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想象一个看不到的世界，既确定又不确定，既存在又不存在，既真实又不真实，我们无法触碰和感知，也不能否认和忽视。这就是量子的世界。
它或许就是人类认知所能达到的极限。
本书介绍了量子物理创立以来百余年的历史，从普朗克、爱因斯坦开始，一直到玻尔、海森堡、薛定谔、费曼，人类历史上智商zuigao的一群人，都深深醉心于这一理论。
即使你自认为已非常了解，本书也值得一读。因为这本书没有局限在理论和故事，而是发散到哲学、技术等诸多领域。本书绝不是一本正经地传授知识，而是像朋友一样指点和启发，从有趣的故事讲到精深的道理。
李淼
现任中山大学天文与空间科学研究院院长，中国科学院教授、博士生导师，研究方向为宇宙学和超弦理论，被誉为zuiju世界影响力的中国学者之一。李淼是中国引力波计划的发起人，是刘慈欣极力推荐的物理课老师，同时也为马云、罗振宇、徐小平单独授课。
曾获文津图书奖、吴大猷科普奖，著有《<三体>中的物理学》、《越弱越暗越美丽》、《宇宙的一生》、《给孩子讲量子力学》。
第 01 课 | 想象一个我们看不到的世界——量子力学的开端
第 02 课 | 普朗克：当某样东西具备无限大能量的可能时……
第 03 课 | 为什么我们无法拥有透视眼？
第 04 课 | 不确定的世界可以有多大可能性？
第 05 课 | 海森堡：你永远只能 get 到一半的世界
第 06 课 | 不确定不是我们的办法有问题，而是我们根本没有办法
第 07 课 | 当我们谈论量子的时候，波发生了什么？
第 08 课 | 了不起的薛定谔方程
第 09 课 | 量子理论和佛学有关吗？
第 10 课 | 你以为的真实就是量子的真实世界吗？
第 11 课 | 如雪崩般爆发的光子诞生了激光
第 12 课 | 薛定谔的猫死了吗？
第 13 课 | 半导体的前生今世
第 14 课 | 现实版谢耳朵的故事以及英特尔的诞生
第 15 课 | 在绝对零度中活跃的超导体分子们
第 16 课 | 按人类年纪来算，计算机多大了？
第 17 课 | 光在量子力学进程中的贡献
第 18 课 | 有了量子通讯，再也不担心个人信息泄露啦！
第 19 课 | 从量子力学角度看意识与物质世界的关系
第 20 课 | 用量子告诉你为什么灵魂不存在
第 21 课 | 为什么物质具有稳定性？
第 22 课 | 你知道量子力学是材料科学的后盾吗？
第 23 课 | 为什么世界是一个量子场？
第 24 课 | 除了万有引力和电磁力外，还有哪些相互作用力？
第 25 课 | 被学术界承认的最大的发现：黑洞蒸发
第 26 课 | 黑洞不是尽头，是存在的开始
淼叔爱问答
这是我们进入量子世界的第一课。那么，什么是量子力学？一个由量子力学主宰的世界，到底是什么样的？
日常所见的量子力学教科书，都是按照历史的顺序来讲述的。但是，这样的叙述过程是违反逻辑的。虽然量子力学理论的确是按照历史的顺序一步一步展现在世人面前的。但如果我们对历史作一个复盘，就会发现历史顺序并不是最好的方法。因此在这本书里，我们要抛开历史顺序，从逻辑的角度来谈论一下量子力学的发现过程。
下面，我就带领大家开启一场量子世界之旅。在遨游神奇的量子世界之前，我们要先回顾一下非量子力学的世界是什么样的？
19世纪末，经典力学和经典电动力学在描述微观系统时的不足越来越明显。量子理论和相对论，这两大理论的出现，像一道分水岭一样，把物理学科划分成了经典物理学和现代物理学两个泾渭分明的领域。经典力学撑起的经典世界，也就是我们日常生活的世界。
