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你好，我是萬(wàn)維鋼。今天我要為你推薦我的新書(shū)《量子力學(xué)究竟是什么》。

我要說(shuō)的，是最本源的角度。

詭秘。

這是一個(gè)被我們之中最聰明的頭腦探索了一百年的秘密。聽(tīng)說(shuō)它的冰山一角，你就足以動(dòng)容；稍微了解，你就會(huì )為之癡迷；深入鉆研進(jìn)去，你可能會(huì )陷入絕望，乃至于瘋狂。

量子力學(xué)是關(guān)于我們生活的這個(gè)世界的本源的秘密。愛(ài)因斯坦、玻爾、薛定諤、海森堡、狄拉克、泡利、德布羅意、費曼……物理學(xué)里最耀眼的英雄都是因為在量子力學(xué)中建功立業(yè)而留下姓名。

一開(kāi)始誰(shuí)都沒(méi)想到。物理學(xué)家只是問(wèn)了一些非?；镜膯?wèn)題：世界上的各種東西都是由什么組成的？如果原子是最小的單位，那為什么這個(gè)原子和那個(gè)原子的化學(xué)性質(zhì)如此不同呢？原子還能再分解成別的東西嗎？光，到底是什么？這些問(wèn)題幾千年前就有人問(wèn)，只不過(guò)直到一百年前，我們才有了足夠的技術(shù)和數學(xué)去真正探索它們。

在微觀(guān)世界里，這個(gè)法術(shù)是常規操作。把一個(gè)電子限制在勢能比它自身能量高的區域內，這個(gè)電子有一定的幾率能穿墻而出。那既然電子可以，質(zhì)子當然也可以、原子也可以……一直到由原子組成的人，在原則上，其實(shí)也可以——只不過(guò)你能成功穿墻的幾率非常非常小而已。

這還不算什么。日常世界里的你，在任何一個(gè)特定時(shí)刻，都只能出現在一個(gè)特定的地方，對吧？你此時(shí)此刻不能既在北京又在哈爾濱。但是在微觀(guān)世界里，電子可以同時(shí)出現在所有的地方——它不但能既在這里又在那里，而且還能同時(shí)沿著(zhù)好幾條不同的路線(xiàn)前進(jìn)。

日常世界的桌子上不會(huì )突然憑空冒出一個(gè)蘋(píng)果和一個(gè)橘子來(lái)，你想要水果得自己出去買(mǎi)才行。但是在微觀(guān)世界里，真空之中，就可以突然憑空冒出一個(gè)電子和一個(gè)正電子來(lái)，只不過(guò)你幾乎不可能抓住它們而已。

微觀(guān)的世界，充滿(mǎn)詭秘。

那你可能說(shuō)，這幫物理學(xué)家為什么非得琢磨這些怪異的東西？難道老老實(shí)實(shí)地研究我們日常的世界還不夠嗎？

這些怪異行為可不是物理學(xué)家幻想出來(lái)的，它們都是實(shí)驗和邏輯推理的結果。為了解釋日常世界的“正?！?，你只能接受微觀(guān)世界的“不正?！?。換一個(gè)視角，也許應該說(shuō)微觀(guān)世界的那些怪異行為才是正常的，而我們在日常生活里的感知，都是大尺度帶來(lái)的錯覺(jué)。

哪有什么歲月靜好，不過(guò)是微觀(guān)的粒子們替你詭秘前行。

量子力學(xué)帶給我們的回報，遠遠超出了所有人的想象。我們終于明白了原子到底是怎么回事兒，我們能精確推演日常世界的所有自然現象。我們揭開(kāi)了原子核的秘密，制造了原子彈和核電站。我們深入理解了固體物理學(xué)，發(fā)明了半導體和計算機芯片。我們能精確地測量，甚至能一個(gè)一個(gè)操縱單個(gè)原子。我們能解釋遠在天邊的白矮星是怎么回事兒。量子力學(xué)是這個(gè)世界的底層邏輯，哺育了幾乎所有的現代先進(jìn)科技。

然而物理學(xué)的英雄們仍然沒(méi)找到量子力學(xué)的最終答案。我們可以接受微觀(guān)世界的各種行為，但是你要說(shuō)規則就是這樣了，那似乎有點(diǎn)不合邏輯。

比如說(shuō)，一個(gè)電子從“同時(shí)出現在所有地方”，到“恰好在這里被你找到”，完全是一瞬間的事兒，甚至可以說(shuō)根本就不需要時(shí)間——那這一瞬間到底發(fā)生了什么呢？什么樣的事情，可以不花費時(shí)間就發(fā)生改變呢？

再進(jìn)一步，這個(gè)電子最終在*哪里*被你找到，居然是完全隨機的。世界上怎么能有完全隨機的事兒呢？為什么是在這里而不是在那里，這總得有點(diǎn)原因吧？

