60分钟读懂量子力学

如果穿越回去买彩票会怎样？上帝真的存在吗？天马行空的问题，有着奇幻有趣的答案。

你微微一笑其实笑了24次，爱情其实是量子纠缠，小人国真的存在，孙悟空的专业是统计学……看似无厘头的判断，隐藏着量子力学的奥秘。

书中还详细解读了《你的名字》、《彗星来的那一夜》、《蝴蝶效应》等经典电影的烧脑桥段，原来电影中的大BOSS是量子！

60分钟，人人都能读懂量子力学并且大呼过瘾！当你读完，你会发现你已经多了一项用量子看世界的奇妙能力。

张亮，科普达人、脑洞星人、物理学重度爱好者。他对物理学界的前沿研究成果倍感兴趣，致力于钻研量子物理，擅长以风趣幽默的方式讲解严肃的物理学知识，让你轻松读懂看似高深玄奥的量子理论。

第一章 掀起量子的“盖头”来

1. 起源：“黑体”就是光吃不长肉的人 / 003

2. 普朗克时间：你微微一笑其实笑了24 次 / 009

3. 知人知面不知心，海森堡也是这么想的 / 016

4. 双缝干涉实验：真的有上帝存在？ / 021

5. 爱是一道光？爱是波函数 / 027

6. 曼哈顿计划：量子是魔鬼还是天使 / 032

7. 穿越回去买彩票，你可能大祸临头 / 036

第二章 量子和宇宙不得不说的事

1. 掉进黑洞怎么破？用量子纠缠救人 / 043

2. 不必自卑，你就是宇宙的中心 / 047

3. 空间从来不是“空”的 / 052

4. 揭秘：恒星是这样死的 / 056

5. 平行宇宙中的另一个“你” / 060

6.1905 年，宇宙被一个疯子“爆料”了 / 066

第三章 谁的人生不“量子”

1. 臭脾气改不了？因为构成你的物质太稳定 / 073

2. 别再争一见钟情和日久生情了，其实都是量子纠缠 / 077

3.“人生无常”是因为量子的不确定性 / 082

4. 你以为你选对了，其实是你被替换了 / 086

5. 相由心生，你想看什么就能看到什么 / 090

6. 你以为好像来过，其实你真的来过 / 094

7. 假如时间可以扭转，会发生什么 / 098

第四章 量子改变现代生活

如果你的狗走丢了，如何最快找到它 / 105

为什么你的烛光表白失败了？因为你没用量子点 / 109

惊奇队长烧开水的秘密 / 113

如果华佗会用量子力开颅 / 117

小人国真的存在 / 121

重返18 岁——量子克隆技术 / 126

第五章 小说、电影中的隐藏BOSS：量子

1. 交换身体：《你的名字》中的量子场 / 133

2. 你知道《彗星来的那一夜》原名叫《相干性》吗 / 138

3.《蚁人》：如果你是蚁人，你会经历什么 / 144

4. 最“毁三观”的电影：颠倒因果的《蝴蝶效应》 / 148

5. 量子人你怕不怕？让人“细思恐极”的《球状闪电》 / 153

第六章 盘点神话中的量子

1.人参果可能是量子产品 / 161

2. 孙悟空的专业是统计学 / 166

3. 缩地法，用量子解释很简单 / 170

4. 千里传音：最早的量子通信 / 174

第七章 盘点量子的经典实验

1.“薛定谔的猫”：敢虐猫，是因为有另一只猫 / 181

2. 隧道效应：泰坦尼克号的船长不死之谜 / 186

3. 贝尔不等式：超人的存在合情合理 / 190

4. 芝诺效应：偷窥美女会让美女更美丽 / 194

5. 延迟实验：如果你的孩子能让你消失 / 199

6. 量子自杀实验：“复活甲”让你随便用！ / 204

7. 幽灵成像：我的眼里只有你 / 209

5.爱是一道光？爱是波函数

    有不少人喜欢看有关战争的历史故事或者影视作品，因为里面有壮观震撼的战斗场面，也有可歌可泣的英雄事迹。其实，在量子科学的世界里也常年充满“战争”，而且还是精彩纷呈的连续剧，一打就长达几百年，其中最著名的就是“波粒战争”。

