跟狗狗一起學(xué)物理

前言

　　前言　　為什麼教狗狗「物理」？量子物理介紹　　拓洛伊巿郊外有一所摩霍克暨哈德森人道救援協(xié)會，林間設(shè)有一小條步道，想收養(yǎng)狗狗的人們可以牽出來走走看。我在路旁空地的長椅坐下來，看著牽出來的狗狗?！　∷o挨著椅子坐下，用鼻子頂頂我的手，我也搔搔她的耳背做回報(bào)。太太凱特和我已經(jīng)看過許多隻狗狗了，但是這回她得上班，所以派我來挑選一隻狗狗帶回家。我腳邊的這隻狗狗，看起來頗合適。　　她是一歲大的混種德國牧羊犬，帶有牧羊犬典型的黑褐色皮毛，但是體型上比牧羊犬小，還有一副塌塌的長耳朵?；\子上掛的名牌是「公主」，不過好像不太相配?！　∥覇柕溃骸感〗?，你覺得我們應(yīng)該叫妳什麼呢？」　　她答道：「叫我艾美?。　埂　　笧槭颤N呢？」　　「笨蛋，因?yàn)檫@正是我的名字啊！」　　被狗狗叫「笨蛋」讓我有點(diǎn)兒驚訝，不過她講的也有道理?！负冒桑∵@點(diǎn)我無從置喙。那妳想跟我們一起住嗎？」　　「嗯，要看情形?！顾f道：「你們家附近有什麼小動物嗎？」　　「妳的意思是…？」　　「我喜歡追逐東西，你家有小動物可供我嬉戲玩耍嗎？」　　「這點(diǎn)沒問題。我們家的院子夠大了，而且有許多小鳥和松鼠，偶然還有兔子呢！」　　「哇哈哈哈！我喜歡兔子！」她快樂地?fù)u著尾巴。「那會出去散步嗎？你會帶我去溜躂溜躂嗎？」　　「當(dāng)然囉！」　　「那點(diǎn)心呢？我喜歡吃點(diǎn)心?！埂　　溉绻惚憩F(xiàn)良好的話，吃點(diǎn)心沒問題。」　　她看起來有點(diǎn)生氣，說道：「我是很棒很棒的狗狗，你肯定會給我點(diǎn)心的。你們是幹哪行的？」　　「拜託？現(xiàn)在到底誰在面試誰??？」　　「我得知道你配不配得上我?！箍磥怼腹鳌惯@個(gè)名字比我想得更貼切?！改銈兪菐帜男械模俊埂　　负冒?！我太太凱特是律師，而我是斯喀奈刻特迪（Schenectady）聯(lián)合學(xué)院的物理教授，做的是原子物理和量子光學(xué)的教學(xué)與研究?！埂　　噶孔邮颤N東東…？」　　「量子光學(xué)。廣義來說，是光和原子之間的量子交互作用?！埂　　嘎犉饋砗苎}雜耶?！埂　　笇Π?，不過也很引人入勝喔！量子物理具有各式各樣奇怪又奇妙的特性，例如粒子像波而波又像粒子；直到測量之前，粒子特質(zhì)都不確定；真空中充滿了即縱即逝的『虛擬粒子』等等，這一切酷斃了！」　　「呣…?！顾妓髦?，然後說道：「最後一個(gè)測驗(yàn)?！埂　　刚堈f？」　　「揉揉我的肚子。」她翻身躺下，我彎下腰撫摸她的肚子。過一會兒她站起來搖搖尾巴，說道：「OK，你過關(guān)了，讓我們回家吧?！埂　∥覀兓氐骄仍畢f(xié)會裡填寫收養(yǎng)表格，一路上她說道：「量子物理，是吧？以後我得好好學(xué)一手了?！埂　　负脴O了，在下樂意傾囊相授?！埂　∠翊蠖鄶?shù)養(yǎng)狗人士一樣，我花了許多時(shí)間對狗狗說話。大部分的內(nèi)容都很典型－別吃那個(gè)、別爬上家具、我們?nèi)ド⒉桨桑〔贿^，我們也談了一些量子物理。　　為什麼要對狗狗談量子物理呢？因?yàn)?，這正是我的本行：我是大學(xué)物理教授，理所當(dāng)然會花許多時(shí)間想量子物理?！　∈颤N是量子物理呢？量子物理屬於「近代物理」，指的是以1900年之後發(fā)展的物理法則；而在1900年之前所發(fā)現(xiàn)的物理法則，則被認(rèn)為是「古典」物理。　　古典物理是涉及日常事物的道理，例如網(wǎng)球、玩具、鍋爐、冰塊、磁鐵和電線等物理。