这不是量子力学“史话”,也不是科学家故事会,这是一本让普通人在会心一笑中理解量子通信原理的硬核科普。本书历时5年创作、4次修改升级,105张原创手绘全彩漫画,图解十大量子实验,回眸15位科学天才的群星闪耀时刻,展望未来无处不在的量子黑科技。
你见过用漫画图解薛定谔的猫、用相声辩论贝尔不等式、用谍战片解密量子通信协议的科普书吗?——这本书,将为你献上一季全程无尿点的科学悬疑推理剧!
1、作者是知乎物理科普热度第一人,作品常年占据畅销榜top 3。曾出版电子书5本,其中《猫、爱因斯坦和密码学》常年占据销量top3,获得5000+条评价,超过50000人阅读,评分4.6分。
2、从八岁到八十岁,不设任何阅读门槛,全年龄段都能读能秒懂的科普作品。如果你家有个“十万个为什么”的小朋友,如果你是学生党,如果你是上班族,都能在书里发现自己的乐趣和转折点,都能读懂世界的过去、现在和未来。
3、105张原创手绘全彩漫画,图解十大量子实验,回眸15位科学天才的群星闪耀时刻,展望未来无处不在的量子黑科技。只讲故事不讲理论,三大学科知识融会贯通,故事看完知识得到。
神们自己,毕业于复旦大学理论物理专业,神们自己是他的知乎 ID。研究方向为量子级别的分子电子学与理论计算。兴趣驳杂,文理皆有所好,对量子通信、计算机、人工智能领域略有涉猎。现从事互联网+人工智能行业创业。
作者是知乎站内不可多得的优秀科普作者,获得 9,243 次喜欢,23,469 次收藏。并且已在知乎出版电子书5本,其中《猫、爱因斯坦和密码学》常年占据销量top3,获得5100条评价,超过50000人阅读,评分4.6分。
如果你完全不懂量子力学,请放心大胆地往下看,我保 证不用任何公式就能让你秒懂,连 1+1=2 的幼儿园数学基 础都不需要。 如果你自以为懂量子力学,也请放心大胆地往下看,我保证你看完会仰天长叹:
什么是
量子力学
啊?!
正如量子力学大师兼撩妹大师理查德·费曼的名言:
“从前,据说世界上只有 12 个人懂相对论— 我可不信。也许曾经只有 1 个人懂相对论,但当人们看了他的论文 以后,懂的人肯定不止 12 个。然而另一方面,我可以有把 握地说没有人懂量子力学。
—换句话说,谁要是觉得自己彻底搞懂了量子力学, 那他肯定不是真懂。
在烧脑、反直觉和“毁人三观”方面,恐怕没有任何学科能够和量子力学相比。如果把理工男最爱的大学比作霍格沃兹魔法学校,那么唯一可以和量子力学专业相提并论的,只能是黑魔法。
然而,量子理论之所以看上去如此神秘,并不是因为物理学家的故弄玄虚。其实,在量子理论诞生之初的摇篮时期,
它原本只是一门人畜无害的学科,专门研究电子、光子之类 的小玩意儿。而“量子”这个现在看来很牛的名词,本意不 过是指微观世界中“一份一份”的不连续能量。
这一切,都源于一次物理学的灵异事件......
百年战争
20 世纪初,物理学家开始重点纠结一个其实已经纠结 了上百年的问题:
光,到底是波还是粒子?
所谓粒子,可以想象成一颗光滑的小球球。每个粒子有确定的位置和速度,运动时直线前进,相撞时会按一定角度反弹。每当你打开手电,无数光子就像出膛的炮弹一样,笔直地射向远方。很多著名科学家(牛顿、爱因斯坦、普朗克、康普顿) 做了很多权威的实验 a,确凿无疑地证明了光是一种粒子。
比如,就拿让爱因斯坦得诺奖的经典光学实验“光电 效应”来说吧。人们发现,光照到一块金属上,金属的表面 居然会产生电流;而且更诡异的是,这种现象对光的强度完 全无感,只与光的频率有关。如果频率不够,无论用多强 的光照射金属板,光电效应都不会发生;反过来,只要光频 率刚刚越过一个门槛值,再微弱的光线都可以触发光电效应, 只不过产生的电流比较小而已。
今天看来,这是一个非常简单的实验,简单到被写进高 中物理教科书,成为高考物理卷的必考知识点,当年却让众 多科学大佬一筹莫展。电子吸收了光能,挣脱原子核的电磁力束缚跑来,从而形成了电流 —这部分很容易理解; 但是,你怎么解释“频率门槛”的事情?按理说,更强的 光可以给电子提供更多能量,延长光照时间应该也可以攒下 足够的能量形成电流,可这两种预想中的场景在现实中偏偏从未发生。
如果把光看作一种波,一种连绵不绝、可以无限细分的能量,那么这个问题恐怕永远无解。第一个想通的还是当之无愧的爱因斯坦大神:每个电子只能吸收 1 个光子的能量, 一旦这个光子的能量(和频率成正比)足够逃脱原子核的囚 笼,电子就能“越狱”成功,否则只能把这份能量物归原主。 更多的光子(光强)和更长的照射时间对单个电子而言毫无 意义,因为它并不能攒下两个光子!
