遇事不決量子力學，量子力學學不好是不是自不量力 …… 很多人在調侃量子力學，卻忍不住好奇，爲什麽這門僅一百餘年曆史的科學，竟然能統治世界成爲 " 頂級流量 "？10 月 28 日，搜狐創始人、董事局主席兼首席執行官、物理學博士張朝陽與香港科技大學副教授、博士生導師王一開啓量子力學對談，從量子力學的曆史、特征和應用進行了硬核解讀，滿足了網友對量子力學的好奇心。
兩位 " 物理網紅 " 的這場對話，是專屬于物理愛好者的思維盛宴。張朝陽畢業于清華大學物理系，獲得 MIT 物理學博士，于 2021 年 11 月開啓《張朝陽的物理課》，近兩年時間開播 180 餘期，憑借硬核燒腦的直播風格多次出圈，還出版了兩本同名書籍。同年，王一利用短視頻走上科普之路，他主攻理論物理和宇宙學研究，擅長用段子講述黑洞、引力波和量子糾纏。
直播中，二人談起自己的專業口若懸河，全程高能輸出，波粒二象性、波函數、物質比熱、隧穿效應等知識點不斷 " 砸 " 出。這種新奇的 " 交流式授課 "，讓網友在一場頭腦風暴中更深刻認識真實存在的世界。" 我們想通過語言的交流和對話，定性描述定量的物理學科學。科普一定包含真正的物理，而不是似是而非的東西。" 張朝陽從物理科學角度反駁了 " 心靈感應是量子糾纏 " 的說法。
張朝陽在直播中說今天不寫公式，但談到燒腦知識點時，還是忍不住多次起身在黑闆上寫下公式。王一笑稱，這與霍金《時間簡史》的風格一樣，" 張老師用非常嚴格的公式爲我們去做最靠譜的科普。"
這是一場物理思維碰撞的對話，更是一堂飽含硬核科普的知識直播。搜狐視頻自 2019 年起積極布局知識直播賽道，不止物理科學，還拓展覆蓋了自然科學和人文科學等各學科領域，以及泛知識領域。目前，搜狐視頻已成功推出《張朝陽的物理課》《星空下的對話》《科學演講局》等出圈 IP，也帶動何懿醫生、不刷題的吳姥姥等優秀知識播主開直播講知識，在全網掀起知識學習的熱潮。
沒有量子力學的世界是一堆灰
上世紀初，英國著名物理學家威廉 . 湯姆生（即開爾文男爵）提出了著名的 " 兩朵烏雲 "：第一朵烏雲出現在光的波動理論上，指邁克爾遜 - 莫雷實驗結果和以太漂移說相矛盾；第二朵烏雲出現在關于能量均分的麥克斯韋 - 玻爾茲曼理論上，尤以黑體輻射理論出現的 " 紫外災難 " 最爲突出。後一朵烏雲，終于釀成了量子力學這場大風暴。
那麽，量子 ( quanta ) 具體是什麽？王一類比 " 飯粒子 "、" 孢子 "，" 量子也是一小塊一小塊，這個是很基本的，掰不開。" 張朝陽也解釋說，" 束縛态的存在，導緻系統如果作爲能量狀态的話，包括其它算符的本征态是分立的概念，可以跟數學上實數和整數的區别。" 通常，學術界習慣于用正整數去标記這些分立的能量取值，于是就能數數：第一能級、第二能級 …… 正好比數掉落的飯粒。
觀測量分立取值是量子力學與經典力學最重要的區别之一。張朝陽對此分享了自己的理解，在由經典力學主導的宏觀世界中，所有的物理量都是可以連續變化的。以地球繞太陽旋轉爲例，如果某一天地球受到了撞擊，軌道總會稍微偏移一點點——任意微小的改變都是經典力學允許的。
