曹天元：量子物理的故事與魔法

職場 08-05

每周一位嘉賓

口述一段關於物件的故事

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合作公號| 惟物論

本期嘉賓 / 曹天元

曹天元，科普作家，畢業於復旦大學和香港大學，從事通信工程前沿領域，涉及量子物理科學，對該領域有所鑽研。代表作《上帝會擲骰子嗎？》被稱為中國的《時間簡史》，曾獲國家圖書館文津圖書獎等多個獎項。

Part.1

為什麼我會對科學特別感興趣呢？其實我這個人的興趣愛好特別廣泛。我是研究歷史的，特別是對明清史多有涉獵。另外我還是做金融行業的，但是我始終保持對科學異乎尋常而又非常極致的興趣。這是為什麼呢？我覺得這是源於我小時候初中的一次郊遊。

因為我出生在上海，所以晚上雖然你能看到天上有幾個星星，但是也不多而且很暗淡。那次我們郊遊就去往郊區的農村，其實晚上住在外面也沒事幹，我們的地理老師就很好心，他帶了一個天文望遠鏡過去。今天看來，那也不是個很高級的望遠鏡，但是至少是比較專業一點的望遠鏡。他把望遠鏡架好借給我們看，我們四五個小朋友就輪流去看。

從天文望遠鏡里看到的月亮

那看什麼呢？其實就是看月亮。我好像是排在第三個或是第四個，其他人看了以後就特別激動，其中一個說：「哇！這是什麼東西？」我還以為他看見了外星人，但是並沒有，其實就是看月亮。看到他的反應，我就迫不及待在後面等。輪到我的時候我就去看。當時我的感受真是很難去描繪。你每天都看到月亮，但是你從來沒有看到過那樣的月亮。第一次從望遠鏡去看月亮，你會看到月亮充滿了你的整個視野，各種的環形山你看得非常清楚，你第一次看到月亮原來是長這個樣子的。

很多宗教也會提到人第一次有了一種宗教體驗。什麼是宗教體驗？也就是他第一次感到了一種神秘感，或者說感到了一種震撼自己內心的東西。那麼對我來說我的第一次所謂的「宗教體驗」是宇宙本身帶給我的。所以從此以後我就對科學產生了更多的興趣，我去看更多的科學方面的書，了解更多關於自然、宇宙、物理、生物和化學各種方面的知識。我在那一刻真的是產生了這樣的感覺，就是我第一次覺得我是一個對宇宙產生了好奇的人。

我第一次對宇宙產生了好奇

當然生活有很多現實的東西。對吧？我們也希望過得好，我們希望掙錢，我們希望能夠獲得名利。但是你發現真的在你的內心深處對宇宙會有一種永不磨滅的熱情。你還是很想知道這個宇宙的秘密是什麼。所以我覺得純粹的科學家他是從來不想這個東西有什麼用的。今天我們經常聽到有人說為什麼要研究這個？為什麼要我們要去月球上？為什麼我們去研究宇宙？其實真正的科學家他不管，他覺得這是我基本的好奇心。

據說有一次美國國防部可能是問費米實驗室，他們說：「為什麼我們要花錢做這個東西？它對保衛我們的國家有什麼好處？」實驗室的主任就說：「花這個錢對保衛國家沒有任何好處。但是造了加速器以後，我們這個國家就更加值得保衛了。」所以，科學是我們人類最基本的好奇心所在，我們之所以成為人類，就是靠這個。

位於美國伊利諾斯州的國立加速器實驗室成立於1967年，

1974年為紀念美國物理學家恩里科·費米而更名為

「費米國立加速器實驗室」

後來到高中分文理科，肯定我是學理科，我是選的物理。我考大學時考的是生物系，在生命科學院。那時候都說生命科學是21世紀最重要的一個科學的未來，所以就考了這個學科。但是後來我就出國了，出國以後我其實就轉向研究量子通信方面的前沿科學，再後來就看了很多這些方面的書，包括專業的書和科普的書以及各種科學家的傳記。