在20世纪以前,我们对经典世界的认识主要来自于牛顿爵士（Isaac Newton）。大家知道，从牛顿开始，现代科学诞生了。牛顿爵士建立了一门全新的学科，叫经典力学，也称为牛顿力学。其核心是牛顿运动学三大定律和万有引力定律。
牛顿第一定律说的是，如果没有外力，物体会一直保持它原有的运动状态。在物理学上，我们把物体想要保持原有运动状态的特性叫做惯性。所以牛顿第一定律也叫惯性定律。一个静止的物体，要是不去推它，它就会一直不动；而一个在真空中运动的物体，你要是不去拦住它，它就不会停下来。
牛顿第二定律说的是，力能改变物体运动的速度。比如说，一个静止的物体，你推它一下，它就会动起来；而一个运动的物体，你把它抓住，它就会停下来。还有一点很关键，就是对于质量越大的物体，要改变其运动状态就得花越大的力气。
牛顿第三定律是说，如果你对物体施加一个作用力，就会受到物体给你的一个大小相等、方向相反的反作用力。举例来说，当你在健身房击打沙袋的时候，会感到沙袋给你一个回馈的力。你用力越大，沙袋回馈的力就越大。这就是作用力和反作用力在起作用。
除了这三条运动学定律，牛顿爵士还发现了一条关于力的新定律，叫万有引力定律。它说的是，任何两个有质量的物体之间都存在着一种彼此吸引的力，其大小与两个物体质量的乘积成正比，而与两个物体间距离的平方成反比。这种力普遍存在于整个宇宙。
关于万有引力的发现，我们都听说过牛顿与苹果的故事。一个成熟的苹果掉落，才引起了牛顿的思考。这种能够让成熟的苹果从树上掉下来的力就是吸引力。比如说，使得月球绕着地球转，以及让各大行星绕着太阳转的力也是这种吸引力。而这种无处不在的吸引力被称为万有引力。
这几条定律看似非常简单，但是可不要小看这几条简单的定律。由于牛顿力学的巨大成功，20世纪前的科学家们普遍相信，牛顿运动学三大定律和万有引力定律就是主宰整个宇宙的终极真理。
后来，在物理学中，牛顿的这些发现被总结成牛顿的物理学规律。我们今天回过头去看这些物理学规律，就会发现它们只适用于我们在日常生活里面看到的宏观现象，例如飞机的飞行，汽车的跑动，火车的行驶，蒸汽机的运行规律等等。包括太阳、地球、行星、甚至宇宙的运行规律，也都是宏观的。我们把这些规律，叫做遵循牛顿经典世界的物理学规律。我们可以用牛顿的物理学规律做出确定性的预测，这是牛顿的物理学规律的一个重要特点。比如说太阳在早上升起来，在黄昏时落下去，这些预言基本上都是确定的。再具体点说，牛顿的物理学规律对于“明天的太阳会在早上5点钟升起，在下午5点钟落下”这个现象，也可以做出非常精确的预言，甚至精确到，比秒还要短的时间长度，比厘米还要小的空间尺度。因此，牛顿的物理学规律被称为决定论。也就是说，当我们知道了某一个物体现在的位置和速度，就能知道它在未来任何时刻的位置和速度。
决定论在20世纪以前一直是学术界的主流观点。关于决定论的盛行，最好的例子就是法国物理学家拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）的故事。
拉普拉斯是牛顿力学的忠实信徒。他曾说过：“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。如果一个智者能知道某一时刻所有的力以及所有物体的运动状态，那么未来就会像过去一样出现在他的面前。”
这个拉普拉斯口中全知全能的智者，后来被人称为“拉普拉斯妖”。拉普拉斯用牛顿力学计算了太阳系中所有行星的运动，然后写成了一本叫《天体力学》的书，献给了刚刚登基的法国皇帝拿破仑（Napoléon Bonaparte）。拿破仑看了书后问他：“你这本书讲的全是天上的事，为什么一个字都没有提到上帝？”拉普拉斯回答：“陛下，在我的理论里，不需要假设上帝的存在。”而这本书后来成为经典天体力学的代表作。
