颠覆思维，你也能懂量子力学
星际旅行、时空穿越、瞬间移动……无数的文学和影视作品为我们展现着人类科幻的未来。这些并不是创作者们脑洞大开的随意想象，创作者们都有一个基本的理论基础——量子力学。量子力学，是当今物理研究的最前沿。但对于普通群众来说，量子力学看似高深莫测。
5月3日，世界上第一台超越早期经典计算机的量子计算机在中国诞生，量子力学取得现实应用的重大突破。
那么，量子力学到底讲了什么？它的前世今生是怎样的？
怀着对科学的敬畏之心，本人希望化繁为简、以最平实易懂的语言，写下量子力学的发展以及普通人怎样能看懂量子力学，和大家一起掀开量子力学的神秘面纱。
1、
大地沐浴阳光，万物生长。
“光”是什么？却千百年来，人类受益于光的恩赐。却不知光到底为何物，只能做出一些猜想。
人类对于光的无知，直到1655年开始有所改变。英国的博物学家胡克，提出了光的波动说，他认为光是一种波，与水波相似。荷兰人惠更斯发表《光论》，发扬了这一理论。
他们的反对者，是牛顿。他提出了光微粒说，认为光是极小的微粒，遵循运动定律。
两派观点争执不下，但都有瑕疵。
按照牛顿的观点，光是微小的颗粒。他合理解释了光的直线传播和反射性质。对于光的折射和衍射，牛顿的解释并不令人满意。
惠更斯等人认为，光是波。那就需要有传播的媒介，像声波通过空气、水波通过水来传播。但是真空中没有物质，光是如何进行传播的呢？
他们说，在所有空间中都存在一种看不见的物质，叫做“以太”，光就是通过“以太”进行传播的。可是，如果“以太”真的存在，那么地球以每秒30公里的速度公转，我们应该可以感受到迎面吹来的“以太风”。大量的实验证明，并没有“以太风”吹来。
由于牛顿无与伦比的学术地位，他的粒子理论占据了主导。在此后100多年中无人敢于挑战，而惠更斯的理论则渐渐为人淡忘。
1801年，托马斯·杨进行了一项著名的实验——“双缝实验”。
实验很简单。
把一束光投射到一块背景板上，前边放置另外一块开有两个相邻缝隙的板子。
如果光是粒子，那么，实验的结果应该是背景板上投射出两条大约相同的狭窄光束。可实验结果大大出乎人们意料。
背景板上的投影却是很多条。这对于光粒子说就是灾难。
因为这样的现象，是波的表现。
当我们观察水波时会发现，两个水波重叠的地方，波峰遇到波峰时水波会更高，波峰遇到波谷时候，会相互抵消消失。这种常见现象叫做干涉。
只有波才会有干涉。
实验所使用的背景板上明暗相间的黑白条纹证明了光的干涉现象，从而证明了光是一种波。双缝实验彻底动摇了光粒子说的统治。
此后的50年间，光的波动说进一步发展。到十九世纪中期，开始主导科学思潮。人们认可了光是一种波，不是粒子。
2、
19世纪物理学大发展，科学家们认为人类对于物理学的掌握已经趋于完美，再进行研究，不过是在已知结果的小数点后加上几位而已。
德国人普朗克的老师也这样劝导他，奉劝他不要去学纯理论物理，他没有被两位导师的建议说服。
19世纪的最后一天，1899年12月31日，物理学家凯尔文发表迎接新世纪的演讲：“19世纪已将物理学大厦全部建成，今后物理学家的任务就是修饰、完善这座大厦了。”
普朗克无心为此高兴，他正在为一个6年还没有解决的计算问题头疼不已。
当时的物理学家总结出的两个公式，都不能准确的计算物体发出的辐射。一个可以在辐射的长波部分计算出结果，另外一个公式可以在辐射的短波部分算对，可是一旦到相反的波段，答案就谬之千里了。
普朗克不能理解其中奥义，他的研究陷入了长期的困局。
