结语：量子力学是否盛宴已过？

你好，欢迎来到《给忙碌者的量子力学课》，我是李剑龙。

经过了高强度的13节课，我们终于到了课程的最后一讲。你可能听说过杨振宁先生的一句话，叫the party is over，盛宴已过。

他的本意是说，每个学科都有自己的萌芽期，成长期，衰退期和死亡期。他说盛宴已过，当然不是指量子力学，指的是对撞机高能物理，当时还引起了很多争论。

但量子力学走到今天，已经一百多年了，是不是也快盛宴已过，很难发现新的东西了呢？我们这一讲就来说说这个问题。

1 量子力学让人类挖到了知识的树根

我们先来回顾一下量子力学的历史地位。

量子力学是一次人类认知的升级，但这次升级，跟之前曾经颠覆了人们世界观的日心说、牛顿力学和进化论不一样。因为这次升级，让人类见到了知识大树的树根。

在量子力学之前，人类的知识就像森林里的果子，这里一颗，那里一颗，彼此之间好像是独立的，并没很强的关联。每次认知颠覆，都只是颠覆了一条树枝上的果子，其他问题都需要另外解决。

而且，人类也一直没能搞清楚，这些果子是从哪里来，更不知道还有多少果子没有摘。

有这些问题其实理所当然。因为自然科学原来的学科之间，逻辑大体上是并列的，学校里的课程设置也是并列的。

比如在19世纪的时候，当时的科学家可能思考过这么几个问题：早期生命为什么会在水中诞生？为什么水的沸点比硫化氢、硒化氢高很多？为什么冰会浮在水面上？

他们当时应该觉得，这几个问题虽然都跟水有关，但是一个是生物学问题，一个是化学问题，一个物理学问题，答案就算有关系，肯定也不一样。

但是我要告诉你，答案是一样的。量子力学里有个概念，叫氢键。这三个问题，全都是氢键决定的。咱们一个一个看。

先看生物问题，早期生命为什么会在水中诞生？

因为水里的氢键特别多，多得形成了大规模网络，这就让水变得像物流公司一样，传输某些离子的效率特别高，所以水更适合生物化学反应，生命当然就在水中诞生了。

再来看化学问题。了解化学知识的同学都知道，氧、硫、硒这三个元素都是一个族的，它们形成的化合物，化学性质都应该差不多。那为什么水的沸点比硫化氢、硒化氢高很多？

这是因为，硫化氢、硒化氢的氢键比较少，只有水的氢键特别多。氢键对水分子有束缚力，水分子的氢键又多，它想要从液态变为气态，就得吸收更多的热量才能挣脱束缚，水的沸点当然就要更高。

最后来看物理问题，为什么冰会浮在水面上？还是因为氢键。氢键让冰的结构比水更松散，所以冰的密度比水小，就会浮在水面上。

你看，量子力学出现以后，你追着一个科学问题，顺着树枝使劲往下爬，刨根问底，最终就会汇集到这个叫量子力学的树根上。

所以，学了量子力学的同学，特别有学科优越感，容易看不起其他同学的专业。我以前就得过这毛病。现在你知道这是为什么了吧？

不过，就目前来看，这样的树根其实有两条：一条树根汇集了时间、空间和引力问题，它的名字叫广义相对论；另外一条树根汇集了除此以外，其他全部的果子，它就是量子力学。

直到这一刻，人类才意识到，知识大树居然有树根，之前所有的果子，都是从这儿来的。树根就像是一个原点，为我们划定了一个坐标系。从这一刻开始，所有的果子都在这个坐标系里找到了自己的位置。

反过来讲，目前看来，如果一种知识不能在这个坐标系里找到位置，那就说明这种知识就像物理学家泡利说的，not even wrong，连错误都算不上，不值得认真对待。

从这个意义上说，量子力学的诞生，是自生命诞生、智慧诞生和科学诞生以来，地球上最重要的一件事。

2 量子力学的未来是一个好消息和一个坏消息

你看，量子力学的过去可以说是非常辉煌，全是好消息。那它的未来呢？我有一个好消息和一个坏消息。

好消息是，量子力学的未来大有可为。如果沿着现在的两个树根往下挖，总有一天，我们会挖到两个树根合并的地方，也就是终极理论的所在。

从目前的发展看，物理学家更相信量子力学会兼并广义相对论。比方说，你可能听说过一种大统一理论叫弦论。这个理论把我们熟悉的世界是由粒子组成的，变成了世界是由振动的弦组成的。

