你好，我是萬維鋼。今天我要為你推薦我的新書《量子力學(xué)究竟是什么》。

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；深入鉆研進去，你可能會陷入絕望，乃至于瘋狂。

量子力學(xué)是關(guān)于我們生活的這個世界的本源的秘密。愛因斯坦、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。

一開始誰都沒想到。物理學(xué)家只是問了一些非?；镜膯栴}：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，那為什么這個原子和那個原子的化學(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？這些問題幾千年前就有人問，只不過直到一百年前，我們才有了足夠的技術(shù)和數(shù)學(xué)去真正探索它們。

在微觀世界里，這個法術(shù)是常規(guī)操作。把一個電子限制在勢能比它自身能量高的區(qū)域內(nèi)，這個電子有一定的幾率能穿墻而出。那既然電子可以，質(zhì)子當(dāng)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——只不過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，在任何一個特定時刻，都只能出現(xiàn)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。但是在微觀世界里，電子可以同時出現(xiàn)在所有的地方——它不但能既在這里又在那里，而且還能同時沿著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。但是在微觀世界里，真空之中，就可以突然憑空冒出一個電子和一個正電子來，只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(xué)家為什么非得琢磨這些怪異的東西？難道老老實實地研究我們?nèi)粘５氖澜邕€不夠嗎？

這些怪異行為可不是物理學(xué)家幻想出來的，它們都是實驗和邏輯推理的結(jié)果。為了解釋日常世界的“正常”，你只能接受微觀世界的“不正常”。換一個視角，也許應(yīng)該說微觀世界的那些怪異行為才是正常的，而我們在日常生活里的感知，都是大尺度帶來的錯覺。

哪有什么歲月靜好，不過是微觀的粒子們替你詭秘前行。

量子力學(xué)帶給我們的回報，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xiàn)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(xué)，發(fā)明了半導(dǎo)體和計算機芯片。我們能精確地測量，甚至能一個一個操縱單個原子。我們能解釋遠(yuǎn)在天邊的白矮星是怎么回事兒。量子力學(xué)是這個世界的底層邏輯，哺育了幾乎所有的現(xiàn)代先進科技。

然而物理學(xué)的英雄們?nèi)匀粵]找到量子力學(xué)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(guī)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(xiàn)在所有地方”，到“恰好在這里被你找到”，完全是一瞬間的事兒，甚至可以說根本就不需要時間——那這一瞬間到底發(fā)生了什么呢？什么樣的事情，可以不花費時間就發(fā)生改變呢？

再進一步，這個電子最終在*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后，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(jīng)沒有多少人愿意聽他說話了。

在早期的熱鬧之后，曾經(jīng)有三十年之久，絕大多數(shù)物理學(xué)家都認(rèn)為，繼續(xù)探索量子力學(xué)的秘密是徒勞的，我們應(yīng)該專注在計算和應(yīng)用上，畢竟現(xiàn)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(yīng)用是無處不在，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，還有機會看到這場探索的后續(xù)。從上世紀(jì)六七十年代開始，又有人提出了新的假說，繼續(xù)探索那個詭秘之主。新技術(shù)允許物理學(xué)家做各種巧奪天工的實驗。對這個秘密的探索，現(xiàn)在是一個非?；钴S的研究領(lǐng)域。

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

可惜愛因斯坦沒能看到這個實驗結(jié)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(xié)調(diào)去傳遞信息。

使用新技術(shù)，物理學(xué)家有辦法只發(fā)射一個光子，讓它同時沿著兩條路徑走。實驗發(fā)現(xiàn)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(jù)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比敏感的、只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(xué)家有個名詞叫“波粒二象性”，說微觀世界里的東西都既是波也是粒子，具體觀測結(jié)果是什么取決于你的視角：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。那么從“二象”到“一象”，那個變化是發(fā)生在什么時候呢？

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(xiàn)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，你猜光子會怎么做？

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(xué)生在考場上看到試題之后，又重新回到三天前去準(zhǔn)備這次考試！

新實驗甚至發(fā)現(xiàn)連所謂的“客觀現(xiàn)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(jié)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……

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

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

第一，數(shù)學(xué)都是對的。你永遠(yuǎn)都不用質(zhì)疑數(shù)學(xué)結(jié)論。

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

第三，物理學(xué)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么東西，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(zhǔn)備。

注釋
[1] 這個實驗叫 Elitzur–Vaidman bomb tester，已經(jīng)在 1993 年實現(xiàn)。圖片來自 https://ocw./courses/physics/8-04-quantum-physics-i-spring-2016/