Born as a Human - CN

知道了量子纠缠以及可以“瞬间到达”的特性，就不难理解“量子隧穿”的发生了。 量子隧穿效应（Quantum tunneling effect）是居里夫妇研究钋和镭的放射性的时候首次发现的。隧穿效应指的是微观粒子能够穿过它们本来无法通过的“墙壁”的现象，又称“势垒贯穿”。 隧穿效应无法用经典力学观点来解释。我们可以把“势垒”想象成一座山，一个自身能量小于山峰势能的微观粒子位于山的左侧，按照“经典世界”的经验，由于“负动能”的作用，这个粒子绝对爬不到山的右侧。打个通俗一点的比方，假设有人在用测电笔测量电流，可以认为电子在螺丝刀金属中是自由的，可是绝缘层就相当于一个壁垒（或“势垒”），有了它的存在，电子无论如何也传导不到人体。  图3.13：量子隧穿效应示意 同样，在现实世界中，如果你想翻越高墙而过，是不可能的。你得克服重力，有足够的动能，否则你和墙必须先碎一个。不过，量子世界很奇葩，不按常理出牌，哪怕“势垒”的高度远大于粒子的总能量，却仍然存在一定的概率，微观粒子的“穿山而过”可以轻松地瞬间完成，就好像穿越了一个虚拟的隧道，而不需要真正克服“墙壁”的障碍。（图3.13） 量子隧穿效应很容易让我们联想到《哈利波特》、《西游记》和《聊斋志异》里常见的“穿墙术”、“遁地术”，还有魔术里经常看到的“大变活人”。看似天方夜谭，但宏观世界能不能发生呢？如果真的有阴性物质，或者“灵体”的存在，这些“魂”、“仙”或“鬼”可以穿墙么？ 有一种脑洞大开的说法，认为在量子世界，物体不需要有足够的势能就可以穿越障碍物，因为障碍物也是由量子构成的，量子与量子之间存在人眼看不到的空隙（前文说到基本粒子本身也是“空性”的），只要从这些空隙中穿过去，就可以实现穿越障碍物的目的。这些似是而非的说法，都无法得到验证。 量子的这种性能，却可以被前沿科学利用，如超导领域和生物医学领域的应用。早在20世纪中叶，物理学家薛定谔已经在《生命是什么——生物细胞的物理学见解》一书中提出，量子力学可以在生命系统中发挥作用。 举个例子。近年来，科学家已经开始验证DNA中量子力学的存在和重要性。众所周知，DNA具有一种双螺旋的构造，它的两条链被氢原子的原子核连接，这种能让碱基（DNA与RNA中记录生命基因的载体）之间粘合在一起的“胶水”，被称为氢键。（图3.14）通常情况下，DNA链上碱基的结合方式遵循严格的规则，互不干扰。让人惊奇的是，如果氢键的性质稍有变化，就会导致原有配对规则被打破，从而出现错误的碱基被连接，产生突变。也就是说，在特定环境下，DNA链中的氢健就像一条“量子隧道”，本来有特定位置、并保持相对不变的碱基居然可以沿着氢键，在两条DNA链之间连续且迅速地来回隧穿，使得看起来非常稳定的DNA链很轻易地发生了修改和突变。 图3.14：DNA双螺旋结构，碱基与氢键 任何事情都有两面性，对人体而言，一些突变可能无关紧要（甚至产生积极作用），但是还有一些则有可能造成严重的健康后果。有研究表明，这种隧穿在低温的环境中发生的概率要比在温暖湿润的活细胞环境中发生的概率高得多，也很容易被其他因素“激活”。医学统计显示，体温不到36.5℃，会成为癌细胞“最爱”的身体，这类人通常手脚寒凉，而体温每升高1℃，人体免疫力会提高30%，对应了中医“百病起于寒”之说。再联想一下，为什么三年疫情人类注射了几十亿针疫苗，看似是为身体添加了很多“势垒”，到头来却在本来常有的感冒发烧面前，显得如此不堪一击？当然，我们对人体工作的机理还知之甚少，从严谨的角度决不能妄下定论，期待生物学家来揭开谜底。

