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出版者:上海交通大学出版社

作者:缪毅强，姚鸣放

出品人:

页数:211

译者:

出版时间:2004-6

价格:27.00元

装帧:平装

isbn号码:9787313034250

丛书系列:

图书标签:

• 医用物理学
• 医学物理
• 放射物理
• 医学影像
• 放射治疗
• 核医学
• 生物物理
• 医疗器械
• 剂量学
• 辐射防护

《量子世界的奥秘》 第一章：微观世界的初探 在人类文明的长河中，我们对世界的认知不断深化。从古人对日升月落、星辰运转的朴素观察，到牛顿力学对宏观世界运动规律的精确描述，再到爱因斯坦的相对论对时空结构的颠覆性解读，我们对宇宙的理解逐步从宏观走向微观。当我们将目光聚焦于物质的组成单元，那些构成我们身边一切事物的“积木块”时，一个全新的、令人着迷的世界便展现在我们面前——量子世界。 本章我们将踏入这个微观领域的门槛。首先，我们会回顾经典物理学在解释微观现象时遇到的困境。例如，经典电磁理论无法解释黑体辐射的紫外灾难，也无法说明原子的稳定性。这些“不解之谜”预示着一个全新的物理理论的诞生。接着，我们将认识到能量的量子化概念，这是量子力学诞生的基石。普朗克为了解决黑体辐射问题，提出了能量不是连续的，而是以离散的“量子”形式存在的革命性观点。随后，我们将探讨光电效应，爱因斯坦在此基础上进一步发展了光量子（光子）的概念，揭示了光既具有波动性，又具有粒子性，这是波粒二象性的早期体现。最后，我们会简要介绍原子光谱的离散性，以及玻尔模型如何尝试解释原子结构和光谱规律，尽管它并非最终的完整理论，但却是理解原子内部规律的重要一步。通过这一章的学习，读者将初步领略到微观世界的奇异之处，为后续深入探索量子世界的奥秘打下基础。 第二章：波粒二象性的深刻内涵 如果说能量量子化是量子世界的第一个惊叹号，那么波粒二象性则是第二个，也是更具颠覆性的发现。在经典物理学中，波和粒子是两个截然不同的概念：波是能量的传播，具有衍射、干涉等现象；粒子是具有质量和动量的物质点。然而，在量子世界，这种泾渭分明的界限被模糊了。 本章将深入探讨波粒二象性的普遍性。我们将从德布罗意提出的物质波理论出发，了解不仅仅是光，一切物质微粒，如电子、质子，都具有波的性质。电子衍射实验的成功，更是直接证实了这一惊人预言。随后，我们将通过一系列经典的量子力学实验，例如双缝干涉实验，来深刻理解波粒二象性的表现。即使是单个粒子通过双缝，也能形成干涉条纹，这似乎违背了我们的日常直觉，却揭示了粒子在运动过程中具有的概率性和非局域性。我们将讨论概率波的概念，理解量子力学并非描述粒子的确切轨迹，而是描述粒子出现在不同位置的概率。 接着，我们将接触到量子力学中最核心的数学工具之一——薛定谔方程。我们会介绍薛定谔方程的物理意义，它如何描述量子系统随时间的演化，以及波函数在其中扮演的角色。虽然本章不会深入复杂的数学推导，但会强调薛定谔方程是理解量子行为的“牛顿第二定律”。最后，我们将讨论不确定性原理，海森堡提出的这一原理指出，我们无法同时精确测量一个粒子的某些成对的物理量，例如位置和动量。这并非测量仪器的限制，而是微观粒子本身的内在属性，是波粒二象性的必然结果。波粒二象性的深入理解，将彻底改变我们对物质和能量的认知。 第三章：量子力学的核心概念与数学框架 量子世界的奇妙之处，需要一套全新的数学语言来描述。经典物理学建立在连续的量和确定的轨道之上，而量子力学则依赖于概率、叠加态和算符。本章将为您揭示这套独特而强大的数学框架。 我们将从量子力学的基本假设开始。