第1讲　量子世界是什么样的

1.经典力学

牛顿第一定律：惯性定律。你在屋打电动游戏，妈妈让你出去玩，你不想出去，想一直玩下去；当你在外面玩的好好的，妈妈让你回家，你也不愿意改变，还想继续玩。这就是惯性定律。

牛顿第二定律：力能改变物体运动的速度。当一个东西静止的时候，推一下，它就动了；当一个玩具小车在行进过程中，你抓一下，它就停下来了；而一个大卡车行进在路上，你想抓住它让它停下来就难了，只有超人才能让它停下来。说明质量越大的物体，要改变其运动状态就得花更大的力气。

牛顿第三定律：你对物体施加一个作用力，就会受到物体给你的一个大小相等、方向相反的反作用力。

万有引力定律：任何两个有质量的物体之间都存在着一个彼此吸引的力，其大小与两个物体质量的乘积成正比，而与两个物体间距离的平方成反比。

这几个定律，就可以预言太阳何时会从东方升起，也可以预言月亮什么时候回盈，什么时候缺。在宏观世界，大到日月星辰、中到江河湖海，小到柴米油盐，全都可以用这几个定律精确的描述。

2.拉普拉斯和玻尔兹曼

拉普拉斯是牛顿的忠实信徒，他说过，我们可以把宇宙现在的状态视为其过去的果以及未来的因。如果能知道某一时刻所有的力和所有物体的运动状态，那么未来就会像过去一样出现在他的面前。这种认为牛顿力学强大到足以决定未来的观点，被称为决定论，在20世纪以前一直视学术界的主流观点。

但是牛顿力学只适用于宏观世界，微观世界就不行了。石头敲碎石块变小，再敲，石块变得更小，一直敲下去，最后会敲出一个最小的石块，之后再怎么敲，都无法分割它。这个最小的“石块”就被称为原子，原子的概念是2000多年前提出的，最早在科学上阐释原子概念的人是玻尔兹曼。玻尔兹曼被经典物理学家批评，有一个小人物支持他，就是普朗克。

3.原子和光子

玻尔兹曼认为世界是由原子构成的。现代科学证明，原子也不是最基本的粒子，在原子内部的中心由一个带正电的原子核，外面有带负电的电子。

除原子之外，还有一种常见的东西：光。光是以光速传播的波。波是某种东西在传播过程中震动的现象，比如水波是由水的振动产生的，声波是由空气的振动而产生的。光里面一份一份的能量就是光子。在我们测量光子之前，它是不确定的，它的不确定性按照波的方式呈现。

波也有能量：其频率越高，波的能量越高。400-700豪微米的是可见光，比它能量低的分别是红外线可遥控电视、空调；微波，加热物体；无线电，电视、广播、手机和无线网信号，都是无线电传播的。比可见光能量高的分别是紫外线，晒伤皮肤；X射线，穿透性强，X光；Y射线，特殊的手术刀，可给病人做手术。

光是以光速传播的波

普朗克发现：物体热辐射所发出的光，其能量并不连续，而是一份份的，大小等于光的频率乘以一个很小的常数，叫普朗克常数。我们所说的“量子化”，其实就是指这种物理量本身不连续、总是一份份分布的特性。换言之，在量子世界里，物理量总是存在着一个最小值，无法像在经典世界中那样，直接趋于零。

4.光电效应

在爱因斯坦的三大发现中，光电效应是人类在理解量子世界的道路上迈出的第二步，爱因斯坦也因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

光电效应：光照射金属就可以从其内部打出电子。因为光可以把自身的能量传递给电子，使电子获得足够的能量，从而逃脱金属原子对它的束缚。但是一定频率的光，只要一照就可以从金属中打出电子，在此频率之下的光，无论照射多长时间也无法把电子打出来。（经典力学中，能量是连续的，可以加和，eg,把水缸装满水，可用大脸盆一盆一盆装满，也孔鲬小水杯装满）

光电效应

光本身并不连续，而是由一个个叫光子的微粒组成。光子的能量取决于光的频率，光的频率越高，光子的能量就越大。

5.原子、原子核和电子都是量子的

光是量子的，那原子、原子核和电子呢？波尔的答案是量子的。它们不满足牛顿力学定律，而是满足于不确定性原理。这个不确定性原理是海森堡1927年发现的，因此获得1932年诺奖物理学奖。

