神秘的量子力学,量子生物力学

量子力学已经诞生一百多年了，但不少人对物理学的认知仍旧停留在经典物理学，认为宇宙万物都是可以准确描述的，都是确定的，任何运动都有可以用一定的规律来描述。

一百多年前的物理学家们也是这样认为的，直到他们遇到了物理学天空飘着的那朵“乌云”。

正式开始之前，先来看一个著名的悖论：芝诺悖论，相信很多人都听说过。

假设你和乌龟赛跑，你的速度是乌龟的10倍，但是你在乌龟后面，而乌龟在你前方100米的地方开始赛跑。

​​

由于你的速度是乌龟的10倍，当你跑100米的时候（也就是乌龟的出发点），乌龟跑了10米。而当你跑10米的时候，乌龟跑了1米。当你跑1米的时候，乌龟跑了0.1米......

也就是说，你跑的距离永远在乌龟之前所到达的地方，乌龟永远领先你，哪怕是一点点。

但现实情况呢？我们都知道那不可能发现，你很快就会追上乌龟然后完成超越。

不知道你有没有发现，芝诺悖论要想成立，有一个重要前提条件：时间和空间必须是连续的，这意味着能量传递也必须是连续的。

什么叫连续？打个比方，一天当中总是早上温度低，中午温度高。当温度上升时，会一点点升高，比如说1度升到2度，而不会从1度以下升高到20度。

这种连续性是经典物理学的基础，微积分也是在这个基础上创建的，更关键的是，连续性符合我们日常生活的认知。

但是量子力学的出现（从黑体辐射开始）打破了这种连续性。黑体辐射最开始是普朗克发现的，他提出了普朗克黑体辐射公式。

何为黑体辐射？通俗地讲，就是能量的传递是不连续的，而是一份一份的，存在着最小的能量传递单元，它就是“能量子”，简称“量子”，能量的传递必须是量子的整数倍，不能以半个量子的能量进行传递。

用量子的这种不连续性解释芝诺悖论就很简单的，因为能量是不连续的，时间和空间也不连续，时间和空间不可能被无限分割，所谓的悖论自然就消失了。

量子概念的提出，彻底改变了整个物理学界，一场风暴悄然酝酿。

从对原子结构的认知开始，人们了解到了电子诡异的运动形式。

一开始卢瑟福提出了自己的原子模型，认为电子在原子核外面，围绕着原子核做圆周运动，就像地球围绕太阳运动那样。

单子换个模型有一个致命缺陷。由于原子核带正电，电子带负电，按照麦克斯韦电磁理论的诠释，运动过程中会发射电磁辐射，电子会慢慢失去能量，最后坠落到原子核上。

根据计算，整个坠落过程甚至不到秒钟，显然这与实际不相符。

而量子力学的出现，很好地解释了上述问题。

由于能量的传递是不连续的，必须是量子的整数倍，这就意味着，电子释放能量时必须是某个定量，而不是随意​的​，电子必须在某个固定的轨道上运行。

当电子位于距离原子核最近的轨道上时，能量是最低的，也是最稳定的（被称为基态）。当电子吸收特定的能量后，就会跃迁到更远的轨道，处于激发态。电子总是在基态和激发态之间来回跃迁，随机地出现在不同的轨道上，表现出电子云的特征。这种过程就被称为“电子跃迁”。

随着量子力学的不断发展，物理学家德布罗意提出了“物质波”概念，认为“万物皆波”，还有他的波动方程：λ＝h/p，公式中，λ是波长，p是普朗克常数，p是物体的动量。公式中能够看出，物质的由于h是固定的常数，意味着p越大，波长λ就越小。

这个公式还表明，万物皆有粒子性和波动性，你我都有一定的波长，只不过波长实在太小了，以至于根本表现不出波的特性，最终只会表现出粒子特定。

当然量子世界里还有更诡异的现象，比如说量子隧穿，量子纠缠等，后面我会一一讲到！

诡异的量子世界，你我都是波？让你抓狂的量子力学

量子力学已经诞生一百多年了，但不少人对物理学的认知仍旧停留在经典物理学，认为宇宙万物都是可以准确描述的，都是确定的，任何运动都有可以用一定的规律来描述。

一百多年前的物理学家们也是这样认为的，直到他们遇到了物理学天空飘着的那朵“乌云”。

正式开始之前，先来看一个著名的悖论：芝诺悖论，相信很多人都听说过。

假设你和乌龟赛跑，你的速度是乌龟的10倍，但是你在乌龟后面，而乌龟在你前方100米的地方开始赛跑。
由于你的速度是乌龟的10倍，当你跑100米的时候（也就是乌龟的出发点），乌龟跑了10米。而当你跑10米的时候，乌龟跑了1米。当你跑1米的时候，乌龟跑了0.1米......

