清华大学副教授李铁夫：为什么量子力学是更底层的思维逻辑？

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为什么要懂一点量子力学？

第一，量子力学是人类知识的最前沿，也是世界的底层逻辑，哺育了几乎所有现代先进科技，彻底改变了我们的生活。从电脑、手机，到火箭、飞机，几乎你能想到的一切电子设备，量子力学都是藏在背后的隐形大佬。

第二，量子性质的事件和传统连续的事件不一样。我们应该懂一些量子力学的思维逻辑。

11月，李铁夫老师在混沌文理院授课，与同学面对面交流量子力学与科技革命。从物理学的大厦遭遇困境，到量子论诞生，再到当下及未来的科技革命。我们努力想象那些难以想象的事。

本文为李铁夫老师课程节选。

授课老师｜李铁夫清华大学副教授混沌文理院讲师

编辑｜混沌文理院

两朵乌云：经典物理学的困境

在学习之前，有个观念得先掰过来。很多人经常问我，哎，量子是不是比电子还小的“子”？

上中学时我们就知道，物体由原子组成，原子由一个原子核和围绕它的电子组成，原子核由紧密聚集在一起的质子和中子组成……那么，量子是不是一个更小的基本粒子呢？

这其实是个误解，量子并非某一种基本粒子，而是对这些粒子的一种认识。

那么，量子是怎么来的？经典物理学是遇到了什么致命困境，才不得不出现量子呢？

这要从经典物理学的辉煌说起。我们知道，实际上，经典物理学的得位也是从“打破”来的。

比如，以伽利略为例，他是打破地心说、创立日心说中承上启下的大人物。他通过望远镜，观测到很多星体不同于以往人们的认知。比如，月亮表面其实坑坑洼洼，太阳上竟然有黑子。物理学的发展就是这样，先是观测到一些奇怪的事情发生，然后再用想象力去解释它。

日心说，只是提出了所有行星绕着太阳转，但凭什么绕太阳转呢？

牛顿爵士站在前人的肩膀上，提出“万有引力”，一战成名。

一个完整的物理宇宙，从此建立。

对这个宇宙观，最好的描述，来自物理学史上的一只神兽——“拉普拉斯妖”。

但凡没有牛顿，拉普拉斯绝对是头号科学家的竞争者之一。

他给出一个说法：“我们可以把宇宙现在的状态视为其过去的果以及未来的因。如果一个智者（世上不可能有所谓智者能做到这点，如果有，只能是妖），能知道某一刻所有自然运动的力和所有自然构成的物件的位置。假如他也能够对这些数据进行分析，那宇宙里最大的物体到最小的粒子的运动都会包含在一条简单公式中。对于这智者来说没有事物会是含糊的，而未来只会像过去般出现在他面前”。

这是当时人们对宇宙的认识。从天上的行星到地上的石块，万物都毕恭毕敬地遵循着牛顿力学制定的规则运行。上帝创造世界的原理，被牛顿发现了。

用法国大数学家拉格朗日的话讲：“虽然牛顿确实是天才（潜台词：我也是啊！），但牛顿是那么地幸运，因为发现并建立一个宇宙系统的机会只能有一次”。

接下来，人们开始用牛顿力学的那套方式研究电学，不久，力、热、光、电、磁……都打通了，一切的一切，都在人们的控制之中，而且所用的居然都是同一种手法。它们的根基一致，建立在客观现实性和决定性的基础上，不仅不相互矛盾，而且还互相呼应，互为补充。

物理学家们开始相信，这个世界所有的基本原理都已经被发现了，物理学已经尽善尽美，它走到了自己的极限和尽头，再也不可能有任何突破性的进展了。如果说还有什么要做的事情，“就只是把物理常数在小数点后面多算几位了”。

普朗克的导师甚至劝他，不要再浪费时间研究物理了，物理就这么回事了，不如搞搞别的去吧。

经典物理学大厦的建立，带来了两次工业革命，第一次工业革命是机械技术的革命，人类用蒸汽力取代了人力和畜力，第二次工业革命更了不起，电学得到广泛应用。从那时起，人类的商业和日常生活，不再缺乏动力了……

可是，不出意外地话，要出意外了。就像伽利略他们打破了地心说，经典物理学的大厦很快就要被打破。建立世界的体系，肯定不只一次。

19世纪中后期，物理学家埋头做实验，发现了很多用经典物理学解释不了的事。比如，鼎鼎大名的光电效应实验。

1900年元旦这天，著名的开尔文勋爵发表了一个演讲，“在已经基本建成的物理学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了……但是，在物理学晴朗的天空的远处，还有两朵小小的、令人不安的乌云”。

这两朵小小的、令人不安的乌云——后来我们知道，构成了现代物理学的两大支柱——第一朵，出现在光的波动理论上，引出了相对论；第二朵，出现在黑体辐射上，带出了量子力学。

波粒二象性：量子力学的奇幻

1905年，针对光电效应难题，爱因斯坦给出了著名的解题思路。

他在普朗克理论的基础上指出，光并非连续的波，而是一份份分离的能量包。这可以说是量子力学的诞生宣言，彻底改变了人们对世界的根本认识。量子，英文是quantum，正是代表了这种分立的特性。

那么，微观粒子，如光子、电子等等，是不是就是一种实心的、一块块的小球呢？

非也，微观粒子的本质更像是波。

放到微观尺度来看，一切东西，都既是粒子，又是波。——这到底是什么，人确实无法想象。

有一个著名的实验，“光的双缝干涉实验”，进一步证明了光具有“波粒二象性”。简单讲，实验是这样的：

一个光源射向一堵障碍物，障碍物上有两道缝可以透光。如果光子只是粒子，那么我们应该在双缝的另一侧屏幕上看到两条杠。

但因为光子具有波的属性，而波之间会发生干涉。于是，我们看到很多条干涉条纹。

但是，令人吃惊的是，当我们用一个检测器去观察光子走向的时候。波的干涉图案消失了！

光子现在似乎变得更像粒子，而不是波——屏幕上只出现了两条杠。

这其中发生了什么？爱因斯坦也难以理解。

哥本哈根大学的玻尔和海森堡给出了最广为接受的量子解释：粒子同时处于波和粒子的状态，只有当它们被测量时，波才会像粒子一样变得清晰。概率波变成了粒子的确定位置点，称为量子坍缩。

这就是量子论最叫人困惑的地方，不确定性。我们无法肯定地指出一个微观粒子究竟在哪里，我们不知道它是通过了左缝还是右缝，我们不知道薛定谔的猫是死了还是活着。所有的可能性都是线性叠加在一起的！粒子同时通过了左和右两条缝，薛定谔的猫同时活着和死了。只有当实际观测它的时候，上帝才随机地掷一下骰子，告诉我们一个确定的结果。

对这个说法，爱因斯坦并没有接受，他始终认为，这个世界是客观的，有规律可循的，他说：“上帝不会掷骰子！”而玻尔则回应爱因斯坦：“你不要教上帝该怎么做！”