明白了前面这几节关于量子的特性，量子纠缠就很好理解了。这个被誉为“本世纪最大的难题”的神奇的物理现象，让众多科学家对此痴迷不已。 量子纠缠（Quantum entanglement），由爱因斯坦等人提出，描述了两个或多个互相纠缠的粒子之间的一种“神秘”的关联：对于一个系统中的量子，当对其中任何一个量子进行测量，其状态的改变都会即时影响到系统中其它的量子状态，导致其它量子状态随之发生相应的改变。换句话说，处于纠缠状态的两个粒子即使各自相隔距离很遥远，之间也没有任何介质，但是其中一个粒子的行为将会影响到另一个粒子的状态，假设其中的一个粒子被操作而自身的状态发生变化，另外一个粒子也会迅速发生相应的变化。 如果纠缠带来的关联性是存在的，那更不可思议的是这些纠缠中的粒子不是对等“复刻”，而是存在作用与反作用力的（图3.9）。举个例子，如果发生纠缠的两个粒子，其中一个是呈向上的自旋方向，那么另外一个粒子的自旋方向必定为向下，像一个跷跷板一样，反之亦然。但是，不管这两个粒子分开有多远，只要我们对其中一个粒子进行测量，另一个粒子就好像能瞬间感应到我们的测量行为，马上表现为相同的自旋方向，原来的纠缠状态似乎立刻中止了，而科学家并没有发现两个粒子之间有任何信息传递，一切都是在瞬间完成的。这与之前我们提到“观察者效应”如此一致：纠缠中的粒子一旦被观测，立刻就会发生“坍塌”。 图3.9：量子纠缠想象 由于量子纠缠和相对论是自相矛盾的，这也让爱因斯坦很困惑，直呼这个现象为“鬼魅一样的超远距离作用（spooky action at a distance）”。当然，爱因斯坦并没有质疑量子力学的正确性，只是质疑量子力学的不完备性。1935年，他与科学家鲍里斯·波多尔斯基和纳森·罗森，共同发表了一篇题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完全的吗？》的论文，以佯谬的形式针对量子力学的“哥本哈根诠释”提出质疑，并希望尝试找到一种更加合理的诠释，这就是以他们三人名字的首字母命名的“爱波罗悖论”（EPR paradox）。可惜的是，爱因斯坦在余下的生命岁月里，始终没有找到这个隐变量到底是什么，直至离世，他依然坚持认为“上帝不掷骰子”。 量子纠缠的可怕之处在于，它能够无视距离而存在，物理学家们惊呼为“上帝的效应”。打个比方，将一个配对好的粒子放在宇宙的最南边，另一个粒子放在宇宙的最北边，只要我们影响宇宙最南边的粒子，那么最北边的粒子也将受到影响，而这个影响的速度是瞬间完成的。为了检验量子纠缠的存在，科学家将两个配对好的粒子放在相隔100多公里的地方，然后将配对好的第三个光子放在其中一个粒子中，神奇的是，相隔100多公里的另一个粒子也立即出现了相同的光子。 更为惊人的是，纠缠的粒子并不限于成对。当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，具有“全息”的特性。拿电影《飞屋环球记》里的一个经典镜头（图3.10上）举例，原本吹好的氢气球并无联系，可是一旦把它们系在一起（气球间相互作用产生了纠缠），这时只能描述整捆氢气球的属性，单个气球的特性就会被掩盖，而整捆氢气球的整体属性和单个气球的特性肯定是不一样的，也并非单个气球特性的简单加总（从毫无托举力量的单个氢气球变为了可以托举飞屋的气球集合，是量变引起质变）。早在几年前，瑞士科学家们宣布了他们发现有 1600 万个原子被纠缠在了一厘米的水晶中；实践中，中国科学家利用冷原子体系已经成功实现了“51光子纠缠”（图3.10下）。这些发现均说明：量子纠缠其实是一个系统，具有不可分的整体性，可以称之为“量子系统”。就像跷跷板游戏，跷跷板两端组成一个整体，纠缠中的粒子本质上是一种东西，看起来相距甚远，但它们共同构成一个整体（系统）。 