前言

人類一直生活在量子世界里，但人們經過數十年的實驗探索和理論建構才發現這個世界。19世紀末，量子橫空出世，科學家開始發展了一套全新的理論和概念，來研究微觀世界的運動規律，這就是“量子理論”。將量子理論的思想整合成普遍適用的數學方法則稱作“量子力學”。量子力學的建立標志著人類認識自然實現了從宏觀世界向微觀世界的重大飛躍。在量子的微觀世界里，所有的一切都變得奇妙起來，與我們司空見慣的宏觀現象完全不同。量子力學以微觀視角，取代了經典力學的宏觀視角，給了世界一個完全不同的詮釋，甚至改變了物理世界的基本思想，徹底推翻和重建了整個物理學體系。

量子力學雖然很玄妙，卻不是玄學。在見識了微觀世界里量子的神秘莫測后，物理學家對量子的各種神奇特性給出了更合理的解釋，并成功地應用于現代社會的每個角落，從激光到電腦，從超導到手機，量子無處不在，幾乎所有事物的背后都有量子力學在主宰。許多以往看來不切實際的幻想，在量子力學的指引下，給我們帶來新的希望和可能，必將極大地改變人類社會的面貌。

本書的主要特點是：第一，突出了量子力學的核心思想，以此為主線貫穿于全書始終，從而給出了量子力學的清晰脈絡，向讀者立體化地展現量子思想的全貌；第二，力求對所講述的問題盡可能給出數學之外的物理意義，使讀者從零開始讀懂量子力學，逐漸認識一個完全陌生的世界，并真正窺見它的神秘和美麗；第三，注重科普性及應用性，科學屬于人類的共同事業，科學的威力在于普及和創新，科學理論從來都不會停留在紙面上，只有經過廣泛的普及和應用，才會推動人類文明的進步。本書將帶領讀者去親身體驗如何應用量子力學造福人類，讓人們享受更加豐富多彩的現代生活。

讀者怎樣學習量子力學呢？我們認為最難以理解的是量子力學的基本概念和核心思想，而不是數學推導。必要的數學基礎對于學習量子力學是重要的，但學習量子力學的主要困難在于人們的認識仍然受到傳統思維的束縛，沒有真正樹立起量子力學的觀點。例如，量子糾纏是量子力學最深刻的概念之一。在一些科普讀物中，把量子糾纏錯誤解讀為：“姐姐在某地生了一個女兒，遠在千里之外的妹妹就立即升級為姨媽。”就被解釋為“姐姐和妹妹處于糾纏態”。這樣不恰當解讀的出現，也許是科普作者的無奈之舉。如果僅僅通過與日常生活中觀察到的現象做類比，是很難理解其中的真正意義的。所以，學習量子力學要致力于改變自己的思維模式，彌補你的思維短板，真正理解量子力學不同于經典力學的嶄新的物理觀念。這些觀念主要是：

第一，微觀世界的未來是不確定的，我們永遠無法知道微觀粒子準確的動態數據，只能基于概率的方法去預言。讀者要樹立概率統計的思維。

第二，微觀世界是不連續的，它可能更像一片沙漠，遠看是連在一起的，走近才發現，它是由一粒一粒的細沙所構成。讀者要認識世界的本質是量子化的。

第三，微觀物質具有“雙重人格”，它既是粒子，又是波，將兩種性質截然不同的東西統一到一個物理客體。讀者要樹立波粒二象性的物質觀。

基于量子力學的一批顛覆性技術正在浮出水面，比如量子計算機、量子通信和量子測量等技術將是未來信息產業的基石，有望成為推動第四次工業革命的重要引擎。如何成功發展量子科技，可能變成每個國家一場輸不起的技術革命，各國也必將傾舉國之力爭奪量子科技制高點。中國已前瞻布局顛覆性技術戰略發展規劃，牢牢掌握前沿科技發展的主動權，確保量子技術水平雄居世界前列。

本書是關于量子力學的科普讀物，不可能，也不應該要求讀者具備較深厚的數學知識，否則，對量子力學有興趣但缺乏足夠數學基礎的許多讀者將被擋在門外。我們在內容取舍和講解方法上更加重視物理概念的描述，它能同時滿足三個方面讀者的需求：如果你過去沒有學過量子力學，可以把它作為入門書來讀；如果你正在學習量子力學，可以把它作為參考書來讀；如果你已經學過量子力學，可以把它當作交流心得體會來讀。

當然，對于廣大想要更好地了解未來科技發展趨向的工程技術人員和管理者，這本書會使你明白量子力學是什么，它離生活并不遠。

本書很多地方借鑒了國內外相關的文獻著作及研究成果，在此對所涉及的專家學者表示衷心的感謝。

無疑，限于作者的能力與水平，本書的缺點和不妥之處肯定不少，懇請讀者批評指正。

下面讓我們一起走進量子世界！

吳今培

于2021年4月18日