提到“量子物理”，很多人会想到热播美剧《生活大爆炸》中智商爆表的天才物理学家谢尔顿，他曾经说过“量子力学让我兴奋，如同看到了宇宙的裸体”。

量子力学是如此神秘性感，因为它的出现不仅是物理学史上颠覆性的革命，更改变了人类与宇宙相处的方式。从半导体到核能，从激光到电子显微镜，从集成电路到分子生物学，在这些改变我们生活的技术革命背后，都有量子论的身影。没有量子力学，核能不会被发现，更不会有划时代的互联网革命，我们也就不能在这里交流了。

但是《上帝掷骰子吗》并不是一本堆砌着各种理论公式的教科书，而是具有浪漫文学色彩的科普读物。作者曹天元最初在网上连载，以对量子论的深厚了解和浪漫的写作手法吸引了一大批拥趸。在他的笔下，物理界如同一个大江湖，出身草根的量子力学横空出世，以掀翻一切的革命气质，吸引科学家们各显奇招，风起云涌，大厦倾颓，为了宇宙的终极理论作战。

这本300多页的书，主要将量子物理学的发展史分为三个阶段：

第一阶段，量子诞生。

一个无意之中推导出的公式，却掀起了一场最为彻底的物理学革命。

第二阶段，波粒之争。

围绕究竟物质究竟是粒子还是波，爱因斯坦、玻尔、海森堡、薛定谔等天才物理学家们如同金庸笔下的武侠高手，进行了一次次巅峰对决，最后的结论太具爆炸性，甚至让量子力学的创立者们都站在了它的对立面。

第三阶段，探险。

量子力学诞生上百年，物理学家们却还在为怎么解释它伤透脑筋。他们相信，量子力学中隐藏着宇宙的终极真理。为了找到这个真理，他们进行了种种不可思议的假想和实验。

首先来看看“量子”是怎么诞生的。

经常看电视剧的人应该知道，中国古代有一项酷刑，就是用烧得通红的烙铁拷问犯人。在肉眼看不到的红外线辐射的作用下，烙铁被加热后会显出暗红色；继续加热，烙铁会显出橙黄色；加热到极高温时，你甚至能看到蓝白色的烙铁。物理学家们相信，物体的辐射能量、频率和温度之间有一定的函数关系。

为了找出其中的内在关系，一位德国科学家从粒子运动的角度，分析推导出一个公式，另一位英国科学家从电磁波的角度出发，也推导出一个公式。这两个公式出发点截然不同，但都在一定范围内是正确的，前者适用于短波范围，后者适用于长波范围。

这个难题困扰着物理学家们，令他们百思不得其解。被比喻为“在物理学阳光灿烂的天空中漂浮的小乌云”，虽然他们百思不得其解，但也没有放在心上。毕竟，当时正值经典物理学的黄金时代，力学、光学、电磁学等理论拔地而起，人们甚至相信，这个世界的基本原理已经被发现了，只要精确地知道宇宙万物某个时刻的状态，就可以用牛顿力学计算出宇宙万物每一刻的未来，以后能做的只能是一些细节上的修正和补充。在经典力学的理论中，一切物理过程都是精确的演化，像一台精密的仪器一样稳定运转。

那有没有一个普适的公式，能说明物体的辐射能量、频率和温度之间的关系呢？

德国科学家普朗克经过6年多的努力，无意中凑出了一个普适公式，无论在短波还是长波都完美符合实验数据。具体的方程公式就不列了，省得你听了头大。但是要使新方程式成立，必须有一个前提，那就是假设“能量在发射和吸收时，不是连续不断的，而是分成一份一份的”。

这个假设有多反常识呢？就好像你高中毕业后，大学老师突然告诉你，你开车沿直线从A点行驶到B点，不用经过两点中间的C点，你一定觉得这老师疯了吧？

因为我们从小接触的教育就是自然的连续性是如此不容置疑，对于能量来说也是这样。如果一个化学反应释放出100焦耳的能量，那么肯定有某个时刻，它释放的能量肯定曾等于50焦耳、60焦耳，75.354焦耳，必然经过了从0到100的所有值，因为能量的释放是连续的，不可能突然从0蹦到100焦耳。