这其实就是对量子力学的波粒二象性，做了一个简单的升级，升级成了波弦二象性。为什么有的物理学家特别推崇这个升级呢？

因为这样一来，它就能自动变成一个包含万有引力的理论。你看，未来的大统一理论应该首先是一种量子的理论。

除了向下挖之外，量子力学还可以向上发展，用新的逻辑重新整合之前的学科。

比如，得到课程《合成生物学》的主理人李腾老师说，他们公司现在主要做的事情是修改基因，发明新的蛋白质。但他们的困难是，修改基因的结果很随机。因为修改了基因之后，他们既不能预测会产生什么形状的蛋白质，也预测不了这个蛋白质会有什么功能。

这就是因为量子力学的理论，还没来得及对分子生物学提供支持。

我们现在只知道蛋白质的结构里有氢键，但不知道形成哪几个氢键后，蛋白质结构最稳定，更不知道这个结构会跟哪些生物分子发生相互作用。如果量子力学搞清楚了，理论有突破，分子生物学也会有进展。

当然，量子力学的光明未来还不只包括温故知新，这棵大树还可以长出新的枝头和果实，帮助我们发现全新的知识。

比如，科技新闻里的一些你可能觉得很陌生的名词，马约拉纳零能模、拓扑绝缘体、高温超导，这些都是新枝头上的果实。

说完了好消息，我不得不告诉你一个坏消息。

尽管量子力学已经挖到了树根，但它能够描述的物质份额，只占宇宙全部能量的5%，还有95%等待我们去探索。另外那95%，就是暗物质和暗能量。

不过，这种探索对科学家来说，可是非常值得兴奋的事。那接下来，我来为你介绍四个科学家们已经开展的探索，我个人预计，这是四个即将成为现实的应用。

3 四个即将成为现实的应用

这四个应用，一个是2019年国际上最热门的，一个是咱们中国人搞出来的最新成果，还有两个是我觉得最有意思的。

最热门的是2019年10月，Google的超导量子计算芯片。Google宣称，这是人类第一次让量子模拟机对特定问题的计算速度，超过了经典计算机。

不过我也得提醒你，这个芯片还只是个开始。相当于莱特兄弟发明了飞机，能在天上飞1分钟了，证明人类真的能飞上天。但它距离我们日常坐的喷气式大飞机，还有很长一段路要走。

咱们中国人做出来的最新成果，是2019年3月中科院高能物理所研制的铁基高温超导线圈。它和之前的高温超导材料相比，铁基线圈价格更便宜，结构更结实，能耐受的磁场更强。

这个技术有什么前景呢？

比如医院和科研上用的磁共振，都是由超导线圈提供的磁场。磁共振的磁场越强，图像的分辨率就越高，就看清楚更细的血管和更微小的神经连接。

所以，铁基线圈虽然只是实验上的进展，但我们仍然期待在不久的将来能够在更多地方用到它。

我最感兴趣的应用有两个，一是量子雷达，二是量子精密测量。

量子雷达，就是通过向雷达波中加入量子信息，让它能够分辨更微弱的信号，比如隐形战斗机反射的微弱雷达波。

如果外国的隐形战斗机开进中国领空，用传统雷达是发现不了的，但是量子雷达就能发现。所以，量子雷达可能会为中国的领空增加一道盾牌。

量子精密测量这个技术有点儿反直觉。它突破了经典统计误差的极限，利用海森堡不确定性原理，却能让测量结果变得更确定。

比方说，我们可以用它测量微弱的人体磁场。这就好比CT虽然能看到人体内部的状态，但是有些病它就是看不清楚，必须得靠磁共振成像。这个新技术就像磁共振一样，会给医生打开一个监测人体状态的新窗口，成为现有医学手段的一个重要补充。

不过，现在网上有不少人打着量子的旗号，卖一种叫人体弱磁场测量仪的东西，几百块钱买个小盒子带回家，我说的可不是这个。

给你留一个思考题。学过这门课之后，请你开个脑洞，找一条给你印象最深的量子力学的知识，想想它未来可以如何投入应用，分享你的脑洞给我。

自量子力学诞生以来，美国的道琼斯工业指数，提高了270倍。美国的人均GDP，也提高了大约10倍。对于这样的增长，各行各业的人当然都有功劳。

但如果用李政道先生的比喻来说，他们的功劳相当于不断建设新的水产品市场，把鱼卖出去赚钱。而量子力学的作用相当于水，是用来养鱼的。如果没有量子力学的水，任你市场建设得再多再好，总有一天会饱和，没有更多的鱼可卖。