图3.10：飞屋环球记（上）多量子纠缠想象（下） 量子的运用突飞猛进，科学家已经把这些发现应用到现实，研究出更多科技产品，例如：量子计算机、量子加密通信、量子网络等。中国量子科学家实现了1400公里量子纠缠态的拆分和发送。2022年诺贝尔物理学奖颁发给了法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格，以表彰他们在纠缠光子实验和开创量子信息科学等方面所作出的贡献，可见量子纠缠这一前沿科技有多重要。   对于量子力学，人类只知其然，不知其所以然。但现实世界中，与量子纠缠类似的现象，人们可能并不陌生。举例而言，生活中往往很多时候有“第六感”，灵光乍现地奇思妙想，茅塞顿开地幡然醒悟…… 《红楼梦》中凤姐叹“说曹操，曹操到”；你在思念某人的时候，她刚好给你打来电话；遇到默契至深，似乎可以心电感应的知己或灵魂伴侣；双胞胎居住异地，生病却可以感应到对方；你第一眼见到你后来的丈夫，就觉得特别亲切，完全不陌生，好像已经认识很久了。 我们之前说到高维空间不受时间限制，也就是不受光速限制，那么脑洞大开一下：量子会不会能穿越到高维度，能够彼此感应？如果我们肉眼所能见的物质，可能只是宇宙的5%，有没有可能我们在与看不见的“暗物质”纠缠？或者，与我们在高维空间“投影源”纠缠？有没有可能在与前世或来生的我们纠缠？有没有可能在与自己的灵魂或他人的鬼魂纠缠？进一步，有没有可能，我们的意识可以与高维的“元神”甚至“神明”纠缠？又有没有可能，有一些物质或生灵，它能通过量子纠缠，能影响或改变我们的状态？ 用量子纠缠原理来解答，或许可以这样解释：人世间，每个人都有自己的量子纠缠系统。也就是说，每个人都至少有一个与自己相对应的量子纠缠中的“自己”（现世的我是高维我的“投影”），并处于一定的纠缠态，在特定的时间和同样的频率内，总有对应的“自己”与自己相遇的可能。 如果这可以说得通，世间万物，其实可以分为纠缠的阳性物质和阴性物质。阳性物质是肉眼可见的实体，而阴性物质是我们看不到的“暗物质”（或者叫灵、魂、磁场、波等），后者虽然看不到，但反占大多数（96%）。我们所处的这个宇宙空间，极有可能是看不见的，决定看得见的。就好像我们的肉体是由看不见的意识（或精神）决定的，当意识一旦消亡（医学脑死亡），肉体也被宣判死亡，阴性态的三魂离体，七魄消亡。又好比供祖先的瓜果，因为食物的“魂”被吸食，会更快地腐坏变质…… 这似乎证明了一种可能，只要改变一件事物的阴性态，那么我们肉眼看到的阳性态也会随之改变。 图3.11：《水知道答案》中的水结晶示意图 还记得么？30年前，有一本非常风靡的书籍，叫《水知道答案》， 日本科学家江本胜博士用122幅震惊世界的水结晶照片（图3.11），向世人展示了令人难以置信的科学观察，证明了“水能感知”。当看到“爱”与“感谢”，水结晶呈现完整美丽的六角形；被骂做“浑蛋”，水几乎不能形成结晶；听过古典音乐的水结晶风姿各异，听过重金属音乐的水结晶则歪曲散乱…… 图3.12：YouTube上的“爱米恨米”测试实验 在这之后，很多人加入到这一实验的队伍中来，发现念佛号等也具有超凡的让水形成美丽结晶的“能力”。类似的实验很多，比如相同的两盆绿植，唯一不同的是人们不停地赞美一株，而不停地咒骂和埋怨另一株。实验的结果不出所料，接受咒骂的绿植日渐枯萎，而接受赞美的绿植郁郁葱葱。YouTube上有一个被重复验证了很多次的“爱米恨米腐坏实验”（图3.12），每天在相同的大米上投射出“爱”和“恨”的情绪后会展现出不同的结果。在这一系列实验中，很可能，人类的语言不仅改变了磁场，也改变了水与绿植的阴性态。当事物的阴性态发生改变的时候，被观测到的阳性态也会随之发生根本性的改变。好比人的魂魄扭曲或散开，或呈现病态，或行尸走肉。 遵循量子的特性，事物的阴性态，也似乎可以同时存在于三维空间或者高维空间。那么，改变万物的阴性态，在常人看来，匪夷所思，但在高维看来，却有如一只“看不见的手”，易如反掌。留下世人，在各种“消失”事件中错愕，编入“未解之谜”……

