爱因斯坦，“死不瞑目”
发布时间：2020-12-25 11:59:37来源：央视网
宇宙的尽头是什么？
奇异博士？
蚁人？
还是
钢铁侠？
其实
都有可能
但也都无从断定
但是
他们共同将我们引向
一个词“量子”
前不久，我国量子计算机“九章”问世，200秒就能解决过去6亿年的计算，远超谷歌，成世界第一，厉害之处是构建了76个光量子的“量子纠缠”。
民间故事里有个“崂山道士”，他可以穿墙而过，你以为这是骗术？量子力学中，“穿墙术”竟然是真的，叫“量子隧穿”。
《复仇者联盟》中，奇异博士“看”到与灭霸决战的14000605种结局，其中，只有唯一一次胜利的可能。这1400万种结局，相当于穿越到1400万个“平行宇宙”。而且，这唯一的胜利，是英雄们借助蚁人的量子设备“穿越时空”，改变过去，扭转战局。
左图：奇异博士；右图：复联英雄时空穿梭。
来源：《复仇者联盟》
这些匪夷所思的概念背后，正是量子力学。
俗话说，“遇事不决，量子力学”，今天，从半导体到核聚变，从光合作用到DNA修复，量子力学是当代前沿科技和世界运行的底层逻辑。
连金融巨鳄索罗斯也把自己的家业叫做“量子基金”。与此同时，从“量子波动速读”到“量子算命”，从“量子推拿”到“量子治痛经”，大量的“量子+”骗局也大行其道。
量子世界，真的这么神奇吗？
是的，会彻底颠覆你的传统认知。而且，很有必要来一场“时空穿梭”，知晓真量子，鉴别假量子。
接下来这篇文章是有点烧脑的，我们不得不进行善意的提醒。
如果不信，请看量子论创立者——普朗克在研究量子前后的对比照，把一个活脱脱的美少男变成了凌乱的毁容大叔。
左：研究前的普朗克，右：研究后的普朗克
幽灵来了
时光倒流两个甲子，即120年前的1900年。
当时，世间万物从银河系的星空，到人类脚下的尘埃，都被牛顿的“万有引力”所驯服，安安静静、有条不紊地运行着。太阳系海王星的发现，更加固了牛顿力学的坚不可摧。人类已经自信地认为掌控了力、热、光、电、磁等所有自然的规律。
经典物理帝国，进入全盛时代。
1900年4月27日，伦敦天气，乍暖还寒。阿尔伯马尔街皇家研究所里，世界最有名的科学家们齐聚一堂。76岁的学术泰斗开尔文男爵发言了：
“世界运行的一切原理都已经被发现了，物理学尽善尽美，再也不可能有任何突破性的进展了！
But，物理学灿烂无比的天空中还漂浮着两朵乌云——‘以太问题’和‘黑体辐射’，未能得到解释。”
气氛开始凝重起来，接下来如黑云压城、城欲摧。
这时，普朗克登场了。
且说大学选专业的时候，颇有音乐天赋的普朗克，跟导师祖利说：“老师，我想学物理。”
老师说：“别，孩子，学物理不好找工作啊，它盛宴已过，没有空间了，何必浪费时间在上面呢？”
普朗克说：“我就是感兴趣。”
老师摇摇头：“哎，去吧，可惜德意志失去了一位优秀的音乐家。”
1900年时，钻研“黑体辐射”多年的普朗克已经42岁，过了不惑之年，还没找到答案。命运开始对他发笑，老师的话一语成箴，普朗克的物理前途似乎真的没多少空间了。
一天，百思不得其解的普朗克，干脆破罐子破摔，心想“我是否先不考虑背后的物理原理，而是在数学上先凑出一个‘黑体辐射’的公式？”
于是，普朗克三下五除二，竟然真的蒙出来了！即著名的黑体方程和神奇的“普朗克常数（h）”。要说这“普朗克常数”有多厉害呢？在整个宇宙数字中可以排名前3，另两个是牛顿的万有引力常数G和相对论中的光速c。
普朗克最重要的思想贡献是指出“能量在发射和吸收时，不是连续的，而是一份一份的”。这又有啥了不起的？你只需知道，该观念颠覆了伽利略、牛顿以来，关于一切自然现象是连续不断的论断。从此，不连续、不确定的世界观诞生了。而这一份一份的东西，普朗克称之为：
量子。
12月，普朗克发表他的理论成果，如同打开潘多拉魔盒，释放了“量子”这个沉睡亿万年的幽灵，“量子力学”正式诞生。开尔文口中的一朵乌云，就这么引发了一场极微观的革命。
但是，此时的普朗克，并不能解释“一份一份的”能量，意味着什么。