虽然每个学科都有发展规律，量子力学也逃不过这个规律。可至少现在，量子力学，盛宴正酣。在未来，量子力学的发展一定会进一步改变世界。

欢迎你来到量子的世界。

网友互动

知识的树根至少要包含三个学科吧

一是物理，它仅仅代表是什么。

二是数学，它代表为什么，它建立了我们和物自体之间的标准编译方式。

三是哲学，虽然这个学科是最不科学的，但正是这门学科在凝聚我们去了解这个世界的动机，否则对于一堆原子来讲，另一堆原子是无意义的。所以哲学代表凭什么。

不好意思，

٩(˃̶͈̀௰˂̶͈́)و抬杠使人快乐

作者

回复

我们这里举的例子主要是自然科学的知识。数学和哲学都很重要，很基础，但它们都不属于自然科学的范畴。

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量子力学和经典力学，作为树根来理解世界，会发展成一门学科吗，叫量子力学应用学或工程学，方便普通人便于识别和运用量子力学的基本成果，快速的跨学科学习。快速的跨学科理解力，是我作为教学研发工程师最感兴趣的。

作者

回复

量子的交叉学科其实在发展之中。比如，机械中最常见的摩擦力是怎么来的，有很多微观假说，其中就包含从量子力学原来出发的假说。

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非常感谢李老师，有意识的去了解量子力学大概是两年多以前曹天元老师的科普书，之后又陆续看了相关的一些著作和文章，其中有些概念始终处于抽象和混淆中，经过这次的学习，某些非常重要的认知被确认下来，让我获益匪浅，其中对我冲击最大的就是波粒二象性和概率波实在性这两个点，之前对波粒二象性的理解仅仅维持在波尔先生的解释范围内，总是感觉有些朦胧不清，并且完全没有意识到这其实就是量子各种现象的本质，这次真是融通了。对薛定谔方程也是，薛定谔本人对量子不确定性的不认同也让我愕然，如今才知道他本人也不能完全理解他方程的含义，真有种获得真理身心愉悦的感觉。最后，薛定谔方程和狄拉克方程描述的是同一种东西吗？我一直对此含混不清。再次谢谢老师！

作者

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薛定谔方程可以看作是狄拉克方程的低速近似的版本。因为狄拉克方程的出发点是相对论，而薛定谔方程的出发点是经典力学。

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特别感谢李剑龙老师的课，我一下午一口气读完，记了3000字的笔记，真是酣畅淋漓。

作为非专业人士我不敢枉言它还有什么应用，我只知道，活在这个相对论和量子力学蓬勃发展的时代真好，让我在挣钱养家的同事，还原孩童般对世界本源的好奇心。

其实很想问老师一个问题，有什么渠道，可以让我们非专业物理迷，了解最新的物理进展吗？

阅读《自然》《科学》确实有些难度，是否还有其他的渠道？请明示，谢谢！

作者

回复

阅读自然和科学会有难度，因为他们会直接使用大量公式。我觉得你英文好的话，可以试试physics today这样的英文科普杂志，或者中文期刊，比如《现代物理知识》。

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感谢李老师带来这么精彩的课程。

我能想到的应用：

1）信息加密（波函数实在性）

2）超远距离通信（量子纠缠）

3）鉴别翡翠（量子隧穿）

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思维方式的升级：

1）破除非黑即白的二元思想，有中间态、叠加态。

2）结果也许并不可靠。

3）固话的思维、已知的经验，都会影响新认知。所以，简单点，字面意识理解，一切皆有可能。

4）原理搞清楚之前，可以先用起规则。

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我倒是并不担心量子力学的盛宴是否还在，即便是唐诗宋词，盛宴早过，如今的人已经无法超越，我们不一样还是学得津津有味吗？

重要的是量子力学是我们人类知识的树根，那么学习一下的必要性就是既重要又紧急，虽然学了不可能让你贯古通今，但是不学你可能会在同一个坑里反复跌倒，被人反复收割，就冲这一点，就该好好学习。

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我最感兴趣的是量子加密。

随着互联网接入设备的爆发式增长，网络安全性成了首当其冲。

如果可以善用量子加密，将是一大技术应用技术突破。

肯定的是，博弈关系的工具，终将对冲到某个平衡状态，也就是说用量子计算机解密和量子加密会一直纠缠存在。

但是，那中情景的到来，也就预示着我们已经在充分应用量子理论优化生活。

和区块链一样，量子技术可以延伸成一种解释世界的工具，学通识学到这个层面，已经够用了。

从量子观角度开看。是不是很酷炫？

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思考题

我对超流很感兴趣，就是中子星核超流体 ，如果能在各类轴承上运用到超流技术，实现零摩擦的轴承，至少能节省无谓的摩擦损耗，提高动力的使用效率。

甚至是把干扰因素的屏蔽可调化，就是超体态，一般态，甚至逆超体态自由切换，实现摩擦力从0到正无穷无极调控，把刹车系统、变档系统都整合在轴承系统上，说不定能带动一波机械集成化、简体化的革命。