第一版前言
這本書有一段很長的前史。事情大約始於 12 年前，當時我的朋友，也是壁球場上的對手 Jim Sudmeier 說服我，在麻薩諸塞州波士頓的塔夫茨大學，針對 NMR 的基礎做一小系列演講。那些演講大概算不上非常成功，但它們激發了我把這些材料寫成某種短書的念頭。那時我天真地以為，也許可以用大約 100 頁、並且盡量少用方程式的方式，涵蓋 NMR 的基礎。我在英國劍橋花了一年多的時間撰寫這本「原型書」，直到我意識到自己只是碰到了這個主題的表面，而且自己尚未準備好承擔這項任務。
情況在斯德哥爾摩改變了。當時我開始每年參與一門針對大學三年級學生的 NMR 密集課程。在大約七年的時間裡，我累積了一大套手寫講義。教學經驗讓我意識到，要在保持主題容易理解的同時，又能傳達對那些希望繼續進入 NMR 研究的學生真正有用的內容，是多麼困難的一件事。多年來，我嘗試了各種不同的材料排列組合，最後得到了一套講義，而這套講義便構成了本書的基礎。
本書最後大部分的寫作是在印度完成的。在那裡，我受到位於班加羅爾的印度科學院 Anil Kumar 教授的款待，停留了三個月。
最後成形的這本書，仍然不是我原本精確想寫出的那一本。我原本希望用相當簡單、非數學化的方式，傳達 NMR 的美感與實用性。結果到最後，我完全沒有成功地減少方程式的數量。教學使我明白，方程式其實就是清楚呈現這個主題的唯一方式。儘管如此，雖然有些數學對初學者而言可能看起來有點嚇人，但我認為其中沒有任何真正困難的東西。大多數 NMR 工作者，包括我自己，都是在沒有正式數學訓練的情況下，不知怎麼地摸索著把數學應付過來；而這裡所呈現的數學，也只是我自己摸索過程的一種提煉而已。
比其他任何事情更容易讓學生灰心的，是糟糕的術語與記號，尤其是當這些術語與記號的缺陷沒有被明確指出時。面對一個令人困惑但已被接受的術語時，許多學生會得出結論：問題在於自己太笨；然而真正的原因，往往只是這些術語的創造者一開始的粗心，後來又經由不加批判的沿用而被放大。這個問題屬於一種更普遍的科學教學模式：彷彿一切都已經被理解，而且已經「刻在石頭上」一樣。我太在乎 NMR，因此無法接受這種靜態的觀點；在本書中，我也試著對抗一些最刺眼、最令人不快的問題。這些建議中的某些內容，對這個領域中已經站穩腳跟的研究者而言，可能會有爭議。儘管如此，我仍然堅持這些建議，並希望它們終有一天會流行起來。我在這裡列出以下幾點：
- 我始終區分 rate（速率） 與 rate constant（速率常數）。所謂速率，是某個量在一小段時間間隔內的改變，除以該時間間隔的長度；而速率常數，則是出現在速率方程式中的一個因子。
- 我始終區分 time（時間） 與 time constant（時間常數）。時間本身不需要解釋；時間常數則是速率常數的倒數。
- 我始終區分 time point（時間點） 與 interval（時間間隔）。時間間隔是兩個時間點之間的分離。
- 我使用記號 t 表示一個時間點，用 τ 表示一段時間間隔。唯一的例外是二維實驗中的演化時間間隔，對此我採用廣泛使用的記號 t1。
- 我始終使用核 Larmor 頻率的正確物理正負號、頻譜頻率軸的正確物理正負號，以及所有自旋交互作用的正確正負號。
- 我改變了 Solomon 方程式中交叉弛豫速率常數的正負號，使它與動力學描述相一致。
- 我避免使用一些在領域內廣泛使用、但沒有物理基礎的術語，例如「發射峰」、「旋轉座標系實驗」、「相位敏感二維實驗」以及「時間反轉實驗」。我也避免使用像「低場」與「高場」這類術語化石。這些詞原本的物理基礎已經被 NMR 方法學的發展所削弱，使它們可悲地漂流在一個它們已經不再有意義的世界裡。
為了清楚起見，我也沒有迴避對慣例做一些小修改。例如，我始終對化學位移張量的所有元素使用 去屏蔽慣例，而不是像標準做法那樣：對各向同性化學位移使用去屏蔽慣例，卻對化學位移各向異性使用屏蔽慣例。
我也引入了一些新的記號，例如用來描述弱耦合系統中相干性的 box notation（方框記號）。我個人已經使用這種記號很多年，也知道它很有用，而且確實可行。不過，我很少在科學論文中使用它。在這本書裡，我正好藉此機會把它介紹給更廣大的讀者。