原子内部构造图

6.测不准原理 

拉普拉斯说过，如果能知道某一时刻所有物体的运动状态，就知道未来发生的一切。运动状态指物体的位置和运动速度。而物体的位置和动量（质量*速度），没法同时测准。

因为测量物体的位置，需要首先看到它。“看到”就是让光打到物体上，然后再反射到人眼或显微镜里。每种光都有自己的波长，万一光的波长比物体尺寸还长，它就反射不回来了；即我们看不到尺寸小于光的波长的物体。要想精确地测出物体的位置，就要尽可能用波长较短的光，光子的能量大，而它打到物体上，会干扰其原来的运动。也就是，用波长短的光，就没法测准物体的动量了。例如，一个皮球在地上滚，一只苍蝇装上去，皮球还是照滚不误；但一个小狗扑上去，皮球的运动轨迹立刻就变了。这意味着，用波长短的光，就没法测准物体的动量了。

用波长长的光，能侧准微观粒子的动量，却测不准它的位置。

测不准原理是说能测准动量，就测不准位置；能测准位置就测不准动量，速度*位置才能算出未来的运动状况。所以就无法精确地算出它未来的运动情况了。事实上微观粒子根本没有确定的运动轨道，而是像云雾似的弥散在很多地方。

延伸阅读

1.）量子是光里面的一份一份的能量，爱因斯坦发现，这一份一份的能量其实就是光子。在我们测量光子之前，它是不确定的，它的不确定性按照波的方式呈现。当大量的光子聚在一起形成一个经典的对象时，它的不确定性就变成确定性了，这个确定性由波来组成，这个波就是经典的波，像水面的波动那样。

现在量子的含义更复杂，不再是一份一份的能量，所有跟量子力学有关的东西都可以别被叫作量子。

2.）当一个原子处于简单的原子态时，它是不确定的，但当一个原子成长为一个很大的分子，那它就变成一个经典物体了，它就很确定了。一个物体能量越多，它的位置的不确定性就越小。

3.）根据相对论，质量和能量是一回事。整个宇宙充满了能量，除了能量没有别的东西，只不过能量的形式不一样，有的呈现为电子，有的呈现为原子，有的呈现为光子，有的甚至呈现为暗物质或暗能量。

5.）根据相对论，光速是最高的速度，引力波也是以光速传播的。

6.）量子力学的意义：帮助我们正确认识世界运行的规律和方式；它有很多应用，如芯片里会用到量子力学。没量子力学，物体举出不稳定的。

7.）任何一个有质量的粒子，它的速度原则上都不能达到光速，因为达到光速时它的能量会无限大。有质量的粒子，它的速度只能慢慢地靠近光速，比如，要把一个质子加速到光速的99%，那么需要的能量是这个质子质量的6倍以上。

8.）不确定性和它的质量成反比，质量越大，它的不确定性越小，人的不确定性非常小，完全可以忽略。细胞由大量的原子组成，最小细胞的尺寸要比原子大一万倍，所以它的不确定性很小。等到纳米机器人做出后，就一块一个一个地定位并杀死癌细胞，因为他是经典的可以精确地定位它。

9.）粒子不是波，在我们看到它之前，不确定它在哪里，这个不确定性又高有低，就像波峰和波谷，这个不确定性的性质是波，而不是说粒子本身就是波。

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第2讲　物质为何能保持稳定

固体、液体、气体都不会突然变大，也不会突然变小。这种不会突然变大或变小的性质，叫作稳定性。这些物质实际上是由更小的原子组成的。

Eg，不锈钢是由原子组成的，原子拍成一行一列非常规则的形状，但是不锈钢原子之间有很多空隙，空隙特别大。

1.那么水杯放在桌子上，水杯为什么不会穿过桌子掉下去？

水杯的原子和原子间有很大空隙，桌子的原子和原子之间也有很大空隙，为什么水杯的原子不会从桌子的原子之间的空隙掉下去？

水杯为什么不会穿过桌子掉下去？

原子之间的距离，类似于相邻士兵之间隔了100公里，即从北京到天津的距离。不相撞，就可以互相穿越。那为什么我们在现实生活中从未看见水杯穿越桌子掉下来呢？

在舞会上，一群男生和一群女生会自动结成一对对舞伴。每对舞伴中的女生都不希望别的女生来抢自己的男伴，从而产生了一种向外的排斥力。这就是物质不会突然向内塌陷的原因。与此同时，每对舞伴中的女生其实还想跟其他男生跳舞，而每对舞伴中的男生其实也想跟其他女生跳舞，这又会产生一种向内的吸引力。（因此，不同的舞伴之间可以相互交换成员。类似的，不同的原子之间也可以互相分享电子和原子核。这种情况下，不同的原子间会产生一种吸引力，这就是所谓的化学键。）这就是物质不会突然向外爆炸的原因。既不会塌陷，也不会爆炸，所以物质就能一直保持稳定了。