道破天机者，此时还是个求职无门的小爱同学，5年后，他左手写出“光电效应”，解释了普朗克的困惑，成为量子论的另一开创者；他右手写出“狭义相对论”，赶跑了开尔文的另一朵乌云，掀起了极宏观的革命。（参见《牛顿啊，请原谅我》）
令人意想不到的是，量子思想是如此之离经叛道，普朗克和爱因斯坦，不久后将变成量子论的坚决反对者，革命者本人成了反革命者！
更令人意想不到的是，不认可量子规律，将成为爱因斯坦一生最大的“败局”。
双手握无限，
刹那是永恒。
20世纪科学上最伟大论战
大家应该读过这么一首英国小诗：“一沙一世界，一花一天堂；双手握无限，刹那是永恒。”
人们惊叹此诗的想象力。
但如果你回到1913年，28岁的丹麦青年玻尔大概率会告诉你：一沙一世界，这是真的。
打个不严谨的比方，如果把原子这枚粒子，放大10的30次方倍，就相当于一个银河系；一个原子，包含了整个宇宙，是一个宇宙的“全息胚”。
这一年，玻尔提出原子构造模型，宣告了量子力学进入“青年时代”，他开创了著名的“哥本哈根学派”，成为全欧洲的学术中心。玻尔凭此成就，成为了量子届早期“三巨头”：普朗克、爱因斯坦、玻尔。
玻尔模型简图，在教科书和国际机构中还广泛使用。
接下来，玻尔与爱因斯坦的大论战，是几个世纪来科学史上最了不起的论战。
1927年10月底，索尔维会议召开。
“索尔维”的名字你可能没听过，但是爱因斯坦、居里夫人、普朗克、玻尔、薛定谔、海森堡这些人你一定听过，他们都来了。下面这张合影，被称为人类历史上智商最高的一张合影，29人中共有17人获得诺贝尔奖。
1927年索尔维会议合影
他们分为三派：
一，哥本哈根一派，由玻尔领衔，支持者波恩、海森堡、泡利等；
二，爱因斯坦一派，支持者有德布罗意、薛定谔等；
三，实验派，暂且略过。
一群“小将们”就前沿物理问题唇枪舌战、你来我往几个回合之后，没有结论，互不买账。于是，讨论很快指向了幕后的真正大佬，爱因斯坦和玻尔的对决。自此往后，这场决斗延续了近30年，若干回合，直至两人先后去世。
来看其中最重要的三次交锋。
【1】第一次交锋：爱因斯坦攻击“海森堡不确定性原理”。
“不确定性”是量子世界的本质。假设你站在原子核上，把电子当做月亮，此时，你眼中的月亮将同时出现在所有位置，而且，月亮以各种速度在同时运动。在微观世界，“月亮”成了一团云雾，被称为“量子叠加态”。
所谓叠加态，就好比你在听交响乐，在一组声波中，同时听到几种不同的乐器声。
图：电子叠加，来源：wikimediacommons
但这种观念，是对“确定性”和“因果律”的颠覆，冲击着爱因斯坦的信条。
一头乱发，掩不住爱因斯坦的自信。现在，他放大招了，用最擅长的招数——“思想实验”。他用弹簧和遮光板设计了一个“单缝实验”，轻松否定了不确定性原理（证明过程略去）。
玻尔急忙召集哥本哈根学派的战友，一起吃饭，一起琢磨，准备“三英战吕布”。突然桌子一拍，“有了，爱因斯坦犯了前提错误。”
就是，你怎么能用宏观世界中的弹簧，去攻击微观量子世界的电子呢？爱因斯坦混淆了两个世界不同的运行规律啊。
爱因斯坦先输一回。
【2】第二次交锋：继续攻击“不确定性原理”。
爱因斯坦吸取了上次犯低级错误的教训，重新设计了一个“光盒实验”，论证了同时可以测定光子的速度和质量，不确定性还是错了。
这一招，沉稳老辣。
在回宾馆的路上，爱因斯坦笑容满面，大步流星，而玻尔大惊失色，亦步亦趋，劝说道：“你可不能设计这个实验啊，否则，量子力学可就完蛋了。”（见下图）
爱因斯坦说，走着瞧吧。
玻尔急忙召集本派的队友，再次一起吃饭，一起琢磨。憋了一晚，大腿一拍，“有了！你测重需要弹簧伸缩吧，根据你的广义相对论，弹簧一上一下，意味着高度不确定，也就是质量不确定，进而时间不确定。不确定性原理，还是对的！”
玻尔这招叫做“以彼之道，还施彼身。”
爱因斯坦再输一回。
【3】第三次交锋：鬼魅般的超距作用
1935年，爱因斯坦等人提出了一个“EPR佯谬”说法。