“走投无路”的普朗克想，不然先强行的把两个公式凑成一个满足所有波段的公式吧，然后倒着推理，看看是什么结果。
结果是，如要想让组合在一起的公式成立，那么物体发出辐射时，能量就不能是连续的，而是以一个微小数量的整数倍跳跃式的变化，也就是说能量的变化是一份一份的。
1901年，他把计算的结果发表，在论文中，他把这一份一份的能量起名为“量子”。
其他的科学家验证出了普朗克的正确性，量子力学自此诞生，普朗克成为了“量子之父”。
3、
1880年之后，爱迪生改良后的电灯泡开始大面积的推广。人类对于光的利用达到了前所未有的高度。
德国人赫兹发现，用紫外线灯光照射金属，里边的电子会被激发出来形成电流。光生成了电。
赫兹称其为“光电效应”，他却做不出解释。
1905年，在物理学界被称为“爱因斯坦奇迹年”。爱因斯坦在这一年中，发表了5篇划时代的重要论文。其中一篇关于“光电效应”的论文，直接成就了爱因斯坦获得诺贝尔奖。
爱因斯坦在论文中，重新提起光的粒子说。按照光粒子说和量子概念，光应当是由一份一份不连续的微小颗粒组成，他起名叫“光量子”，简称光子。
当某一光子照射到灵敏的金属上时，它的能量被金属中的某个电子吸收。电子的动能增大，克服了原子核对它的引力，飞出了金属表面，成为光电子，形成光电流。
爱因斯坦对于光电效应的解释，震动了已经普遍认可光波动说的物理学界。
一系列实验验证了爱因斯坦的正确性，人们开始意识到光同时具有波和粒子的双重性质。对于光是什么，这一持续近300年的争论，终于以一个神奇概念的产生而宣告终结——光的波粒二象性。
科学家获得了新的思路，原来一种物质是可以同时具有两种截然不同性质的。波粒二象性就像一把钥匙，微观世界的大门被打开了。物理学家进一步发现，基本粒子都是具有波粒二象性的。
经过几十年孜孜不倦的研究，量子力学与已经沿用近300年的经典物理理论之间的矛盾日益明显。
之所以出现这样的局面，是因为科学家发现的量子现象，在宏观世界中都不曾出现。量子力学和经典力学的对立，实质是微观世界和宏观世界对立的缩影。
难道同一个世界，不应该有同一个理论吗？
爱因斯坦开始提出质疑。量子力学过于玄幻，提出的概念实在令人费解。爱因斯坦是量子物理的奠基人之一，但此时，他站出来对量子力学本身的一些基本概念和完备性提出深刻的否定。
量子物理学家们却并不认同他。新兴的量子力学成绩斐然，不容置疑。在各种学术期刊中充斥着火药味，好像这些科学家万一碰面，必然会有火星撞地球般的激烈雄辩。很快，这样的会面，真的来了。
4、
“地表最强”物理学家大辩论
1927年，比利时。著名的第五届索尔维会议。
这是物理学史上最伟大的一次聚会。如华山论剑，江湖上顶尖高手悉数到场，都是物理学各个分支的旗帜性人物。照片中与会的29人，有17人都先后获得过诺贝尔奖，被称为物理学的“全明星”盛会。
在照片中，爱因斯坦居中而坐，可见其当时在学术界的地位。他以因果论为武器，展开对量子力学现状的分析，指出量子力学研究不尽如人意。
所谓因果论，就是任何事物的产生和发展都有一个原因和结果。这是天衣无缝的真理。
爱因斯坦的支持者有薛定谔和德布罗意。
他的反对派人数众多，他们有个统一的名号——哥本哈根学派。掌舵人是波尔，他为量子力学奠定了重要的理论基础。特别值得一提的是，波尔曾经到访中国，他在自己的族徽中，放上了中国的太极图。波尔认为太极完美的诠释了自己的互补原理。好像光的波粒二象性，波和粒的属性是互补的。
