曹则贤跨年演讲：什么是量子力学？∣贤说八道
1900~1928年间是物理学史上最激动人心的时代，一群天才，主要是年轻人，在不到三十年的时间里构造了崭新的量子力学体系，从而改变了物理学的面貌，也彻底地改变了人类社会的面貌。本报告系统地解释了什么是量子(quantum)、什么是力学(mechanics), 在对量子力学创建过程的回顾中讲述构成量子力学的具体内容，然后介绍几例量子力学带来的新技术，最后还会谈谈如何学习量子力学的问题。量子力学从来都不是什么革命，它只是经典物理学自然的、逻辑的延续。量子力学一如物理学的其它分支，都是人类思想智慧的结晶。量子力学，还有相对论，这些百年前的头脑风暴，今天应该成为受教育者的知识标配。
2019年12月30日晚，中科院物理所研究员曹则贤在物理所做跨年科学演讲《什么是量子力学？》，本文为演讲人亲自撰写的文字稿。看视频请戳页面左下角蓝字「阅读原文」。
撰文 ∣ 曹则贤（中科院物理所研究员）
秋怀欧阳修
内容提要
a.为什么要学习量子力学 ？
b.什么是量子(quantum)？啥是力学(mechanics)?
c.妈妈的骄傲量子力学是什么样的学问？
d.量子力学是如何创立的？
e.量子力学的威力
f.如何学习量子力学
尊敬的各位来宾，屏幕前的各位朋友，女士们、先生们，这里是中关村南三街8号中国科学院物理研究所，我是物理所职工曹则贤。接下来我想和大家聊一个比较高大上的话题：什么是量子力学？具体地，我会聊一聊我们为什么要学习量子力学，什么是量子 (quantum) ，啥是力学 (mechanics) ，量子力学是什么样的学问，通过对量子力学创立过程的回顾介绍量子力学具体的内容，通过几个例子谈谈量子力学的威力，最后作为结束语我会谈谈如何学习量子力学。在回顾量子力学创立过程中涉及的人物包括黎曼、玻尔兹曼、巴尔末、普朗克、爱因斯坦、索末菲、里兹、玻尔、海森堡、约当、玻恩、德布罗意、康普顿、德拜、薛定谔、泡利、狄拉克、冯诺依曼、维格纳、外耳、玻色，等等。许多人会说量子力
学很难学，可我要说的是首先量子力学不难学；其次，再难学也要学。大家可能注意到了，此刻我站在这里讲，世界的很多角落里有人在拿手机看直播。这在几年前都是不可想象的。从前，孙悟空翻江倒海，玉皇大帝——那可是神仙们的头儿，也只能派千里眼、顺风耳去看看是怎么回事。今天我们的人类，可以用望远镜巡天，可以在天空俯瞰整个大地。这是一个技术超越神话的时代，而物理学是一切技术进步的基础。从前慢，慢到一生只够学会用母语读小说。但在今天这样的科技支撑的、高度发达的时代里，量子力学这样的上世纪头脑风暴的产物，也许今天应该成为人们的知识标配。
我们为什么要学习量子力学呢？量子力学简直就是一个号称学物理的人的必备。从前法国先哲庞加莱说过一句话：“虽然人们并不是因为科学就幸福了，但是如今没有了科学人们可不怎么能幸福起来。” 仿此，我们可以说：“虽然，人们不会因为懂得量子力学就是物理学家了，但是今天的人们如果不懂量子力学而宣称自己是物理学家的话，可能显得有点鲁莽！” 量子力学和相对论，据说是现代物理的两大支柱啊！作为支柱的量子力学我们怎么可以不学呢？当然了，正确的态度应该是把物理学看成一个不分割的整体，我们努力从不同的方向去学习，追求一种融会贯通的境界。学物理的人，大体会说学量子力学让我们很happy. 按照美剧《生活大爆炸》里Sheldon 博士的说法：“Quantum physics makes me so
happy, it’s like looking at the univer naked (量子物理让我高兴，宇宙看起来跟在裸奔似的).” 如果在中学时期就能学一些量子力学，那就更棒了。不仅你自己感到快乐，还能让你妈感到快乐。
图1. Dr. Sheldon: Quantum physics makes me so happy.什么是量子夫妻财产约定 (quantum) 呢？拉丁语形容词“多少”的阳性、中性、阴性形式分别是 Quantus，Quantum，Quanta. 如今英文的Quantity，quantitate, quantitative 都和数量有关，是定量、量化的意思。在拉丁语系的
语言中，比如意大利语， quantum 的同源词都明显是多少的意思， 比如Quanto costano （这东西多少钱）？Quanti anni hai (你有几个岁) ? 在英语中，quantum 也一直当作“数量”在用。降雨量是quantum of rainfall而不是quantity of rainfall. 在著名的007系列中有一集quantum of solace，被翻译成了“量子危机”。其实这和“量子”没有任何关系。Quantum of solace是舒适度、安全度的意思。过去的江湖人士而今的特工明星到了任何地方，都要有本领迅速评估出环境的安全度。如今在西方的和量子力学有关的语境中, quantum (quant) 被当成名词单数，而quanta (quanten) 被当成名词复数用，偶尔也有用quantal的。Quantum mechanics,日本人把它翻译成量子力学，我们玩的是拿来主义。