既然光都能分成一个两个的光子,那它自然只能是粒子 了— 这种“异端邪说”立刻引爆了学术界,因为在光电效 应之前,已经有很多比当年 26 岁的爱因斯坦更著名的科学家(惠更斯、托马斯·杨、麦克斯韦、赫兹)做了很多更权 威的实验,确凿无疑地证明了光是一种波,电磁波。
所谓波,就像往河里扔块石头,产生的水波纹一样。如果把光看作一种波,可以完美解释干涉、衍射、偏振等经典光学现象。
既然有的专家认为光是粒子,也有的坚信光是波,那么我们可以轻松得出结论:光既是波又是粒子。好的,本集内容到此结束,感谢您的阅读,我们下集再见......
千面之神
说到信仰,我且问你:《权力的游戏》中,信奉七神 的维斯特洛人民,为何偏要与信奉旧神的野人拼个你死 我活?
古往今来,人类为了信仰争端大开杀戒,早已不足为奇。 在这方面,西方唯一的和谐社会可能是古希腊:他们的神多 达百八十号,有的管天上,有的管地下,还有的专管“啪啪 啪”,各路神仙各司其职,倒也井水不犯河水。人称:希腊众神要命的是,科学家信仰的神只有一个,而且是放之宇宙而皆准的全能大神。
这位神祇的名字,叫作真理。
大到宇宙的诞生,小到原子的运转,科学家相信,这个世界的万事万物都是基于同一个规律,可以用同一个理论,甚至同一套方程解释一切。
比如,让苹果掉下来把牛顿砸晕的是万有引力,让月亮悬在太空中掉不下来的也是万有引力;用同一个方程,既能算出地球的质量,也能让马斯克的“猎鹰 9 号”火箭上天, 这就是科学的威力。
什么?想要一个宇宙、两种规律?
对不起兄弟,别在科学界混了,您可以去跳个槽。当然,科学界也没有谁敢自称真理代言人,就连牛顿谦虚起来都是这样的:“我只是一个在海滩上捡贝壳的孩子,而真理的大海,我还没有发现啊!”
就算是捡贝壳,捡得多了,说不定拼到一起就能窥见真理之神的全貌呢! 整个科学史,就像一个集卡拼图的过程。做实验的每发现一个科学现象,搞理论的就绞尽脑汁推测它背后的运行规律。不同领域的大牛把各方面的知识、理论慢慢拼到一起,真理的图像就渐渐清晰。
在 20 世纪初,光学的知识储备和数学理论越来越完善,大家觉得,这一块的真相总算有希望拼出来了— 结果却发现,波派和粒派的理论早已背道而驰,还各自越走越远。 就好比你集了一辈子卡片,自以为拼得差不多了,这时突然发现,你拼出的图案居然和别人的完全不一样,而且差得不是一点点!
是不是有种把对方连人带图砸烂的冲动?
当时波派和粒派都坚信,自己手上的拼图,才是唯一正确 的版本。双方僵持不下,直到 1924 年,
终于有人大彻大悟:波 or 粒,为什么不能两者都是?
也许在某些时候,粒子看起来就像是波;在另一些时候, 波看起来就像是粒子。
波和粒的性质如同阴阳一般相生相克,就像一枚硬币的 正反两面(波粒二象性),只不过我们一直以来都在盲人摸 象、各执一词。
按照“波粒二象”的理论,与其说光“既波又粒”,倒 不如说它既非波也非粒,它只是恰好在某些时候表现出了和 我们刻板印象中的波 / 粒相同的行为而已。就像这个在不同方向上同时投影出方和圆的东西,它并不是方形和圆形的混血儿,而是在二维世界生活已久的平面国居民曾经无法想象的新物种:圆柱体。
真理确实只有一个,但是真理的表现形式,会不会有多个版本?难道真理就是那个千面之神,用千变万化的面目欺骗了我们如此之久?
果真如此的话,那个藏在面具背后的本尊又是谁呢?