古典的運(yùn)動法則支配任何肉眼可見物體的運(yùn)動；古典熱力學(xué)解釋物體加熱與冷卻的道理，例如引擎和冰箱的運(yùn)作。至於古典電磁學(xué)，則解釋了燈泡、收音機(jī)和磁鐵的行為。　　然而，近代物理學(xué)描述的是一個(gè)奇怪的世界，超越我們平日所見所聞。這個(gè)世界最早由 1800 年代後期和 1900 年代早期所做的實(shí)驗(yàn)中揭露顯現(xiàn)，這些現(xiàn)象無法以古典物理法則解釋，需要發(fā)展出新的場以及不同的法則?！　〗锢矸譃閮刹糠?，皆與古典物理法則有著根本的不同。其一是相對論，涉及運(yùn)動極為快速的物體，或是在有強(qiáng)重力作用的情況下。愛因斯坦在 1905 年提出了相對論，這本身即是很奇妙有趣的題目，但是不在本書涵蓋的範(fàn)圍?！　∥液凸饭氛劦氖墙锢淼牧硪粋€(gè)部份?！噶孔游锢怼够颉噶孔恿W(xué)」是指近代物理中涉及光和微小物體（如分子、原子、次原子粒子）的部份，1900 年蒲朗克創(chuàng)造了「量子」之名，愛因斯坦則是因?yàn)槭锥忍岢龉獾牧孔永碚摱A得諾貝爾獎(jiǎng)。接下來三十年左右，發(fā)展出了完整的量子力學(xué)理論。　　量子理論的創(chuàng)建者包括早期的開拓者蒲朗克和波耳（首先建立氫原子的量子模型），以及後來提出改良的費(fèi)曼和薛文格（Julian Schwinger）（兩人分別獨(dú)立研究出現(xiàn)今所謂的「量子電動力學(xué) （QED）」），都實(shí)至名歸被尊為物理界的巨擘。量子理論的一些元素甚至跳脫物理學(xué)的範(fàn)疇而廣為大眾歡迎，像海森堡的測不準(zhǔn)原理、薛丁格的貓?jiān)幷摚约皬陌鹆刑氐亩嘀厥澜缭忈屗苌钠叫杏钪??！　]有量子力學(xué)，將不會有現(xiàn)代生活。若不了解電子的量子特性，便不可能製造出讓電腦運(yùn)作的半導(dǎo)體晶片。若不了解光和原子的量子特性，將無法製造出雷射，以便讓我們用光纖電纜傳送訊息?！　×孔永碚搶茖W(xué)界的影響超越實(shí)際層面，它強(qiáng)迫物理學(xué)家面對與思索哲學(xué)方面的議題。量子物理對於我們對宇宙和物體特性的訊息加以限制，量子力學(xué)甚至改變我們對何謂測量的意義，讓我們必須從最根本開始，重新徹底思考「真實(shí)」的本質(zhì)?！　×孔恿W(xué)描述一個(gè)極端怪異的世界，在這當(dāng)中沒有東西是確定的，直到測量之前物體沒有明確的性質(zhì)。在量子世界中，相距遙遠(yuǎn)的物體以奇怪的方式產(chǎn)生連結(jié)，有完全不同歷史的各種宇宙存在；而在看似空無一物的空間中，會有「虛擬粒子」出現(xiàn)又消失?！　×孔游锢砜赡苈犉饋硐袷翘摌?gòu)的小說，但它確確實(shí)實(shí)是一門科學(xué)。量子理論所描述的世界正是我們的世界，只不過它是在微觀尺度上著眼。量子理論所預(yù)測的奇怪效應(yīng)是真實(shí)的，具有真實(shí)的效應(yīng)和運(yùn)用。量子理論的測試已經(jīng)達(dá)到難以置信的精準(zhǔn)程度，成為科學(xué)理論史上受過最精確測試的理論，即使是最奇怪的預(yù)測，也受到實(shí)驗(yàn)證實(shí)了（見第7-9章)?！　∫虼耍孔游锢砜烧f是很正點(diǎn)的東西。但是它和狗狗有何關(guān)係呢？　　其實(shí)，狗狗比大多數(shù)人類更接近量子物理。它們在探索世界時(shí)，先入為主的情況比人類更少，而且總是期待有意想不到的事物發(fā)生或出現(xiàn)。