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| 內容簡介： |
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“基础前沿科学史丛书”中的量子科学册。该书主要是向青少年通俗地介绍量子科学，特别是量子科学史，从需求解析量子科学以及从问题探索量子科学未知的奥秘。全书从量子科学的最初的发展的故事讲起，用实例展示量子科学的内容，逐渐深入到重要的量子科学理论和科学应用，同时展示中国在量子科学的作用和发展前景。最后，作者以问题为导向，解释了量子科学研究和发展的重大意义和价值。本书图文并茂，还配有短视频，便于学生阅读和传播。
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| 關於作者： |
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高鹏，哈尔滨工业大学博士，哈工大（威海）教师，硕士生导师，物理与化学领域科普创作者，腾讯新闻知识官，在腾讯平台发布的科普视频累计播放超过500万次。首部科普作品《从量子到宇宙——颠覆人类认知的科学之旅》入选中国图书评论学会2017年月度“中国好书”榜单，并被山东省科技厅推荐参与2019年全国优秀科普作品评选。第二部科普作品《时空密码——揭开相对论奥秘的科学之旅》荣获山东省第二届科普创作大赛二等奖。本书是作者的第三部科普作品，目前还有多部科普作品正在创作中。
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| 目錄：
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引言
第一篇? 量子·起源
1 黑暗中的光
2 光雨
3 文科生的逆袭
第二篇? 量子·创立
4 指纹玄机
5 原来是骰子
6 男孩们的物理学
第三篇? 量子·颠覆认知
7 无迹可寻
8 不一样的骰子
9 没有人能理解
10 上帝掷骰子吗
第四篇? 量子奥义·叠加与测量
11 量子第一原理
12 旋转的硬币
13 既死又活的猫
14 环境的力量
15 人的选择
第五篇? 量子奥义·纠缠
16 分而不离
17 扔掉骰子
18 不等式的判决
第六篇? 量子·新发展
19 无路不走
20 平行世界
21 历史能改变吗
第七篇? 量子·幕后英雄
22 洞悉固体
23 隧穿
24 量子之眼
第八篇? 量子·前沿技术
25 量子计算之算法
26 量子计算之硬件
27 量子密码
28 毁灭与重生
29 展望未来
附录
附录 A 一维无限深势阱中自由粒子的运动
附录 B 氢原子中电子的运动
参考文献
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| 內容試閱：
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总序
2022 年是《中华人民共和国科普法》通过的第20年，在这样一个对科普工作意义不凡的年份，由北京市科学技术委员会（以下简称市科委）发起，清华大学出版社组织的“基础前沿科学史丛书”正式出版了。
这套书给面向青少年的科普出版点了一把新火。2022 年9 月4 日，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于新时代进一步加强科学技术普及工作的意见》，进一步强调“科学技术普及是国家和社会普及科学技术知识、弘扬科学精神、传播科学思想、倡导科学方法的活动，是实现创新发展的重要基础性工作”。科学技术普及是科技知识、科学精神、科学思想、科学方法的薪火相传 —— 是“薪火”，也是“新火”。
市科委搭台，出版社唱戏，这套书给面向青少年的科普图书出版模式点了一把新火。市科委于2021 年11 月发布了“创作出版‘基础前沿科学史’系列精品科普图书”的招标公告，明确要求中标方在一年的时间内，以物质科学、生命科学、宇宙科学、脑科学、量子科学为主题，组织“基础前沿科学史”系列精品科普图书（共5 册）出版工作；同步设计制作科普电子书；通过网络媒体对图书进行宣传推广等服务内容。这些服务内容以融合出版为基础，以社会效益为初心。服务内容的短短几句话，每一句背后都是特别繁复的工作内容。想在一年的时间内，尤其是在2022年新冠肺炎疫情期间，完成这些工作的难度可想而知，然而秉承“自强不息，厚德载物”的清华大学出版社的出版团队做到了。
