描述
开 本: 16开纸 张: 纯质纸包 装: 精装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787508683379
1.前沿性和创新性。量子理论是*近热起的前沿理论，量子计算机等发明大大改变了世界的原有规律，对我们了解和解释世界提供了一种全新的思维认知方式。如果说经典物理阐述的是宏观世界的话，量子理论告诉我们的是一个微观世界的认识，而且和经典理论解释世界的认识完全相反。
2.科普性。随着人们对科普世界越来越关注，比如量子、引力波、外星球是否有生物等，量子理论作为重要的重新认识世界的理论，对我们了解和构建新的认知模式具有重要作用。
3.通俗易懂，深入浅出，大量配图。
4.权威媒体隆重推荐。
在日常生活中，我们的直觉通常都是对的。我们看到棒球飞到空中，划出一道弧线、然后下落，*后在地面静止。根据我们利用感官收集到的数据以及基本的经典力学定律，球的运动完全合情合理。
然而，一旦涉及电子运动、分子形状等关于世界上*小粒子的问题，我们自诩已经知晓的事物就彻底发生了改变。真正理解周遭的事情，读懂关于*小事物背后神秘、反直觉的科学，我们需要以量子力学理论的视角看待世界和自然。
《啤酒与肥皂》首开先河，不涉及复杂的数学，以科学小白就能够读懂的方式讲述了十分具有挑战性的量子力学理论。全书阐述清晰，以实例和图表取代密集的公式帮助读者理解：
为什么草莓是红的，蓝莓是蓝的
为什么粒子仅仅会因为被观察而从“混合”状态变成“纯态”
为什么一个光子能同时位于两个地方
为什么量子物质有时像粒子，有时又具有波的性质
为什么一块金属加热后会发红，温度升得更高后反而会变蓝
为什么盐能溶于水而油却不能
《啤酒与肥皂》遵循了史蒂芬·霍金（Stephen
Hawking）和刘易斯·托马斯（Lewis Thomas）的传统，带你探讨光子、原子、分子等跟人类量级的世界截然不同的*小粒子的反直觉世界，揭开量子力学的神秘面纱，并生动介绍了一些为当代量子物质学说作出贡献的科学家以及相应的实验。
前言 / i
第一章 薛定谔的猫 001
薛定谔的猫 004
不等同于抛硬币 006
真实现象有可能像薛定谔的猫 007
第二章 大小是绝对的 009
日常生活中的大小是相对的 011
观察方法很重要 013
大还是小——那是扰动的大小 014
大对象的因果关系 015
不可忽略的扰动很重要 017
扰动无处不在 018
大小是绝对的 018
未来无法计算——只有可能性 020
第三章 各种波 021
什么是波？ 023
波都有速度和频率 024
海洋波 025
声 波 025
经典光波 026
可见光 027
波的叠加——干扰 028
干涉模式和光干涉仪 029
第四章 光电效应和爱因斯坦的解释 035
光电效应 037
波图解释不了了 038
爱因斯坦的解释 039
红光逸出电子的速度比蓝光慢 041
非常红的光并不能使电子逸出 042
逸出的电子有多快 043
第五章 光：是波还是粒子？ 045
对干扰的经典描述并不适用于光子 047
重新描述干涉仪里的光子 050
光子与自己相干扰 051
光子可以同时存在两个地方 052
观察会带来不可忽略的扰动或改变状态 052
回看薛定谔的猫 053
回看光电效应 054
第六章 光子的大小和海森堡不确定性原则 057
粒子有波长 059
自由粒子的波函数长什么样 060
空间中布满有既定动量的粒子 061
不同波长的波之间的干扰 062
叠加原理 065
本征态 065
叠加动量本征态可能性振幅波 066
叠加状态下一颗自由粒子的动量 067
在状态叠加中粒子没有既定动量 068
