深度長文：量子力學到底講了些什么？為何說沒有人懂得量子力學？

量子力學的奠基人玻爾，曾經說過這么一句話：「如果你第一次學量子力學認為自己懂了，那說明你還沒懂。」 量子力學為什么會獲得這么奇怪的一句評價？

因為量子理論看起來很像是一套玄學理論，經歷過經典物理教育的人，很難在第一時間完全理解。 今天為了吹好這個偉大的牛，咱們把時間尺度拉長一點，就從科學的起源說起吧。

人類從誕生開始就一直在努力認識這個世界。 最早的認識充滿了想象，后來逐漸演化成了「宗教」，用一套完備的神靈體系解釋世界，比如為什么會打雷閃電，那是因為有雷公電母。

當然，這說法肯定不靠譜啊，聰明人很快就發現，老天下不下雨，跟你干了啥沒半毛錢關系！

于是這幫聰明人就在思考「世界的本源是什么」、「東西為什么往下掉」，太陽為什么東升西落，如此等等。 不過早期的聰明人只是坐在辦公室里靠頭腦風暴研究世界的，而不是靠觀察和實驗。

可畢竟是聰明人嘛，時間長了，總還是能折騰出一些靠譜的說法，后來這種單純的思辨就慢慢演化成了「哲學」。 但是問題還沒解決啊，大家坐而論道，雖然這份工作很體面，可究竟誰對誰錯呢，張三說世界在烏龜的背上，李四說天是方的地是圓的。 那他們就不能出門去驗證一下嗎？

當然不能了！ 土鱉才動手，君子只動口，這種風氣夸張到什么程度呢？

亞里士多德認為「女性的牙齒比男性少」，就這么一個理論，竟然被奉為經典數百年，這幾百年時間里就沒人張嘴去數一數到底誰的牙齒多。 在很長一段時間，大家就是這么靠拍腦袋研究世界的。

一直拍到了 17 世紀，突然有個家伙靈光一閃，動手做起了實驗，這人就是「伽利略」。 關于伽利略，你可能聽說過比薩斜塔自由落體試驗，伽利略在比薩斜塔上同時扔下了一大一小兩個鐵球，用來驗證重的東西會不會比輕的東西下落速度更快。 伽利略是第一個系統地用實驗來研究事物的人，這就是「科學」的雛形，所以伽利略很偉大，穩坐物理學排行榜第二梯隊。

是不是覺得早生幾百年，你我都是科學家？ 不要天真了，其實經常以負面形象出現的亞里士多德，絕對屬于當時最聰明的人，時代局限性造成的「無知」不是無知。

咱們繼續，各位，「世界是由金木水火土構成」，這個題目是哲學還是科學？科學和哲學在五百年前可真是一家人哦！伽利略去世后剛好一年，牛頓誕生！

如果你認為是牛頓三大定律成就了牛頓，那就大錯特錯了。 牛頓的代表作是《自然哲學的數學原理》，你看看這名字就說明了一切，說的就是自然哲學里包含的數學原理。

牛頓系統地把數學工具引入到研究中，在伽利略的基礎上，不但動手做實驗，還進一步用數學來解釋實驗現象，這才使「哲學」和「科學」徹底分開，揭開了經典物理學的序幕。

牛頓是第一個用系統的數學工具研究世界的人，這與伽利略用的簡單數學工具有本質區別，所以牛頓更偉大，毫無爭議的物理學史上頭把交椅。 既然牛頓做了示范，其他人也不傻嘛，往后數百年，各式牛人不斷用數學和實驗研究這個世界的本質，逐漸構成了經典物理學大廈。

宗教、哲學、科學，三駕馬車拉著人類文明向前飛奔。 科學的優勢在于數學，數學可以讓科學的理論精確描述，精確重復，迅速傳播，這非常重要，你就可以在他人基礎上進一步發展，所以科學在 300 年時間內快速成長。

而宗教往往需要靠「悟」，比如「心靜自然涼」，你無法用數學精確描述這個過程，所以也就無法重復這個現象，那大家就很難驗證與學習，因此這個理論很難發展。 最終，「科學」摧枯拉朽般統一了人類的認知，雖然最近幾年西方反智主義盛行，但不影響科學的絕對主流地位。