中国科学家，讲好中国故事，这套书给面向青少年的科普图书选题内容点了一把新火。中国特色社会主义进入新时代，新一轮科技革命和产业变革正在深入发展，基础前沿科学改变着人们的生产生活方式及思维模式。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》提出：在事关国家安全和发展全局的基础核心领域，制定实施战略性科学计划和科学工程。物质科学、生命科学、宇宙科学、脑科学、量子科学等领域，迫切需要更多人才参与研究，而前沿科学人才的建设培养，要从青少年抓起。这5 本书的作者都是中国本土从事相关专业领域工作的科学家，这5 本书都是他们依托自己工作进行的原创性工作。虽然内容必然涉及科学史的内容，但中国科学家尤其是近些年的贡献也得到了充分展示。
初心教育，润物无声，这套书给面向青少年的科普图书科普创作点了一把新火。习近平总书记提出：科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼，要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置。因此，针对前沿科技领域知识的科普成为重点。如何创作广受青少年欢迎的优秀科普图书，充分发挥科普图书的媒介作用，帮助青少年树立投身前沿科学领域的梦想，是当前科普出版工作的重点之一，这对具体的科普创作方法提出了要求。这套书，看得出来在创作之初即统一了整体创作思路，在作者进行具体创作时又保持了自己的语言习惯和科普风格。这套书充分体现了，面向青少年的科普图书创作，应该循序渐进，张弛有度，绘声绘色，娓娓道来，以科学家的故事吸引他们，温故科学家的研究之路，知新科学家的科研理念，以科学精神润物细无声。
靡不有初，鲜克有终。2022 年10 月16日，习近平总书记在中国共产党第二十次全国代表大会报告中强调“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑”。且将新火试新茶，诗酒趁年华。希望清华大学出版社的这套“基础前沿科学史丛书”为广大青少年推开科学技术事业的一扇门，帮助他们系好投身科学技术事业的第一粒扣子，在全面建设社会主义现代化强国的新征程上行稳致远。
——金涌（中国工程院院士 清华大学教授）
前言
近几年，随着量子科技的发展，“量子”一词越来越频繁地出现在大众的视野中。许多人对量子力学充满好奇，但又对量子力学似懂非懂，感觉它非常神秘，网络上甚至出现了“遇事不决，量子力学”的戏谑之语。在大部分人心目中，量子力学是跟高深莫测联系在一起的。新闻报道中“量子计算机”超凡的计算能力让人们对量子科学又敬又畏，而今年刚刚获得诺贝尔物理学奖的科学家所做的“量子纠缠”又让人们感觉云里雾里、十分新奇，甚至有人将其与心灵感应联系在一起，但实际上，今年获得的诺奖的工作早已完成几十年了，由此可见，公众对量子力学的了解还是十分缺乏的。
人类文明发展至今，经历了石器时代、青铜时代、铁器时代、蒸汽时代、电气时代和信息时代。在石器、青铜和铁器时代，中华文明取得了辉煌的成就，一直是世界文明的引领者。但是，从蒸汽时代开始，我们逐渐落后，错过了蒸汽时代和电气时代的发展大潮。好在经过百年奋斗，急起直追，现在的信息时代我们虽然有所落后，但已经逐渐赶了上来。那么，未来的下一个文明时代会是什么时代呢？从目前的科技发展情况来看，很可能是量子信息时代。可喜的是，近年来我国的量子信息科技取得了一系列令世界瞩目的成果，处于领跑的位置，也许在未来的量子信息时代，我们将重新成为世界文明的引领者，这将是实现中华民族伟大复兴的重要一环。各位同学，你们很荣幸，因为你们很可能都将是其中的参与者。
量子力学的发展已经有了一百多年的历史，不管它提出来的时候多么难以理解，但是经过这么些年的发展，它理应成为公众常识的一部分，就像牛顿力学已经成为公众常识一样。而事实上，量子力学的普及程度远远不及牛顿力学，其原因，当然与量子力学与人们的日常生活很难发生交集有关，但是，随着量子信息时代的到来，“量子”将越来越多的出现在人们的生活中，因此，在公众中普及量子科学就成为一件很有必要的事情。作为一个科学与教育工作者和一个为量子着迷二十年的量子爱好者，我很希望尽自己的微薄之力，能为量子科学的普及做一点小小的贡献，让公众尤其是青少年能尽可能地在不涉及深奥的数学的情况下，读懂量子科学并理解其中的奥妙。