有些人——比如愛(ài)因斯坦——就懷疑，量子世界種種詭秘的背后，必定還有一個(gè)更深的，詭秘之主。

愛(ài)因斯坦死不瞑目，可是那時(shí)候已經(jīng)沒(méi)有多少人愿意聽(tīng)他說(shuō)話(huà)了。

在早期的熱鬧之后，曾經(jīng)有三十年之久，絕大多數物理學(xué)家都認為，繼續探索量子力學(xué)的秘密是徒勞的，我們應該專(zhuān)注在計算和應用上，畢竟現有的量子理論已經(jīng)夠用了。在那些年里物理學(xué)家上天入地，幾乎是把你能想到和想不到的所有自然法則都研究明白了。而量子力學(xué)，只是他們的計算工具而已。

量子力學(xué)的應用是無(wú)處不在，但是人們對量子力學(xué)秘密的探索，沉寂了……

好在我們生得晚，還有機會(huì )看到這場(chǎng)探索的后續。從上世紀六七十年代開(kāi)始，又有人提出了新的假說(shuō)，繼續探索那個(gè)詭秘之主。新技術(shù)允許物理學(xué)家做各種巧奪天工的實(shí)驗。對這個(gè)秘密的探索，現在是一個(gè)非?；钴S的研究領(lǐng)域。

而物理學(xué)家走得更遠更深之后，詭秘之感不但沒(méi)有減弱，反而還更嚴重了。

可惜愛(ài)因斯坦沒(méi)能看到這個(gè)實(shí)驗結果……不過(guò)量子糾纏在某種意義上并不違反相對論，因為沒(méi)有人能利用那個(gè)鬼魅般的協(xié)調去傳遞信息。

使用新技術(shù)，物理學(xué)家有辦法只發(fā)射一個(gè)光子，讓它同時(shí)沿著(zhù)兩條路徑走。實(shí)驗發(fā)現光子就好像在出發(fā)之前就已經(jīng)對兩條路徑有完全的感知一樣，它能根據路上的不同情況，選擇要不要自己跟自己發(fā)生干涉。特別是如果你在其中一條路上放一顆無(wú)比敏感的、只要有一個(gè)光子打在上面就會(huì )爆炸的炸彈 [1]，光子可以在不走這條路的情況下，感知到那顆炸彈的存在。

再進(jìn)一步，老一輩物理學(xué)家有個(gè)名詞叫“波粒二象性”，說(shuō)微觀(guān)世界里的東西都既是波也是粒子，具體觀(guān)測結果是什么取決于你的視角：你想測量一個(gè)波就會(huì )得到波，你用測量粒子的方法就會(huì )得到一個(gè)粒子。那么從“二象”到“一象”，那個(gè)變化是發(fā)生在什么時(shí)候呢？

新一代物理學(xué)家可以先假裝要測量波，等到光子已經(jīng)不得不表現出波的樣子，但是仍然在飛行之中、還沒(méi)有最終到達目的地“官宣”的那一刻，突然改變主意，改成要測量粒子，你猜光子會(huì )怎么做？

答案是它不但會(huì )臨時(shí)變成粒子，而且還要改寫(xiě)自己之前的行為。這就好比說(shuō)一個(gè)學(xué)生在考場(chǎng)上看到試題之后，又重新回到三天前去準備這次考試！

新實(shí)驗甚至發(fā)現連所謂的“客觀(guān)現實(shí)”，都不一定存在。面對同一個(gè)實(shí)驗，兩個(gè)觀(guān)察者可以記錄不同的結果，那你說(shuō)他們真的是處在同一個(gè)世界之中嗎？也許我們每個(gè)人都有自己的世界……

怎么解釋這些現象？量子力學(xué)背后的詭秘到底是什么呢？現在物理學(xué)家提出了幾個(gè)猜想，這些猜想一個(gè)比一個(gè)離奇。

現在我站在幾代物理學(xué)家的肩膀上，向你匯報我們對這個(gè)秘密的探索經(jīng)過(guò)和最新理解。

第一，數學(xué)都是對的。你永遠都不用質(zhì)疑數學(xué)結論。

第二，我們說(shuō)到的所有實(shí)驗，不論多么離奇，都是對的。它們都經(jīng)過(guò)了幾代物理學(xué)家的反復驗證，不但正確而且精確。我們的一切討論不是要質(zhì)疑這些實(shí)驗，而是琢磨如何理解這些實(shí)驗。

第三，物理學(xué)的守恒定律——包括能量守恒、動(dòng)量守恒和角動(dòng)量守恒——都仍然成立。這個(gè)宇宙不會(huì )憑空送給你什么東西，也不會(huì )憑空拿走你的東西……或者，至少不會(huì )做得太明顯。

第四，你的媽媽仍然愛(ài)你。

這幾條之外，請你做好思想準備。

注釋
[1] 這個(gè)實(shí)驗叫 Elitzur–Vaidman bomb tester，已經(jīng)在 1993 年實(shí)現。圖片來(lái)自 https://ocw.mit.edu/courses/physics/8-04-quantum-physics-i-spring-2016/