如今，無數個科學公式和理論交織在一起，相互印證，相互利用，自洽地解釋這個世界。

同學們注意，重點來了，什么是「自洽」？ 舉個例子： 小姑娘，你體重多少？——50 公斤。 你怎么知道的？——用體重稱稱出來的。 這個稱準嗎？——彈簧已經校準了。 彈簧怎么校準的？——用標準砝碼啊。 砝碼哪里來？——標準體積的金屬啊。 體積怎么量的？——用刻度尺啊。 刻度尺精度怎么樣嗎？——用激光校準。 ……

這個問題是無限循環的，不同的科學理論相互印證，但人類永遠無法知道「小姑娘體重」這個真相。 就如警察破案，100 個證人和 1000證據，都完美無缺地相互解釋，那么警察就認為這就是真相，至于真相到底是什么已經不重要了。

人類這樣自洽地解釋世界，會不會出錯？

幾十億人，成千上萬個理論，運行了三百年，從來沒有出現絲毫的錯誤！ 對統計學稍微有點常識的人都知道，這個體系出錯的概率實在太小了。 沒錯，但再小的概率還是意味著有可能。

這個「可能」就是「量子力學」和「相對論」，這兩個令人嘆為觀止的理論將原先構建了幾百年的經典物理學大廈徹底摧毀！

很多人不知道經典物理學的「經典」是什么意思，說白了，就是符合你想象的東西，比如：熱學、力學、電磁學、光學、聲學等，差不多就是中學的那些東西。

就算物理學得再差，肯定會有基本的科學常識，比如這發刊詞中提到的，大家都認為車庫的車不會瞬間移動到客廳來。這就是經典的含義，因為牛頓第一個掀開經典物理的序幕，所以經典物理也叫牛頓物理。

繞了一大圈，量子力學的故事就從這里開始。 19 世紀的最后一天，世界著名科學家齊聚一堂「總結舊世紀，展望新世紀」，這群智商最高的人做出了一個現在看來非?；闹嚨慕Y論：所有的科學都被咱搞的差不多了，天上飛的，地上跑的，水里游的，大到恒星，小到原子，看得見的，看不見的，都已經有了比較完備的理論解釋。

當時原話是這么說的：「物理學大廈已經落成，就剩下一些敲敲打打的修飾工作，美麗而晴朗的天空只被兩朵烏云籠罩」。然后這群自戀的人在感嘆后人真幸福啊，都不需要干活了！ 這就是物理學著名的「兩朵烏云」，當時的物理學家認為，所有的科學只剩下這兩個問題還沒解決。

現在我們再看亞里士多德，是不是覺得他也是一位好同學了？這叫時代局限性。 那么問題來了，什么樣的烏云才能遮住所有人的眼睛？

第一朵烏云。 古人以為空間里什么都沒有，近代科學知道是有空氣的，聲音的傳播需要空氣。 按照這個思路，是不是空間里還有其他不知道的東西，不然太陽光靠什么傳到地球呢。 后來找來找去，也找不出個所以然。物理學家很難過，稱之為物理學大廈的第一朵烏云。

很快就飄來了第二朵烏云。有人在做實驗的時候發現，輻射能量很可能是不連續的。 白話文翻譯一下：我們知道人是一點點長高的。如果有一天你發現，吃飯吃飯吃飯，沒長高，再吃飯再吃飯再吃飯，突然長高了 5cm，那么你的科學觀是不是要崩潰了？

第二朵烏云給當時物理學家帶來的沖擊和這個差不多。

不管怎么樣，這倆烏云畢竟實打實擺在眼前了，總不能視而不見吧，于是，物理學家提出各種荒誕的理論來滿足實驗現象，其荒誕程度和童話故事相差無幾。 終于，在大家的精心照料下，第一朵烏云誕生了相對論，第二朵烏云誕生了量子力學。

咱們先說第二個，量子力學。

因為情節需要，略過了很多重要人物和重要理論，時間先后也有出入，千萬別當教科書看，大家品出點味道就可以了。 注意，下面要展開劇情了！

19 世紀末，手欠的盧梅爾做了個「黑體輻射實驗」，發現按照當時的現有理論計算，輻射能量會隨著波長減小而變得無窮大，這顯然是有問題的。 老前輩普朗克挺身而出，勉強湊出了普朗克輻射公式：「大家別怕，能量這玩意兒其實是一份一份傳播的?！惯@就是量子力學的起點。

