第一推动丛书 综合系列:实在终极之问 [Science and Ultimate Reality: Quantum Theory, Cosm]

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约翰·巴罗 编,朱芸慧 罗璇 雷奕安 译



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发表于2024-12-23

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图书介绍

出版社: 湖南科学技术出版社
ISBN:9787535794383
版次:1
商品编码:12312056
包装:平装
丛书名: 第一推动丛书综合系列
外文名称:Science and Ultimate Reality: Quantum Theory, Cosm
开本:32开
出版时间:2018-02-01
用纸:胶版纸
页数:484###


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图书描述

编辑推荐

约翰·惠勒是20世纪很有影响的科学家之一,“黑洞”这一术语就是惠勒教授提出来的。

惠勒的研究为20世纪下半叶的物理学发展勾勒出了方向,他在探索世界真理的过程中表现出了恢宏气度。

2018年新版的《第*推动丛书》全新设计了版式和封面,简约个性,提升了阅读体验,让科普给你更多想象。

随书附赠价值39.6元由汪洁、吴京平掰开揉碎,带你懂科学好书的《经典科普解读课》6折券。

内容简介

这本为庆祝著名理论物理学家约翰?惠勒90周岁生日而出版的文集,汇集了像惠勒教授一样顶*的科学家们对世界本质问题的*新研究成果,如:宇宙是怎么来的?为什么世界是量子的?存在是什么?物质的本原是信息吗?……这些问题是我们愿意思考却又难以回答的。此书带我们了解有关世界本质的知识,也是我们了解神秘宇宙的一本珍典。

作者简介

约翰·巴罗(John Barrow),美国天体物理学家,著名科学作家。2008年被皇家学会授予“法拉第奖”,他曾荣获“洛克天文学奖”和皇家格拉斯哥哲学学会开尔文奖章。

译者介绍:

朱芸慧,罗璇,雷奕安

目录

第一章 赫拉克利特之传承:约翰·惠勒及探索之痒

第二章 自然为什么要用量子理论来描述

第三章 它来自量子比特

第四章 波函数:实体还是信息

第五章 量子化的成因?实体来自信息?观察者和世界互动?——惠勒的三个深刻问题及相关实验

第六章 能说和不能说的,过去和未来

第七章 非局域“薛定谔之猫”:一个探索量子-经典边界的思想实验

第八章 关于量子力学,量子计算机能告诉我们什么

第九章 宇宙暴胀和“时间之箭”

第十章 宇宙学和永恒性

第十一章 平行宇宙

第十二章 量子引力论:结论和展望

第十三章 涌现:我们因此而生

第十四章 真正复杂性及其存在论

译后记

精彩书摘

第2章:自然为什么要用量子理论来描述(部分)

约翰·A. 惠勒最喜欢问两个问题,一个是:“存在是怎么来的?”另一个就是:“量子是怎么来的?”(Wheeler 1998)第一个问题实在太难了,根本无从答起。因此,本文将试图回答第二个问题,也就是:“为什么要用量子理论来描述自然?”

这个问题的答案又会是什么样子的呢?也许我们能从历史中得到一些启示。17世纪,物理学家在面对着行星运动的开普勒定律时,可能和我们现在处境一样。应用开普勒定律,虽然可以经验地准确预言行星的运动,但这组定律却过于深奥,应用范围也太小,让人看不透“为什么”行星要这样运动。不久,牛顿指出,开普勒的三大定律,可以通过他的一套力学定律(牛顿三定律),加上万有引力定律推导出来。到这一步,物理学家才终于敢说,自己多少“理解”了行星的运动。当然,当时还有不少谜团并没有完全解开,牛顿自己也不理解:为什么万有引力可以超距作用,没有媒介怎么传递相互作用呢?

