【书  名】与爱因斯坦共进早餐

【作　者】(美)查德·奥泽尔(Chad Orzel) 著     

【出版者】中信出版集团

【索书号】O413-49/2732

【阅览室】自然科学阅览室

作者简介

查德·奥泽尔（Chad Orzel），美国斯克内克塔迪联合大学的天文与物理学系教授，拥有威廉姆斯大学物理学学士学位和马里兰大学帕克分校化学物理学博士学位。他也是一位科普作家，著有《如何让你的狗学会量子物理学》（How to Teach Quantum Physics to Your Dog）等三本科普读物。

目前，他和他的妻子、两个孩子及小狗查理一起住在美国纽约州。

内容简介

清晨，你的闹钟响了，你起身来到厨房，为自己烤了几片吐司，煮了一杯咖啡。但你很可能不知道，当你闻着空气中弥漫的咖啡香气时，你的这个普通早晨已经和一种极其怪诞的科学发现联系在一起了。

在普通人眼中，量子物理学的世界往往深奥得不可救药，让非专业人士望而生畏。经典物理学向我们解释了为什么一个球会滚下山坡，为什么一架飞机能飞上天空，等等；量子物理学告诉我们的则是粒子的波动性、鬼魅般的超距作用、薛定谔的猫、黑洞和时空弯曲。但无论你相信与否，即使最普通的日常活动也深受抽象而奇异的量子物理学的影响。

在这本书中，查德·奥泽尔围绕他的一个早晨和一顿早餐，揭示了我们的日常生活中隐藏的怪诞量子物理学现象。从日出、闹钟、烤面包机、食物的香味到数码照片、计算机芯片、互联网、量子密钥，这些我们熟悉的事物都与量子物理学有着根深蒂固的关系。

威廉·布莱克从一粒沙子看世界，查德·奥泽尔则从一片吐司中看到了宇宙。这本书在原汁原味地保留科学理念的前提下，让相对论、量子力学等抽象概念变得“接地气儿”。读完这本书后，相信你的普通早晨将会变得不同寻常。

太阳刚刚升起，我的闹钟就响了。我从床上爬起来，开始了新的一天。卧室外面的走廊还很暗，烟雾探测器的状态指示灯在墙上投下微弱的光。我来到楼下的厨房，准备烧水泡茶。我先看了看加热元件有没有变红，以防再次把水壶放错炉头。接下来，要做早饭了。我小心翼翼地打开冰箱，以免碰掉靠磁体吸附在冰箱门上的那些艺术品。我把几片面包放入烤面包机，然后靠着操作台等待。我时不时地晃动烤架，避免面包黏在上面。

茶还有点儿烫，无法入口。在等它冷却的同时，我一边品味着飘过来的阵阵茶香，一边打开电脑浏览新闻。每天早晨，我的社交媒体上都充斥着大同小异的内容，包括欧洲和非洲国家的早间新闻、亚洲国家和澳大利亚的晚间新闻，还有世界各地的朋友发在网上的孩子和猫的数码照片。至于电子邮件，大多是我的学生发来的作业帮助请求，还有一些是在线购物收据和快递单号通知。

喝完茶，吃完面包，我牵着狗出门散步。等我们回来，就该喊孩子们起床上学了。等他们上了公共汽车，我也该出发去学校了。每天，我都会给不同班级的学生讲授他们身边的物理学知识。

当知道我是一位物理学家时，人们经常会问我一些关于奇异现象的问题，这些生动多彩的案例反映出几十年来量子理论引发的辩论，包括那只著名的在同一时刻既活又死的薛定谔的猫，被爱因斯坦讥讽为“鬼魅般的超距作用”的量子纠缠，上帝是否真的在和宇宙玩掷骰子游戏等。这些话题既让专业物理学家无限神往，也让非科学人员浮想联翩，因为它们扰乱了我们对世界如何运转的直觉认识。

虽然物理学家与物理学的普及者已经成功地让这些抽象和看似奇怪的概念融入了流行文化，但在某种程度上，我们也是这种成功的受害者。听说这些奇怪而迷人的现象之后，大多数人都以为这类情况只会出现在耗资数十亿美元的大型强子对撞机等实验中，或者发生在像黑洞的事件视界附近那样的极端天体物理环境中。由于这些现象的反直觉性质，以及我们必须借助隐喻才能用非数学术语描述它们，因此大多数人都认为量子物理学与日常生活完全无关。