電磁波的能量是不連續的，啥意思呢？就像人是一段一段長高，而不是一點長，大家瞬間懵逼了。

愛因斯坦馬上回過神了，照這個套路，那光是不是也一份一份傳播的？ 光線并不是一條連續的直線，而像是一串子彈，一顆一顆傳播。這說法把「光電效應」的實驗現象解釋得無比通暢，隨后愛因斯坦樂呵呵跑去領了個諾貝爾獎。

德布羅意一看，這還了得！ 光有干涉衍射的現象，早在牛爺的時代就被證明是一種連續的波，怎么這會兒又變成一粒一粒了？ 然后一拍腦袋：難不成光既是連續的又是一粒一粒的，那么反過來，原本是一粒一粒的實物微粒，如電子、原子、分子這些，會不會也是連續的？

德布羅意嚇出一身冷汗，于是提出了「德布羅意波」，也叫物質波。也就是說，所有的粒子既具有粒子性也具有波動性，換句話說，一個人既可以是女人也可以是男人。 詭異的是，這說法居然被實驗證明了，機槍打出的一梭子子彈，其實是呈波浪形向前跑的！ 這和普通人看到鬼是差不多感覺了！

事情發展成這樣，大家都覺得很棘手，你想想，如果所有的粒子都有波動性，那由這些粒子組成的人、房子、甚至地球……都不敢往下想了！

更關鍵的是，粒子為什么會變成這樣！ 這和大家原先認識的電子、質子、原子完全不同，仿佛所有的物理學家一夜之間都失戀了，對著女朋友說：我從來沒想到你居然是這樣的人，你變了，變得我完全不認識了！ 沒錯，我想當時的物理學家一定是這種感覺！ 失戀真是件痛苦的事情，于是物理學家都瘋了，提出無數荒誕的原子模型，和酒后胡話相差無幾。

放縱之后，一個叫玻爾的人終于把狗屎一樣的理論「玻爾模型」，在氫原子上解釋成功了。 大概是說，電子軌道也是不連續的，也是一段一段的。

拿宏觀世界的衛星舉個例子：衛星可以在 500 公里的軌道上轉圈，給點能量就可以跑到 501 公里的軌道上，你想在哪轉圈就在哪轉圈，對吧。電子軌道是怎么回事呢？ 你給點能量，衛星還在 500 公里，再給點能量，仍然沒動，再給，再給，再給，當能量足夠時，衛星突然就瞬移到了 600 公里的軌道上，仿佛 500 公里和 600 公里之間的空間是不存在的。 玻爾模型就是這么扯淡。

本文開頭嘲笑大家第一次學不會量子力學的，就是這個玻爾，別不服氣，人家還是足球隊員，當年丹麥報紙的標題是這樣寫的：「我國足球運動員獲得諾貝爾物理學獎?！怪袊鴩阊诿姹甲摺?/p>

各位，對「量子」是不是有概念了？ 其實就是不連續的，一段一段的意思。大家一臉驚奇地看著玻爾，發酒瘋講胡話，也能撩到妹子！

于是，大家紛紛回頭開始研究自己之前吹過的牛！ 可惜玻爾模型雖然完美解釋了氫原子的各種特性，比如氫原子的光譜，氫原子各個常數之間的關系；還解釋了「電子繞著原子核為什么不會被吸到原子核上」諸如此類的問題，玻爾模型把「氫原子」這個妹子吃得死死的。

但是當玻爾模型把魔爪伸向其他妹子的時候，突然不靈了！哪怕只是多了一個質子的氦原子。

既然這技巧也不是老少通吃，大家松了口氣，看來還有機會！ 其中，冷艷高貴的「反常塞曼效應」始終不理睬玻爾模型，甚至連正眼都沒看一眼。

所謂的反常塞曼效應，簡單來說，只要稍微加一點點磁場，電子軌道就會分裂成好幾條，這種情況玻爾模型完全無法解釋。 于是，其他物理學家繼續各種獻殷勤，都沒能博得美人一笑。

正當大家一籌莫展時，荷蘭的兩個名不見經傳的博士生（這在物理撩妹界屬于小學生級別），提出了一個設想：電子具有自旋的屬性，而且只有 2 個方向。 這倆娃還寫成論文發表，不過隨即就后悔了，自己也覺得太扯蛋，想找導師撤回論文，導師安慰他們，年輕人鬧點笑話沒關系。