    好了，别翻字典了。世界上目前还没有叫作“波”和“粒”的国家，它们其实指的是，光是粒子还是波这个问题。有人可能会觉得很滑稽，光不就是波吗？这只是大众认识的角度，其实科学界关于这个问题争论了300年的时间，也成为量子力学的发展线索之一。

    导致历史上第一次“波粒战争”爆发的导火索是波义耳，他提出：颜色不是物体本身的属性，而是光照后的效果。这一论调虽然并没有关系到微粒和波动，但却引起了对颜色属性的激烈争辩。1672年，年仅29岁的牛顿讲述了著名的三棱镜分光实验：怎样将一束太阳光折射成一道彩虹。估计在一些女孩子眼里，这个实验很有罗曼蒂克的味道，不过在牛顿眼里这可是一个大发现，他认为光是一种微粒，白色的阳光是由多种彩色的光的微粒组成的。

    牛顿提出的理论惹恼了英国皇家科学会的老派学者，他们认为光明明是波动的，怎么可能是微粒呢？这一次争论持续了长达30年的时间，直到1704年，牛顿出版了《光学》，他从波动说中汲取养分，把波动说中的“震动”“周期”等理论引入粒子论，对粒子学说进行了补充。牛顿用微粒学说解释了很多光学现象，他告诉反对派一个无可辩驳的事实：如果光是波的话，那么它应该像声波一样在遇到障碍物的时候不会产生影子，然而事实上光是可以被干涉出影子的。

    直到量子学科建立和发展以后，相信大家都能理解了，光是一种粒子，同时也具有波的属性，这是由“波粒二象性”决定的。

    所谓“波粒二象性”，指的是所有的粒子或量子不但能够部分地以粒子的术语来描述，同样也能用波的术语来描述，这是在量子科学建立以后对经典物理学的重大颠覆。那么，既然光可以看成是粒子，这些粒子平时都是如何进行“自由活动”的呢？

    量子理论有一个出发点，那就是波函数，它描述了粒子的所有可能状态。打个比方，你现在来到一片空旷的草原上，天空中突然飘过来一片巨大的雷雨云，云彩越黑代表着水蒸气和灰尘的浓度越大，暴风雨的概率就越高，而波函数就相当于这片雷雨云的颜色深浅程度。

    波函数表达的是微观世界粒子的状态。如果在某个点上的波函数忽然增大，那就意味着这个地方的粒子越活跃，你就越容易找到它，就像在捉迷藏的时候，忍不住发笑的小朋友最容易被找到一样。

    为什么要叫作“波函数”呢？因为首先和波动有关。

    波动是一种常见的物理现象，我们拿起一颗石子扔进池塘里会泛出水波，我们大喊一声会产生声波，这种现象很常见。在了解了量子的基本概念之后，我们也知道波动虽然是整体式的运动，但在微观世界里仍然是呈点状分布的，可如果单独研究一个点的质量、速度等因素，我们根本无法认清波动的过程，所以才需要总结出一个关于波的公式，那就是波函数。

    相信有的人能理解“波”的概念，毕竟它可以让我们产生形象的理解，可是对“函数”两个字却比较敏感，认为这是一个抽象的数学概念，跟我们的生活貌似也没什么关系啊？其实还是有关系的，当我们躺在床上的时候，我们就具有了波函数，说到这里你肯定上下打量着自己，琢磨着这波函数到底是什么样子。打个比方，如果我们是一部手机，那么波函数就是从我们身上发出的信号，它代表着我们这颗“粒子”呈现出的状态，可以是运动的，也可以是静止的。在地球上能搜索到你的“信号”，在宇宙其他地方也能，只不过存在着强弱之差而已。

    当然，你的身上发出的波函数，如果要比较浓度的话，肯定距离你越近的地方分布越多，而飘向宇宙的肯定十分稀少。好了，现在换一个角度，有个暗恋你很久的人满宇宙寻找你的身影，忽然他在土星附近发现了你发出的波函数信号，接着又在月球附近发现了你发出的波函数信号，一对比浓度就知道：月球附近的气息更为浓烈，接着他顺着这股为之迷恋的味道来到了地球，找到了你。我们把这个过程简化一下就能得出结论：你在床上的可能性无穷大，在宇宙其他地方的可能性无穷小。