狗狗每天走同樣的街道可以一切如新：每塊石頭、每片草叢或是每棵樹木，它都會好好一嗅再嗅，彷彿從未見過一般?！　∪绻趶N房中間憑空出現(xiàn)狗餅乾時(shí)，一般人大概會嚇得魂飛魄散，可是狗狗會泰然自若地盡情享用一番。沒錯(cuò)，對大部分的狗狗來說，點(diǎn)心自動變出來是剛好而已，但是它們總是期待點(diǎn)心會隨時(shí)出現(xiàn)?！　×孔恿W(xué)對人類來說，顯得高深莫測、困難重重，因?yàn)樗銇y了我們對於世界運(yùn)作的正常期待。狗狗們則是更能敞開胸懷接納，它們認(rèn)為平日的世界本來就是一個(gè)奇怪又令人驚異的地方，而且量子理論的預(yù)測不會比開關(guān)門把更奇怪或詭異?！　『臀业墓饭酚懻摿孔游锢砗苡杏?，因?yàn)榭梢詭椭伊私庠撊绾魏腿祟愑懻摿孔恿W(xué)。學(xué)習(xí)量子力學(xué)時(shí)，有的部份正是要學(xué)習(xí)像狗狗一樣思考。若是看待世界的方式像狗狗一樣，永遠(yuǎn)有源源不絕的意外和驚奇，那麼量子力學(xué)會更容易接近與理解?！　∵@本書將我和狗狗談?wù)摿孔游锢淼膶υ拰戇M(jìn)來，每段對話後面再進(jìn)一步討論牽涉到的物理學(xué)。主題包括許多人都已聽過的概念，如波粒二元性（第1章）和測不準(zhǔn)原理（第2章)，以及較先進(jìn)的概念如虛擬粒子和QED（第9章）等。說明中包括理論的詭異預(yù)測 （實(shí)際與哲學(xué)層面），以及已經(jīng)證實(shí)這些預(yù)測的實(shí)驗(yàn)。我選擇了狗狗覺得最有趣的部份，同時(shí)也著重了讓人類覺得很驚奇的部份?！　　肝也恢?。我認(rèn)為，書的內(nèi)容還需要更多才對?！埂　　父嗍颤N？」　　「更多我??！你都沒有談到我是一隻格外聰明的狗狗?！埂　　负美?！」　　「而且也格外可愛?！埂　　府?dāng)然，但是－」　　「也不要忘記提到我的『好』，我比其他的狗狗好太多了。」　　「什麼其他的狗狗？」　　「就是其他不是我的狗狗??！」　　「拜託，這是一本談物理的書，不是寫你的書?！埂　　杆裕艺f要多寫寫我的部份嘛！」　　「反正就不是嘛！妳只能乖乖接受了。」　　「好吧！不過，物理的部份你需要我的幫忙?！埂　　甘颤N？」　　「因?yàn)橛袝r(shí)候你會遺漏一些東西，沒有回答我全部的問題，你不應(yīng)該這樣的?！埂　　副热缯f呢？舉個(gè)例子吧！」　　「呣…，我現(xiàn)在想不到。不過，如果你唸給我聽的話，我會挑出來，還可以幫你修改?！埂　　负?，聽起來不錯(cuò)。這樣吧！我們一起將內(nèi)容順過一遍，如果有你覺得不妥當(dāng)或我遺漏掉的地方，我們可以討論一下，我再把妳的意見加進(jìn)去?！埂　　副热缥覀儸F(xiàn)在的對話？」　　「沒錯(cuò)，正是如此?！埂　　付夷銜颜勗挿胚M(jìn)書裡？」　　「我保證?！埂　　溉绻沁@樣的話，我們應(yīng)該談?wù)勎覟槭颤N是最棒又可愛，以及我應(yīng)該得到更多的點(diǎn)心，還有…」　　「好，夠了夠了?！埂　　改窍禄卦僬f了?！埂　?/pre>


內(nèi)容概要
