文/老余

写完《相对论》系列，很多朋友想让我写一写量子力学，说实话，这个主题比相对论的写作难度大太多了，因为：

微观世界依照的完全是另一套物理规则，而这套规则让身在大尺度世界的我们非常陌生，陌生到有一种怪逻辑：

——你越是科学的拥趸，受了越多的科学思维锻炼，你就越无法容忍它；而你越是鬼神论者，越喜欢超能力的东西，你却越能接受它。

如何以科学的态度和笔触去描述这“超能力”的现象，对我来说挑战很大；如何以科学的思维去理解这鬼魅般的量子世界，对你的挑战其实也不比我小。

所以，在和我一起探索的过程中，你要时时提醒自己两点：

1、无论我得出了多么离谱的结论，你都要原谅我，因为我只是知识的搬运工，我不是始作俑者；

2、无论物理学家们推导出了多么离谱的结论，你也都要原谅他们，因为科学之所以从神学的土壤中发芽、生根到长成参天大树，成为人类的第一生产力，是因为它是以「可重复的实验，可证伪的逻辑」为基础的，即使你再不喜欢这个结论，但无数次重复实验的结论就是这个，你也只能认命。

你可能会说：老余你太矫情了，我看你几篇文章而已，不可能会让我想骂人或者弄得我失眠的。

我觉得你谨慎一点为好，真的不要太乐观，随便举几个例子，你就知道量子的世界会是怎么的存在？你就知道为何世上最聪明的头脑们为之疯狂了百余年：

• 穿墙术，原来是真的

我们在电影里经常看到主角隔山打牛、穿墙而过，而我们往往把这类称之为特效、真实世界中不可能发生的事在微观世界里，是电子最基本的本领。

那你有没有想过这样一个问题？

既然电子可以穿墙，那中子也应该可以，既然电子、中子都可以，那原子也应该可以，那按道理细胞也应该可以，那由细胞组成的人体，也应该可以... ...

这么推导下来是没有逻辑问题的，只是每大一个数量级，穿墙的概率就会越小而已，到人体这个数量级，穿墙的概率是有的，只是非常非常非常非常小而已，但并非100%不可能。

是不是非常反直觉？

• 在同一时间，电子既可以出现在这里，也可以出现在那里

在宏观世界里，我们从小就明白一条铁律，那就是「物质恒定」——一个物体不会凭空消失，它在一个时间点上，只能出现在一个地方。

此刻，它不是在这里，就是在那里。

比如我看蒙台梭利的《发现孩子》时，书上就说孩子在一岁左右喜欢往地上扔勺子，喜欢往沙发下藏遥控器，然后你一遍一遍地将勺子拾起递给他，一遍一遍地从沙发下将遥控器拿出来，这是孩子发现并验证“物质恒定”的感人过程（明白这一点，我们就不会觉得孩子是在淘气了）。

但在电子的世界里，这条铁律消失了——在同一时刻，它既可以出现在这里，也可以出现在那里，它可以出现在所有地方，而且还可以同时沿着不同的路线前进。

你说，这是不是非常诡秘难以理解？

但这还不算啥，我们再看一个更不可思议的事。

• 诡异的“波粒二象性”

学过初高中物理的朋友对这个词儿不会陌生，说的是光既有粒子的特性还有波的特性（光的干涉衍射实验），我当时学这个的时候，还天真地以为是观察尺度的问题：

1. 如果从宏观上看，一束光就会表现出波的特性，就像看水面的水波一样；
2. 如果从微观上看一个光子，它就会表现出粒子的特性，就像看水分子一样。

但这个认识不仅错了，而且错到了姥姥家去了，真实情况让我差点疯掉：

1. 即使是一个电子，它也能表现出波粒二象性；
2. 也就是说，它能自己干涉自己；
3. 也就是说，它能在同一时间走在不同的路上（不然不会产生干涉条纹）；
4. 更让我要疯的是，两个观测者同一时间观测同一个电子，得出的结论往往还不一样：一个观测者想看这个电子的波动性，它就给这个观测者展现波动性；另一个观测者想了解这个电子的粒子性，它就给这个观测者展现粒子性；
5. 物理学家甚至做过这样的实验：既然电子能感知到每个人想观测它什么，那我先假装要观测它的波动性，等它快要到达终点的那一刻，我突然改变主意观测这个电子的粒子性，会不会成功”骗过“电子呢？
6. 你猜这个电子会怎么做？
7. 它不仅能瞬间放弃自己的波动特性，表现出粒子性，还能改写它自己之前的行为特点，好让前后表现一致。这就好比你此刻看到高考卷子后，还能回到过去来为这次高考题做针对性的准备。
8. 也就是说，电子好像有思想似的，它会投其所好地改变自己的现在和过去。

怎么样？是不是诡秘得很？

下面还有诡秘之极的！

• 量子纠缠

两个相互关联的粒子，其中一个的状态发生改变，另一个不管两者相距有多遥远，就能在瞬间发生改变。

这意味着什么？

这或许意味着某种东西或许能超光速，虽然在我们大尺度宇宙世界里，还没有发现任何物质可以做到这一点。

... ...

以上，还只是说了量子世界里的冰山一角，这些现象如何解释？

一百多年来，地球上最聪明的头脑一直在思考它、钻研它、怀疑它、反对它、运用它、推广它... ...