拉普拉斯与拿破仑的相识很有渊源。拉普拉斯在18岁那年带着一封推荐信去了巴黎，想要见著名科学家达朗贝尔（Jean le Rond d'Alembert）一面。但是，达朗贝尔把他当成是一个小毛孩子，给他吃了闭门羹。拉普拉斯就把一篇自己写的论文寄给了达朗贝尔。达朗贝尔看了论文以后，态度发生了180°的大转弯，不但马上见了拉普拉斯，还主动表示要当他的教父，最后甚至把他推荐到一个军事学校去教书。所以说，当你足够优秀的时候，最好的推荐人其实就是你自己。
而在那个军事学校里，拉普拉斯和一个矮个子的学生结下了不解之缘。这个所谓的“矮个子”就是日后威震欧洲的拿破仑将军。随着拿破仑一步步地登上法兰西权力之巅，拉普拉斯也跟着飞黄腾达起来。在拿破仑称帝的时候，他甚至被委任为法国的内政部长，相当于中国的公安部长。可惜拉普拉斯虽然是做科研的一把好手，搞行政却是一个十足的饭桶，只在内政部长的位子上干了短短6个星期，就被忍无可忍的拿破仑罢了官。
再回到牛顿的经典力学。其实，牛顿的决定论还有另一个名称——机械论。
在哲学的范畴里经常会说机械论是不好的。假如，我们说一个人的思维太机械了，意思就是这个人的思维比较固化。按照牛顿决定论的逻辑，也就是说这个人的思维是可以预言的。当你看到一件事情时，就会想到相关的其他事情，随后做出相应的反应，这就像宏观世界中的一些物理学现象也可以被预言一样。
我们可以把这种物理学规律以及人的行为，做一个非常精妙的比喻，把它们比作一个大钟。一个大钟如果运转正常，那么上好发条之后，钟就会有条不紊地走下去，一直到能量耗尽为止。
但是，我们就有疑问了：上述这些现象，即决定论的预言，一定是终极的吗？是绝对不可改变的吗？
其实，如果学习了量子力学，我们就会说：不是这样的。
到了20世纪以后，科学家发现牛顿力学其实只适用于我们日常生活的宏观世界，如果把牛顿力学放到尺度特别小的微观世界就行不通了。这就涉及到我们还要谈的另外一个重要的问题：所有宏观物体的背后，是否还有我们所不了解的地方？
比如说，我们面前放着一台电脑。我们可以把这个电脑拆解开，电脑有显示屏和主机，拆开主机后有主板，而主板上有集成电路……我们可以把电脑一直这样分解下去，分解到非常微小的部分，这些部件既有人造的，也有非人造的。
再比如我们面前有张木制的桌子，如果用显微镜来看，通过研究木头中非常细小的纹路，我们就发现了干化的细胞。历史上最早发现的细胞就是干化的。在这之后，只要你拥有足够强大的显微镜，你就能看到细胞里面有很多更微小的结构，比如：细胞核、线粒体和DNA等。
万事万物都是由分子和原子构成的，通过这个我们可以想到古希腊的原子论。古希腊人的理论，就是在逻辑上推演出来的。他们想了解万事万物的里面到底有没有更基本的东西，于是他们就向事物的内部深处推演。
举个例子，我们把一块石头，用锤子敲碎后，会变成许多小石块。这些小石块也可以继续被敲碎，变成更小的石块。我们就这么一直敲下去，最后会敲出一个最小的石块，小到无论我们再怎么敲，都无法分割它了。那么，这个再也无法被分割的石块就被称为“原子”。
古希腊人早在2000多年前就已经提出了原子的概念。只不过古希腊人所说的原子，完全是一种哲学上的思辨。
那么原子是什么时候从哲学上的思辨，进入科学中的？