例如，态叠加原理，它意味着一个量子系统可以同时处于多个状态的叠加态，直到被测量时才坍缩到其中一个确定的状态。这将是我们理解量子计算机等前沿技术的重要基石。随后，我们将介绍量子力学中的核心概念——算符。我们将解释算符如何对应于物理可观测量，例如位置算符、动量算符、能量算符（哈密顿算符）。通过算符的对易关系，我们将理解某些物理量是否可以同时被精确测量，这直接与不确定性原理相联系。 接着，我们将深入探讨量子力学的概率解释。玻恩法则将告诉我们，波函数的模方代表了粒子在特定位置出现的概率密度。我们将理解量子力学预测的“概率性”并非模糊不清，而是具有深刻的统计规律。对于更深入的理解，我们将简要介绍量子力学的几种重要表象，如位置表象和动量表象，以及它们之间的联系。 最后，我们将触及量子力学在描述多粒子系统时的复杂性，并简要介绍全同粒子及其遵从的统计规律——费米-狄拉克统计和玻色-爱因斯坦统计。这些统计规律对于理解原子、分子乃至恒星的行为至关重要。本章旨在为读者建立一个坚实的量子力学概念基础，为理解后续更复杂的量子现象和应用做好准备。 第四章：量子世界中的奇异现象 一旦我们掌握了量子力学的基本框架，就可以开始探索那些令人匪夷所思的量子现象。这些现象不仅挑战了我们基于宏观世界的直觉，也为科技创新提供了无限可能。 本章将首先介绍量子隧穿效应。不同于经典力学中粒子无法越过能量壁垒的限制，量子粒子可以以一定的概率“穿过”能量壁垒，即使它的能量不足以克服这个壁垒。我们将解释这一现象在扫描隧道显微镜（STM）和核聚变等过程中的重要作用。 接着，我们将深入讨论量子纠缠。当两个或多个粒子处于一种特殊的状态时，无论它们相距多远，它们的状态之间都存在着一种深刻的关联。对其中一个粒子的测量会瞬间影响到其他粒子的状态，这种“幽灵般的超距作用”是爱因斯坦当年困惑的问题，但已经被实验反复证实。我们将介绍量子纠缠在量子通信和量子计算中的应用前景。 然后，我们将探讨量子退相干。量子系统的叠加态和纠缠态是极其脆弱的，与环境的相互作用会导致这些量子特性迅速消失，使得量子系统表现出经典行为。理解退相干是实现可控量子计算的关键挑战之一。 最后，我们将简要提及量子多体系统的复杂性，以及在某些极端条件下出现的奇异物态，例如超导、超流等。这些现象的出现，依赖于大量粒子集体表现出的量子行为。本章将带领读者领略量子世界的奇幻色彩，激发对这些现象背后深刻物理原理的好奇心。 第五章：量子力学的应用与未来展望 量子力学不仅仅是理论物理学家探索宇宙奥秘的工具，它也已深刻地改变了我们的生活，并将在未来带来更加颠覆性的变革。 本章将聚焦于量子力学的实际应用。首先，我们将回顾第一代量子技术，例如激光和半导体技术。激光的产生，正是基于原子能级的量子跃迁；半导体材料的导电特性，也离不开其电子能带结构的量子力学解释。这些技术已经广泛应用于通信、医疗、工业等各个领域。 接着，我们将展望正在蓬勃发展的第二代量子技术，特别是量子信息技术。我们将介绍量子计算的原理，以及它如何利用量子比特的叠加和纠缠特性，在某些特定问题上实现远超经典计算机的计算能力。我们将讨论量子通信，尤其是量子密钥分发（QKD），如何利用量子力学的原理实现原理上不可破解的保密通信。 然后，我们将探讨量子测量技术的进步。基于量子效应的高精度传感器，如原子钟、量子磁力计等，正在不断刷新测量极限，为科学研究和工业应用提供更强大的工具。 最后，我们将对量子力学的未来发展进行展望。从更深层次理解量子引力，到探索量子相变和新量子物态，再到利用量子技术解决能源、材料、生物医药等领域的重大难题，量子科学的前沿领域充满着无限的机遇和挑战。本章旨在展示量子力学强大的生命力，以及它在塑造人类未来中所扮演的关键角色。