在一個例外情況下，我讓最終方程式的便利性，以及與大多數既有文獻的一致性，勝過了物理圖像的透明性：我透過相當凌亂地操作旋轉座標系的定義，強行讓 RF 脈衝採用數學上的正向旋轉，也就是所謂的 Ernst convention（恩斯特慣例）。
雖然我已經盡力小心，但我確信本書仍然包含許多不一致之處；若有人能告知我這些問題，我將非常感激。
另一個可能引起爭議的地方，是我對量子力學的呈現方式。為了讓 NMR 變得可以理解，我猛烈抨擊一種廣泛流傳的觀點：也就是認為自旋 1/2 粒子只有兩個「允許的取向」——向上與向下。量子力學並沒有這樣說，但令人驚訝的是，這種觀點有時會被非常情緒化地捍衛。對於我關於單一自旋動力學所做的非常「物理式」的討論，也可能會激起一些情緒反應。有人曾經非常嚴肅地告訴我，量子力學「禁止」這類討論。
我的看法是，沒有人真正完整地理解量子力學；而且只要某種物理解釋在特定情況中可以被證明是有用的，那麼這個領域就應該對這種物理解釋保持開放。本書第 9 章以及後續章節中所提出的詮釋，既不激進，也不是原創的；但它對理解 NMR 非常有用。我完全知道，這種物理圖像在某些情況下會遇到困難，例如觀察非局域的糾纏自旋態，也就是 Einstein–Rosen–Podolsky 悖論中的情況。儘管如此，在 NMR 這個有限範圍內，單一自旋的「箭頭」圖像顯然是有用的；我自己在思考舊實驗與發展新實驗時，也經常使用它。
由於 NMR 是一個極其龐大的主題，我只能選擇非常少數的實驗進行詳細討論。我所選擇的題材，以及其中許多題材被處理得相當基礎的層次，很可能會惹惱專家。對此我只能道歉。在這個階段，我實在無法處理更多材料。
有一點是我個人感到不滿意的：我談到固態 NMR 的內容實在太少，而固態 NMR 正是我自己的主要研究興趣。我曾經考慮用一章簡短回顧這個領域。然而，我最後決定不這樣做，因為很快就變得很清楚：如果不大幅增加本書篇幅，我就無法維持同等深度的討論。因此，我只好把固態 NMR 的處理留待另一次機會，也許是另一本書。
關於我的文獻引用方式，也要說明一點：我引用得非常少，並且通常試著把引用限制在我認為對讀者有用的來源上。這些文獻引用並不表示某個團體在特定領域中的優先權。
除了我自己之外，還有許多人對這本書有所貢獻。如前所述，整本書都是從一系列講義發展出來的。如果沒有我在斯德哥爾摩教過的學生們的參與與追問，這些講義永遠不會凝聚成有用的形式。這些學生包括 Kai Ulfstedt-Jäkel、Tomas Hirsch、Baltzar Stévensson 和 Clas Landersjö。還有許多其他人；很遺憾，我不記得你們所有人的名字，但如果你讀到這裡，我也要向你致謝。我確實從你們所有人身上學到了很多。
我確實記得那些後來成為我的研究生與合作者的學生；多年來，我一直依賴你們的熱情、支持，以及令人驚嘆的辛勤工作。你們當中也有許多人對這些材料提出了非常具體而有用的建議。因此，我再次感謝 Zhiyan Song、Xiaolong Feng、Dick Sandström、Oleg Antzutkin、Mattias Edén、Torgny Karlsson、Andreas Brinkmann、Marina Carravetta、Xin Zhao、Lorens van Dam 和 Natalia Ivchenko。
我也很享受許多優秀科學家的來訪；他們每一位都以某種方式，至少在精神上，對這本書有所貢獻。這些人包括 Young K. Lee、S. C. Shekar、K. D. Narayanan、Michael Helmle、Clemens Glaubitz、Angelika Sebald、Stefan Dusold、Peter Verdegem、Sapna Ravindranathan、Pratima Ramasubrahmanyan、Colan Hughes、Henrik Luthman、Jörn Schmedt auf der Günne 和 P. K. Madhu。