这是一个让人不能善终地学问：比如爱因斯坦，虽然他的“光电效应”理论洞开了量子力学之门，但他一直在反对量子力学，以至于同行绝大多数人不愿意接近晚年的他；

这是一个让人一战成名的学问：波尔、薛定谔、海森堡、泡利、狄拉克等等都因此而星光熠熠，他们的名字将永远闪耀；

这是一个让人为之沉沦的学问：看看普朗克（发明普朗克常数的那个）在研究量子力学前后的照片，你就能管中窥豹，从侧面略知一二了。

研究量子力学前后的普朗克

前提交代完毕。

我们就从物理学晴朗天空远处的两朵小乌云开启这趟思想旅程吧，请系好安全带，坐稳，我们出发了！

两朵乌云

物理学晴朗天空边上的两朵小乌云

1900年，东方古国发生了两件大事：

一是正在经历一场史无前例的浩劫——八国联军侵华；二是义和团打着扶清灭洋的口号，说自己神功护体刀枪不入，就问你们洋人怕不怕？

正当义和团以血肉之躯抵挡洋枪洋炮之时，大洋彼岸的热力学之父汤姆森在一个演讲中说：“物理学的大厦已经基本建成了，后辈的物理学家们就等着享福吧，你们只要做那么一点点修修补补的工作就行了，但在物理学晴朗天空的边上，还有两朵令人不安的小小乌云。”

这两朵乌云就是：

1. 光速到底是相对于谁的？
2. 经典物理学为何无法解释黑体辐射？（不反射光，发出的都是自身热量导致的热辐射，比如夜视镜下的人体辐射）

现在看来，热力学之父实在是太乐观了，这两朵哪里只是小小的乌云，简直就是两片无边无垠的天空，因为：

“第一朵乌云”直接导致了爱因斯坦《相对论》的诞生（如果你对相对论感兴趣，文末点击查看）；

而“第二朵乌云”直接洞开了量子力学的大门，门边‬的主角，一个是开普勒，另一个还是爱因斯坦。

在普朗克上大学时，老师就劝他不要搞物理，理由与汤姆森一样，说是物理学低垂丰满的果实已经被摘完了，即使你的天才、运气、努力比前人多几倍，也难取得像样的成就了。

像现在的大多数年轻人，把长辈的苦口婆心当做耳边风一样，普朗克对物理学有种至死不渝的纯粹。

1900年的一天，普朗克和一个同行聊天，同行说物理学已经发展到现在这样了，就连气体的热运动都能精准地用公式表达，但解释一块固体烙铁的热运动时，我们所有的理论都不适用，也就是说：

——经典物理学可以描述万物，但在描述黑体辐射时，失败了！

同行走后，普朗克就一直琢磨这个问题，他数学很好，他就想换一个思路：我能不能先不管物理意义上的事，我就用纯数学的方法去凑一个公式来描述黑体辐射曲线，而后再寻找物理意义，是不是也可以？

普朗克如上帝附体，真的很快就凑出了一个公式能精准地描述黑体辐射曲线，但让普朗克异常烦恼的是，上帝只附体了他一次，虽然这个公式能完美描述黑体辐射，但普朗克始终无法赋予这个公式意义，也就是他不知道为何黑体辐射的公式会是这样？

帅气的普朗克

但普朗克并非毫无进展，他发现要推导出这个公式，除非光满足一个假设前提，那就是：

——光的能量不能是连续的，而是要一份一份的（普朗克因这个公式和这个假设，获得了1918年的诺贝尔奖）。

但普朗克不知道这一份一份的能量到底是什么意思，而此刻物理界还有一个疑问：

当一束光打在金属板上，金属板有相当概率会往外发射电子，本来这事很好理解，因麦克斯韦的电磁理论已经普及——光也是电磁波的一种，当光打在金属板上，电磁波能量转化为电子的动能，电子就跑出来了。

按照麦克斯韦的理论，电子跑不跑出来只与光的强度有关系，而与光的颜色（也就是频率）没有关系。

但实验结论却恰恰相反——电子是否跑出来与光的颜色有关，而与光的强度无关。

比如用红光（频率低）打金属板，无论亮度如何，都不会有电子跑出来；但如果用蓝光（频率高）打，即使光很暗，都会有电子跑出来，且速度非常快。

为何会是这样？

把这个问题讲明白的，是爱因斯坦。

1905年，东方世界发生了对后世影响深远的很多大事：

日俄战争中，俄国战败退出旅顺口岸；慈禧委派五大臣准备去西方考察宪政到底怎么搞；几千年的科举制度寿终正寝；孙中山合并兴中会、华兴会、光复会，同盟会正式成立；《革命军》的作者邹容死于狱中，《猛回头》的作者陈天华，为唤醒国人，跳海自杀。

此时的东方古国，正在经历“千年未有之大变局！”

而在这一年，爱因斯坦发表了六篇重量级论文，其中一篇叫做《关于光的产生和转变的一个启发性观点》，正是为解决以上问题而写。

这篇论文主要写了些什么？爱因斯坦是如何完美地解决那两个问题的？为何说这篇论文洞开了量子力学的大门？

篇幅有限，请看下篇分解。

（完）

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