1.1 量子约等于现代物理学

1.1.1 世界是由量子组成的

物理学家理查德· 费曼（Richard Feynman）曾经说过，如果人类现代文明毁灭了，只能够留下一句话给后世人类，应该留下哪句话？他选择了“世界是由原子组成的”这句话，因为这句话揭示了世界是可以分解为最小组成单元的，代表了物理学中刨根问底的“还原论”思想，也是人类科技最重要的认识。

“世界是由原子组成的”，这是源于古希腊伟大的唯物主义哲学家德谟克利特（Democritus）的思想，长期以来只能作为哲学思辨而存在。自17世纪艾萨克· 牛顿（Isaac Newton）建立了经典物理学并提出了微粒学说以来，18 世纪约翰· 道尔顿（John Dalton）根据化学反应的现象提出了全新的原子论，同时路德维希· 玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）发现只有认为世界是由原子组成的，统计物理学才能成立。随着19 世纪末约瑟夫· 约翰· 汤姆逊（Joseph John Thomson）发现了电子，物理学家开始畅想原子是什么样子。20 世纪初，欧内斯特· 卢瑟福（Ernest Rutherford）的团队发现原子是核式结构，而正是此时，物理学家们发现经典的牛顿力学已经无法解释原子的稳定性了。

20世纪初，普朗克发现只有电磁波（光）是量子化的，才能解释黑体辐射现象，5年之后，爱因斯坦把这个思想用在了解释光电效应上，一举解决了自牛顿以来光的微粒说和波动说的争端。又过了10年，玻尔用了源自普朗克的量子化思想，解决了原子的稳定性问题。这就是早期的量子理论，本章的第2节将介绍这段历史。而随后发展的量子力学，不但彻底解决了原子的稳定性，而且也一步步揭示了原子是由更基本的不可分割的粒子组成的，即“基本粒子”，其中夸克组成了质子和中子，质子和中子组成了原子核，原子核和电子组成了原子，具体如图1-1所示。本章的第3节将介绍量子力学的历史。

图1-1 基本粒子组成了万物

“量子”和光子、电子、夸克、中微子等基本粒子，以及原子、分子等复合粒子的概念不在一个层面上，它是一个更为广泛和基础的概念。量子力学告诉我们在微观世界中，很多物理量，如能量、动量、电荷等，都有一个不能再分下去的最小单元，这个最小单元就叫作量子。我们的宇宙布满了各种各样的“场”，这些场的量子就是基本粒子。这些基本粒子构成了质子、中子、原子、分子等各种各样的复合粒子，进而构成了我们的宇宙万物。从根本上说，这个世界是由量子组成的。

因为每一种基本粒子必定携带多个最小的物理量单元，于是量子这个词可以涵盖所有的基本粒子，同时也能涵盖那些带有一些最小物理量的复合粒子，因此我们可以放心地把“世界是由原子组成的”这句话改为“世界是由量子组成的”。

当然量子的神奇远不止于此，在微观世界中，经典力学不再适用，我们需要用“量子力学”来描述量子叠加态，以及波动性和粒子性的统一。20世纪初建立的量子力学是物理学史上最重要、最彻底的一次革命，量子力学和相对论也被誉为是现代物理学的两大支柱，但是由于量子力学的研究内容和相关领域要远多于相对论，支配了从基本粒子到宇宙繁星的各个方面，并且催生了人类的第三次科技革命（信息革命），因此“量子”这个词几乎可以等同于“现代物理学”。

1.1.2 超出人类想象的量子力学

量子力学深刻地颠覆了物理学家的世界观，这可以从两个方面来阐述。第一个方面就是存在量子叠加态，这是在人类日常的世界观中无法想象的状态。人类世界观的形成离不开自己的感官，那么感官看到的物体状态，丁是丁卯是卯，说一不二。经典力学为什么容易理解？就是因为它掌控着宏观世界，完全符合人类的感官常识，让人类看得见摸得着。

但量子力学掌控的是微观世界。当我们看一个基本粒子的时候，它就不是一个小颗粒了，而是一个量子化的波，它其实无处不在，即同时存在各个地方，这称为波函数。这就是量子叠加态的一种表现，即波函数是坐标空间本征态的一种叠加。所以当我说“一个基本粒子的大小是一个无限小的点，但是它同时存在于整个空间”时，听起来是多么不可思议，但是量子力学却告诉我们这是基本粒子真正的性质。在量子力学中，位置的叠加已经很不可思议了，而其他如动量的叠加、能量的叠加，更比比皆是。而“量子纠缠”就是量子叠加的一种，是两个或两个以上粒子组成的一种量子叠加态。当你明白了量子叠加态的存在，就不会对量子纠缠这种“遥远地点之间的诡异互动”感到不可思议了。第4章将会仔细讲解“量子纠缠”的概念。

量子力学与经典力学的关系可以理解为本质和现象的关系。所有的基本粒子都遵守量子力学，它们组成的原子、分子也要遵守量子力学，当原子越来越多，分子越来越大，系统变得越来越宏观，一些相互作用会导致量子特性逐渐被平均掉，我们称之为退相干，这种情况就可以用经典力学来描述了。换句话说，经典力学是量子力学到宏观状态的近似，物质世界本质上的存在方式是量子力学。《生活大爆炸》里的主人公谢尔顿（Sheldon）有一句台词，大概意思是他对量子力学感到兴奋，因为发现量子力学如同看到了赤裸的宇宙。从经典力学到量子力学的革命，如同拨开了宇宙万物神秘的外衣，看到了最真实的宇宙。

量子力学改变人类世界观的第二个方面就是确定性的丧失。量子力学出现之前，经典力学是完全决定论的，一切都是注定的，都是可以计算的。拿破仑时代的法国数学家皮埃尔-西蒙· 拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）把这个想法发挥到了极致，他认为如果有一个非常强大的智能生命，能够知晓宇宙现在一切的状态细节，那么就可以精确地计算出宇宙未来的一切，这就是拉普拉斯妖。到了近现代，经典力学出现了非线性动力学这个分支，这里最著名的现象就是混沌现象，尽管混沌现象看起来像是随机的，但实际上混沌现象的定义是“确定性系统展现出的随机现象”，它的本质还是一个决定性的系统，只是对初值非常敏感。如果宇宙完全按照经典力学来运行，那么一切都是确定系统、都是决定好的，人就像机器上的零件一样，没有自己的思考，现在的一切都无从谈起。

只有在量子力学里才出现了真正的随机性。尽管一个量子叠加态可以按照薛定谔方程确定性地演化，但是演化的是这个叠加态投影到各个本征态上的概率。测量可以按照这个概率使量子态瞬间塌缩到其中一个本征态上。这个量子测量塌缩传递到宏观尺度，就使我们的宇宙充满了随机性，这是经典力学没有的随机性。早期宇宙量子涨落的随机塌缩导致了各个星系处于现在的位置。早期地球上有机分子按照量子力学随机塌缩的一次次组合出现了生命，生命的DNA分子复制时按照量子力学随机塌缩（如被宇宙射线击中）产生了变异，再经过自然选择实现了生物演化，直到出现了人类。总之，量子力学给了你一个微观上随机的，宏观上也不是一切都确定好的未来，让你可以通过现在的决定改变未来的命运。