波尔带领着一批30岁左右才华横溢的年轻人，玻恩、海森堡、泡利、狄拉克等都是这个学派的主要成员。他们对量子力学的解释被称为量子力学的“正统解释”。
哥本哈根学派的辩据，是基于计算的概率论。在量子世界里，结果经常不是明确的，而只是一种概率。
我们举例来说明，例如“量子隧穿效应”。
在两块金属中间夹一层绝缘层，一般都认为电子不能通过绝缘层。但哥本哈根学派说，电子通过绝缘层是存在概率的。经过计算，可以得出概率的数值。这就是“量子隧穿”。如果放到宏观世界，人能不能穿墙？按照量子隧穿，宏观物体也能发生隧穿效应。人也可能穿过墙壁，但要求组成这个人的所有微观粒子都同时穿过墙壁，实际上几乎是不可能的。但从概率上说，人可以穿墙。
爱因斯坦对于这样的概率说嗤之以鼻。概率的存在，只是量子力学理论不完整的证明。量子力学并没有找到完整描述微观和宏观世界的理论。
“上帝不会掷骰子”，爱因斯坦这样说。
“爱因斯坦，别去指挥上帝该怎么做！”波尔回击。
5、
在第五届索尔维会议上，爱因斯坦没有取得胜利，甚至可以说失败了。他并不甘心，三年以后的第六届会议，他卷土重来。
爱因斯坦总结经验，放弃了对于具体案例的探讨，把矛头指向哥本哈根学派的理论基础——“测不准原理”。
我们简单介绍下这一原理。人们为了直观理解原子内部，会画一个这样的示意图。
电子围绕原子核旋转，看上去像行星围绕太阳旋转。
但这是错误的，轨道根本不存在。事实上，原子内部的样子更像这样。
像一团云雾，科学家形象的称之为“电子云”。这看上去密密麻麻的云雾，其中的电子其实只有极少的几个，甚至是1个。
出现云雾状，是因为电子在原子狭小的空间内以接近光速运动，看到的只能是一团云雾。
测不准原理说的是，在原子内部，电子的运动毫无规律，我们知道电子的位置时，却不可能知道它的速度。位置和速度，不能同时知道，这与描述宏观世界的经典物理学是相悖的。例如我们可以计算出任意时刻，地球围绕太阳轨道运行的速度和位置。
爱因斯坦相信，只是我们缺乏观测的手段和合理的公式，不存在这样的测不准原理。
每天在旅馆用早餐时，科学家们见面，爱因斯坦就描绘一个思维实验，他认为从中可以清楚看出哥本哈根学派解释的矛盾。
玻尔在傍晚的时候就对这些理想实验做出了解释，他会在晚餐时分析给爱因斯坦听。
爱因斯坦对这些分析提不出反驳，但在心里他是不服气的。
第六届索尔维会议，爱因斯坦再次以失败告终。
由于第二次世界大战一触即发，爱因斯坦被德国纳粹迫害而逃亡美国，没有出席三年后的第七届索尔维会议。
量子力学的索尔维会议结束了，然而关于量子力学的争论仍在继续。
6、
1935年，爱因斯坦和他的支持者向哥本哈根学派发起了总攻。
爱因斯坦围绕量子纠缠展开质疑。
所谓量子纠缠，是量子世界中又一奇妙的现象。科学家发现，在同一特殊反应中能够生成两个且只有两个相互纠缠的量子，这两个量子如孪生一般，对其中一个发生作用，另外一个会同时做出相同的变化。比如一对相互纠缠的电子，如果他们的纠缠方式是反向纠缠，一个正向旋转，那么另外一个必然反向旋转。假设你将前边的电子改为反向旋转，那么另外一个会同时变为正向旋转。而且，这两个电子无论相聚多远，哪怕是银河系的两端，也不能阻碍他们同时发生变化。
他们之间是如何联系的呢？这种联系速度甚至达到光速的十倍。这不科学。因为按照相对论，光速无法被超越。爱因斯坦把这种鬼魅般的联系称为“幽灵作用”。
诚然，直到今天，我们还没有确凿证据找到能超越光速的物质。所以，哥本哈根学派告诉爱因斯坦，世界本来就是这样的。
