颠覆思維，你也能懂量子力學

星際旅行、時空穿越、瞬間移動……無數的文學和影視作品為我們展現着人類科幻的未來。這些并不是創作者們腦洞大開的随意想象，創作者們都有一個基本的理論基礎——量子力學。量子力學，是當今實體研究的最前沿。但對于普通群衆來說，量子力學看似高深莫測。

5月3日，世界上第一台超越早期經典計算機的量子計算機在中國誕生，量子力學取得現實應用的重大突破。

那麼，量子力學到底講了什麼？它的前世今生是怎樣的？

懷着對科學的敬畏之心，本人希望化繁為簡、以最平實易懂的語言，寫下量子力學的發展以及普通人怎樣能看懂量子力學，和大家一起掀開量子力學的神秘面紗。

1、

大地沐浴陽光，萬物生長。

“光”是什麼？卻千百年來，人類受益于光的恩賜。卻不知光到底為何物，隻能做出一些猜想。

人類對于光的無知，直到1655年開始有所改變。英國的博物學家胡克，提出了光的波動說，他認為光是一種波，與水波相似。荷蘭人惠更斯發表《光論》，發揚了這一理論。

他們的反對者，是牛頓。他提出了光微粒說，認為光是極小的微粒，遵循運動定律。

兩派觀點争執不下，但都有瑕疵。

按照牛頓的觀點，光是微小的顆粒。他合了解釋了光的直線傳播和反射性質。對于光的折射和衍射，牛頓的解釋并不令人滿意。

惠更斯等人認為，光是波。那就需要有傳播的媒介，像聲波通過空氣、水波通過水來傳播。但是真空中沒有物質，光是如何進行傳播的呢？

他們說，在所有空間中都存在一種看不見的物質，叫做“以太”，光就是通過“以太”進行傳播的。可是，如果“以太”真的存在，那麼地球以每秒30公裡的速度公轉，我們應該可以感受到迎面吹來的“以太風”。大量的實驗證明，并沒有“以太風”吹來。

由于牛頓無與倫比的學術地位，他的粒子理論占據了主導。在此後100多年中無人敢于挑戰，而惠更斯的理論則漸漸為人淡忘。

1801年，托馬斯·楊進行了一項著名的實驗——“雙縫實驗”。

實驗很簡單。

把一束光投射到一塊背景闆上，前邊放置另外一塊開有兩個相鄰縫隙的闆子。

如果光是粒子，那麼，實驗的結果應該是背景闆上投射出兩條大約相同的狹窄光束。可實驗結果大大出乎人們意料。

背景闆上的投影卻是很多條。這對于光粒子說就是災難。

因為這樣的現象，是波的表現。

當我們觀察水波時會發現，兩個水波重疊的地方，波峰遇到波峰時水波會更高，波峰遇到波谷時候，會互相抵消消失。這種常見現象叫做幹涉。

隻有波才會有幹涉。

實驗所使用的背景闆上明暗相間的黑白條紋證明了光的幹涉現象，進而證明了光是一種波。雙縫實驗徹底動搖了光粒子說的統治。

此後的50年間，光的波動說進一步發展。到十九世紀中期，開始主導科學思潮。人們認可了光是一種波，不是粒子。

2、

19世紀實體學大發展，科學家們認為人類對于實體學的掌握已經趨于完美，再進行研究，不過是在已知結果的小數點後加上幾位而已。

德國人普朗克的老師也這樣勸導他，奉勸他不要去學純理論實體，他沒有被兩位導師的建議說服。

19世紀的最後一天，1899年12月31日，實體學家凱爾文發表迎接新世紀的演講：“19世紀已将實體學大廈全部建成，今後實體學家的任務就是修飾、完善這座大廈了。”

普朗克無心為此高興，他正在為一個6年還沒有解決的計算問題頭疼不已。

當時的實體學家總結出的兩個公式，都不能準确的計算物體發出的輻射。一個可以在輻射的長波部分計算出結果，另外一個公式可以在輻射的短波部分算對，可是一旦到相反的波段，答案就謬之千裡了。