这个问题,直到爱因斯坦的广义相对论出现,才得到解答。历史上的另一个例子就是洛伦兹变换。洛伦兹告诉我们,麦克斯韦方程经过他的变换,形式不变。而与此相反,牛顿力学下,明明更直观的伽利略变换,却没有这种不变性。其实,这里洛伦兹变换的地位,就像前面的开普勒定律一样,非常实用,但是“为什么”自然要选择它们,而不是更简单的伽利略变换呢?要知道,如果要采用洛伦兹变换,就意味着会出现尺缩效应等反常现象。最终,爱因斯坦回答了这个“为什么”的问题。他指出,洛仑兹变换完全可以由两条非常自然的原理推导出来,这两条原理即:物理定律在任何惯性参照系中都相同;光速不变性原理(光速和光源的速度无关)。这样一来,那些奇怪的尺缩现象也就显得好理解了。

这样的探索,给我们带来了莫大的满足。通过寻求更深刻、更合理的物理原理,我们觉得,那些原本神秘的物理现象,可以理解了。这种探索,不仅仅在于试图建立表现自然的数学规则,还在于所寻求的是更为基本的原理,从而阐述自然最深刻、最合理的规律。

然而,物理学的进步,不仅仅给予了我们理解世界的满足感(虽然这种感觉也挺重要的),更重要的是,新的理论能在更大的范围内适用,并能给出更精确的预测。过去的经验表明,对已有的,物理背后深层原理的探求,能够促使新理论的诞生。从开普勒定律到牛顿运动学,然后到狭义相对论,再到广义相对论,物理学的发展历程,多次雄辩地证明了这一点。而这又更加激发了我们探索量子力学背后的深层原理的热情。


本文中,我们要讨论量子力学。当前的量子理论,包含了一套形式算符体系。比如,态由作用于复希尔伯特空间中的一个正定算符表示,态的演化由一个幺正算符的作用表示,而概率可以用求迹法则来计算。和行星运动的开普勒定律、洛仑兹变换一样,这些数学规则同样抽象,而且只能针对某个具体问题。但我们需要的是,一个更基本的量子原理,从中不但可以推导出现有的定律,而且还有可能像以前的基本原理一样,给人新的启示。我们希望它简单直观,让现在各种反直觉的量子效应得到一个合理的解释;我们还希望它的出现能进一步推动量子力学的发展(比如得到量子引力理论)。当最终找到了那个根本原理的时候,我们就能说,我们已经回答了惠勒教授“量子是怎么来的”这个问题。

在深入这些问题细节之前,我们先来看看量子理论到底是一门什么样的科学。量子理论应用广泛,然而它的根本却在概率的计算,也许把它称为量子概率论更为准确。因此,量子理论的前身并不是人们通常认为的经典力学,而应该是经典概率论。由于不管哪一种概率理论都适用于各种问题(比如丢硬币问题、骰子问题、统计力学和统计光学),显然我们不能以应用的领域(是力学、光学还是电磁学)来区别经典和量子概率论,这两者的区分要取决于某种更基本的原理。事实上,这两种概率理论都属于同一种数学理论。本来,经典概率论就一直被当作数学,而不是物理课程来讲授。而把量子概率论归入物理的一部分,那是由于,量子物理的发展恰好揭示出经典概率论不再适用的地方,从而导致了新的概率论——量子概率论的诞生。但实际上量子理论(量子概率论)和量子物理的关系,与经典概率论和经典物理的关系是一样的,量子理论和经典概率论都是某种元理论(meta-theories)。明白了量子理论和经典概率论的不同,或许就能问答惠勒教授的问题。下面我们就来说明这一不同。

我们将回答惠勒教授的问题:“量子是怎么来的?”我们会给出量子理论的5条公理,从而推导出离散希尔伯特空间的量子理论。这5条公理不但显得简单合理,而且其中4条在经典概率论和量子概率论中都是成立的。量子概率论和经典概率论的不同,仅仅是余下的一条公理引起的,这条公理就是,任意两个纯态之间存在连续可逆的变换,正是这一“连续”的概念导致了量子论的产生。这些工作首先发表于哈代( Hardy 2001,亦见 Hardy 2002),这里我们只摘要出主要论点,证明的细节请参见Hardy 2001。

探讨量子理论起源和结构的文章有很多1。这其中的很多文章是从量子逻辑的角度,试图从建立测量(当作逻辑命题)之间的逻辑关系出发,构建量子理论。

近年来,受到惠勒教授的问题的启发,许多人试着从合理的基本假设来推导量子理论,其中福斯( Fuchs 2002)和策林格( Zeilinger 1999)的论文很有意思,值得一读。


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