“与其感叹量子现象毁三观，不如报以科学精神来思辨”
今天开始正式更新量子力学系列。
个人觉得啊，相对于宇宙这类天文内容，量子力学我觉得更有意思。如果说宇宙之大，更多是超出了你的想象，那么量子力学，则是完全颠覆了你的认知。很多人说天文宇宙看多了，会感到自己的渺小；那么量子力学如果看多了，你可能觉得 要么自己疯了，要么这个世界疯了。当然，有点夸张了。总之，量子力学里面有太多反常识的东西：什么“既死又活”的猫、“同时正转和反转”的粒子、“超光速”的量子纠缠、“穿墙术”一样的量子隧穿等等等等。
虽然微观世界里到处都充斥着这些“不正常”现象，但是正是因为微观世界的“不正常”，反而才有了日常世界的“正常”。甚至可以说：微观世界才是正常的，我们日常生活中的感知，只是一种宏观上的“错觉”。套用那句话就是：哪有什么岁月静好，只是微观的粒子在替我们鬼魅前行。
图：量子纠缠（概念图）
不过正是因为微观世界的种种现象过于的“毁三观”，所以量子力学被很多营销号的科普讲得变了味儿。好一点的，比如可能会打一些不太恰当的比喻；而有一些，就经常根据自己主观猜想，然后硬往量子力学的那些现象上去套；甚至有的直接往意识、灵魂，以及超自然现象这方面去扯；包括试图想从哲学高度来解释量子力学的，这些我觉得都“不够科学”。注意：这里的“不科学”不是说“不正确”，而是说没有基于科学的方法，因此很多人对量子力学多少会产生一些误解。
正是因为量子力学里的现象确实太诡异，所以有些人始终很难接受这里面的一些说法。但这并不是说他们像爱因斯坦一样，只是不接受哥本哈根那套解释。他们是真的连已经被反复验证的实验现象也不相信，就像对绝对时空观已经根深蒂固的人，很难相信相对论一样。这个感觉就有点类似《三体》里面的“思想钢印”，一旦接受了某种设定就很难再撼动它。
所以这里我需要强调下：
量子力学真的是一门，基于实打实的客观实验现象发展起来的一套理论，而且实验的精度和理论预测的准确度都相当高，甚至可以说是目前所有科学理论中最准确的。就拿费曼曾经举过的一个例子：对于电子的反常磁矩，基于量子电动力学纯理论计算的结果，和真实实验测量的结果，误差程度相当于是从美国东海岸的纽约，到西海岸的洛杉矶之间，仅仅差了一根头发丝。足以见得量子力学是套多么精确的理论。而且一个多世纪以来的诺贝尔物理学奖，有一大半都颁发给了量子力学相关的研究。所以有人说：量子力学可以说是目前人类智力征程中的最高成就。
01
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什么是“量子”？
好了，作为这一系列的第一期。今天我们先来说说，究竟什么是“量子”？
关于这个问题，几乎是所有量子力学的科普首先解释的问题。但是想真正回答好这个问题，我觉得并不是一两句能说清的。因为这个问题看似简单，但是可以从很多方面来解释，具体要看侧重点是什么。
比如当它代表一种物理量的时候，可以理解为量子就是一份一份不连续的、不可分割的基本单元。这也是“量子（quantum）”这个词的拉丁语本意，是量子这个概念最常见的解释。注意：这里量子并不是指的某一种实际粒子，它仅仅是个虚的概念。除非某些特定场合，把它和具体的名词结合起来，才会代表特定的某种粒子。比如“光量子”，也就是“光子”，它指的就是光的基本能量单元。
图：经典理论中的连续 vs 量子理论中的不连续
你可以想象成爬一座山，“连续”就像走一个平缓的斜坡，每一步走多少都可以。而“不连续”则类似上台阶，你每一步都只能上台阶的整数倍，而不能只上半个台阶。这里的每一级台阶，就是“不可分割”的基本单元。顺带说下，现实世界中每阶“台阶”的高度是多少呢？就拿长度单位来说，它的最小单元被称为“普朗克长度”，大概是1.6×10^-35米。这是一个极其微小的尺度，比原子核的直径还要小得多。你可以认为它代表着我们这个现实世界分辨率的极限。
不过上面说的这些关于量子的解释，只能算是旧量子时代的概念。现代量子力学更多把“量子”一词表示为一种性质，比如不确定性、波动性、叠加态等等这种包含量子效应的性质。甚至也可以直接理解为就是“波粒二象性”这个量子世界的根本特性。
图：杨氏双缝干涉实验
对于“波粒二象性”，相信大家都很熟悉了，中学就知道。但是通常提到波粒二象性，一般会想到光子的双缝干涉实验。但更接近量子力学心脏的，应该说是电子的双缝干涉实验。因为光毕竟比较特殊，光子属于玻色子，只是力的传播者。而电子属于费米子，像是各种夸克啊、中微子啊，以及由它们构成的质子、中子等，它们都是些构成实际物质的粒子。因此电子的双缝干涉实验，意味着物质其实像光一样，也具有波粒二象性。总之，波粒二象性可以认为是量子力学的核心，它包含了整个量子力学最深刻的奥秘。