汉字的起源手抄报什么是量子呢？可以说一个事物的最小构成单元就是quantum，它具有完整性、不可分辨性。比如，鱼群的quantum就是一条一条的鱼。将来我们会知道，抽象的事物，比如物理的作用量, action，它的量子是普朗克常数h. 谈论量子世界要关注两个词， atom和integer, 不要把它们简单地按照英汉字典理解成“原子”和“整数”，不，它们的正确意思应该按照字面理解，是拉丁语的不可分和不相连。我们的手指头、脚指头就分立的、不相连的，对它们计数用的就是integer，1, 2, 3, 4……这些不相连的数。基于这样的分立对象的就是digital，我们说我们处于数字时代 (digital times) ，但digital 来自digitus这个词, 它就是手指头、脚
趾头的意思。Atom 和integer就体现了量子的精神，这种精神在日常生活中就有应用。春秋时期，齐景公麾下有三个猛士公孙接、田开疆、古冶子，因居功自傲得罪了相国晏婴 (“晏子过而趋，三子者不起”)，结果 “一朝被谗言，二桃杀三士。”为什么二桃能杀三士呢？因为桃在被“计功而食”的语境中就有了不可分的特性 (atomicity) ，两个桃子三个人分，只好争抢。三个猛士因争抢引起了羞辱感，结果全自杀身亡，这完全是着了人家的量子计谋。另一例子是，人民解放军有一位中将皮定均将军，他规定 “吃鸡蛋必须以煮鸡蛋的形式发到士兵手里，不许做成鸡蛋汤、炒鸡蛋。” 煮鸡蛋体现的是一个一个鸡蛋的分立存在，忽略鸡蛋大小的差别，则吃到了就是吃到了，不含糊。与之相对，炒鸡蛋、鸡蛋汤语境下的鸡蛋是搅合到一起的，鸡蛋失去了其量子特征，则就有了很大的含糊的余地：“二斤鸡蛋炒两个辣椒和二斤辣椒炒两个鸡蛋，都是辣椒炒鸡蛋。”量子是存在的最小单元，对于群体由少数几个单元组成的体系，我们谈论它的问题时要抱着一种谨慎的态度，因为这里要用到不同的处理问题的方式或者哲学。比如2018年 GDP是93万亿元，表示成人民币的量子就是9300万亿分，是16位数。我们说增长率是6.6%，这个数值纯从数学的角度来看是合理的；其实就是说是6.612724568932% 也行。但是，我们说某单位工资比去年涨了6.61% 就可能不是很科学，因为可能就是分几档涨的，涨工资更多的是关系到个人的事情，
含糊的、近似的6.61% 的说法数学上没大毛病但也不科学。而若是提到谁家的人口增长，比如老王家的人口增长6.6%, 虽然只到小数点后一位，也显得不是人话。这种情形，说清楚老王家到底几口人添了几个孩子才恰当。大家这时应该感觉到了吧，量子的概念不是多么邪乎的存在，它存在于我们的日常生活中。
图2. 二桃杀三士，选自《南阳汉画像石精萃》 那么quantum mechanics中的mechanics 是什么意思？mechanic是机械，弓箭、抛石机是人类最早的机械，机械手表是机械制造的巅峰。Mechanics, mechanism，说的是机巧、道理、机制，how it goes，类似汉语的“道”。早先人们用机械观来理解遇到的各种物理现象，故有热的机械观 (The mechanics of heat)轰轰烈烈的爱情，电的机械观(The mechanics of electricity)，原子的机械观(The mechanics of atom)。Mechanics 被译为力学是错译，英语里的力学是theory of force，德语为die Kraftslehre，但是力的概念在1894年已经被赫兹踢出了物理学，后来的物理学基本不拿力
来说事情。Quantum Mechanics (量子力学)，字面上大约可以理解为关于小物理量世界的道。
量子力学是1900-1928年间一伙儿天才的头脑风暴的产物，他们几乎都出现在这张照片里。这张1927年第五次索尔维会议的合影据说是人类有史以来智商和最高的合影，没有之一。这些天才们之所以能有这样伟大的成就，只不过是因为确实是天才；确实早学了数学与物理；恰巧在那个时空点上。1927年的第五次索尔维会议，其主题是电子与光子。那一年，光子一词刚在前一年被创造出来。电子与光，就是量子力学，当然也是相对论，关切的对象和思想来源。我个人认为“光是人类同远方的唯一联系，是第一物理对象和工具！” 关于光的性质，人们下意识中都能体会到。
关于光，电影《地道战》的一段唱词特别好。“太阳出来照格林童话英文 (射线、几何光学) 星星纸的3种叠法四方，毛主席的思想闪金 (光的颜色、光谱学) 光，太阳照得人身暖 (热效应) 哎，毛主席思想的光辉照得咱心里亮 (光是信息载体) ，照得咱心里亮。” 短短四句，把光的性质说全了。而电子呢， 也叫阴极射线、β粒子，是1859-1909年间被以不同面目发现、被用多种方式研究的，它对物质的诸多电性质负责。注意，它的发现始终是和光联系在一起的。
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