爱因斯坦的主要支持者薛定谔，更是提出了一个对于哥本哈根学派如同噩梦的实验——“薛定谔的猫”。
既然量子力学的理论都是解释微观状态，那如何与宏观世界结合呢？薛定谔假设，在一个箱子里，放一个原子核，原子核是个量子级概念，它在不确定的时间内会自发的产生衰变，谁都无法预测衰变的准确时间。箱子内设计一个机关，当原子核衰变时，将联动一把锤子，打破装有可以毒死猫的毒气瓶。箱子里边放一只猫，然后把箱子盖上。请问，过一段时间后，箱子里装着的是一只活猫还是死猫？
按照哥本哈根学派的理论，观察行为会改变物质变化的状态。好，那不观察呢？
对此，哥本哈根学派只能吞下苦水，承认那只猫是处于半死不活的混合态。
波尔和爱因斯坦的论战，也是量子力学和经典力学的论战。争论虽然直到今天输赢也没有定论，却促进了量子力学的发展和完善。
论战使哥本哈根学派的思想广泛流传。
科学家们并未停步，他们聪明的绕过了研究谁对谁错，而是选择忠于实验结论和计算结果。问到量子力学的原理，大多数物理学家会说“闭嘴，乖乖计算”。
波尔说：“我们称之为真实的一切，都是由我们不能称之为真实的东西组成。”量子力学，充满许多匪夷所思的怪论，但是，一切的实验和计算，都验证出它是对的。原理如何，无人知晓；事实证明，爱因斯坦错了。
根据量子力学的方程，人们设计了可以控制微小电流的开关，应用到激光、晶体管、集成电路等电子工业的大多领域。可以说量子力学如果不成立，那么我们的电脑、手机、相机等等电子元器件将统统失灵。没有量子力学的世界，我们只能回到蒸汽时代。
7、
以上就是简单的量子力学发展过程。近年，量子力学一词，出现的越来越频繁。我们普通人，怎么能够容易理解量子力学呢？如果我们能够打破几个定势思维，同样可以走进量子力学的奇妙世界。
颠覆思维之一、量子化无处不在
从量子的名字看，很多人看到叫“子”，就认为是一种微小颗粒。在理解量子时，请忽略后边的“子”字，而看前边的“量”字。量子，拉丁语本意为“有多少”，代表“一定数量的某物质”。
量子力学，虽然研究基本粒子，但是量子化，却是宇宙的属性。大到行星、小到细胞，最终分解都是可以量子化的。甚至人类的思维，科学证明，我们的意识同样不是连续的，每隔0.042秒就有微小的断开。那么我们的意识就可以视为以0.042秒为一份的量子化意识。
我们所处的宏观世界是由微观世界组成的，两者并无清晰的界限。哪怕我们人体，同样由微小的原子组成。按照波粒二象性，如果告诉你，人同样是由波组成的，也并不需要意外。这在德布罗意的“物质波”理论中，已经有了答案。
另外，抽象到如空间，也可以量子化。空间的量子化，产生了虫洞。虫洞的概念，是说我们只要有足够大的能量，就可以打开单位空间之间的间隙，依靠这样的虫洞，可以进行时间旅行、空间转移。这并不是科幻，至少从数学的推算中可行。虫洞也叫“爱因斯坦－罗森桥”，由爱因斯坦及罗森在研究引力场方程时推算得出。
如太极的玄妙，宏观和微观相互交融，并非对立。解释宏观世界的经典物理学，和解释微观世界的量子力学，现在还极不相融，没有达成一致，但已有科学家通过实验开始把彼此归于统一。由此，可能会产生更加奇妙又伟大的理论。
颠覆思维之二：没有唯一的真理，甚至在科学中
苹果砸到牛顿的头时，他发现了万有引力。今天我们知道，扔一个苹果，只要有足够大的能量，甚至可以把苹果扔出地球。这对于古代人，无法想象。
认知没有止境时，真理就是相对的。
