白话量子 | 读《量子物理史话》

做为高中的物理课代表，清华锅炉系的毕业生，其实一直对物理有些自惭，物理向来是我的薄弱环节，特别是力学。物理是一门认识世界的学科，但在我学习物理的过程中，始终觉得没有一条完整的认知路径。现代物理教育分成了电学，力学等等，再加上化学这个深坑，让人不禁想问，知识真的这么零散而不统一？这些学科发展至今，人类又是如何一步步从一无所知到知识爆炸？

《量子物理史话》生动完整地叙述了物理学发展的主要历史故事。换句话说，这本书叙述了人类认识世界的过程中走过的路，踩过的坑。读完此书，物理学才在我脑中串出了一条完整的认知路径。

全为读书整理，若有理解出入欢迎指出。

——————————————————————————

布鲁诺是作为巫师被烧死的，而不是单纯因为哥白尼

伽利略可能没有在比萨斜塔上扔过铁球

爱因斯坦始终对量子的不确定性感到不安

测不准是因为要测量，测量才是一切确定的基石

世界不是绝对客观的，做为世界构成的基本粒子是靠意识决定自身的特性

薛定谔的猫是一个微观粒子被放大至宏观的装置

故事是从发现光是电磁波开始的。光有波的一切性质，同时又显示出粒子的特性，牛顿认为是粒子，而爱因斯坦则认为光是波，顺着这两条路往下走，无数科学家为了这个问题费尽心思。

直到德布罗意打破常规，认为光同时具有波和粒子两种特性。但这就好比在现实中发现一根同时可以展现出伸长和缩小两种状态的棍子，根本无法通过直觉在脑中具象化。要知道，根据现实中的种种现象具象总结一向是科学进步的利器，当人们发现一个无法具象的东西后，几乎所有人都迷茫了。

波粒之争尚未平息，测不准原理又出现了。一个粒子的位置和动量无法被完全准确地测量，因为测量任何一个变量都会导致另一个变量变化。粒子在什么地方，以什么面目出现完全取决于概率，而一但被观测到，粒子又乖巧的表现出一个确定的形式，就像是小时候玩的一二三木头人游戏。

世界的基础竟然是概率？竟然是因为人的意识才出现一个确定的状态？换句话说，因为有人类观测，所以才有现在的宇宙，我们参与了宇宙的创造。何其诡异！？

究其原因，就是一观测就变成确定态这一行为作祟。也就是观测和坍缩。埃弗莱特的多世界解释给人们打开了一扇新的大门，多世界理论的意思是每当粒子经过双缝，就会“分裂”出两个世界，在一个世界中粒子经过了左边的缝隙，另一个世界中粒子经过了右边的缝隙，因此存在无限的世界。而退相干理论是从多维角度解释多宇宙理论，认为宇宙一旦进行观测，那么粒子就从低维度上升到和我们相同的高维度，从高维度的角度上看，低维度的任意两个世界都是互相垂直的，所以我们只能看到粒子通过一条缝隙。我几乎可以感受到科幻作家的兴奋了，这扇门背后可以推理出的东西几乎是无限的。想象一下吧，多维度，平行宇宙，那是不是有生活在其他维度的生物？人类能不能进入另一个与我们的宇宙垂直的世界？

但是这里有个很有趣的推论：如果其实粒子通过左边的缝隙和通过右边缝隙的世界都存在，那么是否存在一个世界，在这个世界里，你代替了薛定谔的猫，处于不生不死的状态，根据理论，有一半的可能你在试验中挂掉，有另一半可能你活着。如果这两个世界都可以被观测到，那么就可以证明多宇宙理论，但是你挂掉的世界对你是没意义的，你永远都只能在你活着的世界里进行观测，所以多宇宙理论永远无法被证实。就算你可以通过冥冥中两个世界的感知发现多宇宙理论是正确的，围观群众也无法知道，因为对于这些吃瓜群众来说，你永远只有一种状态——要么活着要么死了。

说实话其实我一直相信平行宇宙理论的，但是现在想想，这种理论对宇宙的负荷是不是太大了……

题外话：对于概率，你有没有想过这样一个现象：从你的爸爸，爷爷……一直往上推演无数代，他们都有儿子。每个人都是一个独立事件的话，你出现的概率是多么小啊。我知道用现在的存在往前推理概率是没有意义的，但有时这么想想真的挺有趣。

接下来看看量子计算机，由于微观电子同时具有“左旋”和“右旋”的叠加态，用二进制表示就是同时具有0和1两种状态，因此如果可以捕获粒子，将其当成“量子比特”来进行二进制的计算，那么不就可以同时进行0和1的计算了么？量子计算机正是由此理论推演而来。继续推理，量子计算机在执行一般逻辑的时候无法做的比普通计算机更好，但是一旦开始并行计算，量子计算机的速度将远超普通计算机。传统的加密算法在量子计算机的运算下将出现大危机，但同时，若用量子计算机进行加密就可能出现一种极难破解的加密方法。

回到量子力学上，贝尔对这种粒子的叠加态表示很不开心，于是推理出了贝尔不等式，如果世界是经典的，那么粒子的行为必然符合贝尔不等式，否则世界就不是经典的，人们还是应该乖乖接受量子论。在大量实验后，人们终于不得不承认，世界并不是经典的，爱因斯坦输了。爱因斯坦认为世界即是定域的（没有超光速信号的传播），又是实在的（存在一个客观确定的世界），通过实验，人们必须要么承认宇宙不是定域的，要么承认宇宙不是实在的。否认实在性，那么每次观测都在现实中产生了不止一个结果（多宇宙），否认定域性，那么宇宙中就存在超光速的信号，意味着回到过去成为可能。人们再次迷茫了。。

当我们一次一次从不同的道路上无功而返后，我们突然发现，我们已经处在一个巨大的迷宫中央，每一条路都充满了无限可能，却又通向一个幽深的不可捉摸的未来。

物理继续发展，人们试图将广义相对论和量子论整合在一起的时候，超弦理论出现了，理论认为任何粒子其实都不是传统意义上的点，而是开放或者闭合的弦，当它们以不同的方式振动时，就分别对应于自然界中不同的粒子。我们生活在一个10维空间中，其中有6个维度是蜷缩起来无法被我们观测的。在此基础上发展出了5种不同的超弦理论，而后威顿证明了5种理论指向了第11个维度，现在这个统一的理论被成为“M理论”：）。

附上一张图，解释了我们现在的知识架构

终于读完全本，我唯一的感受

能活在这样一个有趣的世界是多么有趣的事。