正如萊布尼茨所說，世界上沒有兩片完全相同的樹葉。很難認爲偏移前後地球仍沿同一個軌道行進，無論這一改變有多微小。但由量子力學的微觀世界則不同。在這裏，1 就是 1，不能是 1.001 或者是 0.999。上帝拿出兩個氫原子，并指定它們的核外電子都隻在基态（第一個軌道）上運動，那麽它們就得是一模一樣的兩個氫原子，除了所處位置可能不同外沒有任何區别。正因如此，自然界才能逐漸形成穩定的結構。
" 如果世界不是量子的 "，張朝陽說，" 那可能就隻剩一堆灰。" 王一補充說，可能還是 " 一堆萎縮的灰 "。在經典力學的框架下，盧瑟福認爲，核外電子就在原子核周圍轉圈。如果是這樣的話馬上會有一個問題，電子圓周運動有加速度，這樣它會不停往外輻射電磁波，然後往原子核裏掉。
爲了解決這個問題，玻爾率先假定了電子将處在一個不輻射的 " 定态 "，提出了用整數标記電子軌道的思路。王一說，玻爾是一位承前啓後繼往開來的物理學家，他的模型成功解釋了氫原子光譜的性質，展示了量子力學在微觀世界的實用性，也爲他赢得了 1922 年的諾貝爾獎。
踹開電子波粒二象性的大門
上世紀世界上偉大物理學家對于量子力學的探索曆史，被視爲科學史上的 " 黃金時代 "。這段有意思的曆史随着張朝陽和王一的對話深入，逐漸浮現出來。
張朝陽與王一介紹，玻爾提出原子狀态和原子光譜之後，海森堡用矩陣這一數學工具重新進行系統化叙述，但是經典物理學家對這種抽象的描述存在理解困難。随後，量子力學中另一個概念——波粒二象性——補上了這塊拼圖。德布羅意擴展了光的波粒二象性，提出了電子的波粒二象性。王一評價，" 這相當于一腳把門踹開了。"
基于這個觀點，薛定谔就問了一個問題：如果電子有波動性，對應的波動方程是什麽，比不過猜出了著名的薛定谔方程，解出了波函數，最後由奧本海默的導師玻恩給出了波函數的解釋。張朝陽說，" 隻有薛定谔把波動方程寫出來之後，傳統經典物理學家研究電磁波，研究各種波動方程很熟，一看感興趣了，所以薛定谔的理論先被接受的。"
既然粒子是 " 波 "，那這個 " 波 " 究竟是什麽？王一指出當前學界認爲，玻恩的概率诠釋是當前這個燒腦問題的最好回答。張朝陽的理解是，在經典力學中，一般會解出粒子某一時刻出現的位置；而在量子力學中，解出的是粒子某一時刻出現在某地的概率密度，波的強度對應的就是這一密度。于是現在要抛棄電子沿軌道繞轉這一假設，接受電子是彌散的波這個事實——現在這一圖像又被稱爲 " 電子雲 "。王一解釋說，" 經典的物理圖像好像電子在動，概率分布不動，概率分布才是真正客觀存在的東西，用我們網友的話說，其實你想想它動，其實沒動，如動。"
物質的波動性自然導緻了觀測量特别是能量的分立取值，張朝陽說，" 這是讓波函數單值連續可歸一，不發散，必需的條件要求它是分立的。" 王一以樂器中弦振動來形容波動束縛态，" 撥弦爲什麽有特定的聲音？兩邊定住了，加上這樣一個束縛，就不能發出連續頻率的聲音，有特定的頻率。" 張朝陽用一句總結爲，" 無限長的弦什麽頻率都有，兩端固定的弦隻能有特定的頻率。"
用量子力學解釋化學結構
在氫原子上，人類第一次發現并驗證了自然的底層是出乎意料的量子邏輯。更令人振奮的是，對氫原子的進一步研究解釋了元素能按一定規律排列成周期表的深層原因，引導物理學家開始把目光投向化學。玻恩等人率先開始了利用量子力學讨論化學結構和過程的探索。這不得不談到玻恩的學生奧本海默。王一提到，這段曆史也出現在前段時間熱映的《奧本海默》電影中。
