前言

人类一直生活在量子世界里，但人们经过数十年的实验探索和理论建构才发现这个世界。19世纪末，量子横空出世，科学家开始发展了一套全新的理论和概念，来研究微观世界的运动规律，这就是“量子理论”。将量子理论的思想整合成普遍适用的数学方法则称作“量子力学”。量子力学的建立标志着人类认识自然实现了从宏观世界向微观世界的重大飞跃。在量子的微观世界里，所有的一切都变得奇妙起来，与我们司空见惯的宏观现象完全不同。量子力学以微观视角，取代了经典力学的宏观视角，给了世界一个完全不同的诠释，甚至改变了物理世界的基本思想，彻底推翻和重建了整个物理学体系。

量子力学虽然很玄妙，却不是玄学。在见识了微观世界里量子的神秘莫测后，物理学家对量子的各种神奇特性给出了更合理的解释，并成功地应用于现代社会的每个角落，从激光到电脑，从超导到手机，量子无处不在，几乎所有事物的背后都有量子力学在主宰。许多以往看来不切实际的幻想，在量子力学的指引下，给我们带来新的希望和可能，必将极大地改变人类社会的面貌。

本书的主要特点是：第一，突出了量子力学的核心思想，以此为主线贯穿于全书始终，从而给出了量子力学的清晰脉络，向读者立体化地展现量子思想的全貌；第二，力求对所讲述的问题尽可能给出数学之外的物理意义，使读者从零开始读懂量子力学，逐渐认识一个完全陌生的世界，并真正窥见它的神秘和美丽；第三，注重科普性及应用性，科学属于人类的共同事业，科学的威力在于普及和创新，科学理论从来都不会停留在纸面上，只有经过广泛的普及和应用，才会推动人类文明的进步。本书将带领读者去亲身体验如何应用量子力学造福人类，让人们享受更加丰富多彩的现代生活。

读者怎样学习量子力学呢？我们认为最难以理解的是量子力学的基本概念和核心思想，而不是数学推导。必要的数学基础对于学习量子力学是重要的，但学习量子力学的主要困难在于人们的认识仍然受到传统思维的束缚，没有真正树立起量子力学的观点。例如，量子纠缠是量子力学最深刻的概念之一。在一些科普读物中，把量子纠缠错误解读为：“姐姐在某地生了一个女儿，远在千里之外的妹妹就立即升级为姨妈。”就被解释为“姐姐和妹妹处于纠缠态”。这样不恰当解读的出现，也许是科普作者的无奈之举。如果仅仅通过与日常生活中观察到的现象做类比，是很难理解其中的真正意义的。所以，学习量子力学要致力于改变自己的思维模式，弥补你的思维短板，真正理解量子力学不同于经典力学的崭新的物理观念。这些观念主要是：

第一，微观世界的未来是不确定的，我们永远无法知道微观粒子准确的动态数据，只能基于概率的方法去预言。读者要树立概率统计的思维。

第二，微观世界是不连续的，它可能更像一片沙漠，远看是连在一起的，走近才发现，它是由一粒一粒的细沙所构成。读者要认识世界的本质是量子化的。

第三，微观物质具有“双重人格”，它既是粒子，又是波，将两种性质截然不同的东西统一到一个物理客体。读者要树立波粒二象性的物质观。

基于量子力学的一批颠覆性技术正在浮出水面，比如量子计算机、量子通信和量子测量等技术将是未来信息产业的基石，有望成为推动第四次工业革命的重要引擎。如何成功发展量子科技，可能变成每个国家一场输不起的技术革命，各国也必将倾举国之力争夺量子科技制高点。中国已前瞻布局颠覆性技术战略发展规划，牢牢掌握前沿科技发展的主动权，确保量子技术水平雄居世界前列。

本书是关于量子力学的科普读物，不可能，也不应该要求读者具备较深厚的数学知识，否则，对量子力学有兴趣但缺乏足够数学基础的许多读者将被挡在门外。我们在内容取舍和讲解方法上更加重视物理概念的描述，它能同时满足三个方面读者的需求：如果你过去没有学过量子力学，可以把它作为入门书来读；如果你正在学习量子力学，可以把它作为参考书来读；如果你已经学过量子力学，可以把它当作交流心得体会来读。

当然，对于广大想要更好地了解未来科技发展趋向的工程技术人员和管理者，这本书会使你明白量子力学是什么，它离生活并不远。

本书很多地方借鉴了国内外相关的文献著作及研究成果，在此对所涉及的专家学者表示衷心的感谢。

无疑，限于作者的能力与水平，本书的缺点和不妥之处肯定不少，恳请读者批评指正。

下面让我们一起走进量子世界！

吴今培

于2021年4月18日