处于动量叠加状态的粒子到底在哪 069
波包（wave packets） 070
动量和位置的散布范围 070
海森堡不确定性原则 072
第七章 光子、电子和棒球 075
粒子的波 077
光的衍射 078
光的衍射反映了光子的波特征 079
阴极
射线管（Cathode ray tube)中的电子就像子弹
一样 080
电子衍射中看起来像波的电子 084
电子和光子既是粒子也是波，但棒球只是粒子 086
第八章 量子短柄墙球和水果的颜色 089
盒子中的粒子——经典力学 092
盒子里的粒子——量子力学 095
盒子里的量子粒子的能量 096
波函数在壁的位置应该为零 097
波节是波函数穿过零值的点 099
所有的能源都是量子化的 100
不连续的一组能级 101
盒子里的粒子结果与现实的关联 102
分子吸收特定颜色的光 103
水果的颜色 104
第九章 氢原子的历史 107
太阳黑体辐射光谱 110
太阳光谱里的暗线 112
氢的线光谱 113
玻尔（Bohr）的氢原子理论——还差那么点 115
第十章 氢原子：量子理论 119
薛定谔方程 121
薛定谔方程对氢原子的描述 122
四个量子数 123
氢原子的能级 125
氢原子的轨域 126
s轨域的空间分布 127
径向分布函数 129
p轨域的形状 132
d轨域的形状 132
第十一章 多电子原子和元素周期表 135
与众不同的氢原子 137
轨域形状对比氢原子大的物质来说很重要 138
多电子的原子的能量级 139
把电子放进能级的三个法则 140
元素周期表 143
周期表的布局 144
闭壳层组态 147
原子都想形成闭壳层组态 147
原子的属性 148
顺着列往下原子越来越大 151
从一行的左边到右边 原子越来越小 152
第一过渡系 152
更大的原子、镧系和锕系 154
大部分元素都是金属 154
第十二章 氢分子和共价键 157
离得很远的两个氢原子 159
两个被聚拢的氢原子 160
玻恩-奥本海默近似 160
键长为能量最低时的距离 161
形成成键分子轨域 163
成键和反成键分子轨域 165
把电子放进分子轨域 166
氢分子存在但氦分子不存在 167
第十三章 什么把原子聚在一起：双原子分子 171
西格玛（σ）和派（π） 173
西格玛分子轨域 175
派分子轨域 176
双原子分子中的成键：氟分子 177
并不存在氖分子 181
氧分子：洪德法则很重要 182
氮分子 184
单键、双键和三键 184
异核双原子 186
分子的视觉模型 189
第十四章 更大的分子：多原子分子的形状 / 191
分子形状——四面体的甲烷 / 193
键之间的排斥力最小化决定了形状 / 194
孤电子对也很重要 / 196
三角形分子 / 197
推进电子 / 198
混合原子轨域——线性分子 / 199
混合原子轨域——平面三角形分子 / 201
混成原子轨域——四面体分子 / 202
含单键的碳氢化合物 / 204
大个碳氢化合物分子有多种结构 / 206
双、三碳—碳键 / 209
碳—碳双键——乙烯 / 210
碳—碳三键——乙炔 / 212
第十五章 啤酒和肥皂 / 213
醇类 / 215
室温下的乙醇是液体而非气体 / 216
水形成氢键 / 218
水是一种很好的溶剂 / 220
乙醇会与氧产生化学反应 / 220
甲醇具有强毒性 / 223
肥皂 / 224
大碳氢化合物包括油和油脂 / 224
大碳氢化合物分子可以有很多种结构 / 225
油和水不相混 / 225
肥皂分子的结构 / 226
肥皂入水形成胶束 / 227