最早从科学上阐述原子概念的人，是著名的奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Edward Boltzmann）。他认为很多宏观的现象，例如：热量从温度高的地方向温度低的地方传递，就可以通过分子和原子理论来解释。玻尔兹曼一直相信世界是由原子构成的，并以此为基础创立了一门叫统计力学的学科。不过在那个年代，大家都普遍不相信原子论，所以玻尔兹曼在学术上有一大批反对者。这些人常年攻击原子论，甚至直接攻击玻尔兹曼本人，这让他感到很痛苦。玻尔兹曼曾感慨自己是一个“软弱无力地与时代潮流抗争的人”。但玻尔兹曼并非孤军奋战。当时，有一个年青的德国科学家也站在他这边。而这个德国科学家不是别人，正是日后被称为“量子论之父”的普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck）。不过当时玻尔兹曼很心高气傲，觉得支持他的德国人是个无名小卒，根本看不上眼。
玻尔兹曼是一个很奇怪的老师，他上课时不喜欢往黑板上写东西，光是在讲台上一个人“哇啦哇啦”地讲个不停。有学生向他抱怨说：“老师，你以后得往黑板上写公式，光讲不写，我们都记不住啊”。 玻尔兹曼一口答应了，但是到了第二天，他又在课堂上滔滔不绝地讲，最后还总结道：“大家看这个问题，就像一加一等于二那么简单。”然后他突然想起自己上次对学生的承诺，于是拿起粉笔，在黑板上工工整整地写上了“1+1=2”。(求当时学生们的心理阴影面积。)
其实，从19世纪末一直往前推，到牛顿和伽利略，甚至到更早的古希腊时期，人类都是用宏观的概念来描述这个世界的。一切东西都可以用宏观的量来表示，牛顿的物理定律就是从宏观这个概念出发的。
桌子或者是电脑，这两样东西都是固体，有体积、有质量；气体有压强和密度。当你触摸一个东西，会感觉到它有温度；当你称量一个东西，能看到它的质量；你周围有空气，你也可以感受到大气的压强，比如在地面上，压强是1个大气压；当你登上高山，气压就降低了。在上海的1个大气压条件下煮水，水到100摄氏度才会沸腾。但是到了青藏高原上，由于压强降低，所以水不到100度就沸腾了。我们这里提到的物体的体积、质量、水的温度、密度和大气的压强等等，这些都是宏观的概念，我们把这些量叫做宏观的量。
虽然之前没有足够强大的放大镜或者显微镜，去研究木头里面的细胞，细胞里面的分子和原子，但是从古希腊的原子论开始，到19世纪下半叶的原子理论，科学家们其实早就开始去想象一个我们看不见的世界。这些古希腊的哲人和物理学家，利用他们的想象，去探知一个我们无法直接通过肉眼就看到的世界。
那么如何去解释这些宏观的现象呢？一个最简便的方法是：假定分子和原子是存在的。比如，玻尔兹曼就曾假设：一团气体的温度其实标志着这团气体里面的分子和原子运动的速度，这些原子的速度越高，气体的温度就越高。这就是一个关于原子的假说。
到了20世纪初，很多物理学家都提出了一些理论。特别是爱因斯坦（Albert.Einstein），在1905年提出了狭义相对论，还提出了光子的概念。
他同时还提出了一个非常聪明的办法来证明分子和原子是存在的。那就是我们通过在放大镜下观测花粉在液体中的运动，来间接地观察分子和原子，这种运动就叫做布朗运动。
花粉虽然小到我们肉眼看不到，需要用放大镜去观察，但是它还是没有小到分子和原子那样的程度。因此，花粉也还是一个比较宏观的物体。爱因斯坦说，由于花粉在液体中受到液体里包含的大量分子和原子的碰撞，它就产生了像醉汉一样无规则的运动。爱因斯坦认为，通过测量花粉的运动规律，例如每秒钟可以走多远，就可以测量每立方厘米这种液体里面含有多少分子和原子，这个数值就是所谓的阿伏伽德罗常数。
爱因斯坦是第一个用理论测量分子和原子的科学家。在爱因斯坦发表这个理论之后不久，就有其他物理学家，特别是法国的让·皮兰（Jean Perrin）等人，通过实验测出了阿伏伽德罗常数。这个常数代表单位体积的物体内含有多少个分子或原子。
