读量子霸权03量子的崛起

1. 瑞利-金斯灾变

1.1. 也被称为紫外灾变

• 1.1.1. 在高频条件下发射的能量应该是无限大的，而这在现实中是根本不可能发生的

1.2. 指的是19世纪末20世纪初，科学家面对黑体辐射问题，通过以经典物理学为背景的瑞利-金斯定律来计算黑体辐射强度与能量之间的关系，却发现计算出的黑体辐射强度会随辐射频率的增加而增大，趋向于释放出无穷大之能量，其结果与实验数据无法吻合

1.3. 这个现象向物理学家揭示，牛顿力学中是存在巨大漏洞的

2. 量子理论

2.1. 量子理论的创造者马克斯·普朗克

• 2.1.1. 为人类打开了量子世界的大门，粉碎了几个世纪以来人类奉为圭臬的几乎所有观念

• 2.1.2. 一个新兴科学真理，可能并不是通过说服奉旧理论为圭臬之对手并妄想让他们看到理性之光来取得胜利的，只是通过等待信奉旧理论的对手最终死亡，而熟悉这一真理的新生代成长起来

2.2. 1900年，著名的物理学家都坚信，艾萨克·牛顿和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的工作可以充分解释人类所处的世界

• 2.2.1. 牛顿的定律描述了宇宙运动，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦则发现了光和电磁定律