实际上，我并不是量子力学的研究人员，我的研究方向属于化学领域，不过，很多人可能不知道，化学跟量子力学有着密切的联系。在19 世纪20 年代，薛定谔创立了量子力学的数学体系，其中最重要的成果就是求解了氢原子的薛定谔方程，认识了原子结构，这也成为现代化学家认识原子结构的基础。随后，化学家们就开始用量子力学处理各种原子、分子的问题，以及它们之间的反应问题，从而创立了量子化学这一学科。化学家们对于化学键以及化学反应本质的认识，就是基于量子力学得出的理论。近些年，随着量子信息科学的发展，用量子计算机来模拟化学反应成为量子计算机的一个重要应用，事实上，这也是当年费曼提出量子计算机构想的一个重要思路 —— 用量子来模拟量子，因为化学反应在原子、分子层面都要遵循量子力学法则。费曼也曾经说过，理论化学的最终归宿是在量子力学中。所以说，量子化学其实是量子力学的一个重要分支，而我正好在讲授这门课程，因此我对于量子力学是很熟悉的。
其实早在二十年前读研究生期间，我就对量子力学非常感兴趣，这要归功于一本名为《时间之箭 —— 揭开时间最大奥秘之科学旅程》的科普书，这本书让我体会到了量子力学的奇妙之处，直到现在，我还时常拿出来翻阅。当时，我们的“量子化学”课程由黑龙江省教学名师徐崇泉教授讲授，这门课我考了97 分，得到了徐老师的赞许。后来，我到哈工大威海校区任教，讲授的第一门课就是“结构化学”，这门课是量子化学的先导课，主要就是应用量子力学原理来处理原子、分子的结构。第一次授课时，受系里邀请，徐崇泉教授专门从哈尔滨赶来对我进行指导，为我更深入地理解量子力学的内涵打下了良好的基础。此后，在一轮又一轮的授课过程中，我越来越深入地认识到了量子力学的奇妙之处，对量子力学产生了越来越浓厚的兴趣。
都说兴趣是最好的老师。任教十多年，我研读的量子物理专业书籍和科普书籍超过百本对量子力学逐渐有了比较深刻的理解和认识，由此产生了用自己的方式把神奇的量子世界介绍给读者的想法，经过几年的打磨，我的第一本科普作品《从量子到宇宙 —— 颠覆人类认知的科学之旅》诞生了。感谢清华大学出版社的厚爱，感谢出版社编辑的鼓励和支持，让这本书得以出版，从此我也踏上了科普写作的道路。这本书出版以后，入选了中国图书评论学会2017 年月度“中国好书”榜单，也获得了读者的广泛好评。山东省科协还专门请我去做了一次有关量子物理的讲座，为科技工作者们进行量子科普，后来我也多次为青少年做过量子科普讲座，反响都很好，这也极大地激励了我对科普创作的信心。
其实，我对上一部作品还是略感缺憾的，因为我当时专注于量子力学的理论，对于量子技术方面介绍得不够，随着近几年量子信息技术的快速发展，我很想找机会弥补这一缺憾，恰好清华大学出版社承接的出版项目中要为青少年创作基础前沿科学史丛书，其中一本就是介绍量子科学，我很高兴能承担这一重任，写一本量子力学理论与技术兼顾的科普作品。
这次创作时间紧、任务重，寒假的两个月则是我最主要的创作时间，甚至大年三十也没歇过一天，终于我自认为保质保量地完成了任务。
事实上，写科普要比讲课更困难，因为量子力学乃至量子技术的授课对象都是高年级大学生，他们已经掌握了高等数学和大学物理知识，用数学的语言跟他们对话，很多东西是比较容易讲解的，但是这次要写科普，必须假设读者是没有相关基础的，这种情况下要把量子科学和技术通俗易懂地讲解清楚，是相当困难的，这对作者的理解深度是一个极大的考验。同时，科普作品还要兼顾趣味性和可读性，既要使读者找到阅读的乐趣，也能使读者掌握基本的科学知识，还要引导读者养成科学思维的习惯，因此，优秀的科普作品其实是不多见的，我希望自己在这些方面能得到读者的认可。同时，我也希望本书能激发青少年对科学的热情，引导他们走上科学探索的道路，这也是本套丛书的创作初衷所在。最后，由于本人能力所限，疏漏和不足之处在所难免，敬请读者朋友们批评指正。
高鹏
2022.11
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