如果把兩個氫原子的原子核放在一起，一個電子如何在它們的共同勢場中運動？" 這是一個三體問題，經典都解不出來。" 王一說，" 原子核終歸動的比較慢。雖然也不知道勢能是什麽樣，但是知道是在那兒不動的。先假設原子核不動有一個勢能，電子到處跑，電子比較輕，跑得快，最後對這個勢能有什麽樣的貢獻，把它們放到一起就是玻恩 - 奧本海默近似。這個近似也是現代用第一原理去解釋計算化學、量子化學等等，它就是一個基礎性的工作。"
張朝陽解釋，" 研究物理裏面，尤其量子力學或者結構方面，能量的階梯比較重要。" 能量階梯指的是，不同的過程自由度涉及的能量并不一緻，因而可能表現出相對獨立的規律。比如在處理化學鍵時，質子的質量是電子的 1840 倍，而電子的動能則遠大于質子的動能，所以區分兩個過程才是合理的。
從能量階梯談溫室效應和恒星演化
正是源于量子力學觀測量分立取值的特性，能量階梯這一現象普遍存在于不同物理現象中。對話中，張朝陽和王一介紹了不同物質結構在能量上的巨大差異，并據此解析了溫室效應、恒星演化等背後的物理原理。
張朝陽分享了自己對能量階梯的理解，以氫分子爲例，他覺得應該分爲三層：分離原子核與核外電子，需要從外部提供 13.6 eV（電子伏特，能量的單位）的能量，對應到溫度是需要将這團物質加熱到幾十萬度；如果是從氫分子中分離兩個氫原子，所需能量就大大降低了，一般隻需要若幹個電子伏特的能量，對應到溫度就是幾百上千度；如果考慮氫分子還會轉動和振動，這兩個能級就更低了。" 碳和氧結合，電子排列組合的能量就産生差别，以熱的形式放出來。燃燒一張紙，燃燒的火焰有多少度？幾百度。"
王一提到了恒星的形成。恒星是由星際物質的坍縮形成的，坍縮的過程中需要不斷給星際物質降溫——否則，熱和壓強會頂住引力，坍縮就停止了。如果恒星中全是氫原子，因爲原子能級差巨大，激發和退激發的過程效率很低，輻射能量的效率也會變低。相反，如果其中有一定量的氫分子，哪怕再少，也能夠大大提升輻射的效率，促進恒星的形成。
同樣是爲了降溫，地球也會向宇宙空間輻射出光子。由于地球溫度很低，這一類光不能有效地激發空氣中氮氣和氧氣分子振動或轉動。這樣，光子就很容易逃離地球帶走溫度。但如果大氣中的二氧化碳和水蒸氣變多，王一介紹道，由于三原子分子更容易轉動和振動，對應着更低的激發能量，增強了大氣吸收地面熱輻射的能力。張朝陽說明，" 一吸收就留在了地球上，就是溫室效應。"
特别與二氧化碳相比，水分子對這種低能輻射的吸收效率更高。王一還提到，大氣中的水分子會妨礙天文學家觀測宇宙的第一束光。這束光的學名是宇宙微波背景輻射，它出現在宇宙行程的早期，傳播到地球時，已被衰減爲能量特别低的電磁波。大氣大部分成分對它而言都是透明的，其中卻不包括水分子。于是目前，對這道光的觀測隻能選址在南極、智利、格陵蘭島或者我國西藏等少數幾個非常幹燥的區域。
量子态的激發就像攀岩一樣