“薛定谔的猫”这个思想实验，本来可以看成薛定谔等物理学大佬的一个笑话，相信薛定谔在举例的当时也不会太较真，没有把这个思想实验当回事。没想到的是，这个思想实验竟然开启了科学家们把量子世界的量子特性引入到宏观世界的设想和探索。平行宇宙（多元宇宙）理论就是最激烈的讨论之一。 1957年，美国量子物理学家休·艾弗雷特（Hugh Everett）基于“薛定谔的猫”提出“平行宇宙（Parallel universes）”理论。他认为：在关着猫的不透明箱子中，原本就存在两个宇宙，这两个宇宙的情况与箱子外的世界完全一致；但是其中一个宇宙中的猫活着，另一个宇宙中的猫则死了，而处于不同宇宙中的猫也没有办法感知另一个宇宙的存在；开始时两个宇宙处于叠加（或纠缠）态，当箱子被打开的瞬间，两个宇宙发生分裂，但是我们看到的究竟是哪一个宇宙却无法事先确定。 图3.7：“平行宇宙”想象 在“平行宇宙”的理论下，即使我们看到猫已经死了，但是“猫”或许还在其他的宇宙空间中，以与现在完全不同的状态活着。再进一步，由于宇宙中的所有物质有宏观状态和量子微观状态，猫就“不止一只”，任何可能都会出现，只是出现在不同的宇宙空间罢了。这就是说，在量子状态下，宇宙很可能不止一个，而是有多元叠加的N个平行宇宙。（图3.7）     平行宇宙更深刻的意思是说：宇宙本体是一个整体，所以它不需要信号传播，我们看到的单个粒子、万事万物，实际上均是本源的一个“相”，可以并列地、以无限种可能、同时地存在。以著名的“金鱼实验”为例：两台摄像机从不同的角度去拍摄鱼缸里的一条金鱼，假设这两台摄像机离得很远很远，在不同摄像机看来，看到的是不同的两条金鱼，可是，这两个摄像机怎么也弄不明白，当一条金鱼在吃水草的时候，另一条立刻同步进行，这两条金鱼怎么运动得那么协调一致啊？实际上，它本来就是一条金鱼，只不过每台摄像机都只看到了它呈现出不同的“相”而已。（图3.8） 图3.8：“量子纠缠”的“金鱼实验” 科幻片里有很多运用这一假说改编的各种奇幻烧脑的故事，《星际穿越》等即是“平行宇宙论”的精彩演绎。片中我们身处在这个原本熟悉的宇宙空间，但是随着进一步地探索，这种状态的延伸就如同平行世界中同时面临无数个平等概率的结果，人类敲开了未知世界的大门…… 遗憾的是，如同玄学剧情一样，这些充满趣味性和挑战性的“科学”论述，还处于“未经证实”阶段。 每每此时，物理学界的先驱们也只能仰天长叹、深表遗憾，What a pity！在普通人看来，科学家和玄学家似乎也没什么太大的区别了。 寻常老百姓看到这些描述，一边反对封建迷信，一边匪夷所思地感叹“科学的尽头是玄学”。借用《神学政治论》中的一句话：“人若是能用成规来控制所处的环境，或人的遭遇总是幸运的，那就永远不会迷信了。” 讲到这里，大家回顾一下上一章，如果我们“每做出一个选择就会分裂出另外一个平行宇宙”，这是几维空间？是的，如果达到五维空间以上，就极有可能可以同时“看到”不同“平行宇宙”的选择。初中毕业，你可以选择读高中、上大学、当老师，或者直接下海经商，不同的选择会让你走向不同的人生道路，得到不同的人生结局。如果你能在五维空间里“看”一眼或者问一下在五维空间里的生命体，那就厉害了，你绝对会选择对自己最有利的一条道路。 当然，承认有看不见的空间和暗物质的存在，并不等于学术界认可“平行宇宙”的说法。人作为碳水化合物，也在不断地新陈代谢之中。人的意识、思想始终处于变化之中，是不是每时每刻都处在“薛定谔的猫”这种“多元叠加”状态？不同的人，意识能达到几维还无法下结论。“一千个人眼中有一千个哈姆雷特”，哪个才是真实的哈姆雷特？  