两个氢原子组成一个氢分子

延伸阅读

1.原子中的电子是一个基本粒子，它是点状的，没有大小，所以不会爆炸；所有基本粒子在物理学中都是数学上纯粹的点，没有大小也没有长宽，因此不会爆炸。

2.火其实是一团物质在发光。加热物质之后，它里面原子中的电子会被激发出来，电子从原子中抽掉出来就会辐射光。所以火本身不是物质，火只是物质发光的一种现象。我们通常把火向上烧的那个发光的部分看成火，其实它大部分是气体。

3. 电子最小（最轻），电子是基本粒子。原子核不是基本的，原子核里面有质子和中子。质子和中子也不是基本的，质子和中子是由夸克组成的。夸克是基本粒子，像电子一样不可再分。物理学家一般认为夸克本身是基本粒子，没有大小，像电子一样。

原子没有办法被切成若干份，是因为原子由原子核和电子组成，你只能把电子从原子中拿掉，然后剩下一个原子核，你没有办法把原子核切成若干份。

夸克是基本粒子，电子也是基本粒子，中微子和光子也都是基本粒子，当我们说大小的时候，指的是它们的质量，而不是尺寸，因为基本粒子都没有尺寸。

基本粒子没有大小，这一点是很难理解的，因为它有质量，所以也就是说，它的密度是无限大的。

亚原子是一个概念，我们通常将比原子小的东西叫作亚原子。原子核是亚原子，电子、中微子、基本粒子都是亚原子。

4.我们现在通常用的加速器都是用来加速电子或质子的，因为它们都带电，不带电的粒子是没有办法被加速的。

5.原子之间是有吸引力的，所以原子可以用来组成物质。

6.普通电流，比如电线里面的电流，由运动的电子构成。这些运动的电子是怎么来的？当电子变成自由状态时，在电压的作用下，会从一个原子核跳到另外一个原子核，它们就成为运动的电子了。但半导体里面也可以由其他方式产生电流，就是少了一个电子的原子运动起来产生了电流。

7. 经典物理当然有用，当很多原子和分子组合在一起，这团物质被看成一整个对象的时候，它就满足经典物理学，但是经典物理学没法解释物质为什么会保持稳定。

8.泥土会塌陷是因为泥土重到一定程度的时候，泥土中原子的斥力不足以抵抗压力，所以会塌陷。当泥土密度大到一定程度之后，也就是泥土夯实到一定程度时，它的分子和原子之间斥力可以排斥压力，就不会塌陷了。

9. 物质积聚大到一定程度的时候，可能会塌缩成黑洞。（笔者，可能像泥土坍塌一样）

10. 电子不能组成物质，因为电子都带同样的电荷，它们之间是互相排斥的，必须要将原子核和电子放在一起才能组成物质。

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第3讲　量子力学有什么用

1.激光

第一个应用是激光。激光祛斑脱毛。拿激光器往脸上一照，色斑就消失了；往胳膊上一扫，体毛也脱落了。

吹一个白色的大气球，里面再套一个黑色的小气球。如果你用特定的激光朝这两个气球上面打，会发现外面的白色气球还是好好的，但里面的黑色气球却爆掉了。同样是气球，为什么会有黑白之分呢？最根本原因是，这两种气球里面的电子的能量是不一样的。

激光是由光子组成的，光子是构成光的微粒，激光的每个光子的能量大小相等。而太阳光也是由许许多多光子组成，但这些光子能量有大有小。每种激光的光子又都有一个特定的能量，当激光打到气球上时，如果气球里的能量与激光光子能量不匹配，那它就不会吸收这种几个，反之，它就会吸收这种激光。

祛斑工作原理：好皮肤里的电子能量和激光光子的能量不匹配，所以完好无损；而黑色斑块里的电子能量和激光光子的能量匹配，所以会吸收激光并最终被激光所破坏。

你背着书包爬上5楼消耗的能量少，背着书包爬上10楼消耗的能量多。类似的，把电子送到低轨道消耗的能量少，把电子送到高轨道消耗的能量多。换句话说，高轨道上的电子比低轨道上的电子拥有更大的能量。很明显，当电子从高轨道跑到低轨道的时候，能量会变少。那变少的能量跑哪儿去了呢？会变成一个个光子跑出来。在物理学上，我们把这种发出光子的过程称为辐射。