肥皂溶解油脂 / 228
第十六章 脂肪，主要看双键 / 231
什么是脂肪分子 / 233
饱和脂肪和不饱和脂肪 / 234
脂肪分子的形状 / 235
饱和、单元不饱和以及多元不饱和脂肪 / 235
脂肪里的双键很关键 / 236
部分氢化和氢化脂肪 / 237
脂肪的氢化 / 237
看标签 / 238
反式脂肪 / 238
顺式脂肪是天然的，反式脂肪是化学加工的 / 240
反式脂肪有害 / 241
零等于没说 / 242
ω-3脂肪酸 / 242
三酰甘油 / 243
胆固醇 / 243
跟大众看法相反，胆固醇其实是有益的 / 245
胆固醇造成的问题 / 246
第十七章 温室气体 / 249
燃烧化石燃料产生的二氧化碳 / 251
燃烧甲烷：天然气 / 251
什么是温室气体 / 252
燃烧化石燃料会产生二氧化碳 / 254
能量的产生和形成的二氧化碳的量 / 255
燃烧真正的化石燃料 / 256
发电时实际产生的二氧化碳量 / 256
二氧化碳是温室气体是因为量子力学 / 257
地球的黑体光谱 / 258
吸收地球的黑体辐射 / 258
为什么二氧化碳在现在的区域有强吸收力 / 260
二氧化碳的振动模式 / 261
量子振动的能级不连续 / 262
量子化振动的能量 / 263
CO2弯曲模式吸收地球核体光谱的峰值 / 263
第十八章 芳香族分子 / 265
苯：芳香族分子的原型 / 267
双键去哪儿了 / 268
派（π）键离域 / 269
成键、反成键分子轨域 / 270
碳—碳键级是1.5 / 271
—— Choke杂志 能被时常拿在手边翻阅的书并不多。《费曼物理学讲义》和狄拉克关于量子力学的经典教材就是其中之一。麦克尔•菲尔的新书《啤酒与肥皂》也将成为这一类。不论你是科学家，还是对世界运作好奇的人，这本书都值得一读。
——李奥纳特•苏士侃（Leonard Susskind），斯坦福大学物理学教授，被公认为弦理论的创始人之一，著有《黑洞战争》（The Black Hole War）
迈克尔•菲尔教授的《啤酒与肥皂》给我们提供了一个清晰的视角将奇怪的量子世界视觉化，并对很多怪异的量子特性做了深入解读。”
——理查德•N.扎尔（Richard N. Zare），斯坦福大学自然科学教授、化学系主任 大部分非专业读者都认为量子力学的世界晦涩难懂，只有接受过严格训练的科学家才能一探究竟。而迈尔克•菲尔的《啤酒与肥皂》打破了科学的铁律，把这些内容变得生动活波、通俗易懂。
——理查德•A.爱泼斯坦（Richard A. Epstein），芝加哥大学James Parker Hall杰出教授
第一章 薛定谔的猫
薛定谔的猫
薛定谔的猫（ Schr.dinger’s Cat）经常被拿来解释用量子力学描述自然时产生的悖论。 1933年，布埃尔温 ·薛定谔（ Erwin Schr.dinger，1887—1961）和保罗·狄拉克（
Paul A.M. Dirac，1902—1984）共同获得诺贝尔物理学奖，以表彰其为量子力学的发展做出的贡献，特别是“发现了在原子理论里很有用的新形式。薛定谔一直不赞成量子理论基础的力学基本阐释。困扰薛定谔的一些点也正是本书要讨论的点。他用大家熟知的“薛定谔的猫”来描述一些困扰他的问题。这里，作者在重述薛定谔的猫这一理论时做了些修改，以简单说明用量子力学讨论日常生活看起来并不合理。但这里的版本只是为解释清楚上述问题，不是薛定谔的版本，原版更加深奥。这个场景我们后面会再讨论。我们把它比作由量子理论解释的一个真实实验，但并不是量子力学实际操作过的一个例子。