也就是说，你跑的距离永远在乌龟之前所到达的地方，乌龟永远领先你，哪怕是一点点。

但现实情况呢？我们都知道那不可能发现，你很快就会追上乌龟然后完成超越。

不知道你有没有发现，芝诺悖论要想成立，有一个重要前提条件：时间和空间必须是连续的，这意味着能量传递也必须是连续的。

什么叫连续？打个比方，一天当中总是早上温度低，中午温度高。当温度上升时，会一点点升高，比如说1度升到2度，而不会从1度以下升高到20度。

这种连续性是经典物理学的基础，微积分也是在这个基础上创建的，更关键的是，连续性符合我们日常生活的认知。

但是量子力学的出现（从黑体辐射开始）打破了这种连续性。黑体辐射最开始是普朗克发现的，他提出了普朗克黑体辐射公式。

何为黑体辐射？通俗地讲，就是能量的传递是不连续的，而是一份一份的，存在着最小的能量传递单元，它就是“能量子”，简称“量子”，能量的传递必须是量子的整数倍，不能以半个量子的能量进行传递。

用量子的这种不连续性解释芝诺悖论就很简单的，因为能量是不连续的，时间和空间也不连续，时间和空间不可能被无限分割，所谓的悖论自然就消失了。

量子概念的提出，彻底改变了整个物理学界，一场风暴悄然酝酿。

从对原子结构的认知开始，人们了解到了电子诡异的运动形式。

一开始卢瑟福提出了自己的原子模型，认为电子在原子核外面，围绕着原子核做圆周运动，就像地球围绕太阳运动那样。

单子换个模型有一个致命缺陷。由于原子核带正电，电子带负电，按照麦克斯韦电磁理论的诠释，运动过程中会发射电磁辐射，电子会慢慢失去能量，最后坠落到原子核上。

根据计算，整个坠落过程甚至不到秒钟，显然这与实际不相符。

而量子力学的出现，很好地解释了上述问题。

由于能量的传递是不连续的，必须是量子的整数倍，这就意味着，电子释放能量时必须是某个定量，而不是随意 的 ，电子必须在某个固定的轨道上运行。

当电子位于距离原子核最近的轨道上时，能量是最低的，也是最稳定的（被称为基态）。当电子吸收特定的能量后，就会跃迁到更远的轨道，处于激发态。电子总是在基态和激发态之间来回跃迁，随机地出现在不同的轨道上，表现出电子云的特征。这种过程就被称为“电子跃迁”。

随着量子力学的不断发展，物理学家德布罗意提出了“物质波”概念，认为“万物皆波”，还有他的波动方程：λ h/p，公式中，λ是波长，p是普朗克常数，p是物体的动量。公式中能够看出，物质的由于h是固定的常数，意味着p越大，波长λ就越小。

这个公式还表明，万物皆有粒子性和波动性，你我都有一定的波长，只不过波长实在太小了，以至于根本表现不出波的特性，最终只会表现出粒子特定。

当然量子世界里还有更诡异的现象，比如说量子隧穿，量子纠缠等，后面我会一一讲到！

诡异的量子力学，难道我们生活的真实世界毫无意义？

了解量子力学的人应该都明白，在量子世界里，一切都可能发生，而且一切都必然会发生。那里的一些都是不确定的，都只能用概率去描述，所谓的“波函数”，那里就是一个“波”的世界。

为什么说在量子世界里，一切都必然会发生呢？

这涉及平行宇宙的理论。量子世界的诡异性，让科学家们提出了平行宇宙的假说，按照这个假说，所有的一切可能性都会发生，而且必然会发生。

如何理解上面这段话呢？

举个简单的例子。现实生活中你每时每刻都在做“选择题”：早上闹钟响了，你面临着选择：起床或者不起床，吃早饭时，你仍旧面临着选择：吃鸡蛋还是吃面包呢？

出门上班时，你还会面临着选择：坐公交，坐地铁，开私家车，或者骑自行车呢？在十字路口，你仍旧会面临选择：向左拐，向右拐，还是直行呢？

按照平行宇宙理论，你的每一次选择都会分裂出一个宇宙。在我们的宇宙里，你做出了一个选择，但其他选择项仍旧会在平行宇宙里上演。

比如说，你在十字路口向右拐了，那么在平行宇宙里你可能选择向左拐。于是你们拥有了完全不同的人生。在现实世界你可能穷困潦倒，但在平行宇宙里你早已经是亿万富翁。

爱因斯坦并不认同量子力学的不确定性和平行宇宙理论，他认为宇宙间的一切都是可描述的，可预测的，所谓的“不确定性”只是人们还没有发现隐藏起来的某种“隐变量”而已。

但以波尔为首的“哥本哈根学派”坚持认为量子世界的不确定性是固有的，是内在秉性。量子世界是不可预测的，完全随机的。当我们不进行观测时，微观粒子可以处于任何运动状态，可能在任何位置出现，甚至可能同时出现在两个不同的地方。

爱因斯坦极力反驳波尔的这种观点，他用宏观世界的例子加以反驳：不看月亮时，难道月亮就不存在吗？就不在那里吗？

而波尔的回答是：不看月亮，你怎么知道月亮就在那里呢？

在爱因斯坦眼里，不管我们有没有看月亮，它就在那里。但在波尔眼里，只有我们看了月亮，它才在那里。显然，波尔的观点并不符合我们的日常认知。

但越来越多的研究表明，如果是在量子世界，月亮的存在与否的确与我们的观测息息相关。这也是为什么量子世界中的不确定性越来越多地被主流科学所接受。

还有更诡异的量子纠缠现象，两个或多个处于纠缠状态的粒子可以瞬间“感应”到彼此的存在，被爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”。

除了量子纠缠还有所谓的“退相干”。何为“退相干”？通俗来讲就是诡异的量子力学不仅仅会显现在量子世界，也会体现在宏观世界，不是因为没有相干性，而是因为没有体现出相干性，我们很难感觉出来罢了。

如果诡异的量子力学在宏观世界里也存在，是否意味着宏观世界的不确定性让现实世界变得毫无意义了呢？

非也，正因为量子力学与你我无关，是大自然的固有的运行规律，更加凸显出了我们努力的重要性。

就像刚开始所说的平行宇宙假说，生活中我们时刻面临着各种选择，但我们可以通过自己的努力做出最好或者更好的选择。