与“观察者效应”有关的，还有“薛定谔的猫”。这个词，经常被文人当做的一个梗，用来形容事物处于不确定的、无法预测的（叠加）状态。 再解释它之前，首先要明白，量子世界并不具备时间概念。在现实世界中，时间遵循“过去→现在→未来”的连续性，但是基本粒子并不遵循时间概念。发生于“现在”的基本粒子可以在下一瞬间到达“过去”，甚至“未来”。 其次，量子不具备空间概念，可以同时位于其他任何场所。在经典物理中，一个物体只能处于一个确定的状态，例如一个小球只能在某一时刻位于某一位置。但在量子力学中，基本粒子却可以同时处于多个状态的叠加态。这意味着，一个粒子可以同时处于多个位置、多个动量或多个自旋方向。 举个浅显易懂的例子，在客观世界中，我们问：小明现在在哪里？他现在在三楼做作业，这时的时空都是唯一的；可是在量子世界里，小明可以同时在这幢楼的二楼、三楼，下一瞬间可能换成四楼、五楼，甚至任意楼层同时存在，就好像这时候的小明有了分身术。这种叠加态的性质，是量子力学中独特而又奇特的现象。 “薛定谔的猫”解释的就是这种量子“叠加态”（即一个量子系统在被测量之前同时处于多种状态的能力）。它是奥地利物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrdinger）1935年提出来的一个著名“思想实验”，主要目的是为了把微观世界的量子行为扩展到宏观世界来推演并阐述。在这个假想实验中，薛定谔将一只猫放进了装有放射性物质的盒子内，而放射性物质有百分之五十的可能会发生衰变，一旦发生衰变，猫死亡，否则，猫存活。 图3.6：“薛定谔的猫”假想实验 这个实验的有趣之处在于，在打开盒子之前，没有人知道盒子内部的情况，放射性物质衰变的可能性只有一半，猫有可能已经死了，也有可能还活着，此时的猫不是非生即死，而是处在一种“生死叠加”的状态。除非我们将盒子打开去看一眼，这个时候猫的死活状态，就被我们的这一“观察”行为所决定了。 “薛定谔的猫”虽然是在量子力学领域下进行的思想实验，在我们人类肉眼可视的宏观世界，通常来讲，只有“要么死要么生”的单一状态，没有“既死又生”的“叠加”状态。不过，人们显然更着迷于这个思想实验的辩证意义，常常用“薛定谔的猫”来比喻事情发生后的无法预测性或者不确定性：一件事如果我们不去做，就会有做与不做的两种结果，在没有选择时一切都是未知，一旦我们去做了，就只剩下一种结果。人的行为就成了关键性的一步。  科学家们将“薛定谔的猫”延伸出了许多物理问题以及哲学争议，比如：我们所在的世界到底由什么支配？是决定论还是概率论？你交了一个女朋友，但却尚未确立关系，这时你没法确定她是不是你的女朋友，此时的女友处于叠加态。一个人得了癌症，是花钱治还是不治？不治，可能会好，也可能丢掉性命；治，可能白花钱，治与不治是叠加态。找到新工作要不要去面试？即使去面试，也可能会被录用或不被录用，录不录用是叠加态……其实，早在2000多年前的春秋时期，孔子就曾说：爱之欲其生，恶之欲其死。既欲其生，又欲其死，是惑也。是同一个道理。 现实中，人不可能同时走两条路，为了避免“薛定谔的猫”这一现象，我们在做人生选择时，决定了就不要过多犹豫。因为只有做了，你才能知道结果，而这个结果究竟是好是坏，都会对你产生一定的影响。 从另一个角度看，这又一次印证了“测不准原理”。如果我们在二维平面的桌面上确定一个点，理论上是可以用手指无数次精准地划过这一点。可是如果要从空间用石头去砸这个点的话，那最后的落点一定是离散而“测不准”的状态。这似乎也暗示着一种“高级”的可能：世界是否存在，和观察者有关。世界或许是被提前设计好的，只不过我们现在还不知道这个设计者是谁？又或许世界并不是真实存在的，而是虚拟世界。可能很多人不愿意相信，但是仔细想想，平时玩游戏的时候，游戏中的人物能够知道自己处于虚拟世界之中吗？