我非常感謝 Gottfried Otting、Gareth Morris、Ole Johannessen、Arnold Maliniak、Dick Sandström、Maurice Goldman、Colan Hughes 和 Ad Bax 對本書所做的仔細閱讀與詳細建議。也感謝 Melinda Duer 費力讀完本書第一個版本，也就是後來中止的版本。我也非常感謝 Sapna Ravindranathan、Gottfried Otting、Warren Warren、Jianyun Lu 和 Ad Bax 提供部分圖表。
特別感謝 Anil Kumar 在班加羅爾的款待，以及許多令人愉快的討論。非常特別地感謝 Jozef Kowalewski，多年來在斯德哥爾摩給予我無價的支持，並且對本文提出建設性的評論。
特別感謝 Angelika Sebald 提供大量深刻而具建設性的建議。你的知識與熱情一直是一種啟發。
此外，我也想感謝 Ray Freeman 和 Richard Ernst；我從他們身上學會了以兩種非常不同的方式思考 NMR。
雖然許多人都對本書文本提出了評論，但任何錯誤與遺漏，仍由我個人完全負責。
最後，我要感謝我美好的妻子 Latha 和女兒 Leela。當我攀登這座個人的高山時，謝謝你們給予我耐心、理解、建議、鼓勵與幫助。
第二版前言
在這第二版中，我試著處理第一版中的一些不足之處，但同時盡量不過度改動原本正文的結構。我現在加入了對四極核 NMR 的概述，使脈衝式磁場梯度這個重要主題獲得更多篇幅，也更完整地處理了固體中自旋 1/2 成對系統的主題。修訂一本大型著作是一項複雜的工作，我並不確定自己是否成功。就讓我們看看你怎麼想吧。
我非常感謝所有指出第一版錯誤的人，希望這些錯誤已經在新版中得到修正。這些人包括 Juan Alberdi、Bernard Ancian、Stefan Berger、Tom Blomberg、Geoffrey Bodenhausen、Dave Bryce、Shidong Chu、André Dorsch、Nick Higham、Vladimir Hirzhok、Eric Johnson、Alan Kenwright、Karel Klikla、Olivier Lafon、Linda Lai、Young Lee、Phil Lucht、Slobodan Macura、P. K. Madhu、Ian Malcolm、Arnold Maliniak、Emi Miyoshi、Gareth Morris、Norbert Müller、Juan Paniagua、Tanja Pietrass、Tatyana Polynova、E. J. Pone、Jan Rainey、Michael Roehrl、David Siminovitch、Chunpen Thomas、Bill Wallace、John Waugh，以及 Steven Wimperis。我也感謝 Zosia Beckles 在最初的電腦資料整理工作上提供協助。
一如既往，我的研究團隊與研究訪客一直是靈感與熱情的源泉。因此，我要感謝 Giancarlo Antonioli、Jacco van Beek、Pauline Brouilland、Darren Brower、Marina Carravetta、Maria Concistrè、André Dorsch、Axel Gansmüller、Natalia Ivhenko、Ole Johannessen、Per-Eugen Kristiansen、Linda Lai、P. K. Madhu、Salvatore Mamone、Ildefonso Marín-Montesinos、Giulia Mollica，以及 Giuseppe Pileio 的意見與貢獻。本書中許多新的章節，都是由我們的團體討論衍生而來。