然而，如果没有“奇异”的量子物理学，那么本书开头描述的发生于一个平凡早晨的那些事都不可能发生，这也许会让你感到惊讶吧。闹钟表示的时间可以追溯到原子内部的能态，能态之所以存在，是因为电子具有波动性。我们经常用电脑相互发送有趣的猫模因，但如果没有像薛定谔的那只声名狼藉的僵尸猫那样的量子叠加，我们就无法理解在电脑中发挥核心作用的半导体芯片。如果没有奇怪的量子自旋统计定理，我们就无法解释香味的化学原理，也无法解释阻止早饭穿过餐桌掉到地上的固态物质的稳定性。

仔细审视就会发现，在我们的日常世界里，“奇异”“抽象”的量子物理学现象的影响几乎无处不在。即使是最普通的活动，例如我们每天早晨的常规活动，只要我们稍加挖掘，就会发现它们基本上也是量子现象。

乍听上去这似乎不太可能，但如果你仔细想想，就会发现确实如此。毕竟，物理学家和我们生活在同一个日常世界中。尽管最先进的物理学实验使用激光和粒子加速器，并以超出我们的日常经验水平来探索世界，但即使是最复杂的实验和观测，也必须开始和完结于日常现实。这些实验使用的精密仪器都有平凡的“血统”：即使是用来研究最神秘物理现象的工具和技术，也都是追随着奇怪现象的蛛丝马迹，经过多年一点一滴的积累形成的。而将我们引向奇异、抽象的物理现象的线索，则始于普通物体运行状态中隐藏的迹象和秘密。如果量子物理学不影响日常的宏观世界，我们就根本没必要发现它。

量子物理学的发现故事始于观测与技术，所有做过早餐的人几乎都很熟悉。第一个量子理论，也就是将“量子”一词引入物理学的那个理论，是由马克斯·普朗克提出的，目的是解释高温物体（例如电炉或烤箱中的加热元件）发出的光。尼尔斯·玻尔的氢原子模型率先将量子理论应用于物质对象。打开一盏荧光灯，它发光的背后就是物理学在起作用。

量子物理学的历史也是一部科学家大胆飞跃和侥幸命中的历史。普朗克和玻尔引入量子模型来解释经典物理学无法解释的现象，可以说这是他们在不得已的情况下做出的选择。路易·德布罗意（Louis de Broglie）为了追求数学上的优雅感，提出电子可能具有波的特性。事实证明，物质的波动性对于理解和控制电流的运动至关重要，大量的现代技术因此诞生。沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）提出的泡利不相容原理，轻松地解释了化学的基础概念。在理解就连泡利本人也没有考虑到的问题（例如，冰箱贴的物理学原理，固体不会自行坍缩的原因）时，泡利不相容原理也很重要。

阿尔伯特·爱因斯坦是这一切的关键人物，所以他的名字出现在本书封面上并不只是为了增加销量。我们通常会把爱因斯坦和现代物理学的另一个分支——相对论联系在一起，如果将他与量子理论放在一起讨论，则往往会引用他晚年对该理论做出的许多言简意赅和嗤之以鼻的评论。

但是，爱因斯坦在量子物理学的发展过程中其实扮演了一个关键角色。1905 年，也就是他创立相对论的那一年，他还研究并扩展了普朗克量子模型来解释光电效应。我们在现代生活中广泛使用的数码相机，就与光电效应这个重要的物理现象密不可分。10 年后，爱因斯坦详细阐述了光与原子之间的相互作用，为激光的发明奠定了基础，而激光是现代电信的基石。即便在爱因斯坦与量子物理学的主流分道扬镳的那一刻，他也做出了一项宝贵的贡献：他的临别赠言引入了量子纠缠的概念，这是下一代量子技术（包括不可破译的密码技术和空前强大的计算机）的核心。

本书的目的是通过深入思考前文中描述的一个普通早晨，揭示日常现实的量子基础。在接下来的章节中，我将探索多种活动，以揭示普通工作日的常规活动与一些怪诞现象之间的依存关系。在解释量子效应与日常生活之间关系的同时，我也会分享一些物理学家跟随线索发现量子效应的逸闻趣事。

本书无意把量子物理学拉下神坛，使其像工作日早餐一样平淡无奇。相反，我希望告诉大家，即使是在最简单的、我们视其为理所当然的日常活动中，也可能取得令人惊奇的发现。量子物理学是人类文明取得的最伟大的智力成果之一，充满了浮想联翩、令人大开眼界的新思想。只要我们善于观察，它每天都陪伴在我们身边。