假设你面前有 1000个盒子，而在你即将参与的实验中，你要打开这些盒子。你被告知盒子里面有一只半死的猫。所以，在打开一个盒子时，你可能以为自己看到的是一只病怏怏的猫。事实上，上面的陈述需要澄清。正确的说法是，并不是盒子里的每一只猫都处于半死状态，而是每一只猫都同时处于死透或是完全健康的状态。死的和活的各占一半。换句话说，猫有 50%是活的，50%是死的。这
1000个盒子里的 1000只猫都是处于相同的状态。准备盒子的实验者没有在 500个盒子里放进 500只死猫，也没有在另外 500个盒子里放进 500只活猫。每个盒子里的猫都是一样的，都有 50%的可能性是死掉的或是完全健康的。关在盒子里时，猫的状态不变；它们依然处于半死半活的状态。当你打开盒子往里看时，你就决定了猫的命运。你查看猫是死是活的这个行为将决定这只猫是死是活。
打开第一个盒子时，你发现里面是一只完全健康的猫。打开另外三个盒子时，你发现里面有三只死猫。再打开一个，又发现一只活的。等 1000个盒子都被打开后，你发现了 500只活猫、 500只死猫。也许，更让你瞠目结舌得是如果再重新打开一遍，每个盒子里装的还是半死半活的猫，死、活的概率各占一半。即使你是按跟上一次一样的顺序打开盒子，每个盒子里呈现的结果并不一定跟前一次一样。比如，你第一次打开第 10个盒子看到是一只活猫。在第二次打开时，你会发现里面是一只死猫。第一次的实验并不能在第二次实验时告诉你每次打开盒子的结果。然而，等你再次把所有的 1000个盒子都打开后，你还是发现有 500只活猫、500只死猫。
这里我做了一点简化处理。在薛定谔的两轮实验中，每一次你不一定都能恰好发现 500只死猫、 500只活猫。这就有点像把一枚没有作假的硬币翻转 1000次。你可以得到一个特定结果的可能性是相对一件事而言，得到一个可能的累积结果是针对许多事件而言。
不等同于抛硬币
抛硬币与薛定谔的猫或者说真实的量子实验之间存在本质的差异。在丢一枚硬币之前，我知道结果要么是正面、要么是反面。在抛硬币之后，我虽然不知道结果，但硬币从头到尾都处于一种已经被完全定义的状态——正面或反面。开发一台硬币投掷机，每次都精准地呈现统一结果是完全有可能的。没有什么固有的性质会妨碍我们制造这样一台机器。如果一枚正面朝上的硬币被丢进这个机器里，一个开关就可以决定最终这个硬币是正面朝上还是反面朝上。在用手抛硬币时，“抛”这个动作的不可复制性使结果变得随机。一个装着薛定谔的猫的盒子却完全是另外一回事。这只猫是半死半活的状态。打开盒子以及观察猫的动作使它从一个“混合状态”变成了要么生、要么死的“纯粹状态”。这跟打开盒子的方式是否精准毫无关系。跟丢硬币不同的是，造一台以完全相同的方式一一打开 1000个盒子的机器并不能复制结果。打开任何一个盒子时，唯一可以确定的是找到一只活猫的概率是 50%。
真实现象有可能像薛定谔的猫
如前所述，薛定谔的猫这个问题无法在现实中操作。不过在自然中，很多粒子和很多情况确实跟薛定谔的猫里描述的情况很相似。光子（光的粒子）、电子、原子以及分子等粒子都有“混合状态”，并且在观察的过程中会变成“纯粹状态”，就像薛定谔的猫里描述的情景一样。这些构成了日常事物、过程和现象，它们在本质层面的行为乍一看和薛定谔的猫一样反常。但问题不是出在这些电子和原子的行为上，而是出在我们对事物运作的直觉上。我们的直觉建立在日常经验之上。我们用感官接收信息，而我们的感官只能观察到遵循经典力学定律的物质的行为。量子力学的世界无法用感官得到的直觉来理解，要理解并接受这部分世界，建立一种新的自然认知和直觉十分必要。
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