打个比方，假定爱因斯坦和玻尔两人形成了“量子纠缠”状态，情绪是相反的，玻尔开心，爱因斯坦肯定难受；玻尔难受，爱因斯坦肯定很爽。但是他们相距千里，一个在美国，一个在丹麦，如果你问了其中一人，就能瞬间断定另一人的心情好坏，有点像人们常说的“心灵感应”。
爱因斯坦说，“这不可能，因为违反了我的相对论，任何物体（信息）都不能超光速，除非世间有‘鬼魅般的超距作用’。”
这次，玻尔大腿拍肿了都招架不住，唯一能做的就是承认量子世界是一种超越空间的存在。直到他去世前，还画着与爱因斯坦的论战实验图。
爱因斯坦暂且“赢”了。
因为几十年后，多国科学家（包括中国）用精巧的实验，反复证明了“鬼魅般的超距作用”的确存在！真是见鬼了。
随机性和超距作用，是量子力学让人不得不接受的两个硬事实。
爱因斯坦有着严格的经典世界观，坚持探究世界的本源，认为“上帝不掷骰子”；而玻尔反击，“老爱，你不要告诉上帝该怎么做。”后者是一种“不要问我从哪里来”的世界观。
如果请尼采来给两人当裁判，尼采也会宣布：“上帝死了。”
爱因斯坦，死不瞑目！
冥冥之中，宇宙似乎是一个整体，任何一个行动都会立即影响到其他所有的事物，背后这个超越时间、空间感知的东西，叫做：“波函数”。
有意思的是，写出量子运行波函数的是一位“撸猫”大师，现在，科学上最著名的“萌宠”要隆重登场了。
薛定谔的猫
薛定谔是谁？
这可不是中国人，跟什么薛之谦、薛兆丰、薛宝钗都没关系。他是奥地利人，参加过一战，研究物理，还开创了现代生物化学。他的感情生活和猫一样神秘，沾花惹草，绯闻不断。
不可思议的是，他在1925—1926年的一段长达5个月的婚外情中，创立了“薛定谔波动方程”。这个方程有多牛呢？在量子力学中，地位相当于牛顿定律在经典力学中的地位，人称“情欲的大爆发”。
图：薛定谔创立波动方程之处——赫维格别墅，来源：《上帝掷骰子吗？》
有一天，薛定谔在家“撸猫”，竟然撸出了科学史中最好玩的思想实验：
假设把一只猫和一个量子装置关在盒子里。装置里有一个放射性原子和一个毒药瓶。如果原子衰变，就会把毒药瓶打破，把猫毒死；如果它不衰变，毒药瓶就不会破，猫就继续喵喵叫。
图：薛定谔和猫，来源：《宇宙探索未解之迷》科普片
打开盒子之前，由于原子处于衰变和没有衰变的叠加态，猫也处于死猫和活猫的叠加态。要注意的是，“既死、又活”只是一种状态，不是两种状态。
这怎么可能？没错，薛定谔也觉得不可能，他原本是用猫来反对前面玻尔一派的，即把微观世界的量子效应给放大到了宏观世界，矛盾自现，因为宏观中的猫怎么可能“既死、又活”呢？
爱因斯坦看到这个实验后，非常高兴，写信给薛定谔说：“猫……以最优雅的方式驳斥了哥本哈根解释。”这一次，让玻尔够扎心的。
“悲剧”的是，几十年后的科学实验证明量子世界中，像“薛定谔的猫”这样的东西是存在的！于是，哥根本哈根学派还是主流。
爱因斯坦，又一次“死不瞑目”。
猫到底是死是活呢？打开盒子“测量”才知道。当你打开盒子的一刹那，“既死、又活”的状态就消失了，变成了或者死、或者活，一切回归正常，这个过程叫“波函数坍缩”。
这个观念是不是有点熟？没错，中国先哲王阳明早就说过：“你未看此花时，此花与汝心同归于寂。你来看此花时，则此花颜色一时明白起来”，看来，我们老王也摸到了量子力学啊。
如今，薛定谔的猫在大众中的人气一路飙升，成为“万能挭”、撩妹“神器”和量子力学代名词。它还与芝诺的龟、巴甫洛夫的狗、莎士比亚的猴、洛伦兹的蝴蝶、拉普拉斯的兽、麦克斯韦的妖，并称“科学界7大神兽”。
图：《生活大爆炸》中，Sheldon讲“薛定谔的猫”，让Penny发懵。
现代科学乃至科幻中很多好玩的概念都可以从“薛定谔的猫”出发。
比如：平行宇宙。
“平行宇宙”理论解释：打开盒子的那一刹那，宇宙分裂了，成了两个不同的宇宙。其中一个宇宙中的你，看见了活猫；另一个宇宙中的另一个你，好奇害死猫。两种可能五五开。无数个你，活在无数平行世界里，经历着不一样的人生。
在奇异博士脑中，也是14000605种平行世界。
图：平行世界命运简图，来源：Pinterest
不可思议的是，平行宇宙可不是猜想，它有严格的数学证明来成立！