图：原子核及外层电子共同构成原子（概念图）
除了前面说的“基本单元”，以及“波粒二象性”这些性质外，其实关于“量子”这个概念，现在已经演化成：只要是和量子力学相关的任何概念，人们都会用“量子”一词来表示，已经成为了一种泛称。比如通过量子力学的规律进行的计算，就叫“量子计算”；用量子力学的原理和方法来研究化学问题，就叫做“量子化学”等等等等。当然啊，“量子速读”什么的不算啊。
除了上面说的这些侧重点外，回答“量子是什么”这个问题，你还要考虑具体受众的理解程度。就像“时间是什么”这种问题，你给三岁小孩解释的话，肯定不能从相对论角度来说。所以这个问题严格来说并没有标准答案。
什么是“量子”大概了解了，那叫它“力学”又是为什么呢？
除了“量子电动力学”这种带有“力”外，其他好像没看到多少和“力”有关的内容呀？其实这里的“力学”主要是表示物体的某种运动，而非一定就是某个实实在在的力。虽然也会涉及强力、弱力、电磁力，但是称其为“量子力学”，更多还是为了区别于“经典力学”中的那些传统的运动方式。
而且，能够称为“力学”的学科，一般都是有严格的数学方程，非常精确的，研究内容偏底层的基础理论。而像“天文学”、“宇宙学”这些，一看就是建立在底层基础理论之上的学科。
02
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如何理解量子力学？
好了，对于“量子力学”，现在大家应该有了一个初步的印象。之前可能你已经看过各种各样的关于量子力学的科普：有专业人士做的非常硬核的，一言不合就上公式；也有非常浅显的，看来看去老是那点内容，没什么新意。所以呢，这次的《俗说量子》系列，在基本内容之上，我尽量给大家说点不一样的，尤其是对于一些入门科普中常见的误解，会尽量帮大家解释清楚。比如可以超光速的“量子纠缠”，还有那只据说可以由意识决定其生死的“薛定谔的猫”，甚至号称颠覆因果律的双缝干涉实验的升级版“延迟选择实验”等等。这些都是经常被大家过度“神化”的内容。
虽然量子力学在其核心本质上确实很诡异，和宏观世界完全是两套逻辑，但是在其核心之上的一些内容，其实并不像很多科普里描述的那样神秘。基于核心思想，还是有一定道理可讲的。只要稍微深究那么一点，可能就会有不一样的认识。但是放心，我们尽量不讲公式，主要还是靠逻辑思辨去理解。
图：理查德·菲利普斯·费曼
不过就像费曼说的“没有人能理解量子力学”，这句话表达的不是说：没有人理解量子力学这个理论，而是说：不要套用经典物理那样，指望能从本质上去理解它。所以对于量子力学里的那些怪异现象，对于咱们普通人来说，只要能基于核心思想想明白就好，至于本质嘛，开开脑洞随便畅想一下就行了，不用钻牛角尖。
记得曾有教授告诉他的学生：不要问我为什么，按我说的去算就行了。等你以后年纪大了算不动了，到时候如果还感兴趣，再去考虑这些问题。我理解这个教授的意思，他是不愿意看年轻人把自己黄金时期的时间精力，花在这种难度极高，甚至可以说是几乎无解的事情上。大家应该趁年轻，多做一些脚踏实地的研究。等老了以后，名利双收了，那个时候完全可以去做一些，单纯追寻自己内心好奇心的兴趣研究。这也是为什么像牛顿那些科学伟人，晚年会做一些今天来看比较难以理解的研究。因为他们很早就知道这条路不好走，很可能是个死胡同。所以要想成名立业，趁年轻还是得先做一些比较靠谱的理论方向的研究。
图：艾萨克·牛顿
当然这些都是说给专业人士听的，对咱们这些吃瓜群众来说的话，肯定都想打破砂锅问到底，越是怪异的现象，越想知道个究竟。但是在我们思考所谓的真相之前，我建议至少是基于已有的理论基础之上，去做合理的思辨，而不是单凭自己天马行空的想象。倒不是说不能打破思想束缚，“突破传统”那是说给人家专业搞科研的人听的。和整个人类经过成百上千年建立起来的科学大厦相比，“另起炉灶”这种“前不着村后不着店”的想法，无异于一座空中楼阁。
所以，多了解一些量子力学，尤其是它是如何一步步建立起来的，这能让我们在领略各种怪异现象的同时，还能保持基本的科学精神，真正体会这个“既有趣又科学”的思辨过程。
好了， 下期我们将正式进入神秘的量子世界。
To Be Continued
俗说量子 by Linvo