这就把我们引入了以前只存在于想象中的那个世界，也就是古希腊人和19世纪下半叶的玻尔兹曼等物理学家想象的一个微观世界。这是牛顿和在他之后的物理学家没有办法想象的。这些也是我们在这本书中要谈到的量子世界中的奇妙力量。
在这个微观世界中，到底是由什么物理学规律统治着？这个被我们称为“量子世界”的时空中的物理规律到底会是什么样子？
太阳还会像在经典世界中一样，由我们准确预测到早上5点升起，在黄昏5点钟落下吗？或者我们是不是没有办法做出跟经典世界中一样准确的预言？
以上的两个问题，所表达的就是量子理论要覆盖的一个方面，在了解量子理论之后，我们就能够得到一个解答。当然我们还会解答一些更加让人脑洞大开的问题，一些大家没有想象过的问题：
比如，桌子为什么能在很长时间内都不改变形状？电脑为什么可以长时间使用而不会破损？我们在大街上开车的时候，为什么可以安心地坐在里面，而不会担心车辆散架……
观察仔细的人就会发现，我们以上提到的这些物体都是固体。在生活中，我们还会遇到除了固体以外的非固体的东西，例如水和油之类的液体。除了液体之外还有气体，比如我们周围的空气。
回想一下，我们小时候都玩过氢气球。这些氢气是怎么来的？
我们可以把锌放到硫酸里面，让它分解出氢气。我们还可以做更多实验，把大气里面的成分提纯出来，变成氧气、氮气、氢气和二氧化碳，甚至是水蒸气。气体和液体不同于固体，是可以改变形状的。它们还有一个特性，就是不会突然爆炸。这里所说的爆炸不是化学家所研究的那种特殊情况产生的爆炸，而是只谈论生活中我们能够接触到的气体和液体，它们不会突然发生爆炸，也不会突然变形。
再举一个例子，我们在一个水杯中倒上半杯水，如果我们不去喝它，过了一段时间或是一夜（短时间内，这里不包括液体蒸发），它还是半杯水，而不会变得更多或者更少。
这是为什么？从经典世界来说，牛顿的物理理论和在他之后的物理学都没有对此现象做出解释，而是把这种现象当成了一个既定的事实，一个我们不得不接受的事实，或者说一种规律。
例如，桌子不会变形，只因为它是固体；电脑经久耐用，也是因为它是固体等。传统的物理学中没有解释这些问题，也不想做出解释。外形无法改变的电脑的金属外壳有强度和硬度，外形可以改变的橡胶有弹性系数。物理学家把所有这些东西都用一些宏观的概念总结成为经验和规律，但是他们却对这些规律不加以解释。
我们再回到刚才提到的那半杯水，到了明天它仍然是半杯水。经典物理学家就会解释说，在给定的温度和大气压之下，水的体积不会变。再以我们周围的空气为例，物理学家们说，在温度为15摄氏度、气压为1个大气压的情况下，空气的体积就不会发生变化或者突然爆炸。所有这些现象都变成了我们不得不接受的经验事实和规律。
但是到了19世纪下半叶，玻尔兹曼等物理学家想要对宏观现象做出解释，就必须假设出分子和原子。
到了20世纪，物理学家们进一步发现了更多物理学界的新现象。因此他们不得不解释这些新现象，不得不强迫自己冲破牛顿力学的既有概念——决定论，直到发现了量子理论。
直到今天，无论是普通人还是实验室中的物理学家们，仍然觉得量子力学非常神奇。因为它能解释很多我们以前不愿意或者无法解释的现象。同时，这些量子力学的理论非常新颖和奇异，以至于我们在逻辑上认为，量子论的世界是根本无法理解的，因为它突破了我们日常生活的经验和常识。
对于我们来说，量子力学中的世界是一个完全陌生的世界。我们还没有了解其中的物理学规律。
现在，我们要尝试通过这本书来对量子力学做一个初步的了解，以此来对我们周围的世界做出更加深入的探索。
开 本：16开
正文语种：中文
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