普朗克不能了解其中奧義，他的研究陷入了長期的困局。

“走投無路”的普朗克想，不然先強行的把兩個公式湊成一個滿足所有波段的公式吧，然後倒着推理，看看是什麼結果。

結果是，如要想讓組合在一起的公式成立，那麼物體發出輻射時，能量就不能是連續的，而是以一個微小數量的整數倍跳躍式的變化，也就是說能量的變化是一份一份的。

1901年，他把計算的結果發表，在論文中，他把這一份一份的能量起名為“量子”。

其他的科學家驗證出了普朗克的正确性，量子力學自此誕生，普朗克成為了“量子之父”。

3、

1880年之後，愛迪生改良後的電燈泡開始大面積的推廣。人類對于光的利用達到了前所未有的高度。

德國人赫茲發現，用紫外線燈光照射金屬，裡邊的電子會被激發出來形成電流。光生成了電。

赫茲稱其為“光電效應”，他卻做不出解釋。

1905年，在實體學界被稱為“愛因斯坦奇迹年”。愛因斯坦在這一年中，發表了5篇劃時代的重要論文。其中一篇關于“光電效應”的論文，直接成就了愛因斯坦獲得諾貝爾獎。

愛因斯坦在論文中，重新提起光的粒子說。按照光粒子說和量子概念，光應當是由一份一份不連續的微小顆粒組成，他起名叫“光量子”，簡稱光子。

當某一光子照射到靈敏的金屬上時，它的能量被金屬中的某個電子吸收。電子的動能增大，克服了原子核對它的引力，飛出了金屬表面，成為光電子，形成光電流。

愛因斯坦對于光電效應的解釋，震動了已經普遍認可光波動說的實體學界。

一系列實驗驗證了愛因斯坦的正确性，人們開始意識到光同時具有波和粒子的雙重性質。對于光是什麼，這一持續近300年的争論，終于以一個神奇概念的産生而宣告終結——光的波粒二象性。

科學家獲得了新的思路，原來一種物質是可以同時具有兩種截然不同性質的。波粒二象性就像一把鑰匙，微觀世界的大門被打開了。實體學家進一步發現，基本粒子都是具有波粒二象性的。

經過幾十年孜孜不倦的研究，量子力學與已經沿用近300年的經典實體理論之間的沖突日益明顯。

之是以出現這樣的局面，是因為科學家發現的量子現象，在宏觀世界中都不曾出現。量子力學和經典力學的對立，實質是微觀世界和宏觀世界對立的縮影。

難道同一個世界，不應該有同一個理論嗎？

愛因斯坦開始提出質疑。量子力學過于玄幻，提出的概念實在令人費解。愛因斯坦是量子實體的創始者之一，但此時，他站出來對量子力學本身的一些基本概念和完備性提出深刻的否定。

量子實體學家們卻并不認同他。新興的量子力學成績斐然，不容置疑。在各種學術期刊中充斥着火藥味，好像這些科學家萬一碰面，必然會有火星撞地球般的激烈雄辯。很快，這樣的會面，真的來了。

4、

“地表最強”實體學家大辯論

1927年，比利時。著名的第五屆索爾維會議。

這是實體學史上最偉大的一次聚會。如華山論劍，江湖上頂尖高手悉數到場，都是實體學各個分支的旗幟性人物。照片中與會的29人，有17人都先後獲得過諾貝爾獎，被稱為實體學的“全明星”盛會。

在照片中，愛因斯坦居中而坐，可見其當時在學術界的地位。他以因果論為武器，展開對量子力學現狀的分析，指出量子力學研究不盡如人意。

所謂因果論，就是任何事物的産生和發展都有一個原因和結果。這是天衣無縫的真理。

愛因斯坦的支援者有薛定谔和德布羅意。

他的反對派人數衆多，他們有個統一的名号——哥本哈根學派。掌舵人是波爾，他為量子力學奠定了重要的理論基礎。特别值得一提的是，波爾曾經到訪中國，他在自己的族徽中，放上了中國的太極圖。波爾認為太極完美的诠釋了自己的互補原理。好像光的波粒二象性，波和粒的屬性是互補的。