大跌眼鏡的是，「反常塞曼效應」回眸一笑！整個物理界都沸騰了！這兩個娃一帶頭，大家馬上就頓悟了，一起高唱：「對面的女孩看過來！」不止是電子，包括質子、原子、甚至光子，所有的粒子都有自旋。自旋最終成為量子力學最重要的理論基礎之一！

然而，自旋讓事情變得更加撲朔迷離，這種詭異的與生俱來的角動量，卻不能用經典物理中的旋轉去描述，因為這不但違反相對論，還不能解釋為什么旋轉只有 2 個方向！ 用宏觀世界的陀螺舉個例子，一個懸空的陀螺在旋轉，要么是豎著轉，要么是倒著轉，反正不存在斜著轉、橫著轉，就好像這虛空之中安裝了兩個軸承，死死把陀螺固定在一個方向上。 怎么樣，這是不是已經和魔法有點像了？

雖然這個理論把大家整得更懵了，不過卻拯救了一直糾結電子如何分布的泡利。 泡利茅塞頓開，說道：一山不容二虎，除非一公一母。 這就是「泡利不相容原理」的精髓：同一電子軌道只能容納 1 個電子，除非電子自旋態是相反的，也就是說一個軌道最多只能容納 2 個電子。

也就是說，在 500 公里的高度上，只能放一顆衛星，除非第二顆衛星的旋轉方向是相反的，但是不管怎么樣，絕不可能放下第三顆衛星，這地方就像被施了魔法一樣。 就好像一個 1000 平米的大房子卻只能進去一男一女兩個人，一旦有第 3 個人進去，就會有一個人被擠出來。

泡利不相容原理最后也成了量子力學的重要基礎！

這一堆荒誕的理論，把牛頓他們好不容易收拾的規規整整的科學又弄得面目全非。 撩妹撩成這個德性，確實有傷風化！ 尤其是那個歷史專業出身的文科生德布羅意，提出物質波概念后，因為數學功底不足，寫的論文狗屁不通，差點畢不了業。

接著，這篇論文傳到了德拜手里，德拜眉頭一皺，這論文實在有辱斯文。 于是找來了薛定諤。 此時的薛定諤還是德拜手下一個默默無聞的小學生，德拜說：小薛啊，趕緊給物質波湊個方程，讓那文科生的論文更體面一點吧！

薛定諤無奈只能接了這個擦屁股的活，憋出個「薛定諤波動方程」。 這時上帝又開了個玩笑，誰也沒想到，用來擦屁股的方程直接成了基本指南！ 薛定諤方程系統地闡述了微觀粒子運動狀態的基本規律，成為量子力學最重要的公式，沒有之一！

薛定諤方程有多無賴呢？

問：妹子在哪里？ 答：妹子要么在學校，要么在家里。 這是經典物理。大家都好理解。 問：妹子在哪里？ 答：妹子 20% 在學校，30% 在路上，50% 在家里。 那妹子到底在哪里？ 就是 20% 在學校，30% 在路上，50% 在家里。 難道妹子分成三截了？妹子還是一個啊。 那你趕緊問一下，現在妹子在哪里了？ 已經問過了，20% 在學校，30% 在路上，50% 在家里 是不是要崩潰了……

薛定諤方程牛逼到把薛定諤自己都整懵了，好在后來波恩整明白了方程的意義，提出了「幾率波」的概念，也就是說，粒子可以瞬間出現在任何地方，不同地方出現的概率用「幾率波函數」計算。

比如，你在寧波，要去杭州，那中間就得經過紹興，這是經典物理學。 而薛定諤方程告訴我們，你是隨機瞬間出現在這三個城市的，中間不需要趕路，在不同城市出現的概率要用他的方程計算。

當然，不用算也知道，人瞬移的概率肯定小到即便用宇宙時間來衡量都不一定會發生，但如果把人縮小到原子核那么大，波函數的計算結果就很不一樣了。

我們知道的核裂變，就是因為原子核中的不同粒子隨機出現在了不同的位置上，宏觀看起來就是原子核分裂了。 按照這個理論來說，運氣不好的話，你的手機可能會突然散架，分裂成原子狀態。

