出倒逼輸入，以教促學，能極大提高自己學習效率的方法在《禮記·學記》裡叫「教學相長」，在現代有一個很時髦的名字叫「費曼學習法」。

從此以後，我就迷上了寫這種主線長文。2019年5月，我寫了第一篇關於相對論的主線文章。因為愛因斯坦主要是從協調牛頓力學和麥克思韋電磁理論的角度創立狹義相對論的，為了把這個過程理得更清楚，我從2019年7月開始連續寫了3篇關於麥克思韋方程組的文章。又因為麥克思韋方程組是用微積分的形式寫的，我在2019年12月又寫了關於微積分的主線文章。也就是說，整個2019年，我一共寫了6篇主線長文，文章的數量雖然大幅度減少了，但影響力卻大大提高了。

進入2020年，我繼續寫關於相對論的主線文章。為了把愛因斯坦創立狹義相對論的過程搞清楚，我基本上把市面上所有相關的書籍都買了回來，在網上查詢各種論文和資料，花了大半年時間寫了兩篇共約5萬字的主線文章。這雖然是兩篇科普文章，但我卻感覺是用通俗的語言完成了一篇科學史論文。

寫完關於狹義相對論的三篇主線文章以後，不知道出於什麼原因（好像是因為聽到很多朋友說自己的孩子到了高中就覺得物理很難，不怎麼喜歡物理了），我決定先寫一篇關於高中物理的主線文章，幫助中學生從更高的視角看清高中物理的脈絡，順便也應付一下考試。這篇字數高達4.5萬的文章於2021年1月完成，它是我第一篇閱讀量「10萬+」的文章，也第一次讓我知道原來公眾號最多只能寫5萬字。

在出書之前，很多家長都是把我的文章列印下來給孩子看的，整個過程麻煩不說，閱讀體驗也不好，現在就可以直接買書了。有了紙質書，大家還可以很方便地送親戚，送朋友，送學生，反而拓寬了讀者範圍。這件事情也讓我意識到：如果想讓中小學生盡可能多地看到我寫的東西，那出書就是一項非常重要而且必要的工作。於是，我的出書流程加快了。

當我在2021年5月完成了質能方程的主線文章後，狹義相對論的部分就完結了。接著，我又花了近一年時間，於2022年4月完成了關於量子力學的科普文章。再加上2019年就寫好了的三篇關於麥克斯韋方程組的長文。

如此一來，，「長尾科普系列」初具雛形。當然，既然是系列，那後面就肯定還有更多的書，它們會是什麼樣子呢？

很明顯，我現在對相對論和量子力學非常感興趣。我寫了很多關於狹義相對論的文章，為了更容易理解狹義相對論，我就寫了麥克思韋方程組，為了更容易理解麥克思韋方程組，我又寫了微積分，這就是我寫文章的內在邏輯。現在狹義相對論寫完了，那接下來自然就要寫廣義相對論，對應的書名就是《什麼是相對論（廣義篇）》。而廣義相對論又跟黑洞、宇宙密切相關，所以後面肯定還要寫與黑洞和宇宙學相關的內容。

此外，量子力學我才剛開了一個頭。本書也只是初步介紹了量子力學的基本框架，那後面自然還要寫量子場論、量子力學的詮釋、量子訊息等內容，最後再跟廣義相對論在量子引力裡相遇。總體而言，相對論和量子力學的後續文章還是比較容易猜的，我依然會用通俗的語言和縝密的邏輯帶領中小學生走進現代科學的前沿。至於數學方面，我一般都是科普物理時用到了什麼數學，就去寫相關的數學內容。

我對「科學」這個概念本身也極感興趣。科學這個詞在現代已經被用濫了，大家說一個東西是「科學的」，基本上是想說這個東西是「對的，好的，合理的」，它早已經超出了最開始狹義上自然科學的範疇。在這樣的語境下，我們反而難以回答到底什麼是科學了。所以，我希望能夠像梳理愛因斯坦創立狹義相對論的歷史那樣，把「科學到底是怎麼產生的」也梳理清楚，然後再來回答「什麼是科學」。而大家也知道，追溯科學產生的歷史就不可避免地要追溯到古希臘哲學，所以我又得去學習和梳理西方哲學，這樣一來工作量就大了。

因此，光是想想上面兩部分內容，我猜想沒有一二十年是搞不定的，「長尾科普系列」實在是任重而道遠。好在，我自己倒是非常喜歡這樣的學習和思考工作，並且樂此不疲，時間長就長一點吧。

最後，我一直非常重視中小學生這個群體，很希望他們也能讀懂我的文章，畢竟他們才是國家科學的未來。因此，我會在不影響內容深度的前提下，不斷嘗試提高文章的通俗度，降低閱讀門檻，努力在科普的深度和通俗度之間做到一個合適的平衡。就目前的效果來看，現在這種形式大概可以做到讓中學生和部分高年級小學生能看懂，再往下就會有點吃力了。因此，如果還想進一步降低閱讀門檻，讓科學吸引更多的人，那就得嘗試一些新的表現形式了。比如，我可以嘗試把愛因斯坦創立相對論的過程用小說的形式表現出來，將自然科學的觀念放在小說的背景裡潛移默化地影響人，量子世界的各種現象其實也很適合偵探小說的形式，這些想想就很刺激。更進一步，如果可以透過這樣的方式將科學思想、科學精神影視化，那影響範圍就進一步擴大了。

想遠了，不過這確實是我遠期的想法。夢想總是要有的，萬一有時間去實現呢？至於以後「長尾科普系列」會不會包含這方面的內容，那就只有交給時間來證明了。

長尾君