假设世界只是一个平面，我们都是二维平面人，那么我们甚至都不能理解，在一个三维世界的地上出现了两个脚印是什么原理。还好，我们本身是三维的，知道脚印的上边是一个完整的人。那量子纠缠的超远距离“幽灵作用”是什么原因呢？科学家目前的解释有分歧，有些认为光速并不是极限速度，“幽灵作用”是超光速传导产生的；而也有科学家认为，宇宙本身是11维度的空间，“幽灵作用”是由于那些被压缩在空间内的、我们看不到的维度影响产生的。
原理虽没澄清，但利用量子纠缠现象，我国已经于去年8月发射了量子通讯卫星，领先全球。
量子力学正在渗透到科学的各个领域。例如生物学家甚至证明，我们的嗅觉，不是由我们一般认为的，闻到物品的分子产生，而是像我们的耳朵一样，“听到”了物品中亚原子颗粒的波动来加以区分。量子生物学正在颠覆传统生物学。
科学的研究还在继续，可以肯定的是，我们看到的世界，并不是它的全部。
颠覆思维之三：没有绝对的存在，概率才是真实的面貌
如果你在北京，对于我来说，你在北京的哪里呢？量子力学的解释是，你在北京的任意一个地方。就如我们想知道一个电子在原子中的位置，电子是以波的形式存在于整个原子空间里，直到你去观察时，才会具体的出现在一个点上。同样，我没有观察或者没有被告知时，你就如电子一般，在北京的任意一个角落都有存在的概率。
量子力学目前不能准确的解释这种逻辑，他们说这就是真实的世界。
这种概率存在的意义，目前在量子计算中显的更为实用。
我们都知道，现代计算机的数学基础是二进制。计算机二进制中，一个单位信息叫一个比特。一个比特可以是0，或者1。如果我输入2个比特01，通过传输后，它依然是01。量子比特则不同，我输入两个最小单位的量子比特，这两个量子比特都有可能是0，也都有可能是1，概率均等。这时，输出的结果也不再是单一信息，而是四个可能，00、01、10、11。量子计算给了我们四个概率相等的、可供选择的、不确定的答案。这可以简单认为就是量子计算的原理。
2个量子比特信息，答案是2的2次方个；3个量子比特，就是2的3次方个；……20个量子比特，就是2的20次方个，也就是100多万个。
量子计算，会随着量子比特增加，呈几何级数增长。比如我们想从100万个不同比特信息中找到我们想要的一个，量子计算机不会像经典计算机一样逐个检索，而是同时检索100万个答案。只要设定一下条件，计算机可以在一秒内找到这个比特信息。
这就是在5月3日我国宣布研发成功的量子计算机的计算能力。因为我国科学家，实现了10对纠缠状态下的量子计算，10对——20个量子，在计算中就是20个量子比特。
想要判断量子计算到底牛不牛，学术界有三个达成共识的指标性节点：计算能力超越早期经典计算机是第一步，再是超越我们使用的个人电脑，最后是超越超级计算机。
我国科学家在全球率先完成了最困难的第一步。
量子计算机离我们已经如此之近。
量子力学理论从量子一词诞生，到今天有117年的历史。量子力学已让我们的生活翻天覆地。随着对于量子力学研究的深入，实用化的量子产品终将迎来井喷的一天。
波尔说：“如果谁不曾对量子论感到震惊，他就根本没有理解它。”
我们对于量子的无知，就像300多年前，人类对于光的无知一样。人类探索量子世界秘密的过程，智慧之花也在悄然绽放。
也许，在未来的某一天，人类完全理解了量子的世界，才发现量子力学这门超现代科学本身，正是生命古老的事实。
原文发布时间为：2017.05.01
本文作者：夜二郎
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