海森堡看了之后深以為然，認為撩妹就是靠運氣的，于是提出「不確定性原理」，也叫「測不準原理」：粒子的動量和位置是無法同時測準的，兩者的乘永遠大于某個值。 注意，這不是技術上做不到，而是理論上做不到。

從技術上說，測量會不可避免地影響被測量者，這種原理造成的誤差叫「觀察者效應」，比如你要觀察一個東西的顏色，那你就得用一束光照著他，光線打到這個東西上，必然會發生相互作用，于是它就已經不是原來的它了。

海森堡說的不確定性原理與觀察者效應是兩碼事，不確定性原理是事物自身的屬性，是一種本質屬性，和你是否去觀察它無關。這個理論也是量子力學的重要基礎。 海森堡是個看熱鬧不嫌事大的主，把不確定性原理翻譯成一句意味深長的白話文，拋給了哲學家： 「在因果律的陳述中，這個因果律就是哲學里常說的有因必有果的那個因果，『若確切地知道現在就能預見未來』，這句話錯誤的并不是結論，而是前提，因為我們不能知道現在的所有細節，這是一種理論原則?！?/p>

沒看明白這句話沒，我再重復一遍： 「在因果律的陳述中『若確切地知道現在就能預見未來』，這句話錯誤的并不是結論，而是前提，因為我們不能知道現在的所有細節，這是一種理論原則?！?細細品味一下。

都說撩妹靠運氣，風流倜儻的愛因斯坦不干了，他認為撩妹當然靠實力，愛因斯坦說：「上帝不擲骰子?！共栣樹h相對：「親愛的愛因斯坦，請不要指揮上帝做什么?！?隨后爆發了曠日持久的關于「隱變量」的著名爭論，以愛因斯坦為代表的經典物理學派認為，之所以有「不確定性」，是因為很多「隱變量」沒發現而已，咱姑且稱之為「決定論」。

比如一個系統有一萬個變量，但是人類只發現了一千個，那當然會有不確定性，只要把剩下九千個變量全都找出來，整個系統就是確定的。 以玻爾為代表的哥本哈根學派，則堅持認為「不確定性」是事物的基本性質，姑且稱之為「隨機論」。

就算你把一萬個變量都找齊了，所有的變量參數你也都知道了，但這個系統還是不可預測的。 「決定論」和「隨機論」的爭論，使得「科學」和「哲學」有點合并的味道。

話說，你們看出來這背后所代表的毛骨悚然的意義了嗎？

我稍微起個頭：假設愛因斯坦的「決定論」成立，也就是說，一個系統的所有參數都確定的話，下一刻的狀態也是確定的。 那么把全宇宙看作一個系統，宇宙這一刻的狀態是由上一刻的狀態決定的，繼續往前推，一直推到宇宙大爆炸的那一刻。 或者再往后想想，下一刻是這一刻決定的，這一刻是上一刻決定的，明白了吧，其實這一切在宇宙大爆炸那一刻都已經確定了，那還有你什么事兒？快認命吧！

當然了，這種「宿命論」無論如何無法符合人類的倫理道德，但這事就和「白馬非馬」一樣（白色的馬不是馬，著名的哲學思辨問題），沒辦法驗證，所以永遠不會有結論，于是兩派人吵得天昏地暗。

吵了幾十年后，吵出個牛人叫貝爾，提出了「貝爾不等式」，這估計是人類首次用定量化的實驗去驗證一個哲學思辨問題，不得不佩服這群異想天開的物理學家！ 最終的實驗結果表明，「隨機論」擊敗「隱變量」獲勝！ 也就是說，這個世界是「隨機」的，大家不用擔心命運被注定了。

提醒一下，愛因斯坦是失敗的一方，所以不能用「對錯」來衡量一個物理學家的意義。 有意思的是，愛因斯坦在反擊玻爾時，提出了一個悖論：難道一個粒子態波函數的塌縮會導致與之處在糾纏態的另一個粒子態波函數塌縮嗎？ 別裝了，我知道你看不懂這句話，通俗一點講就是：多個量子系統之間存在某種聯系，這種聯系不受距離和時間的限制。