• 2.2.2. 从巨型行星在太空中的运动，到炮弹，再到闪电，所有一切似乎都可以用牛顿和麦克斯韦的理论来解释

• 2.2.3. 根据牛顿的理论，宇宙就是一个时钟

  • 2.2.3.1. 以一种精确而预先确定的方式遵循着牛顿的三大运动定律

• 2.2.4. 根据詹姆斯·克拉克·麦克斯韦定律，如果你足够快速地移动一个带电原子，它就会产生电磁辐射

  • 2.2.4.1. 热物体呈现出的颜色则能够反映出辐射的频率

2.3. 假设原子发射的能量只能在被称为量子的更加微小的离散能量包中找到

• 2.3.1. 这个假设与传统假设相比其实更具颠覆性，因为牛顿方程强调能量是连续的，而不是以一个个离散的能量包为单位

• 2.3.2. 当普朗克另辟蹊径地假设能量以一定大小的包的形式存在时，反而准确地找到了能够正确反映光产生的温度与能量之间的关系曲线

• 2.3.3. 如果把这种离散的能量包作为一种假设基础来开展相关研究，那么人类可能更加准确地描述大自然中实际存在的能量变化所遵循的曲线

2.4. 普朗克革命性的发现颠覆了牛顿力学的完整性，昭示着一种新物理学的出现

• 2.4.1. 量子力学不再仅是物理学家的玩物，而是可以解开宇宙秘密、掌控人类命运的东西

2.5. h（即普朗克常数，6.62……×10^-34焦耳秒）​，这是一个非常小的数字

• 2.5.1. 可以把普朗克常数调到最低，一直调低到h=0

• 2.5.2. 在这种条件下，量子世界就转化为我们所熟悉的牛顿力学起作用的常识世界，在那里是没有任何量子效应的

2.6. 如果我们让h归零，那么我们得到的就是经典图灵机

• 2.6.1. 如果我们让h变大，那么量子效应就开始显现，因此我们就可以沿着这一路径逐步地把经典图灵机变成量子计算机

2.7. 旧理论的信徒无论多么激烈地反对量子理论，都无法扭转越来越多的证据开始成为量子理论佐证的趋势

• 2.7.1. 量子理论无疑是正确的

3. 光电效应

3.1. 解释光电效应的物理学家就是著名的阿尔伯特·爱因斯坦，其解释也正是基于普朗克理论完成的

3.2. 继普朗克之后，爱因斯坦声称光能可以离散的能量（后来称为光子）的形式出现，而这些离散的能量可以将电子从金属中“敲”出来

3.3. “二象性”的概念，即光能具有双重特性

• 3.3.1. 既可以像光学中的粒子，即光子一样起作用，又可以像波一样起作用

3.4. 1924年人类对物质组成的认知还停留在原子层面，这是由德谟克利特在2000多年前提出的

3.5. 肉眼可以观察到的现象解释了波的性质，但通常认为物质是由点状粒子组成的，并不涉及波状干涉图样

• 3.5.1. 波在研究光的光学属性方面很有用，并且经常以海浪或音乐声波的形式来辅助分析

3.6. 同一个电子同时穿过了两条狭缝

• 3.6.1. 直到现在，这一实验结论仍然在引发物理学家的争论，即同一个电子怎么能做到同时在两个地方存在

4. 薛定谔波动方程

4.1. 时至今日，薛定谔波动方程早已成为量子理论的基石，是所有高等物理学研究生的必修课程

4.2. 薛定谔波动方程是整个量子理论的内核与灵魂

4.3. 薛定谔波动方程绝对是一个爆炸性发现，并且以迅雷不及掩耳之势取得了压倒性胜利

4.4. 通过将薛定谔波动方程预测的共振与实际元素进行比较，人类发现了显著的一一对应关系

• 4.4.1. 如果电子的运动状态符合波的规律，那么当它围绕原子核旋转的时候，一定频率的离散共振便会产生

• 4.4.2. 电子波状振动是可以在两个原子之间来回穿梭的

• 4.4.3. 利用一个方程式就可以解释构成整个宇宙的化学元素，甚至包括生命本身

  • 4.4.3.1. 化学被简化成了物理学

4.5. 最重要的有机元素是碳，它有4个键，因此可以产生碳氢化合物，而碳氢化合物是生命形成的基石

5. 概率波

5.1. 如果说连电子都是波状的话，那么我们究竟应该如何认识波呢？

• 5.1.1. 最关键的事实是，量子计算机正是这场重要辩论的一个副产品

• 5.1.2. 物理学家马克斯·玻恩通过假设物质由粒子组成点燃了这次爆炸性争论的导火索，但发现粒子的概率实际上是由波给出的

5.2. 物理学界一分为二

• 5.2.1. "陈旧的”保守派创始人（包括普朗克、爱因斯坦、德布罗意和薛定谔，他们都谴责这种新的解释）​

• 5.2.2. 创建了哥本哈根量子力学学派的维尔纳·海森伯和尼尔斯·玻尔

5.3. 不确定性原理

• 5.3.1. 以前，数学家还只是被迫去面对“不完全性定理”

• 5.3.2. 时至今日，物理学家不得不面对“不确定性原理”

5.4. 在亚原子世界里面，一个电子总是可以作为同时存在于各种不同状态的一个集合而存在

• 5.4.1. 实际上，在进行测量之前，电子的确就是作为同时存在于各种不同状态的一个集合而存在于这个世界中的

5.5. 测量问题

• 5.5.1. 只有在进行测量后，波才会最终“坍缩”并给出正确的答案，从而给出电子到底有多大概率正处于这个状态

• 5.5.2. 测量过程实际上连接着微观世界和宏观世界

6. 薛定谔的猫

6.1. 薛定谔的猫是物理学界最著名的动物

• 6.1.1. 薛定谔相信它会一劳永逸地颠覆传统物理学

6.2. 有一只猫在一个密封的盒子里，里面装着一小瓶毒气

• 6.2.1. 这个小瓶子被连接到一个锤子上，锤子连接在一定量铀旁边的盖革计数器上

• 6.2.2. 若一个铀原子衰变，它就会激活盖革计数器，触发锤子，从而释放毒气并杀死猫

6.3. 如果一棵树倒在森林里，但没有人在那里看到它倒下，那么也许这棵树根本就没有倒下

6.4. 没有什么是真实的，除非你经历过

• 6.4.1. 诗人约翰·济慈

6.5. 意识决定了存在

7. 微观世界与宏观世界

7.1. 数学家约翰·冯·诺依曼帮助发展了量子物理学，他认为有一堵无形的“墙”将微观世界与宏观世界隔开

7.2. 微观世界与宏观世界各自遵循着并不相同的物理学定律，但如果你可以证明，你自己可以自由地来回移动这堵墙，那么任何实验的结果就都是一样的了

7.3. 微观世界和宏观世界遵循两套不同的物理学，但这并不影响观测，因为你选择在哪里剥离微观世界和宏观世界并不重要

7.4. 积极拥抱量子理论的下一代物理学家多次获得诺贝尔奖

• 7.4.1. 没有一个实验违反量子理论

7.5. 不可否认，宇宙是一个量子宇宙

• 7.5.1. 量子理论越成功，它看起来就越愚蠢

  • 7.5.1.1. 爱因斯坦

7.6. 如果我们取缔量子理论并将普朗克常数设为零，现代世界就会崩溃

• 7.6.1. 你客厅里所有神奇的电子设备之所以存在，正是因为电子可以表演这些神奇的把戏

8. 量子纠缠

8.1. 爱因斯坦声称，由于没有什么能比光速更快，这违反了狭义相对论，因此量子力学是不正确的

8.2. 扰动的信息可以在它们之间以比光速更快的速度传播

• 8.2.1. 这并不违反相对论，因为打破光障的信息是随机的

  • 8.2.1.1. 尽管两个电子之间的信息是瞬间传输的，但传输的是随机信息，因此毫无用处

  • 8.2.1.2. 这意味着，使用EPR实验，你无法发送包含比光更快的信息的有用代码

  • 8.2.1.3. 如果你采取行动从根本上分析EPR信号，你只会发现胡言乱语

  • 8.2.1.4. 信息可以在相干粒子之间即时传播，但有用信息不能比光传播得更快

• 8.2.2. 这就是量子计算机如此强大的原因之一，因为它们可以同时计算所有这些混合态

8.3. 纠缠，即当两个物体相互相干（以相同的方式振动）时，即使相隔很远，它们也会保持相干

• 8.3.1. 即使量子计算机中的量子位被分离，它们仍然可以相互作用，这也是量子计算机具有神奇的计算能力的原因

• 8.3.2. 量子计算机就像一屋子相互作用的会计师，每个人同时计算，重要的是，通过纠缠相互通信