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我是一个比较注重逻辑严谨性和论证深度的读者，所以我对那种浮于表面、只讲结论的书很反感。然而，这本书在保持其易读性的同时，并没有牺牲科学的严谨性，这一点非常值得称赞。作者在论述过程中，对每一个关键的物理学假设和理论基础都有着非常扎实的铺垫和论证。尤其是在处理一些有争议或者仍在发展中的领域时，作者的态度非常审慎和客观，会清晰地列出不同的主流观点及其各自的支撑证据，而不是强行灌输单一的“标准答案”。这对于培养读者的批判性思维至关重要。我尤其欣赏其中对实验设计原理的剖析，它不仅仅是告诉你“结果是什么”，更是深入探讨了“我们是如何得到这个结果的”，包括误差分析和模型局限性，这使得整本书的知识体系显得非常坚实可靠。对我来说，阅读它就像是参与了一场严密的学术研讨，知识的获取过程充满了探索和辨析的乐趣，而非被动的接受信息。

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这本书的封面设计得非常专业，那种深邃的蓝色调，搭配着简洁有力的白色字体，一下子就抓住了我的眼球。刚拿到手的时候，我还以为是那种晦涩难懂的教科书，没想到翻开目录，里面的章节划分竟然如此清晰有条理。作者似乎非常懂得读者的需求，没有一上来就堆砌复杂的公式和理论，而是用了一种非常平易近人的语言，像是在和一位有经验的老师对话。特别是关于一些基础概念的引入，简直是教科书级别的示范——先讲现象，再解释原理，最后给出实际应用中的例子，这种循序渐进的讲解方式，让我这个非科班出身的人也能快速抓住重点。我特别喜欢它对历史背景的穿插介绍，比如某项技术的诞生背后有哪些科学家的努力和探索，这让冰冷的物理知识瞬间充满了人文色彩，不再是枯燥的符号堆砌。读起来完全没有压力，反而有一种“原来如此”的豁然开朗感。这本书的排版也很舒服，字号大小适中，行间距留得恰到好处，即便是长时间阅读也不会感到眼睛疲劳。总而言之，从视觉到阅读体验，这本书都展现出了极高的水准，让人愿意沉下心去细细品味。

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我最近在准备一个跨学科的项目，急需了解一些前沿的物理学应用，但我的时间非常有限。这本书的结构对我来说简直是量身定做。它的每一章似乎都能作为一个相对独立的知识模块来阅读，而且信息密度恰到好处，既不会让你觉得信息量过载，也不会因为内容过于精简而失去实质。我发现我可以根据自己最迫切需要的知识点，直接跳到相应的章节进行深入阅读，而不会因为缺少前置知识而感到茫然。这种模块化的设计体现了作者对现代信息检索和快速学习需求的深刻理解。更让我惊喜的是，书中对于未来趋势的展望部分，虽然只是点到为止，但其预见性却非常精准，让我对这个学科未来的发展方向有了一个清晰的路线图。它不是那种只谈论过去和现在的书，它充满了对未来的思考和指向性，这对于需要规划长期学习路径的人来说，提供了宝贵的战略参考价值。

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这本书给我最深刻的感受是它带来的“连接感”。它不仅仅是在讲解孤立的物理定律，而是不断地在不同领域之间搭建桥梁。读着读着，我常常会发现，原来我们平时见到的医学影像技术，其底层逻辑竟然与远古时期人类对光线折射的研究有着千丝万缕的联系，或者说，某种治疗手段的有效性，最终可以归结到量子力学的某个基本原理上。这种跨越学科边界的宏大视野，极大地拓宽了我的思维边界。作者很擅长使用类比和隐喻，将复杂的物理过程与我们熟悉的生活场景进行类比，使得知识点之间的关联性变得异常清晰和直观。读完之后，我感觉自己看待周围世界的方式都发生了一些微妙的变化，不再仅仅停留在事物的表象，而是开始本能地去探究其背后更深层次的运作机制。这本书不仅仅是传授知识，它更像是一种思维方式的训练，教会你如何用物理学的眼光去解构和理解这个复杂的世界。

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说实话，我本来对这类涉及理工科背景的书籍是持保留态度的，总担心自己理解不了深层次的内容，但这本书彻底颠覆了我的固有印象。它最厉害的地方在于，它仿佛拥有一种“翻译”能力，能把那些高高在上、令人望而生畏的物理学概念，转化成我们日常生活中触手可及的场景。举个例子，书里讲到某一特定现象时，它不会直接甩出一个复杂的数学模型，而是会先描绘一个画面：比如，想象你在医院里接受某种检查时，身体内部发生了怎样的微观变化，然后才慢慢引出背后的物理定律是如何在起作用。这种叙事手法非常高明，它让你在不知不觉中，就已经吸收了知识的核心。而且，书中对各种图示和插图的运用也堪称一绝，那些示意图不仅清晰准确，而且往往还能起到画龙点睛的作用，比单纯的文字描述有效得多。我发现自己经常会因为一张图而瞬间领悟了好几段文字才描述清楚的概念。这本书更像是一本优秀的科普读物，而不是单纯的专业参考书，它成功地搭建了一座科学殿堂的“入门阶梯”，让更多人能够安全、愉快地走进去一探究竟。

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