特別感謝 Geoffrey Bodenhausen 和 Angelika Sebald 對本文提出詳細的批評意見。
感謝 P. K. Madhu 提供來自印度的照片。
在本版的準備過程中，Wiley 的 Fiona Woods 和 Andy Slade 一直很有耐心，並且給予鼓勵與幫助。
如同以往，任何錯誤與遺漏都由我個人完全負責。
最後，我再次感謝我的妻子和女兒 Latha 與 Leela，感謝她們再一次給予耐心與支持。
M. H. Levitt《Spin Dynamics: Basics of Nuclear Magnetic Resonance》Introduction
這類實驗在我們的實驗室中已經變得如此平常，但我仍未失去那份驚奇與喜悅：這種精細的運動竟然存在於我們周遭所有平凡的事物之中，只向那願意尋找它的人顯現自身。
—— E. M. Purcell，諾貝爾演講，1952
1945 年 12 月，Purcell、Torrey 與 Pound 偵測到了由普通物質中的原子核所產生的微弱射頻訊號；實際上，他們使用的是大約 1 公斤的石蠟。幾乎同時，Bloch、Hansen 與 Packard 也獨立完成了另一個實驗，他們在水中的原子核上觀察到無線電訊號。這兩個實驗，就是我們今日所稱的核磁共振，也就是 nuclear magnetic resonance, NMR 這個領域的誕生。
在此之前，物理學家對原子核已經知道很多，但那些知識主要來自一些特殊物質狀態下的實驗，例如粒子束中的原子核，或是加速器中的高能碰撞。相比之下，只用幾個軍用剩餘電子零件、一個相當強的磁鐵，以及一塊石蠟，就能偵測原子核，這是多麼令人驚奇的事！
在他的諾貝爾演講中，Purcell 以相當詩意的方式描述了這種驚奇感，也就是上面所引用的那段話。他接著描述道：
在我們第一次實驗的那個冬天……我用新的眼光看著雪。雪就堆在我家門前——那是一大堆正在地球磁場中安靜進動的質子。能夠在某個瞬間，看見世界變成某種豐富而奇異的東西，正是許多發現所帶來的私密獎賞。
自那之後的多年裡，NMR 已經成為研究物質的一種驚人物理工具。它的應用範圍極其廣泛，橫跨許多不同領域，例如大腦、骨骼、細胞、陶瓷、無機化學、巧克力、液晶、雷射極化氣體、蛋白質摺疊、表面、超導體、沸石、血流、量子幾何相位、藥物開發、聚合物、天然產物、電泳、地質學、膠體、催化、食品加工、金屬、陀螺導航、水泥、油漆、木材、量子交換、相變、離子導體、膜、植物、微胞、穀粒、反鐵磁體、土壤、量子點、爆炸物偵測、煤、量子計算、水泥、橡膠、玻璃、油井，以及南極冰。
這裡只舉兩個簡短例子，就足以顯示 NMR 的範圍與威力。
第一個例子取自功能性 NMR 造影(fMRI)。如第 12.6 節所說明，可以利用來自原子核的射頻訊號，建立出一個物體三維結構的詳細影像。圖版 1 中的灰階影像顯示，這個方法被應用在人類頭部上，揭示出頭骨內部的大腦腦葉。疊加在影像上的紅色與黃色閃光，則顯示受試者正在執行某種心智作業時 NMR 訊號的差異；在這個例子中，受試者正在處理一張剛剛從視野中移除的人臉記憶。
NMR 能夠描繪這類心智歷程，是因為大腦活動會使局部血液的氧合狀態與血流產生細微改變，而這些改變會影響該腦區中質子的進動。
第二個例子展示的是利用 NMR 決定生物分子結構。圖版 2 顯示了一個溶液中蛋白質分子的結構，這個結構是透過多維 NMR 技術的組合所決定的，其中包括第 16 章與第 20 章所描述的 COSY 與 NOESY 實驗。此結構以顏色編碼，用來顯示分子不同部位的運動性，而這些運動性則是由 NMR 弛豫實驗所決定。
在這本書中，我想提供理解這些驚人實驗所需的基本理論與概念工具。同時，我也想再次強調 Purcell 那種美麗的視野：雪堆之中隱藏著無數核磁矩，它們正處於持續的進動運動之中。1945 年以後的發展已經向我們證明，Purcell 是對的。物質真的就是那樣。 本書的目標，是傳達 NMR 嚴謹的理論；這些理論對於真正理解 NMR 實驗是必要的，但我也不希望因此忘記 Purcell 所看見的那一堆正在進動的質子。
