現(xiàn)在，科普讀物的出版和發(fā)行已經(jīng)成為圖書出版商和發(fā)行商的重要利潤來源。要出一本好賣的科普讀物，一般的做法是把單詞量控制在 100 000 左右（大約 200 頁），并且不要使用太多圖表或照片。目標(biāo)讀者群是受過一定教育，并對科學(xué)有一般興趣的讀者。這一出版領(lǐng)域的另一分支是科普工具書的出版，如百科全書、地圖集等。我們面向的讀者群處于這兩個之間。我們希望我們出的書不僅僅能夠使上面說的受過教育的的讀者感興趣，也能，而且更重要的是，激起年輕讀者們的好奇和思考。我們認(rèn)為，讓年輕的讀者了解一點(diǎn)物理學(xué)的激動人心之處是非常重要的，因?yàn)檫@可能使年輕人以后去接受物理學(xué)的挑戰(zhàn)，從事有關(guān)的研究。在當(dāng)今這個世界上，年輕人們有很多很多的選擇，大家一般都會認(rèn)為像自然科學(xué)和數(shù)學(xué)這樣的學(xué)科是很難的。

當(dāng)然，要想理解這些學(xué)科，不付出努力是不行的，要想真正掌握它們，更是要付出數(shù)年的艱辛。所以我們不可能保證讀者們能夠很快收獲頗豐。但我們可以保證的是，學(xué)好數(shù)學(xué)和自然科學(xué)，一定能夠使我們更深入地了解這個迷人的世界我們生活的世界，一個量子的世界。還有一點(diǎn)需要指出，那就是我們好像進(jìn)入了一個怪圈，由于我們越來越依賴于科學(xué)和技術(shù)，這個世界也變得在技術(shù)上也越來越脆弱了，因?yàn)榱私馕覀兯�依賴的這些技術(shù)的人越來越少。但是我們文明的必須延續(xù)，因此我們必須激勵年輕的人們接受科學(xué)的挑戰(zhàn)。這些年輕人才是我們這本書的真正目標(biāo)讀者群。但是我們希望我們采用的文字，大量的圖表、彩色照片，著名科學(xué)家的傳記等，本身也很有意思，能受到受過教育的讀者們的歡迎。

我們本講解量子力學(xué)的書，《量子世界》（The Quantum Universe），出版于 1987 年。當(dāng)時的迫切需要是，把量子力學(xué)的奇異原理介紹給普通的讀者，因?yàn)檫@一理論是日常生活中用到的很多高技術(shù)設(shè)備的工作基礎(chǔ)。因此，簡單地介紹了量子力學(xué)基本原理之后，我們更注重解釋如何從量子力學(xué)的角度來理解原子、原子核、所有的化學(xué)元素，以及天上的星星。量子力學(xué)使似乎不可思議的硅芯片成為現(xiàn)實(shí)，也是我們今天看到的成千上萬的激光器件的基礎(chǔ)。

它不僅僅能解釋木星的結(jié)構(gòu)，也使我們能夠理解在我們的太陽和其他恒星中，巨大的能量是怎么產(chǎn)生的。由于在基本原理層面上，量子理論非常奇怪，很難理解，因此我們特意避免去討論各種哲學(xué)方面的問題，并根據(jù)理查德·費(fèi)曼的意見，采取了一種注重實(shí)際效果的做法。我們側(cè)重說明這一理論的實(shí)際結(jié)果是什么，不管看起來有多么奇怪。自從量子力學(xué)在二十世紀(jì)二十年代由尼爾斯·玻爾（Niels Bohr），埃爾文·薛定諤（Erwin Schrdinger），沃納·海森堡（Werner Heisenberg），保羅·狄拉克（Paul Dirac）等創(chuàng)立以來，除了應(yīng)用更為廣泛以外，這么多年似乎并沒有什么新的發(fā)現(xiàn)。

但讓我們吃驚的是，在近的十五年里，量子技術(shù)突然產(chǎn)生了巨大的進(jìn)展。雖然沒有出現(xiàn)新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的量子理論的權(quán)威性，但的確有了很多激動人心的新發(fā)現(xiàn)。主要的進(jìn)展是，我們可以越來越熟練地控制量子體系。因此我們相信，我們正在親眼目睹科學(xué)王國中一個嶄新的學(xué)科量子工程學(xué)的誕生。這一學(xué)科的名字本身，就意味著在這個新世紀(jì)里，我們將越來越熟練地在量子尺度上控制和操作物質(zhì)，并將引起另一類新的引人入勝的應(yīng)用納米技術(shù)的出現(xiàn)。這對半導(dǎo)體工業(yè)來說，顯然具有非常重大的意義。我們將看到，很快摩爾定律就要失效了。摩爾定律是指，計算機(jī)芯片里面晶體管的數(shù)目，也就是芯片計算速度和存儲量，每隔十八個月就會翻一番。再過大約十年，硅芯片上的特征尺寸（晶體管或?qū)Ь�）將變得非常小，以至于硅片上單個原子或電子的性質(zhì)將對芯片產(chǎn)生決定性的影響。這些量子物質(zhì)不能通過經(jīng)典理論描述。如果量子工程師們不能提供替代的有競爭力的新技術(shù)，摩爾定律就要失效了，每十八個月升級一次計算機(jī)也不必要了。已經(jīng)出現(xiàn)的一種可能的替代技術(shù)是量子計算。量子計算機(jī)不像在現(xiàn)行的經(jīng)典計算機(jī)上那樣把信息嚴(yán)格限定為1和0，它允許在算法中使用量子位 qubits（量子位），大致相當(dāng)于一個存儲位上同時存著 1 和 0來進(jìn)行計算。