為什麼不能穿過圍牆去抓松鼠？另一個(gè)宇宙有牛排可以大快朵頤嗎？輕鬆學(xué)會狗狗也能懂的量子物理！物理學(xué)的《蘇菲的世界》，解救你的量子物理知識量子物理現(xiàn)在除了薛丁格的貓，又有動物明星出現(xiàn)了，那就是查德．歐澤教授家的德國牧羊犬艾美！為了解救廣大學(xué)生與一般人面對量子力學(xué)許多奇奇怪怪的觀念不知所措的感覺，歐澤教授開始把艾美當(dāng)成學(xué)生，用輕鬆詼諧與淺顯易懂的方式，向艾美與讀者解釋在看似正常的日常生活背後，其實(shí)蘊(yùn)含哪些量子物理極為奇異的本質(zhì)，例如像波又像粒子的行為、海森堡的測不準(zhǔn)原理，還有詭異無比的糾纏粒子與虛擬粒子等，把抽象又難懂的量子物理一次講清楚。他們還討論了量子理論的歷史，例如愛因斯坦與波耳對於量子理論真義長逹數(shù)十年的爭辯，以及量子物理對人類的貢獻(xiàn)，甚至被有心人利用成為唬人的宣傳術(shù)語等等。到底量子力學(xué)是什麼？可以幫艾美輕鬆捉到松鼠或複製永遠(yuǎn)吃不完的點(diǎn)心嗎？請跟著本書，一起感受奧妙的量子力學(xué)所帶來的無窮樂趣吧！


作者簡介
　　查德．歐澤（Chad Orzel）　　在紐約州中部出生長大，馬里蘭大學(xué)化學(xué)物理博士。目前是紐約薛奈泰迪聯(lián)合學(xué)院的天文暨物理學(xué)系教授，跟太太凱特、他們的女兒，還有狗兒愛咪一起住在學(xué)校附近。 郭兆林 　　臺大物理系畢業(yè)，美國柏克萊加大天文物理學(xué)博士，現(xiàn)任史丹佛大學(xué)物理系暨SLAC助理教授。最新譯作包括《相對論的意義》、《愛因斯坦的宇宙》、《愛因斯坦：他的人生，他的宇宙》等。 周念縈 　　臺大新聞研究所畢業(yè)，現(xiàn)旅居美國專事翻譯。


書籍目錄
推薦序 臺中一中王昭富老師推薦序 基隆女中張仁壽老師推薦序 北一女中簡麗賢老師前言　為什麼教狗狗「物理」？量子物理導(dǎo)論第1章 要走哪一邊？兩邊皆可：波粒二象性第2章 我的骨頭在哪裡？海森堡測不準(zhǔn)原理第3章 薛丁格的狗狗：哥本哈根詮釋第4章 許多世界、許多點(diǎn)心：多重世界詮釋第5章 「你睡著了嗎？」：量子芝諾效應(yīng)第6章 沒有必要挖地道：量子穿隧第7章 幽靈遠(yuǎn)吠：量子糾纏第8章 傳送一隻兔子給我：量子遠(yuǎn)傳第9章 起司兔子：虛擬粒子和量子電動力學(xué)第10章 當(dāng)心邪惡的松鼠：量子物理的錯(cuò)用誌謝延伸閱讀重要詞彙


章節(jié)摘錄
　　細(xì)推物理須行樂──從對話中汲取量子物理的概念　　簡麗賢／北一女中物理科教師　　八月初，我在溪頭參加二○一○年第九屆的「吳大猷科學(xué)營」，主題是物理新知，而且受邀擔(dān)任專題講座的國內(nèi)外物理知名學(xué)者的講授內(nèi)容，幾乎都與「量子物理」有關(guān)。我利用科學(xué)營的課餘時(shí)間閱讀《跟狗狗一起學(xué)物理》，在溪頭閱讀一本從對話中談?wù)摽赡茏屓送吮苋帷⒕炊h(yuǎn)之的量子物理的書。　　「量子物理」真的會讓人「敬而遠(yuǎn)之」嗎？如果您放棄接觸「量子物理」的機(jī)會，我只能說：「那太可惜了，而且可能是遺憾喔！」因?yàn)槲覀兊纳羁萍籍a(chǎn)品中充滿量子物理的概念，很夯、很火紅的奈米科技就是典型的粒子，未來的新科技新產(chǎn)品必然是以量子物理概念為基礎(chǔ)來研發(fā)。當(dāng)然，您可能會說：「量子物理太深?yuàn)W了，這樣的殿堂如何踏入？」如果是這樣的理由，我建議您就閱讀科普書籍，《跟狗狗一起學(xué)物理》這本書是很好的選擇，透過輕鬆的對話，讓您知道量子物理的內(nèi)容與概念，您可以輕鬆閱讀，可以分段落閱讀，在愉快沒有壓力的情況下，您就「耳濡目染」知道量子物理的專有名詞和意義，譬如說「光的二象性─粒子和波動」、「蒲朗克常數(shù)」、「證明物質(zhì)波理論的實(shí)驗(yàn)─電子繞射實(shí)驗(yàn)」、「海森堡測不準(zhǔn)原理」以及著名的近代物理科學(xué)家等?！　