再比如：量子计算机
我们知道，传统计算机的基础逻辑是二进制，要么是0，要么是1。但是，量子世界里，把光子做成“薛定谔猫态”，转变为“既是0，又是1”等多种叠加态，这有什么好处呢？
举个例子，现在，陆逊要破解诸葛卧龙的“八阵图”，如果他对“休、生、伤、杜、景、死、惊、开”八门一个个地试，要迷住很久才能解出来。但假如他像孙悟空一样分身叠加，每一个岔路都派一个分身同时去，只需要一次，就能找到出口，卧龙先生根本抵挡不住。
这叫做量子叠加态的“并行”计算，大大提升战斗效率。所以我国的“九章”能将6亿年的计算缩短到200秒。
量子，正在重构世界运行的底层逻辑。
文明若毁，人类该留什么话？
猫活着，还是死去？这是个问题。
死后在这里，还是那里？这也是个问题。
跟薛定谔一个级别的量子学家海森堡，他写下了这样的墓志铭：“我长眠于此，但我已在别处。”这就是量子论，世界充满了不确定性。
到了20世纪下半叶，现代量子力学的领军人物费曼提出一个更大胆的问题：
如果文明将毁灭，人类该留下一句什么话？
这句话要尽可能简洁，也要包含尽可能多的信息，后来者才能重造文明。费曼说，这句话应该是“万物由原子组成”。怎么理解呢？
1986年，大卫·科波菲尔来到北京表演穿长城。借助幕布遮挡，他从长城的一边钻到另一边，上演了真实版的“崂山道士”，但这只是投影原理和视觉盲区的魔术，不是量子力学。
图：大卫·科波菲尔表演“穿”长城
现实中，你在电梯里接听手机，电话很容易掉线，或者只有微弱的信号。这是由于电梯四周屏蔽了电磁波的信号，但这种屏蔽并不彻底，还是“放”了一丢丢信号进来，这是电磁波的“穿墙术”。
进入量子世界。现在，两个带正电的原子核，之间因排斥力形成了一道无形的“墙”，原本，在强烈的碰撞下，才能打破“墙”，发生核聚变；实际上，因为“量子隧穿”效应，在动能不足、温度不高、概率极小的情况下，原子核施展“穿墙术”，核聚变也能发生。
于是，才有了太阳发光发热，哺育了世间万物。从水的形成，到光合作用，再到生命诞生，越来越多的自然现象，刨根问底下去，就一定会刨到量子力学。
那人到底能否穿墙？
根据薛定谔方程求解，理论上是可以“隧穿”的，但概率极低、极低、极低，他需要一刻不停的去撞墙，撞啊、撞啊、撞啊，从宇宙大爆炸之初撞到2020年，也很难撞出奇迹。
一个终极问题，宇宙的起源是什么？同样离不开量子力学。
坐在轮椅上的“爱因斯坦”——霍金说，宇宙开始之前，处于一个“量子叠加态”，它可以演变成无数种历史。突然，宇宙的“波函数坍缩”了，时间开始，暴涨发生。我们所在的宇宙，只是宇宙无数可能的中的一个而已。
主流的宇宙“暴胀理论”认为，广阔的真空中，量子涨落的一次偶然隧穿，让宇宙诞生之初经历一次超级猛烈的膨胀。
图：COBE卫星观测到的“宇宙微波背景辐射”分布图，称之为“上帝脸上的皱纹”。这项发现获得了2006年诺贝尔物理学奖，证明了宇宙大爆炸理论成立。
量子力学，可以“无”中生有。
可是，为什么我们日常看不到量子现象？科学实验已经发现，“薛定谔的猫”真的有叠加态，人也会有叠加态，只是发生了极快的“退相干”，你呈现的是粒子特征，波动特征消失了。所以“九章”量子计算机这样的宏观应用，关键一步就是防止“退相干”发生，要在严格的环境下“保鲜”才行。
也许，量子世界的诸多怪异行为才是真实的日常，我们的确生活在一个不确定性的世界中。
爱因斯坦说，“理论决定了你能观察到什么”。可怕的是，量子力学有十几种解释，世界只有一个真相，还是有无数个真相？本文的每一句话，可能都不是真相。
幸运的是，经过这次“量子”之旅，下次见到市面上什么“量子波动速读”之类的伎俩，你就不会觉得多么玄幻、多么高端了，这简直是侮辱智商啊，薛定谔的猫也会死不瞑目的！
【参考文献】
1.《时间简史》，霍金
2.《上帝掷骰子吗？》，曹天元
3.《复仇者联盟》系列电影
▼
关注央视网
©央视网
将央视网设为星标
好新闻不错过
编辑/设计：子睿
责任编辑：瑞雪
来源：央视网《煮酒》栏目