前言

我看向窗外纷飞的雪花：雪花本质上是结冰的水，结冰的水本质上是H2O分子，如果没有特定的量子构造，它们就不会存在了（当然，我也不会存在了）。

我拿出手机：手机的液晶显示屏、导线、半导体芯片，如果没有特定的量子构造，它们也都不会存在了。

我们居住在一个美丽且迷人的量子世界。我们自身就是由量子构成的，其他所有物质和生命也一样。前沿技术的发展越来越依赖于我们对量子法则的理解，然而，我们中的大多数人对此却一无所知。

1900年，德国物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）在研究黑体辐射时发现，黑体辐射出的能量不是连续的，而是一份一份的，他称之为“能量子”（quanta）。这次事件仅仅是发现之旅的冰山一角，“量子革命”、“量子理论”、“量子力学”、“量子世界”这样的词接踵而至。

本书旨在为热爱思考的大众读者展现一个容易理解的量子世界。我会把量子世界中的概念融入过去120年中人们所经历的科学发现和冲突的历史背景中来介绍。为了完成这个任务，我大胆地借鉴了最优质的文献材料，不仅有纸质的，也有其他形式的，并用心地对它们进行了简化处理，只留下最简单的数学。

我们需要认识到，如果我们所处的世界没有量子法则，原子与原子之间会相互重叠，如此一来，所有由原子组成的物体的体积可能会缩小到只有原来的1 000万亿分之一，然而重量却不变。我们会变得非常小，身高跟头发丝直径差不多，但重量不变。我们会拥有另一套化学体系：元素将具有完全不同的外观和属性。倘若此时分子能够存在，想必也将完全不同：没有水，没有空气，或许只有固体——因为原子之间仅仅通过引力相互吸引。在这个世界里，可能也没有火。生命会存在吗？如果存在，它们的形式会是怎样的呢？思维呢？意识呢？

若不是早期宇宙物质分布不均匀（或许可以由量子涨落来解释），那些本会成为恒星和星系的物质团块将有不同的发生机制，并且要花更长的时间才能聚合到一起。我们也不会拥有太阳、阳光，以及万物生长的地球。

但是，我们就在这儿，星系在旋转，我们依旧拥有身边的一切，这都是因为量子法则以及原子维系着宇宙的运转。虽然在日常生活中我们无法眼见为实，但是这个世界的内在运作机制是非常奇怪的，奇怪到会让我们的脑子一片混乱。

“量子理论”，或者叫作“量子力学”，不仅解释了这个世界内部的奇怪运作，还与爱因斯坦的相对论一同，解释了我们周围所观察到的一切现象，包括牛顿物理学所不能解释的方面。“这个理论中没有一个预言被证明是错误的。”量子力学也带来了新的发明创造。即使在5年前，我们也可以肯定地说“1/3的经济都依赖于量子力学产品”。

量子力学奇异在哪里呢？首先要意识到，在量子世界中发生的事件并不能由过去的事件来预言、决定，而是基于概率。量子世界中存在“量子纠缠”，即非局域性，被爱因斯坦称作“幽灵般的超距作用”——两个处于量子纠缠态的物体分别被放置在相距很远的两个地方，只要测量其中一个物体的状态，就能在没有信息传递的情况下立刻知道另一个物体的状态，这种作用甚至超过了光速。如此一来，我们必须改变对因果关系的理解（有趣的是，解决这些量子世界奇异性的方案本身也很奇异：我们生活在多个平行世界中的一个）。

既然世界是基于如此的奇异性和不确定性运行的，那工程师又是如何测量行星的运动，将火箭发射到月球甚至更远的地方，以及建造出似乎能精确运作的机器的？其实，他们使用（并将继续使用）的经典力学理论——可以看作是物理学理论的简略版——足以描述宏观世界了。相比于描述微观世界的量子力学，经典力学能够为我们研究宏观物体提供更快、更简单实用，同时也足够精确的方法，而无须进行完全准确，但复杂费时，且并无必要的量子力学概率计算。

不过，值得一提的是，工程师使用的现代工具和机器的一些零件，是基于量子力学的观点设计的，比如激光器、超导体和所有半导体电子器件。

在下文中，我将解释我们如何理解并应用量子特性，以造福人类。在第一部分，我将介绍“量子革命”，这场革命促进了我们对量子世界的理解，同时也存在诸多争议。我会介绍一些关键的实验和理论结果，包括量子的发现、概率的性质，以及如今被广为接受的理论是如何描述世界的。我还会通过实例展示这些概念如何推动相关应用的发明，比如激光器。

在第二部分，我会简要总结纠缠理论的进一步发展，并描述其更广泛的含义。事件不能既是“客观实在的”又是“定域的”，我会解释这些术语的意义。在这里我还会介绍一些潜在的新应用：量子计算机，它的运行速度比传统计算机快得多；量子密码学，可以通过纠缠实现神奇的量子隐形传态（和心灵学中的“远距传送”可不是一回事）。

在第三部分，我会介绍量子对我们这个世界的深远影响，从大爆炸后最小的粒子到恒星与星系的形成都有它的踪迹。我会介绍黑洞、超新星、希格斯玻色子和组成宇宙的基本粒子，还会解释大爆炸后极高能量下量子力学和广义相对论的看似不相容性，其可能的解决方案是弦论和圈量子引力。

在第四部分，我会将量子理论和真实的世界，以及我们身边见到的事物联系起来，介绍多电子的原子如何遵循氢原子的量子构造，来解释化学以及所有物质的性质。（对我来说，这是量子力学最重要的产物：一种新的认识，最终成了新的发明创造的源泉。）

我会描绘原子内部的景象，哪怕是物理和化学专业的学生，也能从这些内容中获得启发。随后，我将简要介绍粒子间的结合以及材料科学内容，为第五部分做好铺垫。

在本书的最后一部分，我会介绍许多材料与器件上的新发明，包括超导体与超导器件、核聚变和如今的固态电子量子器件，它们要么来自量子力学的发展，要么可以用量子力学来解释。同时我还会介绍正在开发的新型超导体、半导体和其他材料（包括石墨烯和纳米管），以及这些新材料在医药、电子和能源储存上的应用。

在整本书中，我将讲述一些推动量子力学发展的才华横溢的科学家的故事，让读者们得以瞥见他们的个性和生活。为了将这些故事和其他零散的信息与本书主体内容区分开，我将这些细节内容单独列了出来。我还会做额外的背景介绍和解释，有时候并不按照时间顺序，这些内容零散地插入在书中各处，以缩进的小字段落表示。最后，对于想深入挖掘的读者，我会提供一系列与具体章节相关的附录，以及我推荐的书籍清单（包括一系列的讲座光盘）。我经常多次引用相同的书籍，这些书籍用A—Z的字母进行标记，由于这些书籍数目超过了英文字母总数26，多出来的那部分书籍我将使用两个字母标记，比如AA、BB、CC等。

欢迎阅读本书。

迈克尔·S. 沃克博士