我们生活在一个光的世界，光子无处不在。从牛顿时代开始，光的性质问题就在科学界引起了激烈争论。当时科学界有两种截然不同的观点：一种观点是牛顿所认为的光是微粒，另一种观点是胡克、惠更斯等人所认为的光是波。由于牛顿在物理学界统治性的地位和威望，使他的光微粒说盖过了光波动说，成为此后一百年科学界的主流观点。 直到1801年，英国科学家托马斯·杨（Thomas Young）以一个实验逆转了这种形势，使光波说替代微粒说成为了主流，这个实验就是堪称人类物理学史上最伟大的实验之一，也是让物理学家们最抓狂的“双缝干涉实验”。实验过程和结果如此诡异，以至于让物理学家们开始怀疑世界的真实性。这个实验也悄悄地解释了为什么现代物理学的先驱们在研究后期都转向哲学、甚至神学。 最早的双缝干涉实验是从单缝衍射实验开始的。早在17世纪，科学家就已经发现了光的衍射现象：即光线在传播过程中，遇到尺寸与光的波长差不多的障碍物（如不透明物体的边缘、小孔、狭缝等）时，不再遵循直线传播，而是绕过障碍物的边缘（弯曲地向障碍物后方）继续传播。代表性的实验是“单缝衍射实验”，当光经过一条竖着的狭缝时，会发生衍射，在屏幕上看到的并不是一条竖着的亮纹，而是一条横着的亮带（见图3.2上图）。 “双缝干涉实验”是让一束光经过相距很近的两条狭缝后，投射到缝后的屏幕上。从“单缝实验”的结果来看，当两条缝的亮带在屏幕后重叠时，理论上应该会显示一条更亮的光带，但神奇的事情发生了，最终在屏幕上显示的却是一条条明暗相间的条纹。（图3.2下图） 图3.2：单缝衍射实验与双缝干涉实验 这是一件很诡异的事情，因为在这些条纹的暗纹上，原来应该是有光的，但当两条缝的光重叠后，那些位置却没有光。这种现象用牛顿的微粒说似乎无法解释，托马斯·杨从水波的干涉里得到启发，提出：光是一种波，暗纹是光波互相干涉产生的。 人类对宇宙的认知革命永远是由极少数天才推动的。在“双缝干涉实验”证明光的波动说后又过了一百年，一位天才再次刷新了人们对光的认知，并一脚踹开了量子力学的大门，这位天才就是二十世纪最伟大的物理学家爱因斯坦。 1905年，物理学博士刚毕业的爱因斯坦发表题为《关于光的产生和转化的一个启发性观点》的论文，以光作为能量子即光量子的形式解释了光电效应。 通俗来讲，光电效应（Photoelectric effect）是指光束照在金属表面时，会使其发射出电子。这个现象非常奇特，本来电子被金属表面的原子束缚得老老实实，奇怪的是，一旦被一定光线照射时，这些电子就开始不安分起来，想要脱离原子的束缚，四处逃窜。由于这种现象的主角是光与电子这两位“大佬”，因此大家就把它称之为光电效应。 在当时的认知中，光是一种波，波的强度即代表了能量。按理说，由于电子是被原子束缚在轨道上，光的强度越高，光子数量越多越密，就应该越容易将电子打出来。可实验结果证明，光是否能够在同种金属表面打出电子来，取决于光的频率（赤橙黄绿青蓝紫光中，红光频率最低，紫光频率最高）而非强度。 电光火石之间，爱因斯坦忽然想到，如果光不是连续分布的，而是一种可以分成一份一份的光量子呢？那么，问题刹那间迎刃而解。提高频率，单个光量子就越容易打出电子。换句话说，单个光量子的能量大于金属原子对电子的束缚能，就能够打出电子。提高光的强度，仅仅对应着提高光量子的数量，而只有与频率相关的能量才能够决定是否能够打出电子。 