∪绻侵袑W(xué)生，課餘時(shí)間閱讀《跟狗狗一起學(xué)物理》，除了獲得閱讀的樂趣外，附加價(jià)值就是能在大學(xué)入學(xué)的學(xué)測中遇到這本書所提到的近代物理概念，例如這幾年考過的學(xué)測題目就出現(xiàn)「海森堡測不準(zhǔn)原理」的「位置和動量的不確定性」概念，也考過「奈米科技的量子效應(yīng)理論」等。當(dāng)然，閱讀不必太功利，閱讀應(yīng)該輕鬆愉快而且讓我們心靈充實(shí)，不論是未來要修習(xí)文、理組的中學(xué)生，還是一般的社會人士，都值得閱讀《跟狗狗一起學(xué)物理》?！　∥锢韺W(xué)界都知道，物理學(xué)界的巨擘吳大猷博士有兩位得意門生，那就是諾貝爾物理獎(jiǎng)得主楊振寧先生和李政道先生。提到楊振寧先生，我們就會想到物理學(xué)界知名的「規(guī)範(fàn)重力埸理論」。楊振寧先生和李政道先生這幾年都曾數(shù)次到臺灣為青年學(xué)子「開光點(diǎn)睛」，談?wù)摿孔游锢淼陌l(fā)展和科學(xué)家的成長歷程等，對臺灣的學(xué)子幫助很多。　　二○○七年，李政道先生在臺灣師大大禮堂追念恩師吳大猷先生的專題演講中，提到杜甫的詩句：「細(xì)推物理須行樂，何用浮榮絆此身?！顾忉屨f：「世界上除了真空外，都是由物質(zhì)構(gòu)成，物理就是萬物之理，研究物理最基本的精神就是細(xì)推，細(xì)就是細(xì)微的觀察和實(shí)驗(yàn)，推就是數(shù)學(xué)的邏輯演繹和推理，仔細(xì)地推敲萬物的道理就是物理學(xué)的內(nèi)容。」他把「細(xì)推物理須行樂，何用浮榮絆此身」做為一生做人做事的準(zhǔn)則，仔細(xì)推敲萬事萬物的道理，從事讓自己快樂的事，絕不為世間的浮名所牽絆。誠哉斯言，杜甫的詩句和李政道先生的詮釋確實(shí)值得學(xué)子深思?！　　肝锢怼埂肝蚶怼?，生活中充滿物理，在閱讀物理書籍中「悟理」。生活在二十一世紀(jì)的我們，在追求「輕、薄、短、小、美」的科技產(chǎn)品時(shí)，如果能了解量子物理，我想更能體認(rèn)在科技產(chǎn)品的背後深藏著豐富的量子物理知識，以及科學(xué)家嘔心瀝血的努力與堅(jiān)毅?！　”娝苤ｎD在他的年代裡，其學(xué)術(shù)地位可以說無與倫比，無人出其右，然而他卻謙虛地留下令人深省的名言：「如果我看得比較遠(yuǎn)，那是因?yàn)槲艺驹诰奕说募绨蛏?。」這句話深深地影響後代的科學(xué)家和普羅大眾。近代物理學(xué)家薛丁格也說：「我們的任務(wù)不在於注意沒有人見過的事物，而在於思考哪些是每個(gè)人都看得到卻尚未有人想過的問題?！归喿x物理科普書，確實(shí)可以讓我們獲得科學(xué)家給我們的啟示。



媒體關(guān)注與評論
　　「我家的狗狗可蒂說查德．歐澤的文筆比我風(fēng)趣流暢多了，現(xiàn)在她不停督促我好好改進(jìn)。查德，拜您之賜了！」　　──約翰．史卡奇（John Scalzi）《垂暮之戰(zhàn)》（Old Man’s War）作者　　「感謝查德．歐澤與可愛的艾美，我現(xiàn)在終於搞懂海森堡的測不準(zhǔn)原理了！《跟狗狗一起學(xué)物理》對於老是搞不懂近代物理的人來說真是一大福音，甚至可說是帶來一道曙光，相信我絕對不是唯一的受惠者！」　　──史賓塞．奎恩（Spencer Quinn）《狗狗偵探》（Dog On It）作者






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