量子力學究竟是什麼？
這套叢書的作者都是萬維鋼老師。這套書就是要告訴你，那些全世界最聰明的大腦在最前沿的地帶，他們在想什麼。
就拿量子力學來說吧，有人說，它是學科鄙視鍊頂端的學問；但與此同時，它也是被誤解得最多的學問。為什麼量子力學這麼難懂？物理學家又是怎麼向這個難題發起沖鋒的？接下來，讓我們一起聽聽萬維鋼老師是怎麼說的。
你好，我是萬維鋼。今天我要為你推薦我的新書。
你可能已經聽過不同版本的量子力學講解，有側重計算的學院版、講故事的曆史版、可愛的卡通版、還有霸道總裁假裝學過版。 量子力學已經是一個文化，每個人都可以有自己的體驗角度。我要說的，是最本源的角度。
詭秘。
這是一個被我們之中最聰明的頭腦探索了一百年的秘密。聽說它的冰山一角，你就足以動容；稍微了解，你就會為之癡迷；深入鑽研進去，你可能會陷入絕望，乃至于瘋狂。
量子力學是關于我們生活的這個世界的本源的秘密。愛因斯坦、玻爾、薛定谔、海森堡、狄拉克、泡利、德布羅意、費曼……物理學裡最耀眼的英雄都是因為在量子力學中建功立業而留下姓名。
一開始誰都沒想到。物理學家隻是問了一些非常基本的問題：世界上的各種東西都是由什麼組成的？如果原子是最小的單位，那為什麼這個原子和那個原子的化學性質如此不同呢？原子還能再分解成别的東西嗎？光，到底是什麼？這些問題幾千年前就有人問，隻不過直到一百年前，我們才有了足夠的技術和數學去真正探索它們。
結果這一探索，物理學家發現，微觀世界的東西似乎在遵循某些非常怪異的規則。1
比如說，如果把你限制在一個各個面都是牆的房間裡，你想要出來就必須在牆上打個洞，對吧？那你是否想過，中國有個“崂山道士”的故事，說有一種叫“穿牆術”的法術，可以讓人直接穿牆而過，而既不破壞牆、也不傷害人。
在微觀世界裡，這個法術是常規操作。把一個電子限制在勢能比它自身能量高的區域内，這個電子有一定的幾率能穿牆而出。那既然電子可以，質子當然也可以、原子也可以……一直到由原子組成的人，在原則上，其實也可以——隻不過你能成功穿牆的幾率非常非常小而已。
這還不算什麼。日常世界裡的你，在任何一個特定時刻，都隻能出現在一個特定的地方，對吧？你此時此刻不能既在北京又在哈爾濱。但是在微觀世界裡，電子可以同時出現在所有的地方——它不但能既在這裡又在那裡，而且還能同時沿着好幾條不同的路線前進。
日常世界的桌子上不會突然憑空冒出一個蘋果和一個橘子來，你想要水果得自己出去買才行。但是在微觀世界裡，真空之中，就可以突然憑空冒出一個電子和一個正電子來，隻不過你幾乎不可能抓住它們而已。
微觀的世界，充滿詭秘。
那你可能說，這幫物理學家為什麼非得琢磨這些怪異的東西？難道老老實實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家幻想出來的，它們都是實驗和邏輯推理的結果。為了解釋日常世界的“正常”，你隻能接受微觀世界的“不正常”。換一個視角，也許應該說微觀世界的那些怪異行為才是正常的，而我們在日常生活裡的感知，都是大尺度帶來的錯覺。
哪有什麼歲月靜好，不過是微觀的粒子們替你詭秘前行。
2
在對微觀世界的詭秘進行探索的過程中，物理學操縱日常世界的能力也越來越強。就好像修仙小說的主人公一邊更新世界觀一邊掌握新法術一樣，真是認知升級決定了能力升級。
量子力學帶給我們的回報，遠遠超出了所有人的想象。我們終于明白了原子到底是怎麼回事兒，我們能精确推演日常世界的所有自然現象。我們揭開了原子核的秘密，制造了原子彈和核電站。我們深入理解了固體物理學，發明了半導體和計算機芯片。我們能精确地測量，甚至能一個一個操縱單個原子。我們能解釋遠在天邊的白矮星是怎麼回事兒。量子力學是這個世界的底層邏輯，哺育了幾乎所有的現代先進科技。
然而物理學的英雄們仍然沒找到量子力學的最終答案。我們可以接受微觀世界的各種行為，但是你要說規則就是這樣了，那似乎有點不合邏輯。
比如說，一個電子從“同時出現在所有地方”，到“恰好在這裡被你找到”，完全是一瞬間的事兒，甚至可以說根本就不需要時間——那這一瞬間到底發生了什麼呢？什麼樣的事情，可以不花費時間就發生改變呢？
再進一步，這個電子最終在*哪裡*被你找到，居然是完全随機的。世界上怎麼能有完全随機的事兒呢？為什麼是在這裡而不是在那裡，這總得有點原因吧？
有些人——比如愛因斯坦——就懷疑，量子世界種種詭秘的背後，必定還有一個更深的，詭秘之主。