波爾帶領着一批30歲左右才華橫溢的年輕人，玻恩、海森堡、泡利、狄拉克等都是這個學派的主要成員。他們對量子力學的解釋被稱為量子力學的“正統解釋”。

哥本哈根學派的辯據，是基于計算的機率論。在量子世界裡，結果經常不是明确的，而隻是一種機率。

我們舉例來說明，例如“量子隧穿效應”。

在兩塊金屬中間夾一層絕緣層，一般都認為電子不能通過絕緣層。但哥本哈根學派說，電子通過絕緣層是存在機率的。經過計算，可以得出機率的數值。這就是“量子隧穿”。如果放到宏觀世界，人能不能穿牆？按照量子隧穿，宏觀物體也能發生隧穿效應。人也可能穿過牆壁，但要求組成這個人的所有微觀粒子都同時穿過牆壁，實際上幾乎是不可能的。但從機率上說，人可以穿牆。

愛因斯坦對于這樣的機率說嗤之以鼻。機率的存在，隻是量子力學理論不完整的證明。量子力學并沒有找到完整描述微觀和宏觀世界的理論。

“上帝不會擲骰子”，愛因斯坦這樣說。

“愛因斯坦，别去指揮上帝該怎麼做！”波爾回擊。

5、

在第五屆索爾維會議上，愛因斯坦沒有取得勝利，甚至可以說失敗了。他并不甘心，三年以後的第六屆會議，他卷土重來。

愛因斯坦總結經驗，放棄了對于具體案例的探讨，把矛頭指向哥本哈根學派的理論基礎——“測不準原理”。

我們簡單介紹下這一原理。人們為了直覺了解原子内部，會畫一個這樣的示意圖。

電子圍繞原子核旋轉，看上去像行星圍繞太陽旋轉。

但這是錯誤的，軌道根本不存在。事實上，原子内部的樣子更像這樣。

像一團雲霧，科學家形象的稱之為“電子雲”。這看上去密密麻麻的雲霧，其中的電子其實隻有極少的幾個，甚至是1個。

出現雲霧狀，是因為電子在原子狹小的空間内以接近光速運動，看到的隻能是一團雲霧。

測不準原理說的是，在原子内部，電子的運動毫無規律，我們知道電子的位置時，卻不可能知道它的速度。位置和速度，不能同時知道，這與描述宏觀世界的經典實體學是相悖的。例如我們可以計算出任意時刻，地球圍繞太陽軌道運作的速度和位置。

愛因斯坦相信，隻是我們缺乏觀測的手段和合理的公式，不存在這樣的測不準原理。

每天在旅館用早餐時，科學家們見面，愛因斯坦就描繪一個思維實驗，他認為從中可以清楚看出哥本哈根學派解釋的沖突。

玻爾在傍晚的時候就對這些理想實驗做出了解釋，他會在晚餐時分析給愛因斯坦聽。

愛因斯坦對這些分析提不出反駁，但在心裡他是不服氣的。

第六屆索爾維會議，愛因斯坦再次以失敗告終。

由于第二次世界大戰一觸即發，愛因斯坦被德國納粹迫害而逃亡美國，沒有出席三年後的第七屆索爾維會議。

量子力學的索爾維會議結束了，然而關于量子力學的争論仍在繼續。

6、

1935年，愛因斯坦和他的支援者向哥本哈根學派發起了總攻。

愛因斯坦圍繞量子糾纏展開質疑。

所謂量子糾纏，是量子世界中又一奇妙的現象。科學家發現，在同一特殊反應中能夠生成兩個且隻有兩個互相糾纏的量子，這兩個量子如孿生一般，對其中一個發生作用，另外一個會同時做出相同的變化。比如一對互相糾纏的電子，如果他們的糾纏方式是反向糾纏，一個正向旋轉，那麼另外一個必然反向旋轉。假設你将前邊的電子改為反向旋轉，那麼另外一個會同時變為正向旋轉。而且，這兩個電子無論相聚多遠，哪怕是銀河系的兩端，也不能阻礙他們同時發生變化。

