量子力学1:诡秘之主

现在有谁不是量子力学的爱好者呢？人人都知道量子力学讲究个不确定性，所谓“遇事不决，量子力学”。人们都爱把“量子”放入公司和品牌的名称中，有“量子基金”、“量子波动速读”，乃至于“量子推拿”。

你可能已经听过不同版本的量子力学讲解，有侧重计算的学院版、讲故事的历史版、可爱的卡通版、还有霸道总裁假装学过版。量子力学已经是一个文化，每个人都可以有自己的体验角度。

我要说的，是最本源的角度。

诡秘。

这是一个被我们之中最聪明的头脑探索了一百年的秘密。听说它的冰山一角，你就足以动容；稍微了解，你就会为之痴迷；深入钻研进去，你可能会陷入绝望，乃至于疯狂。

量子力学是关于我们生活的这个世界的本源的秘密。爱因斯坦、玻尔、薛定谔、海森堡、狄拉克、泡利、德布罗意、费曼……物理学里最耀眼的英雄都是因为在量子力学中建功立业而留下姓名。

一开始谁都没想到。物理学家只是问了一些非常基本的问题：世界上的各种东西都是由什么组成的？如果原子是最小的单位，那为什么这个原子和那个原子的化学性质如此不同呢？原子还能再分解成别的东西吗？光，到底是什么？这些问题几千年前就有人问，只不过直到一百年前，我们才有了足够的技术和数学去真正探索它们。

结果这一探索，物理学家发现，微观世界的东西似乎在遵循某些非常怪异的规则。

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比如说，如果把你限制在一个各个面都是墙的房间里，你想要出来就必须在墙上打个洞，对吧？那你是否想过，中国有个“崂山道士”的故事，说有一种叫做“穿墙术”的法术，可以让人直接穿墙而过，而既不破坏墙、也不伤害人。

在微观世界里，这个法术是常规操作。把一个电子限制在势能比它自身能量高的区域内，这个电子有一定的几率能穿墙而出。那既然电子可以，质子当然也可以、原子也可以……一直到由原子组成的人，在原则上，其实也可以 —— 只不过你能成功穿墙的几率非常、非常小而已。

这还不算什么。日常世界里的你，在任何一个特定时刻，都只能出现在一个特定的地方，对吧？你此时此刻不能既在北京又在哈尔滨。但是在微观世界里，电子可以同时出现在所有的地方 —— 它不但能既在这里又在那里，而且还能同时沿着好几条不同的路线前进。

日常世界的桌子上不会突然凭空冒出一个苹果和一个橘子来，你想要水果得自己出去买才行。但是在微观世界里，真空之中，就可以突然凭空冒出一个电子和一个正电子来，只不过你几乎不可能抓住它们而已。

微观的世界，充满诡秘。

那你可能说，这帮物理学家为什么非得琢磨这些怪异的东西？难道老老实实地研究我们日常的世界还不够吗？

这些怪异行为可不是物理学家幻想出来的，它们都是实验和逻辑推理的结果。为了解释日常世界的“正常”，你只能接受微观世界的“不正常”。换一个视角，也许应该说微观世界的那些怪异行为才是正常的，而我们在日常生活里的感知，都是大尺度带来的错觉。

哪有什么岁月静好，不过是微观的粒子们替你诡秘前行。

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在对微观世界的诡秘进行探索的过程中，物理学操纵日常世界的能力也越来越强。就好像修仙小说的主人公一边更新世界观一边掌握新法术一样，真是认知升级决定了能力升级。

量子力学带给我们的回报，远远超出了所有人的想象。我们终于明白了原子到底是怎么回事儿，我们能精确推演日常世界的所有自然现象。我们揭开了原子核的秘密，制造了原子弹和核电站。我们深入理解了固体物理学，发明了半导体和计算机芯片。我们能精确地测量，甚至能一个一个操纵单个原子。我们能解释远在天边的白矮星是怎么回事儿。量子力学是这个世界的底层逻辑，哺育了几乎所有的现代先进科技。

然而物理学的英雄们仍然没找到量子力学的最终答案。我们可以接受微观世界的各种行为，但是你要说规则就是这样了，那似乎有点不合逻辑。

比如说，一个电子从“同时出现在所有地方”，到“恰好在这里被你找到”，完全是一瞬间的事儿，甚至可以说根本就不需要时间 —— 那这一瞬间到底发生了什么呢？什么样的事情，可以不花费时间就发生改变呢？

再进一步，这个电子最终在哪里被你找到，居然是完全随机的。世界上怎么能有完全随机的事儿呢？为什么是在这里而不是在那里，这总得有点原因吧？

有些人 —— 比如爱因斯坦 —— 就怀疑，量子世界种种诡秘的背后，必定还有一个更深的，诡秘之主。

爱因斯坦死不瞑目，可是那时候已经没有多少人愿意听他说话了。

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在早期的热闹之后，曾经有三十年之久，绝大多数物理学家都认为，继续探索量子力学的秘密是徒劳的，我们应该专注在计算和应用上，毕竟现有的量子理论已经够用了。在那些年里物理学家上天入地，几乎是把你能想到和想不到的所有自然法则都研究明白了。而量子力学，只是他们的计算工具而已。