愛因斯坦死不瞑目，可是那時候已經沒有多少人願意聽他說話了。
3
在早期的熱鬧之後，曾經有三十年之久，絕大多數物理學家都認為，繼續探索量子力學的秘密是徒勞的，我們應該專注在計算和應用上，畢竟現有的量子理論已經夠用了。在那些年裡物理學家上天入地，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，隻是他們的計算工具而已。
量子力學的應用是無處不在，但是人們對量子力學秘密的探索，沉寂了……
好在我們生得晚，還有機會看到這場探索的後續。從上世紀六七十年代開始，又有人提出了新的假說，繼續探索那個詭秘之主。新技術允許物理學家做各種巧奪天工的實驗。對這個秘密的探索，現在是一個非常活躍的研究領域。
而物理學家走得更遠更深之後，詭秘之感不但沒有減弱，反而還更嚴重了。
4
新的實驗首先證明，所謂“量子糾纏”，是真的。互相關聯的兩個粒子，哪怕距離非常遙遠，隻要其中一個的量子态發生改變，另一個就會立即随之改變。這意味着它們之間存在某種超光速的、甚至是瞬時的協調。
可惜愛因斯坦沒能看到這個實驗結果……不過量子糾纏在某種意義上并不違反相對論，因為沒有人能利用那個鬼魅般的協調去傳遞信息。
使用新技術，物理學家有辦法隻發射一個光子，讓它同時沿着兩條路徑走。實驗發現光子就好像在出發之前就已經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生幹涉。特别是如果你在其中一條路上放一顆無比敏感的、隻要有一個光子打在上面就會爆炸的炸彈 [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。
再進一步，老一輩物理學家有個名詞叫“波粒二象性”，說微觀世界裡的東西都既是波也是粒子，具體觀測結果是什麼取決于你的視角：你想測量一個波就會得到波，你用測量粒子的方法就會得到一個粒子。那麼從“二象”到“一象”，那個變化是發生在什麼時候呢？
新一代物理學家可以先假裝要測量波，等到光子已經不得不表現出波的樣子，但是仍然在飛行之中、還沒有最終到達目的地“官宣”的那一刻，突然改變主意，改成要測量粒子，你猜光子會怎麼做？
答案是它不但會臨時變成粒子，而且還要改寫自己之前的行為。這就好比說一個學生在考場上看到試題之後，又重新回到三天前去準備這次考試！
新實驗甚至發現連所謂的“客觀現實”，都不一定存在。面對同一個實驗，兩個觀察者可以記錄不同的結果，那你說他們真的是處在同一個世界之中嗎？也許我們每個人都有自己的世界……
怎麼解釋這些現象？量子力學背後的詭秘到底是什麼呢？現在物理學家提出了幾個猜想，這些猜想一個比一個離奇。
5
探索仍然在進行之中，沒有人知道最終的答案。但是我們可以肯定，真實世界絕對不是人們平常感知的樣子，而你有權知道真相。
現在我站在幾代物理學家的肩膀上，向你彙報我們對這個秘密的探索經過和最新理解。
學習量子力學能給你一個脫離平庸生活，體驗詭秘的視角。 我們不是低幼版也不是簡化版。我将從最基本的概念講起，帶給你量子力學的純正趣味。我 承諾不使用中學生水平以上的數學，咱們主要用“物理直覺”說話。 但是我希望你能在學習過程中積極思考，學一點思辨的技巧。我要講一個探索的故事，你會看到物理學家是如何一步步刺探未知的，你會學到他們常用的幾個心法。6
我的主編筱穎說，量子力學再難懂也肯定不會比人心更難懂，我對此表示懷疑。我的 專欄第一季的更新時間曾經是每晚10:43——是來自 10^-43 秒這個“普朗克時間”。那普朗克長啥樣呢？下面這兩張照片是物理學家馬克斯·普朗克（Max Planck）在鑽研量子力學之前和之後的樣子……
第一，數學都是對的。你永遠都不用質疑數學結論。
第二，我們說到的所有實驗，不論多麼離奇，都是對的。它們都經過了幾代物理學家的反複驗證，不但正确而且精确。我們的一切讨論不是要質疑這些實驗，而是琢磨如何理解這些實驗。
第三，物理學的守恒定律——包括能量守恒、動量守恒和角動量守恒——都仍然成立。這個宇宙不會憑空送給你什麼東西，也不會憑空拿走你的東西……或者，至少不會做得太明顯。
第四，你的媽媽仍然愛你。
這幾條之外，請你做好思想準備。
注釋
[1]這個實驗叫 Elitzur–Vaidman bomb tester，已經在 1993 年實現。圖片來自
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