在地球上发射火箭也是如此。发射时消耗的燃料越多，就能把火箭送上离地球越远、本身能量也越大的轨道。

2.半导体

原子中有电子，在一定条件下，电子会摆脱原子核的束缚，在某种材料中自由运动，这就形成了电流。让我们把运动的电子想象成一辆小汽车，把电子跑过的材料想象成一条公路。

如铁、铜、铝等金属是导体，瓷片、玻璃、橡胶是绝缘体，还有一些材料当外部条件发生变化，就会变成导体，这些材料就是半导体。

利用半导体的特性，可以做出一些有用的电子元件。最重要的是二极管和晶体管，二极管有一个非常特殊的性质：在一个方向上给它加上电压，就会产生电流；而在相反方向上给它加上电压，却不会有电流产生。这就像是城市里的单行道：你可以沿一个方向开车，但是沿另一个方向开车就不行了。二极管有什么用呢？它可以在电路里扮演一个开关的角色。

晶体管可以放大电流，同时也可以充当开关。一些优秀的员工向肖克利提议，为了控制成本，可以做一些小晶体管，然后再把几个小晶体管集成在一起，这就是今天大家熟知的集成电路。

4.量子传输

在经典世界中，有复印机，文件可以复印，房子、汽车等可以用3d技术复制出来。即实现准备一堆原材料，然后把一个物体的信息全部复制到这堆材料里，就可以制造出一模一样的东西。

而在微观世界（量子世界）中，没有一个东西可以被完全地复制，叫量子不可克隆定理。即你不可以复制一个电子、原子、分子那么小的东西。这个定理禁止了微观世界中的复制，但没禁止微观世界中的传输。也就是说你可以把微笑物体的信息全部复制到一堆原材料里，从而制造出一模一样的东西，但是原件一定会被破坏掉。最终效果是，一个物体会突然从自己原来的位置消失；与此同时，另一个地方会突然出现一个一模一样的东西。这相当于空间旅行。

延伸阅读

1.为什么会有光子和原子？这个问题物理学家并没给出答案，我们只知道，在我们这个世界里，有光子，也有原子。有了光子，这个世界就有了颜色。光子是电磁波的最小组成部分，我们已经将电磁波应用于很多方面。有了原子，才有了地球、行星、太阳和其他很多物质，以及人类。

2. 二极管相当于一个简单的开关，三极管会放大信号。集成电路里面，放大信号的功能是非常重要的，因此三极管就很重要。

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第4讲　量子计算机和人类大脑

1.计算机的工作原理是什么？

计算机像一台饺子机，主要由两部分组成。一部分是货架，上面放了原材料，比如面粉、水、菜、肉等，另一部分是桌台，我们可以对原材料加工，比如剁馅、和面、擀饺子皮、包饺子等。计算机结构与之类似。它里面有存储器和处理器两部分：存储器即硬盘，相当于货架，存放各种各样的数据；处理器相当于桌台，可以对存储器中的数据进行处理。这两部分都是计算机的硬件，要想让计算机运行，还需要软件，就是对计算机下命令的指令集。

计算机最核心的工作原理就是最简单的加法运算。不管多复杂的计算机指令集，归根结底都是在做加法。减乘除都是加法的变化。

2.为什么从十进制变成二进制？

因为要想表示从0到9这十个数字，就必须造出十种不同的电子元件，或者找出电子元件的十种不同状态。对二进制来说，其个位数字只有两个，分别是0和1。只要找出表示两种不同状态的电子元件就够了，不用找出10种了。

二极管可以在电路中充当开关，即一个“开”的状态和一个“关”的状态，可以用开表示1，用关表示0 ，这就可以表示二进制的数字了。一长排的二极管可以表示一个很大的数字，而很多排的二极管可以表示很多数字。二极管可以用来存放数据，就存储器。二极管不仅可以用来存储数据，还可以进行数学运算。想象有一条路，路上有两扇门。我们还是用“关”门来代表0，用“开”门来代表1。如果这两扇门都是关的，那这条路就走不通，在数学上就相当于0乘0等于0。如果有一扇门是关的，另一扇门是开的，那这条路还是不通，相当于0乘1等于0，或者1乘0等于0。但如果这两扇门都是开的，那这条路就通了，相当于1乘1等于1。因此，用二极管的开关状态可以很轻松地实现乘法运算。换句话说，如果在一块电路板上集成很多个二极管，就可以用来对数据进行运算，我们刚才讲过的处理器就是这样的。

还可以把开合关理解成“对”和“错”，经典计算机的功能就是判断“对”和“错”。一个经典的二极管要买么是100%的开，要么就是100%的关，不会有第三种可能。

而量子力学中薛定谔的猫试验，在打开盒子之前，猫其实处于一种50%活着和50%死掉叠加的状态。这就相当于我们刚才提到的量子开关，它可以既是开的，同时也是关的。这样的量子开关被称为量子比特。　普通计算机里的元件肯定不是量子比特，因为二极管的状态都是经典的，都是确定性的开或关。