他們之間是如何聯系的呢？這種聯系速度甚至達到光速的十倍。這不科學。因為按照相對論，光速無法被超越。愛因斯坦把這種鬼魅般的聯系稱為“幽靈作用”。

誠然，直到今天，我們還沒有确鑿證據找到能超越光速的物質。是以，哥本哈根學派告訴愛因斯坦，世界本來就是這樣的。

愛因斯坦的主要支援者薛定谔，更是提出了一個對于哥本哈根學派如同噩夢的實驗——“薛定谔的貓”。

既然量子力學的理論都是解釋微觀狀态，那如何與宏觀世界結合呢？薛定谔假設，在一個箱子裡，放一個原子核，原子核是個量子級概念，它在不确定的時間内會自發的産生衰變，誰都無法預測衰變的準确時間。箱子内設計一個機關，當原子核衰變時，将關聯一把錘子，打破裝有可以毒死貓的毒氣瓶。箱子裡邊放一隻貓，然後把箱子蓋上。請問，過一段時間後，箱子裡裝着的是一隻活貓還是死貓？

按照哥本哈根學派的理論，觀察行為會改變物質變化的狀态。好，那不觀察呢？

對此，哥本哈根學派隻能吞下苦水，承認那隻貓是處于半死不活的混合态。

波爾和愛因斯坦的論戰，也是量子力學和經典力學的論戰。争論雖然直到今天輸赢也沒有定論，卻促進了量子力學的發展和完善。

論戰使哥本哈根學派的思想廣泛流傳。

科學家們并未停步，他們聰明的繞過了研究誰對誰錯，而是選擇忠于實驗結論和計算結果。問到量子力學的原理，大多數實體學家會說“閉嘴，乖乖計算”。

波爾說：“我們稱之為真實的一切，都是由我們不能稱之為真實的東西組成。”量子力學，充滿許多匪夷所思的怪論，但是，一切的實驗和計算，都驗證出它是對的。原理如何，無人知曉；事實證明，愛因斯坦錯了。

根據量子力學的方程，人們設計了可以控制微小電流的開關，應用到雷射、半導體、內建電路等電子工業的大多領域。可以說量子力學如果不成立，那麼我們的電腦、手機、相機等等電子元器件将統統失靈。沒有量子力學的世界，我們隻能回到蒸汽時代。

7、

以上就是簡單的量子力學發展過程。近年，量子力學一詞，出現的越來越頻繁。我們普通人，怎麼能夠容易了解量子力學呢？如果我們能夠打破幾個定勢思維，同樣可以走進量子力學的奇妙世界。

颠覆思維之一、量子化無處不在

從量子的名字看，很多人看到叫“子”，就認為是一種微小顆粒。在了解量子時，請忽略後邊的“子”字，而看前邊的“量”字。量子，拉丁語本意為“有多少”，代表“一定數量的某物質”。

量子力學，雖然研究基本粒子，但是量子化，卻是宇宙的屬性。大到行星、小到細胞，最終分解都是可以量子化的。甚至人類的思維，科學證明，我們的意識同樣不是連續的，每隔0.042秒就有微小的斷開。那麼我們的意識就可以視為以0.042秒為一份的量子化意識。

我們所處的宏觀世界是由微觀世界組成的，兩者并無清晰的界限。哪怕我們人體，同樣由微小的原子組成。按照波粒二象性，如果告訴你，人同樣是由波組成的，也并不需要意外。這在德布羅意的“物質波”理論中，已經有了答案。

另外，抽象到如空間，也可以量子化。空間的量子化，産生了蟲洞。蟲洞的概念，是說我們隻要有足夠大的能量，就可以打開機關空間之間的間隙，依靠這樣的蟲洞，可以進行時間旅行、空間轉移。這并不是科幻，至少從數學的推算中可行。蟲洞也叫“愛因斯坦－羅森橋”，由愛因斯坦及羅森在研究引力場方程時推算得出。

如太極的玄妙，宏觀和微觀互相交融，并非對立。解釋宏觀世界的經典實體學，和解釋微觀世界的量子力學，現在還極不相融，沒有達成一緻，但已有科學家通過實驗開始把彼此歸于統一。由此，可能會産生更加奇妙又偉大的理論。