比如，扇了雙胞胎哥哥一巴掌，天涯海角的弟弟瞬間就會疼，這種信息的傳遞是瞬間的，和相對論嚴重不符。

「量子糾纏」的概念就這么被提出來了，愛因斯坦的本意是想用量子糾纏來證明玻爾他們不靠譜。 悲催的是，居然真的觀察到了量子糾纏現象！ 這一局愛因斯坦算是徹底輸給了玻爾。

但這事還沒完，在愛因斯坦 100 年誕辰的活動上，愛因斯坦的同事約翰·惠勒提出了「延遲實驗」的構想，再次對玻爾為代表的哥本哈根學派發起了挑戰。

大家做好心理準備，這又和見鬼差不多！ 這事兒沒有圖片不太容易講得清楚，大伙湊合聽一聽。

有一種東西叫半透鏡，當光子經過半透鏡時，要么直接穿透向前走，要么被反射，概率各 50%。 然后在穿透和反射的這兩條路徑上分別裝上光子探測器，就可以知道光子有沒有被反射。

實驗結果很簡單，光子要么被反射，要么穿過半透鏡，概率各 50%。 現在問題來了，用反光鏡把這兩條路徑弄到一起，再加一塊鏡，調整一下相位，就可以出現干涉條紋，這說明光子既走路徑 1 也走路徑 2，也就是說，這個光子，既被反射了，同時也沒有被反射。

這個說法聽著很離譜，但是符合量子力學概率波的描述。 相當于一輛汽車同時從兩條路上到達了目的地，就跟分身術似的。

詭異的地方在哪里呢？ 如果你不加后面這塊鏡，光子是走一條路的，你加了這塊鏡子，光子就像幽靈一樣，是從兩條路同時過來的。 這已經很見鬼了，觀察者的觀察方式決定了實驗結果，馬上還要更見鬼！

就此，惠勒提出了一個無比詭異的設想：先不插入第二塊鏡，當光子經過第一個半透鏡，已經決定只走一條路、還跑在半路上的時候，瞬間插入第二塊鏡，那么請問，這時已經選擇走一條路的光子難道還能返回去重新選擇走兩條路嗎？ 惠勒提出「延遲實驗」后，覺得應該能幫愛因斯坦掰回一局，這世界總不至于那么扯蛋吧！

幾年后，馬里蘭大學有個小組真的做了「延遲實驗」，結果顯示，原本走一條路的光子就因為插入了第二塊鏡子，又變成了走兩條路。 這個實驗直觀看起來就是，已經發生的事情居然還能被改變，相當于時間倒退！ 這結論當然誰也無法接受，于是，玻爾給了個玄之又玄的解釋：任何一種基本量子現象只有在其被記錄之后才是一種現象。

這讓我想起了一個故事。 風吹著樹在動，老和尚問：是什么在動？ 一個小和尚說：是樹在動，另一個小和尚說：是風在動，最后老和尚悠悠地說：是心在動。

乍一看，這明顯是唯心主義嘛！ 但細細一想，這可不就是延遲實驗嘛，觀察者的觀察方式決定了實驗結果。 佛學有很多類似的似是而非的理論，所以物理學有個趣言：當我們努力攀登科學高峰的時候，發現佛教徒早就在山頂等我們了。

整個時代的物理學家就在這種頭腦風暴中，逐漸構建了量子力學的一系列理論基礎。 每每回顧歷史，都無比佩服那個年代物理學家的智慧和膽魄。

至此，自牛頓以來構建的物理學大廈，轟然倒塌。 量子力學的份量有多重？ 可以說，今天的科技發展，仍然在消化 100 年前的量子理論。

量子力學推動人類科技爆炸式增長 100 年，其中最大的成果當數計算機，如今終于看到了一絲疲倦的跡象。 最后還是得提個醒，很多同學覺得，這樣看起來，量子力學也不過如此，但請別忘了這些理論背后強大的數學解釋和巧妙的實驗。

現在很多「民間科學家」不知數學為何物，卻獨鐘情于物理，又不屑經典物理，只對前沿物理狂熱不已，總是依靠最簡單的現象，運用最簡單的數學，提出天馬行空的理論，去推翻最基礎的理論，這年頭還會有這么便宜的事情嗎？

很遺憾，理論物理已經是奢侈品了，博士畢業只能算入門，咱們普通人怕是只有站在旁邊加油打氣的份了！