    那么问题来了，我们生活的宇宙大部分物质都是由粒子构成的，那么我们是不是可以把整个宇宙都看成是一个超级大的粒子呢？当然可以。那么宇宙也就有了自己的波函数，它也会散布出来，甚至散布到我们目前还没有发现以及完全无法理解的空间里。

    当然，关于宇宙波函数目前还是处于假想状态，我们只需要知道，我们理解的这个宇宙中的波函数是无穷大的，而未知的领域是无穷小的，反过来看，除了我们认识的这个宇宙以外，也可能存在着平行宇宙，只是概率小了很多。

    既然波函数是一个概念，那么它代表的是什么呢？速度还是能量？准确地说，波函数具有“空间—动量”和“时间—能量”的对偶分布，简单说就是符合海森堡的不确定性原理。打个比方，我们把波函数看成是一个暴力分子，他因为你抢了他的珍珠奶茶打算揍你，那么有两种情况：第一，这个家伙积攒一个力量值准备揍你，但是揍哪里都无所谓，那么你身上的任何部分都可能被打，这就产生了“非定域的全空间分布”；第二，这个家伙只准备揍你身上的某个固定位置，比如肚子，但是力量无所谓，或者让你后退半步或者只是拍拍你的肚皮，这就产生了“动量的无限分布”。

    现在来看看，那些相爱的人为什么总是要死要活的呢？因为他们天天打电话，一天恨不得24个小时都在一起，心里惦记着对方，就连说梦话也可能喊着对方的名字……让我们用刚才的思维重新梳理一下：如胶似漆的两个人，是不是可以像宇宙那样看成一个被整合的粒子呢？那么，这对情侣身上也会表现出波函数。

    接下来的状况就更有意思了。既然波函数符合海森堡的不确定性，我们就可以把这对情侣的爱恨纠葛看成是“空间—动量”和“时间—能量”两个部分：当男人想要好好爱另一个人的时候，他不在意爱的方法只在意爱的力量，结果爱的只是这个女人的容貌却不看重人家的内涵，这就产生了“非定域的全空间分布”，你说这个女人会觉得男人是真爱自己吗？当女人只想着爱男人那颗充满童趣的心时，却没有掌握好力度变成了超级伟大的母爱，这就变成了“动量的无限分布”，这个男人还能接受得了吗？

    所以，人类的爱情故事经常陷入纠结，就是因为波函数的不确定性，瞄准了方向却失去了力道，掌控了力道却打偏了。而且尴尬的是，方向和力量往往只能占一个，这就导致想要分手的时候忍不住琢磨“其实他对我也挺好的，就是方法不对”或者是“她这么对我我很开心，可我不知道她爱得到底有多深”，最后就是分也分不了，爱又爱得有瑕疵。

    那么，有人会问，既然有波函数发生作用，相爱的人怎么最后还是分手了呢？

    我们知道，“空间—动量”和“时间—能量”是不确定的，说不准会产生什么结果。打个比方，当男人想要好好爱另一个人的时候，他不在意爱的方法只在意爱的力量，结果爱得太大劲了变成了爱屋及乌，爱上了女人的闺密，造成了一种最糟糕的“非定域的全空间分布”，你说女人能原谅他吗？十有八九会分手。就算脾气好能容忍，可男人为了好好表现，又继续示爱，结果送了一份让女人特别讨厌的礼物，于是两人就彻底分手了，这就是一连串的负面不确定性造成的结果。那么，男女分手之后，他们很难再看成是一个整体了，于是就从一个波函数变成了两个波函数。这样一来，他们原本共用的数值就被打乱重新分配，想要破镜重圆的概率就大大降低了。

    在了解了波函数之后，希望我们都能在狂热地爱上一个人以后，还保持着应有的理性，否则爱很可能会像一道光那样，虽然发射出耀眼的光芒，却在不经意间溜走了。

开　　本：32开