颠覆思維之二：沒有唯一的真理，甚至在科學中

蘋果砸到牛頓的頭時，他發現了萬有引力。今天我們知道，扔一個蘋果，隻要有足夠大的能量，甚至可以把蘋果扔出地球。這對于古代人，無法想象。

認知沒有止境時，真理就是相對的。

假設世界隻是一個平面，我們都是二維平面人，那麼我們甚至都不能了解，在一個三維世界的地上出現了兩個腳印是什麼原理。還好，我們本身是三維的，知道腳印的上邊是一個完整的人。那量子糾纏的超遠距離“幽靈作用”是什麼原因呢？科學家目前的解釋有分歧，有些認為光速并不是極限速度，“幽靈作用”是超光速傳導産生的；而也有科學家認為，宇宙本身是11次元的空間，“幽靈作用”是由于那些被壓縮在空間内的、我們看不到的次元影響産生的。

原理雖沒澄清，但利用量子糾纏現象，我國已經于去年8月發射了量子通訊衛星，領先全球。

量子力學正在滲透到科學的各個領域。例如生物學家甚至證明，我們的嗅覺，不是由我們一般認為的，聞到物品的分子産生，而是像我們的耳朵一樣，“聽到”了物品中亞原子顆粒的波動來加以區分。量子生物學正在颠覆傳統生物學。

科學的研究還在繼續，可以肯定的是，我們看到的世界，并不是它的全部。

颠覆思維之三：沒有絕對的存在，機率才是真實的面貌

如果你在北京，對于我來說，你在北京的哪裡呢？量子力學的解釋是，你在北京的任意一個地方。就如我們想知道一個電子在原子中的位置，電子是以波的形式存在于整個原子空間裡，直到你去觀察時，才會具體的出現在一個點上。同樣，我沒有觀察或者沒有被告知時，你就如電子一般，在北京的任意一個角落都有存在的機率。

量子力學目前不能準确的解釋這種邏輯，他們說這就是真實的世界。

這種機率存在的意義，目前在量子計算中顯的更為實用。

我們都知道，現代計算機的數學基礎是二進制。計算機二進制中，一個機關資訊叫一個比特。一個比特可以是0，或者1。如果我輸入2個比特01，通過傳輸後，它依然是01。量子比特則不同，我輸入兩個最小機關的量子比特，這兩個量子比特都有可能是0，也都有可能是1，機率均等。這時，輸出的結果也不再是單一資訊，而是四個可能，00、01、10、11。量子計算給了我們四個機率相等的、可供選擇的、不确定的答案。這可以簡單認為就是量子計算的原理。

2個量子比特資訊，答案是2的2次方個；3個量子比特，就是2的3次方個；……20個量子比特，就是2的20次方個，也就是100多萬個。

量子計算，會随着量子比特增加，呈幾何級數增長。比如我們想從100萬個不同比特資訊中找到我們想要的一個，量子計算機不會像經典計算機一樣逐個檢索，而是同時檢索100萬個答案。隻要設定一下條件，計算機可以在一秒内找到這個比特資訊。

這就是在5月3日我國宣布研發成功的量子計算機的計算能力。因為我國科學家，實作了10對糾纏狀态下的量子計算，10對——20個量子，在計算中就是20個量子比特。

想要判斷量子計算到底牛不牛，學術界有三個達成共識的名額性節點：計算能力超越早期經典計算機是第一步，再是超越我們使用的個人電腦，最後是超越超級計算機。

我國科學家在全球率先完成了最困難的第一步。

量子計算機離我們已經如此之近。

量子力學理論從量子一詞誕生，到今天有117年的曆史。量子力學已讓我們的生活翻天覆地。随着對于量子力學研究的深入，實用化的量子産品終将迎來井噴的一天。

波爾說：“如果誰不曾對量子論感到震驚，他就根本沒有了解它。”

我們對于量子的無知，就像300多年前，人類對于光的無知一樣。人類探索量子世界秘密的過程，智慧之花也在悄然綻放。

也許，在未來的某一天，人類完全了解了量子的世界，才發現量子力學這門超現代科學本身，正是生命古老的事實。

原文釋出時間為：2017.05.01

本文作者：夜二郎

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