量子力学的应用是无处不在，但是人们对量子力学秘密的探索，沉寂了……

好在我们生的晚，还有机会看到这场探索的后续。从上世纪六七十年代开始，又有人提出了新的假说，继续探索那个诡秘之主。新技术允许物理学家做各种巧夺天工的实验。对这个秘密的探索，现在是一个非常活跃的研究领域。

而物理学家走得更远更深之后，诡秘之感不但没有减弱，反而还更严重了。

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新的实验首先证明，所谓“量子纠缠”，是真的。互相关联的两个粒子，哪怕距离非常遥远，只要其中一个的量子态发生改变，另一个就会立即随之改变。这意味着它们之间存在某种超光速的、甚至是瞬时的协调。

可惜爱因斯坦没能看到这个实验结果……不过量子纠缠在某种意义上并不违反相对论，因为没有人能利用那个鬼魅般的协调去传递信息。

使用新技术，物理学家有办法只发射一个光子，让它同时沿着两条路径走。实验发现光子就好像在出发之前就已经对两条路径有完全的感知一样，它能根据路上的不同情况，选择要不要自己跟自己发生干涉。特别是如果你在其中一条路上放一颗无比敏感的、只要有一个光子打在上面就会爆炸的炸弹 [1]，光子可以在不走这条路的情况下，感知到那颗炸弹的存在。

那个“感知”到底是什么东西呢？

再进一步，老一辈物理学家有个名词叫“波粒二象性”，说微观世界里的东西都既是波也是粒子，具体观测结果是什么取决于你的视角：你想测量一个波就会得到波，你用测量粒子的方法就会得到一个粒子。那么从“二象”到“一象”，那个变化是发生在什么时候呢？

新一代物理学家可以先假装要测量波，等到光子已经不得不表现出波的样子，但是仍然在飞行之中、还没有最终到达目的地“官宣”的那一刻，突然改变主意，改成要测量粒子，你猜光子会怎么做？

答案是它不但会临时变成粒子，而且还要改写自己之前的行为。这就好比说一个学生在考场上看到试题之后，又重新回到三天前去准备这次考试！

新实验甚至发现连所谓的“客观现实”，都不一定存在。面对同一个实验，两个观察者可以记录不同的结果，那你说他们真的是处在同一个世界之中吗？也许我们每个人都有自己的世界……

怎么解释这些现象？量子力学背后的诡秘到底是什么呢？现在物理学家提出了几个猜想，这些猜想一个比一个离奇。

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探索仍然在进行之中，没有人知道最终的答案。但是我们可以肯定，真实世界绝对不是人们平常感知的样子，而你有权知道真相。

现在我站在几代物理学家的肩膀上，向你汇报我们对这个秘密的探索经过和最新理解。

学习量子力学能给你一个脱离平庸生活，体验诡秘的视角。我们不是低幼版也不是简化版，我们不胡乱打比方。我将从最基本的概念讲起，带给你量子力学的纯正趣味。我承诺不使用中学生水平以上的数学，咱们主要用“物理直觉”说话。但是我希望你能在学习过程中积极思考，学一点思辨的技巧。我要讲一个探索的故事，你会看到物理学家是如何一步步刺探未知的，你会学到他们常用的几个心法。

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咱们精英日课的专栏主编筱颖说，量子力学再难懂也肯定不会比人心更难懂，我对此表示怀疑。咱们专栏第一季的更新时间曾经是每晚 10:43 —— 是来自 10^-43 秒这个“普朗克时间”。那普朗克长啥样呢？下面这两张照片是物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）在钻研量子力学之前和之后的样子……

这是一门能把花样少年变成毁容大叔的学问，因为它颠覆了太多东西。为了安全地学好这个课程，我希望你先忘记有关这个世界的各种想当然的假定。当然也不是所有你知道的东西都会被颠覆 —— 比如说，以下这些事情，我保证，不管发生什么，它们都还是对的：

第一，数学都是对的。你永远都不用质疑数学结论。

第二，我们说到的所有实验，不论多么离奇，都是对的。它们都经过了几代物理学家的反复验证，不但正确而且精确。我们的一切讨论不是要质疑这些实验，而是琢磨如何理解这些实验。

第三，物理学的守恒定律 —— 包括能量守恒、动量守恒和角动量守恒 —— 都仍然成立。这个宇宙不会凭空送给你什么东西，也不会凭空拿走你的东西……或者，至少不会做得太明显。

第四，你的妈妈仍然爱你。

这几条之外，请你做好思想准备。

注释

[1] 这个实验叫 Elitzur–Vaidman bomb tester，已经在 1993 年实现。图片来自 https://ocw.mit.edu/courses/physics/8-04-quantum-physics-i-spring-2016/