這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了一個嶄新的研究領(lǐng)域量子信息理論的誕生和發(fā)展，并且很有可能已經(jīng)在密碼學(xué)中得到了實(shí)際應(yīng)用。雖然我們這本書的原意是講解量子力學(xué)，但是為了適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，我們大量改寫和更新了有關(guān)量子技術(shù)應(yīng)用的章節(jié)。另外，我們加了新的一章量子工程學(xué)，專門介紹納米技術(shù)和量子信息論的基本原理和應(yīng)用。

正如我們說過的，在以前出版的關(guān)于量子力學(xué)書中，我們采納了費(fèi)曼的建議，避免提出諸如但是怎么會是這樣呢？之類的問題。但是，近的十五年里，人們對理解量子力學(xué)這一理論越來越感興趣了，因?yàn)楫吘惯@一理論解釋了我們生活的世界的基本物理原理。因而我們另加了一章量子佯謬，向讀者介紹尼爾斯·玻爾與阿爾伯特·愛因斯坦之間那一場沒有完結(jié)的爭論。是玻爾創(chuàng)立了量子力學(xué)的正統(tǒng)哥本哈根學(xué)派理論，也是這一理論有力的支持者。根據(jù)玻爾的解釋，不確定性和不可預(yù)測性是量子理論的內(nèi)秉屬性，而量子體系的實(shí)際物理觀測值是可以討論的。[xi]玻爾的長期朋友和同事，阿爾伯特·愛因斯坦，一直不同意這一正統(tǒng)理論，并窮其余生與玻爾爭論不休。他把他對哥本哈根詮釋的反對總結(jié)為一句眾所周知的名言：上帝不擲骰子！在一場冗

長而沒有結(jié)論的爭論之后，愛因斯坦直到去世那一刻仍然不相信量子力學(xué)理論。他去世不久，愛爾蘭物理學(xué)家約翰·貝爾（John Bell）提出了一個方案，來判別玻爾的正統(tǒng)量子力學(xué)理論和愛因斯坦喜歡的決定論。用來驗(yàn)證貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)在已經(jīng)有了結(jié)果。結(jié)果證明量子力學(xué)是正確的�？雌饋韾垡蛩固箲�(yīng)該再好好想想。因?yàn)樨悹柕慕Y(jié)果對量子力學(xué)理論非常重要，所以我們也

以直觀的方式介紹了貝爾不等式。我們的講解非常接近約翰·貝爾自己在日內(nèi)瓦作的一個報告。

在任何關(guān)于量子力學(xué)理論的討論中，都會提到的另一個很重要的小東西是薛定諤的貓。薛定諤貓佯謬問題以圖示的方式說明了量子力學(xué)的所謂測量問題。我們討論了流行的休·埃弗雷特（Hugh Everett）的量子力學(xué)多世界理論，和沃切克·祖萊克（Wojtek Zurek）等提出的退相干機(jī)制，以在某種程度上解釋量子測量問題。

后，作為一個輕松的編后記，我們討論了科幻小說里面對量子力學(xué)的處理。赫伯特·喬治·韋爾斯（H. G. Wells）首先在他的科幻小說《解放的世界》（The World Set Free）中描述了原子彈爆炸的世界末日景象。在量子力學(xué)發(fā)展早期，科幻小說作者就一直努力把我們對原子的認(rèn)識寫進(jìn)小說情節(jié)里。

而現(xiàn)代的科幻小說家已經(jīng)把多宇宙理論和納米科技當(dāng)成他們了的標(biāo)準(zhǔn)理論基礎(chǔ)的一部分 。 后 ，在邁克爾·克萊頓 (Michael Crichton) 的 新 書《時間線》(timeline) 中，量子計算機(jī)，遠(yuǎn)程傳物 (teleportation)，時間旅行等編織在一起，開拓了科幻小說發(fā)展和探索的一片新天地。

著名的理論物理學(xué)家和作者保羅·戴維斯 (Paul Davis) 曾經(jīng)預(yù)言：

十九世紀(jì)是機(jī)械時代，二十世紀(jì)在歷史上將被稱為信息時代。我相信二十一世紀(jì)將會是量子時代。 在下一個十年里，我們就能看出這一預(yù)言如何實(shí)現(xiàn)，以及實(shí)現(xiàn)到什么程度。當(dāng)然，我們相信，這種由量子力學(xué)支持的，即將到來的納米技術(shù)革命，對我們社會的影響，至少會與目前的生物信息學(xué)大發(fā)展產(chǎn)生的影響一樣深刻。我們希望這本書能夠?yàn)榧ぐl(fā)未來新一代量子工程師的興趣和夢想做出貢獻(xiàn)。