王一在直播中解釋，" 吸收光線、放射光線，同時和物質的比熱也是有關系的。" 張朝陽補充，" 任何一團物體或者單位質量的物體加多少熱量，提高這麽多溫度需要多少熱量，單位溫度的熱量需要多少，這是比熱。" 爲了方便網友理解，王一以飯量作類比，" 比熱就是你吃進去多少熱量，這樣的話 1kg 的物質可以升高 1 ℃，我吃進去多少飯可以一成飽、兩成飽、七成飽、八成飽，這個比較像。"
熱力學中有一個 " 能量均分定律 "，說明物質的比熱會正比于微觀結構的熱力學自由度。一個雙原子分子，理論上會有七個自由度。但實驗觀測發現：溫度較低時，它的比熱正比于三個自由度；升高溫度，會變成五個；升到更高的溫度後，才是期望的七個。張朝陽解釋，這也是因爲能量階梯的存在。分立能級的激發 " 就跟攀岩似的，攀不上去就待在這兒了 "。讓分子平動的能量可以連續取值，這三個首先必然被激發；接下來繼續加熱，才能使大部分分子轉動起來；而剩餘的兩個振動自由度需要更多的能量和更高的溫度。
由此可見，研究物質的比熱時，找對自由度非常關鍵。愛因斯坦曾經把晶體固體視爲一連串用彈簧連起來的原子的組合。他認爲加熱固體時，原子吸收能量後，會在平衡點附近振動，由此可以計算固體的比熱。
但是，王一繼續說明，這裏愛因斯坦犯了一個錯誤：每個原子都不是獨立的，一個原子的振動必然會影響帶動周圍原子的振動，最後形成一種集體行爲。特别是在溫度低時，張朝陽補充道，振動 " 一點傳到下一個，下一個再一點，這樣形成一種微小的漣漪。" 曆史上，德拜最先意識到了這一點。和愛因斯坦的模型不同，在低溫時，晶體會有更多的集體自由度來容納熱能，使得固體的比熱下降得更爲緩慢。
量子隧穿：穿牆術并非不可能
以往，穿牆術隻存在于神話故事中的幻想情節，但是對于微觀粒子來說，實現穿牆并非不可能。張朝陽和王一從量子力學角度分析 " 量子隧穿 " 效應。
張朝陽對此加以解釋，就像經典力學中，聲波能越過緊閉的門，經過衰減後傳到外面。如果是波動性主導了粒子的運動時，其實它有概率滲透進任意有限高度的牆。在牆内，粒子的波函數會迅速衰減，但如果牆的寬度也是有限的，" 衰減到這兒突然沒有了，出來了，跑了，所以叫隧穿。"
王一則用《聊齋志異》的故事來形容，有一個道士練會了穿牆術，念個咒，往牆上一跑穿過去了。後來，他跟妻子顯擺，念咒往牆上一跑，摔下來，沒穿過去。" 旁邊有個人一直觀測，這個粒子在這兒沒跑過去，這樣沒穿過去，是所謂的量子芝諾效應。不是古人懂量子力學，古人的豐富的想象力在量子力學裏面找到對應的關系。"
關于量子隧穿效應，在很多電影中也有體現，比如《未來世界》、《星際穿越》。張朝陽補充，現實中能觀測到的量子隧穿現象是原子核的 α 衰變，" 鐳是固體，在地下室岩石中會衰減成氡氣，按照氣體遊離出來。氡氣會繼續釋放 α 粒子，α 粒子是隧穿效應出來的，表面 α 粒子轟擊你的皮膚輻射沒關系，不會得癌症。但是氡氣是氣體，吸入肺以後，打擊你的肺泡，導緻肺的表面出現一些癌變最後得肺癌。"
雖然量子力學 " 有時候幹好事也幹壞事 "，張朝陽和王一再次強調了量子力學的重要性，它是普适的，解釋了這個世界最底層的框架。" 居裏夫人發現了鐳，後來很多放射性發現，幾十年後有了量子力學，包括核的理論後來多少年才建立的。原子核的理論，α 衰變的解釋後來是多少年之後，用量子力學很簡單就解釋了，物理學有很多相似性，量子力學是普适的，不僅在電子層面，核裏面也是一樣的。"