但在普朗克坚持认为，能量在传输中必须有一个最小的基本单位，就像付钱一样，你可以付5块，可以付100块，不可能付1.005元。因为人民币小的单位是一分钱，你付的钱必然是一分钱的整数倍。

这个基本单位，就是“量子”。但这个值非常非常的小，以至于我们观察能量的传输时，就好像是平滑连续一样的，量子是能量里的一美分，一切能量的传输，只能以这个量为单位来传输。

也就是说，量子是表现出某物质或物理量特性的最小单元。

1900年12月14日，普朗克在德国柏林宣读了它的发现，宣告了量子的诞生，这一年他42岁。

如果能量是量子化的，那么麦克斯韦的电磁波理论首先就要被推翻，普朗克当时并没有意识到这个概念将会引起怎样的轩然大波。从量子论的成长史来看，有这样一个怪圈，科学巨人们致力于推动它的工作，却最终因为无法接受它惊世骇俗的解释而站到了它的对立面，这个名单上除了普朗克，还有闪闪发光的爱因斯坦、德布罗意，乃至薛定谔。

量子论不像牛顿力学或者爱因斯坦相对论，它的身上没有天才的个人标签，相反，整整一代精英共同促成了它的光荣。

第二个问题，量子究竟是什么？

这是一个更难回答的问题，量子的概念自诞生之初，就花开两朵，各表一枝，延伸出来两条完全不同的道路，一条路的起点是粒子，一条路的起点是波。

两派科学家展开了旷日持久的争论，势头不分伯仲，甚至因此流行起一个段子：

“物理学家们不得不在星期一三五把世界看成粒子，在二四六把世界看成波。到了星期天，他们干脆就呆在家里祈祷上帝保佑。”

到底是粒子还是波？以海森堡为首的科学家，是“微粒说”的忠实拥护者，以薛定谔为首的科学家，则是“波动说”的坚定支持者。最重要的是，两大门派各有理由，互不服气，大有死磕到底的势头。

福尔摩斯曾说：

当你把一切不可能的结论都排除之后，剩下的不管多么离奇，也必然是事实。

玻尔当然没看过福尔摩斯，但他为调和这个矛盾，提出了“波-粒二象性”，电子既可以展现出粒子的特性，也可以展现出波的特性。这取决于我们如何观察它。举个通俗的例子：你买了个手机，心情不好时，就用蓝色的手机壳，心情好时，就用blingbling的银色手机壳，一个手机不可能同时有两种颜色，它的颜色取决于你怎么来搭配它。再比如说，你看到一匹马，是白色的，但如果你戴上红色的眼镜，看到的马就是红色的。

也就是说，在我们观察电子之前，它像个幽灵一样处于叠加态，当我们开始测量后，它才会以一种确定的面目出现。

“幽灵”？我们难道不是在谈论科学吗。别着急，还有更令人惊叹的。

波恩指出电子的行为就像是掷骰子一样，是随机出现的。提出了骰子，假设做一个实验，用一台仪器每次发射一个电子，把它打到感光屏上，激发出一个小亮点。但是这个电子究竟会出现在哪个位置，是没有确切答案的，我们只能预测它出现在某个地方的概率。

不确定，掷骰子，我们还是在谈论科学吗？科学最迷人的地方难道不是在于它严格遵循因果关系吗，物理学家如果什么都不知道，那还好意思领薪水吗？

海森堡提出了不确定性原理。在日常生活中，如果需要测量一块石头的重量，不管用什么工具测量，结果是没有区别的。但是在量子世界，我们测量的对象光子、电子这些肉眼看不到的东西，如果想要测量一个电子的位置，电子被撞击后位置必然会发生改变。简单来说，为了测量电子的位置，我们剧烈地改变了它的速度，也就是动量。我们没办法同时知道一个电子的位置，又准确了解它的速度。