爱因斯坦这个离经叛道的天才想法与经典物理体系大相径庭，使“光微粒说”再度复活。但问题随之而来：光究竟是粒子还是波？两种形式都有实验证据，似乎都对。摆在面前的困惑是：波和粒子是两种截然不同的特性，光在什么情况下会表现出波的特性？什么情况下又会表现出粒子的特性？ 这个问题直到10多年后才被法国科学家路易·德布罗意（Louis Victor de Broglie）解决。他在其物理学博士论文中提出了量子的波粒二象性（Wave-particle duality），指的是所有的粒子或量子不仅可以部分地以粒子的术语来描述，也可以部分地用波的术语来描述。（图3.3）     图3.3：波粒二象性 回想一下，在高中物理学课本中，研究对象总是被明确区分为“纯”粒子和“纯”波动。前者组成了我们常说的“物质”，后者的典型例子则是光波。但是在量子的世界里，波粒二象性解决了这个“纯”粒子和“纯”波动的困扰。它提供了一个理论框架，使得任何物质有时能够表现出粒子性质，有时又能够表现出波动性质。 更为颠覆的是，已知包括光子在内的所有微观粒子，既可以表现出粒子特性，也可以表现出波动性，具体表现出什么特性取决于我们是否观测，观测了就是粒子性，不观测就表现为波动性，这就是“观察者效应”。（图3.4）    图3.4：观察者效应 那光波是什么时候成为粒子的？一个被无数次科学实验证明的事实是：光以波的形式进行传播，在被观察到的时候是粒子。也就是观测使波成为了粒子。换句话说，观测与否会影响到光子呈现的状态：不观测时，光子表现出模糊的波动态，而观测时，光子表现出确定的粒子态。 1927年，维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）基于光的波粒二象性提出了“测不准原理”或“不确定性原理”（Uncertainty principle）。该原理认为，其实相互矛盾的波动性和粒子性是互补的，两者同时存在，互为补充，我们无法做到在验证一种特性的同时保证另一个特性不受到干扰或破坏。按照这一原理，量子就性质来说，既不是粒子也不是波，为突出两种性质中的一种性质而进行的实验或测量，只能牺牲另一种性质。比如，我们不可能同时测量出微观粒子的位置和速度，位置越确定，速度就越不确定。反之，速度越确定，位置就越不确定…… 后来，科学家尼尔斯·玻尔等人附议了这一结论，并解释说：光子、电子等微观粒子其实人家本来就是波，并且无处不在，甚至可以随机出现在宇宙中的任何角落；当人们进行观测时，光子和电子等微观粒子只是恰好出现在了我们观测的地方，让我们感觉到微观粒子就在那里，使人们直接用肉眼看到微观粒子的粒子特性而不是波动性，这就是“波函数坍塌”（图3.5）。由于这个说法是尼尔斯·玻尔和维尔纳·海森堡在哥本哈根合作研究的成果，被称为“哥本哈根诠释”。物理学界普遍认为，哥本哈根诠释在量子力学的发展中扮演了重要角色，它不仅为量子理论中的概率特性提供了合理的解释，而且对整个自然科学以及哲学的发展和研究中都起着非常显著的作用。进而，玻尔还提出了“哥本哈根精神”，这是“一种完全自由的判断与讨论的美德，倡导了平等、自由讨论和相互紧密地合作的浓厚的学术气氛。” 图3.5：“测量”后“波函数坍塌” 世界到底呈现何种模样，取决于我们是否观测，还测不准？这违背了人类的固有认知：世界是客观存在的（不以主观意志为转移）。爱因斯坦显然无法接受这个说法：“当我们不看月亮时，难道月亮就不在那里吗？”认为这种“波函数坍塌”的解释真是“马后炮”，正如“波粒二象性”和“测不准原理”一样。其实物理学家们并不知道为什么会出现“波函数坍塌”，只是根据观察结果推导出了“波函数坍塌”这样的结论，去解释微观粒子的诡异行为。 