那麼，看得越多我就覺得量子論或者量子物理是這個世界上最不可思議的一門科學。它其實跟你的日常經驗和直覺是完全違背的。量子論其實很簡單，一開始研究的是一個非常細小的層面。我們知道從宇宙層面我們是用相對論去研究銀河、黑洞，那是很大的層面。但是量子論開始研究非常細小層面，比如電子、原子、原子核，看這些細小的層面上的粒子遵循什麼樣的規律。科學就發現它遵循的是和我們日常生活的尺度完全不一樣的規律。我們日常生活的尺度我們覺得事情是確定的，我只可能坐在這裡，我不可能同時坐在這裡，又同時坐在那裡。但是在量子的微小的尺度上這件事情是可以的，而且是非常普遍的。

微觀粒子遵循著和我們日常生活的尺度完全不一樣的規律

一個電子我們經常說它在這裡，同時又在那裡，也就是說同時在兩個地方。它是一個疊加。在微小如量子的這樣尺度上，這個神奇的事情確實天天都在發生。而且科學還告訴我們，其實我們所感知到的這個世界才是不合理的，才是奇怪的。所以，我覺得這是一個日常經驗帶給我們的一個誤區，就是宇宙它在不同尺度上有不同的規律，它最本質的規律其實不是我們的常識所感受的那樣，只有從數學從科學的角度才能給我描述這個宇宙真正的一個真相。

Part.2

我可以說，其實量子論本身的發展過程是一波三折的。這不是說它的理論，而是它的故事是一波三折的。大家都知道愛因斯坦是世界上最偉大的物理學家，但是愛因斯坦反對量子論。所以就有一幫量子派的物理學家去反駁他，而且最終還取得了勝利。這個故事本身在物理學的歷史上也是非常激動人心的。

大家原來都覺得科學家千篇一律，都是很嚴肅，很古板的。但我突然發現其實科學家跟我們日常生活中的普通人是一樣的，每個科學家都有不同的性格，科學家也不都是兢兢業業為了科學奉獻終生的。也有品德上不好的科學家，也有剽竊別人的科學家，甚至追隨納粹的科學家都有。科學家也是普通人，科學的世界也是一個江湖的世界。科學家也有他的功利性，他也想宣傳自己某些方面的成就。

科學家中也有品德不好的，

比如Rick and Morty中的Rick

科學史上有很多爭論，兩個科學家爭功，都說這是我先發現的。那怎麼證明呢？其實說不清楚的時候，有些人就編一個故事，比方說瓦特的水壺，大家都以為是瓦特小時候看到水蒸氣推動壺蓋，他後來就發明了蒸汽機，教科書上都是這麼告訴你的。其實第一點瓦特沒有發明蒸汽機，在瓦特誕生之前很久就有蒸汽機了。在古羅馬時代就有蒸汽機了，只不過非常原始。瓦特改良了蒸汽機，讓蒸汽機的效率在一定程度上可以推動工業革命。

茶壺的故事是怎麼出來的呢？其實那是瓦特死了以後，因為有人給瓦特寫傳記，就去採訪瓦特的兒子，他就說，瓦特的姨媽告訴我，我爸爸小時候看茶壺燒水的時候是怎麼樣的。但是他的用意不是告訴你瓦特發明了蒸汽機，其實他有另外的用意。瓦特其實不願意提自己改善了蒸汽機，因為你知道改善蒸汽機是一個什麼工作，它不是一個科學家的工作，它是一個工程師的工作。

19世紀的一幅描繪「瓦特的水壺」的繪畫作品

這是一個科學跟技術的區別，一個是科學家，一個是工程師。就是說科學家是發現理論，工程師在這理論基礎上造出一個實用的東西。但當時是有這樣的鄙視鏈的，就是覺得科學家最高大上，工程師就不那麼高大上，所以人人都想當科學家，不想當工程師。因而瓦特從來不說自己改善了蒸汽機，他願意說我是個科學家。

