快速入门量子力学，看这个就够了
一提到量子力学，很多人对它的感觉就好似「熟悉的陌生人」。
为什么会这么说呢？
熟悉是因为，即使你不理解它到底是啥，也总是在各种场合看到这四个字。
陌生是因为，尽管自己有所耳闻，但要说清楚「量子力学是什么」，估计是个掉头发的难题。
量子力学无处不在，连电视剧都有它的身影。在美剧《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）中，无论是理论物理学家谢尔顿·库珀（Sheldon Cooper），实验物理学家伦纳德·霍夫斯塔特（Leonard Hofstadter），还是天体物理学家拉杰什·库斯拉帕里博士（Rajesh Koothrappali），都有一项必备的知识储备技能——量子力学。
剧中，谢耳朵曾对伦纳德说：
「量子力学让我满心欢喜。」
（Quantum physics makes me happy.）
如果不懂量子力学，恐怕连美剧都看不懂。
01.
一场天才的游戏
量子力学是20世纪与相对论并列的重要理论成果，一出现就引起了物理学界方法论，乃至思想上的深远变革。
量子的概念来源于对「光」的重新认识，直接问光的本质是什么，可能不好说。但从能量、动量的角度来看，光也存在基本单元。
经典物理学认为，光（电磁波）如我们肉眼所见的那样，它的发射和吸收是连续的。1900年，德国物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）在研究物体热辐射时发现，只有认为光是一份一份地发射和吸收，计算的结果才能和实验结果相符，因此，普朗克设想了光的基本单元，它与能量、频率有关。
经过推论，他最后得出了黑体辐射公式。因为这项发现，普朗克成为量子力学的创始人，直接晃动了19世纪末已宣告建成的科学大厦。
之后，普朗克一直试图将自己的理论纳入经典物理学的框架之下，可是，量子力学的发展速度超出了他本人的想象。1905年，爱因斯坦证明了光不仅有能量单元，而且物体吸收的光也是不连续的，并非均匀分布，从而成功地解释了光电效应。
普朗克不接受这种光量子假说（后来爱因斯坦费了很大力气才说服了他），也反对由玻尔（Niels Bohr）、海森堡（Werner Heisenberg）等人提出的量子力学的哥本哈根诠释。
自「量子」概念诞生以来，科学家对它的解释和讨论一直在发展。参与这场讨论的科学家，都是世界上顶级的天才。可以说，这是一场关于天才们的游戏。根据中国科学院物理研究所研究员曹则贤老师的梳理，如果要为这群天才列一个名单，他们会是：
奥地利维也纳大学的路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann ）；
瑞士的数学老师约翰巴耳末（Johann Balmer）；
耳熟能详的德国热力学家马克斯·普朗克（Max Planck）；
自己是大师，门下也大师云集的阿诺德·索末菲（Arnold Sommerfeld）；
世界上最后一位数学和物理都通的人恩里克·费米（Enrico Fermi）；
差点就造出原子弹的「哥本哈根学派」代表人物维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）；
「虐猫狂人」埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）；
谦虚的大神保罗·狄拉克（Paul Dirac）；
「计算机之父」约翰·冯·诺伊曼（John von Neumann）
虽然说量子力学是「一群天才们的游戏」，但曹则贤老师也强调，这并不代表着整个学科的生发过程就是一群人灵光闪现的结果，而是深厚的知识积淀和深刻的学养传承才能造就的伟大创举。
02.
何为量子力学？
那么，到底什么是量子力学了呢？
曹则贤老师在做客明白直播间时，用通俗易懂的方式，为明白知识圈的学友科普了量子力学。
曹则贤老师指出，「量子」（Quantum）这个词是拉丁语中常用的词汇，如今的拉丁语系语言，比如意大利语，仍然使用这个词来表示「多少」；在英语中，这个词也用来表示数量、定量的单词。
现在我们所说的「量子力学」，翻译自英文「quantum mechanics」，日本学者则将其译为「量子物理」。中文里的「子」意味着小，比如我们说孩子、桌子、椅子......
曹则贤老师用渔民捕鱼的例子为我们解释说：
「比如渔民去打鱼，现在渔民打鱼会用雷达，雷达探测到远处有黑糊糊一团东西，渔民凭经验会觉得这是个鱼群。当他再凑近一点，放大看以后，发现还是黑糊糊一片，但是里面可能有什么东西动了；再放大一点，渔民弄清楚看着是一条条鱼的时候。假如把鱼群作为一个整体的话，一条一条的鱼就是这个鱼群的量子。当我们谈这个鱼是量子的时候，我不关心这条鱼比那条鱼是长一点、轻一点、重一点、丑一点、俊一点。至少在我看来，在我下网之前，或者在我拿大网捞鱼的时候，它们每一条鱼都是一样的。当然，你捞上来拿去卖的时候，有的会轻一点，有的会重一点，但这都不重要。你抓住的重点就是『都是一样的』。我们讲量子统计的时候，会有『全同粒子』这样一个概念，我不做区别，都是量子。」
在此，曹老师提醒我们注意，在谈论数量时，有两点需要特别注意：
◆当我们谈论的量比较大，我们会忘了它具有基本单元。
比如，当我们在说一国的GDP时，假如它是10万亿美元，GDP增长6%，10万亿乘以6%，相对于基本单元1美分来说，这个数字乘下来十分巨大，不过在实际上依然成立。
◆当我们谈论的量接近其基本单元时，我们需要小心谨慎。
比如，我们每一个生命个体的基本单元是一个人，家庭人口则是一口人、两口人···十口人。假如我们某某的家庭人口2018年增长了6%，就像GDP增长6%这个数字一样时，我们会发现，这在现实异常荒谬，因为即便十口之家，也不可能会有0.6个人增加。
03.
生活处处皆量子
其实不止是渔民打鱼这一例子，量子力学这个看似「高冷」的物理学概念，早已融入我们的生活。
只不过，我们从未真正的对此探索而已。
早在19世纪的光电时期，在人们寻思「如何能够让光更亮，但又要消耗更少能量」这一事情上，物理学家们就已经开始依靠量子力学来解决疑问。
量子力学，深刻地改变了我们的生活和认知方式。比如说，20世纪40年代，人类将量子力学运用于固体、晶体之上找到了什么是导体、什么是绝缘体的解释。
不仅如此，就连前段时间大火的《复仇者联盟4：终局之战》影片中，也在利用量子力学领域实现空间穿越，改变过去。
量子力学的重要性，正如曹则贤老师在为我们讲解「讲给少年的量子力学」时说到的：
「我们已经进入了一个「技术超越神话」的时代，科学的进步对人类提出了更高的要求，无论是掌握技术的能力，还是掌握技术背后的科学原理的能力，每个人都不得不面临量子力学带来的冲击。」
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