更让爱因斯坦苦恼不已的是，根据他提出的狭义相对论，宇宙中最快的速度是光速，任何有质量的物体都无法达到光速，更不可能超越光速。但是在量子的世界，相对论的丰碑轰然倒塌，超光速现象随处可见（见“量子纠缠”）。这位天才将后半生几乎所有精力都倾注到了寻找“大一统”的研究上，并相信一定还存在某种隐变量没有发现，才让量子力学显得如此诡异。 我们对整个宇宙的认知，是非常局限的。我们对宏观世界认知的时间尺度不够，一百光年以外的事情跟我们没什么关系，你出生的时候发生的事，死的时候还没来。我们对微观世界是时间的分辨率不够，看到的是电子云和“测不准”。话说，当初“波粒二象性”的解释更多的是物理学家们的无奈之举，或者说中庸之道，说得不好听就是“人类很无知”。百年后的今天，科学家们仍在重复做着无数“改良版”的“双缝干涉实验”，使这一伟大的实验位列过去两百年间物理学界最“如雷贯耳”的经典实验之一。实验结果一致的诡异，这里不做赘述。

是意识决定了微观粒子的行为， 甚至决定了物理世界的客观实在性？ 前文说到，所有的存在都是基本粒子的集合体。基本粒子正是构成一切物体（包含人类在内）的基础。要研究这个我们用肉眼看到的世界，就要去研究肉眼看不见的基本粒子。只有了解基本粒子的运动属性，才可能了解人类的秘密。 量子力学的诞生，就是研究基本粒子的学问，用来分析这个我们肉眼看不见的微小世界。 以身体为例，人的身体是由各式各样的细胞集合而成的，数量可能多达37兆。这些细胞可以再分成更小的分子，分子中有更小的原子，比如碳、氢、氧、氮、磷、钙、钾。水分子——H2O，就是两个氢原子和一个氧原子集合而成。 按理说，人是摸得着的“实体”生物，在过去相当长一段时间里，科学家也都认为原子是实心的。直到19世纪初，英国物理学家卢瑟福通过“α粒子散射实验”才发现：原子其实是空心的。之后，科学家们进一步发现，原子的内部（见图3.1）简直空得离谱，可以说99.9999%以上都是空的。 图3.1：原子核与电子 拿宇宙中最简单常见的氢原子举个例子。 氢原子半径约为0.037纳米（3.7 x 10-9厘米），它的原子核只有一个质子，半径大约为0.00000084纳米（8.4 x 10-14厘米），可以看到，氢原子的半径大约是其原子核半径的4.4万倍。这是个什么概念呢？打个比方，如果氢原子相当于鸟巢体育场的话，原子核相当于球场中的一只小小的蚂蚁。 除了原子核以外，氢原子还有一个电子，由于观测水平的限制，科学家还很难准确给出电子的大小，只是提出电子的半径是不大于10-16厘米，是几乎没有体积的“点粒子”。电子的体积远远小于原子核，如果说原子核相当于球场上的一只蚂蚁，则电子就像一粒灰尘在球场上若隐若现地飞翔。不妨想象一下，鸟巢那么大的空间，除了一只蚂蚁，就只有一粒灰尘，原子的空旷程度可想而知。 有意思的是，我们生活的地球，就是由数量众多的原子构成的，既然原子内部是空的，是不是万物本身也是空的呢？我们作为人，也是由无数的原子构成的，难道人类本身也是“空”的么？ 佛家经常讲到“空”性，不过这个“空”，并非物理上的真空，不是不存在，什么都没有，而是万物体性本空，是老子在《道德经》中讲到事物本源之前“无”的状态。正因为“空”，才能造出世间万“有”，所以佛家语境叫“真空生妙有”。进而，心本来就具备“空”的功能，本是“空”性，所以才能以此功能造化万“有”，万物皆是“唯心所造、唯识所现”。 科学已经证明，这个看起来空荡荡的量子世界，是一个以往物理法则完全无法适用的脱离常识的世界。这里化繁为简，以量子的发展史为脉络，介绍量子最基本的几个特性：叠加性、干涉性和纠缠性。为了便于理解，我们从几个经典实验说起。