啤酒与肥皂

啤酒与肥皂_用量子理论重新定义世界-美-迈克尔D-2018-简体

内容简介 · · · · · ·

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，最后在地面静止。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最小粒子的问题，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，读懂关于绝对小事物背后神秘、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最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。

作者简介 · · · · · ·

迈克尔 D. 菲尔（Michael D Fayer），博士，斯坦福大学讲席化学教授，美国国家科学院成员，在物理、化学和分子光谱学等领域获得众多重要奖项和荣誉，著有《量子力学的元素》（Elements of Quantum Mechanics）等。

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目录 · · · · · ·

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