那麼瓦特有什麼科學發現呢？瓦特他認為他發現了水的結構，兩個氫原子加一個氧原子，瓦特認為這是他發現的。但是英國人說不是，這是卡文迪許先發現的，而法國人說不對，這是拉瓦錫發現的。所以當時有幾個人在爭這個發現者到底是誰。瓦特一直說是他發現的，後來他死了以後他的兒子就跟傳記作者說，你知道我父親小時候就看這個水壺在燒水，他看著水蒸氣推動壺蓋，就這樣瓦特就發現了水的powers,就是水的力量。意思是說他發現了水有力量，蒸汽可以做功。

為了紀念詹姆斯·瓦特，

功率的國際標準單位以瓦特命名

他兒子後來把這個力量這兩個字劃掉了，改成了性質property這兩個字。他的兒子想告訴你什麼？他想告訴你的意思是瓦特小時候很聰明，他看到了水壺燒水，所以他就開動腦筋，他想這水是由什麼性質構成的，所以他長大以後就發現了，原來水是由兩個氫原子加一個氧原子構成的。

後來因為瓦特打輸了這個官司，大家覺得好像瓦特不是第一個發現水的結構的人，還是卡文迪許是第一個。那麼瓦特的這個故事就沒人知道了。但是大家越來越知道瓦特改良蒸汽機很重要，推動了工業革命。所以後來又看到他在傳記上說瓦特小時候還看到水壺燒水的事，大家就把水壺燒水跟蒸汽機聯繫在一起。其實這並不是原來的意思，他會錯意了，他原來想告訴你的是瓦特發現了水的結構。

所以，你看這些科學史上的小故事，其實背後都有很多你不知道的背景。包括牛頓的蘋果其實都有很多小心思在裡面，我們每一個耳熟能詳的科學小寓言，後面基本上都有你不知道的東西。

Part.3

相對論是愛因斯坦一個人創立的，而量子論是由一大批科學家創立的。最早提出量子概念的人叫普朗克，後面又有一大堆像玻爾、海森堡、薛定諤等等。那批人被我們叫做黃金時代的科學家。我們說20世紀的前半葉是物理史上最後的一個黃金時代，那是物理學大發展的時代。那麼這一批黃金時代的科學家背後的故事都非常非常的豐富多彩，都是很有傳奇性的人物。

1927年第五次索爾維會議上一張著名的合影，

照片上有愛因斯坦、普朗克、薛定諤、海森堡等著名科學家

創立量子論的兩大科學家，一個是海森堡，一個是薛定諤。海森堡這個人他是第一個真正創立了現代量子力學框架的人，海森堡這個人就很有爭議，也很有傳奇性。他是一個正邪難分的人。因為他在二戰的時候是為希特勒服務的。當時大家不是都在造原子彈嘛。美國在造原子彈，德國也造原子彈。德國當時的科技應該說是領先世界的。在希特勒上台之前，當時世界的科技中心在德國。那麼德國當時造原子彈，就是由海森堡領頭，他帶了一批人去造原子彈，但是最後我們知道德國沒有造出原子彈。

他們為什麼沒有造出原子彈？因為海森堡當年跟希特勒說，以德國現在的工業力量，造不出原子彈。為什麼？因為造出原子彈要分離鈾，分離鈾要花非常大的工業力量。要發電，還要花錢。他說要分離很多鈾，以我們的國家力量，我們造不出來。後來到了戰後，大家就問，說希特勒的納粹德國為什麼沒有造出原子彈？是你們科學家的理論不行還是說你們知道怎麼造，但是沒有力量造？區別在於，一個是連知道怎麼造都不知道，這是你們的知識不行。另一個是你知識行，但是你的實際力量造不出來。