爱因斯坦曾问他：难道亲爱的上帝真的掷骰子吗？不确定性原理的提出，展现出来惊人的破坏力，因为主张太过颠覆和爆炸性，没有一刻不受到质疑和攻击。

大名鼎鼎的“薛定谔的猫”的实验正是为了反驳哥本哈根解释。哥本哈根派认为，在没有测量之前，一个粒子的状态模糊不清，处于各种可能性的混合叠加。薛定谔表示，好吧，我承认，于是他想象了一种结构巧妙的精密装置，每当原子衰变而放出一个中子，他就激发一连串连锁反应，最终结果是打破箱子里的一个肚脐平，而同时在箱子里的还有一只可怜的猫。事情很明显，如果原子衰变，猫就会被毒死，反之，猫就会好好活着。

这就是大名鼎鼎的“薛定谔的猫”。相信很多人都听说过这个著名的悖论，现在让我们补充一下细节：

也就是说，只要我们不打开箱子查看，猫就和原子一样，出于死/活的叠加态。

薛定谔的实验把量子效应放大到了日常世界，霍金听了都很头大，表示自己第一次听说时，想跑去拿枪。

但在量子世界，本质就是随机性。无数实验证明，玻尔的互补原理、海森堡的不确定性原理和波恩的概率解释是正确的，他们被统称为量子论的哥本哈根解释，作为量子论的正统血脉出现在各种教科书中，

真理越辩越明。在这群物理学家旷日持久、互不相让的争论中，经典物理学的宏伟大厦坍塌了，取而代之的一座崭新的量子物理大厦。

值得一提的是，量子力学被戏称为“男孩物理学”。因为量子论是由一群年轻的科学家一砖一瓦建造起来的，爱因斯坦当提出光量子假说时，只有26岁，海森堡提出矩阵力学时，只有24岁。玻尔提出原子结构时，只有28岁。这说明了量子论的锐气和朝气，在那个神话版的年代，象征了科学永远无畏的前进步伐，开创出一个前所未有的大时代。

第三个问题，量子力学的未来在哪里？

量子力学已经诞生了超过100年，诞生关于它的解释仍然没有尘埃落定，哥本哈根解释虽然占据了主流地位，对它的攻击和质疑也从未间断。

按照量子论的预言，假设一个粒子衰变成两个小粒子，各自向相反的方向飞去，粒子A的自旋是左，那粒子B的自旋便一定是右，这样才能保持总体守恒，反之亦然。

这件事不可思议到什么程度，就好像有两个罪犯抢劫银行后各自朝着相反方向飞奔逃命，被警察抓到后，录口供。警察问罪犯A，你要为自己聘请律师吗？另一个警察问罪犯B，你要喝水吗？正常情况下，这两个问题毫无关系，A和B已经失去了联系，两个人之间的答案不可能相互影响。

但两个人是量子罪犯，那就不同。我们惊讶地发现，当A决定聘请律师时，B很大概率会想要喝水。似乎A和B之间存在一种神秘的心电感应，使得他们即使面临不同的质询，仍然有一种奇特的默契联系。

按照哥本哈根派的解释，在回答具体问题之前，两个量子罪犯其实是一个整体，出于一种纠缠状态，具有不可分离性。

但爱因斯坦就曾联合两位科学家共同对量子论的概率解释发出诘难：两个粒子之间已经相隔几万光年的距离，难道有超光速的信号传播吗？

霍金：“上帝不但掷骰子，他还把骰子掷到我们看不见的地方去！”

如果你坚持看到现在，我对你的勇气表示赞赏，如果你仍然感到困惑，那么量子力学的创始人之一玻尔的名言“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论”，可以给你一些安慰。假如这还不够，那就再加上费因曼的一句“没人能理解量子论”。