德國物理學家維爾納·海森堡

海森堡就說，不是我們知識不行，我肯定是最牛的，我肯定是完全清楚怎麼造的，知道要用多少的鈾才能造原子彈。但是就是因為我們的力量不行，而且他說是我親自騙了希特勒，我騙他說造不出來。因為我品德很好，我知道造出原子彈對人類有很大的危害，所以出於對人類的責任心，我騙了希特勒，我騙他說造不出來，其實我知道應該可以造出來。

但是有人不相信海森堡的話。因為德國戰敗的時候，海森堡和一批造原子彈的科學家都被抓起來了，被關在英國的一個房子裡面。他們當時不知道這個房子裡面全是竊聽器，然後他們就聽到廣島原子彈爆炸的時候就開始討論。一開始他們非常驚訝，他們驚訝美國居然能夠造出原子彈。

德國科學家當時被扣押在英國戈德曼徹斯特的Farm Hall

他們說美國居然可以分裂出來這麼多的鈾。他們不知道美國花了多少錢，搜集了多少鈾，造了多少機器，發了多少電才造得出來。他覺得這是不可能的事情。一開始他們想不通為什麼美國可以造出來原子彈。後來他們說海森堡你算錯了。當時不是你知道應該怎麼造，你把需要的鈾的數據算得太多了。這是你的問題，不是德國的問題。海森堡不承認，他後來就說：「我算的是對的，但是我騙希特勒。」

這段歷史有很多人研究，包括聽他們竊聽的錄音，包括分析他當時的演算法。現在很多人認為就是海森堡算錯了。他還特地跑到丹麥，找他的老師玻爾。玻爾也是量子理論的一個泰斗，他去找玻爾幹什麼？海森堡他自己說是想問問，有沒有可能德國跟英國、美國之間達成某種協議。比如我們講好，打仗就打仗，我們就用常規武器打仗，大家都不要研究原子彈。原子彈這東西研究出來兩敗俱傷，全人類都毀滅了，沒有好處。我知道我們在研究原子彈，我也知道你們也要研究原子彈，但是我們兩個可不可以協商一下，大家都不要研究，我們就這樣打仗。他是這樣說的，但玻爾的說法就不一樣。玻爾說海森堡找他來就是想探聽機密，去問問盟國有沒有在造原子彈。

海森堡與他的老師玻爾

所以這個事情到底真相是什麼？也就成了著名的海森堡之謎。但是現在大家就相信海森堡肯定沒有那麼高尚的品格。他肯定也是想去跟玻爾探聽一些事。包括玻爾自己的回憶錄，後來也披露了。這些公案，包括這些量子論歷史上的人物，都有人性上的這樣一個衝突。

我們一提到科學家都覺得他們是道德完美的人物。不愛名，不愛利，專門為了人類的科學事業獻身。其實，每個人都有自己的政治想法，有自己的做人的風格，他有自己的黑點和黑歷史，他也有光輝的一面，無私高尚的一面。所以每個人的人性都非常複雜。我們都知道「薛定諤的貓」，其實薛定諤的私生活就簡直是不用提了，他有好多好多情人，女朋友多得數不過來。他是公開和兩個女人同時生活的，所以很多大學都不要他，說這個人生活作風方面不太好。但是薛定諤也是很偉大的，「薛定諤的貓」這個思想實驗大家都知道。

作為知名的思想實驗，

「薛定諤的貓」已經進入流行文化領域

（美劇《生活大爆炸》劇照）

所以每個人其實都是一個很有特色的故事，也就造成了量子理論發展的這段歷史非常精彩。它不光是科學，也是人和人之間的衝突，人和人之間的碰撞。這就是為什麼這段歷史故事這麼好看的原因。

我們為什麼要做科普？科普的意思不是說通過這本科普書就讓你學會了量子物理，這是不可能的事情。你看了一本書肯定連最簡單的一個方程式也不會解。我們寫科學故事的目的就是想讓大家都覺得科學並不是枯燥的東西，科學其實是一個非常非常好玩的東西，是讓你覺得非常有趣的東西。它同時也是可以給你造成非常深刻的個人體驗和衝擊的一個東西。