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有什么比量子力学更奇怪的吗？这个物理框架导致了许多奇异的现象——理论上的猫同时处于死亡和活着的状态，相隔数千米的粒子仍然可以瞬间通信，以及优柔寡断的光子以某种方式同时朝两个方向移动。
但它也促成了现代生活成为可能的科技进步。没有量子力学，就不会有晶体管，因此也不会有个人电脑；没有激光，因此也不会有蓝光播放器。詹姆斯·卡卡利奥斯是明尼苏达大学的物理学教授，他希望人们了解量子力学对我们日常生活的影响有多大——但要做到这一点，人们必须首先了解量子力学。
卡卡利奥斯在《量子力学的奇妙故事》（Gotham Books，2010）中着手处理这两项任务，这是一本关于科学中最复杂主题之一的易于理解、大部分不含数学的著作。为了保持生动性，作者穿插了来自巴克·罗杰斯的故事和其他经典科幻故事的插图和类比。我们与卡卡利奥斯谈论了他的新书、量子力学使哪些成为可能，以及早期科幻对未来的设想与我们所知的现在相比如何。
[以下是采访的编辑稿。]
这本书的目的是揭示人们觉得如此神秘的量子力学世界，并指出它无处不在吗？
没错。事实上，引言名为“量子物理学？你正沉浸其中！”
有很多关于量子力学的历史和哲学基础的优秀书籍。但似乎没有多少书谈论量子力学有多么有用。是的，这门科学有奇怪的想法，而且可能令人困惑。但量子力学最令人惊奇的事情之一是，即使你对它感到困惑，你也可以正确和富有成效地使用它。
我在引言中提出了我所谓的量子力学的“劳动人民的观点”，并展示了如果你凭信仰接受三个奇怪的想法——即光子是光；物质的运动具有与之相关的波长性质；以及一切事物，光和物质，都具有只能具有离散值的固有角动量或自旋——事实证明，你可以看到激光是如何工作的。你可以看到晶体管或你的计算机硬盘或磁共振成像的工作原理——我们认为理所当然的、几乎定义我们生活的一系列技术。
在晶体管之前就有了计算机；它们使用真空管作为逻辑元件。要制造更强大的计算机，意味着你必须有更多的真空管。它们很大，产生大量热量，而且很脆弱。你必须使房间和计算机都非常大。因此，如果你使用真空管，只有政府和少数大型公司才会拥有最强大的计算机。你不会在全国拥有数百万台计算机。没有理由将它们全部连接到互联网，也不会有万维网。
它美丽之处在于，开发此技术的科学家并非试图制造手机；他们并非试图发明 CD 播放器。如果你在 1926 年去见薛定谔并说：“好方程式，埃尔温。它有什么用？”他不会说：“好吧，如果你想以紧凑的数字格式存储音乐...”
但是，如果没有对原子如何表现、它们如何相互作用以及它们如何与光相互作用的基于好奇心的理解，我们所生活的世界将截然不同。
那么，举一个例子，量子力学如何使激光成为可能？
量子力学最基本的后果之一是，所有物质的运动都伴随着一个波，包括原子中的电子。薛定谔提出了一个方程式，该方程式说：“你告诉我作用在电子上的力，我可以告诉你它的波在空间和时间中的任何位置在做什么。”马克斯·玻恩说，通过操纵薛定谔开发的这个波函数，你可以知道在空间和时间中的任何位置找到电子的概率。由此可知，电子在原子内部只能具有某些离散的能量。这是通过实验发现的；这是原子展示的著名线光谱的来源，也是氖灯是红色而钠街灯有黄色调的原因。它与它们各自元素的线光谱有关。
但是，要真正理解这些离散能量的来源——电子和原子只能具有某些能量而不能具有其他能量——是量子力学最令人惊奇的事情之一。这就像你在赛道上开车，而你只被允许以 10 英里的倍数行驶。当你将它带到一起许多原子时，所有这些能量都会扩展成一个可能的能量带。
我使用的类比是，你有一个礼堂，下面有一个管弦乐队，上面有一个阳台。这意味着要从管弦乐队到阳台，你必须吸收一些能量才能从管弦乐队提升到阳台。现在，如果管弦乐队的每个座位都坐满了，而你想从一个座位移动到另一个座位，那么除非你吸收一些能量并被提升到阳台上，否则你哪里也去不了，那里有空位，你可以四处走动。激光中发生的事情是，在阳台正下方有一个小夹层。你会升到阳台上，然后你会落下并坐在夹层中。最终，随着夹层被填满，在管弦乐队中会有很多空位，你就是从那里来的。
一个人被推出夹层，并且由于他们相互交谈的方式，他们同时去了。当他们从夹层跌回管弦乐队时，他们会以光的形式释放能量。由于它们都来自夹层的同一排座位，因此所有光都具有完全相同的颜色。由于它们同时去了，因此它们都相干地同相。并且，如果夹层中有很多它们，则可以拥有非常高强度的单色光束。这就是激光。
正如薛定谔无法知道他的方程式会被用来做什么一样，激光也是如此，现在激光使我们能够拥有 CD 和 DVD 以及许多其他东西。
晶体管也是如此。它最初是为放大无线电信号而开发的，并且你有了取代正在使用的真空管的晶体管收音机。现在它们也被用作逻辑元件，1 和 0。如果你将电压施加到晶体管上，你基本上可以打开或关闭一个门，允许电子流过，或者使电子很难流动。因此，你有两种不同的电流状态，高和低，你可以将其称为 1 或 0。你可以巧妙地将它们组合在一起，使用 1 和 0 执行逻辑运算。你可以编码信息。你可以开发一种 1 和 0 的语言，并以这种方式操作它们。
再说一次，我认为这不是开发晶体管的人们的最初想法。看看它带来了什么。当你想到我们仅用于医疗应用的所有计算机和电子设备时，一个标准医院中的晶体管可能比银河系中的恒星还要多。因此，它确实以非常深刻的方式改变了生活。
真正的科学界的超级英雄是少数知道他们在改变物理学的人，但我不认为他们认识到他们也在改变未来。
你保持这本书生动易懂的方法之一是使用早期科幻小说中的轶事。那些预测的实现程度如何？
主要问题是他们认为能源将会发生一场革命，这将导致喷气背包、死亡射线和飞行汽车。但我们得到的是一场信息革命。当然，这个信息时代是由于半导体和固态物理学而出现的，而这些都是由量子力学促成的。
很多事情都追溯到晶体管和半导体。在你看来，这是量子力学允许我们取得的最大根本性飞跃吗？
甚至不止于此。通过辨别支配原子如何相互作用以及它们如何与光相互作用的基本规则，你现在也对化学有了基本的理解。元素周期表中原子的排列方式是有原因的，当你加上泡利不相容原理时，它自然会从薛定谔方程式中得出。对于世界为何如此，有一个非常深刻的理解。
你能想象生活在量子力学之前的世界吗？
我们认为所有这些事情都是理所当然的。这就像路易斯·C·K 的YouTube片段——一切都很棒，但没人开心。
“量子”经常被用作我们不理解的事物的标签，而且我们经常将许多现象归入“量子怪异”的模糊类别中。你希望看到这种情况消失吗？
我会。它被过多地用作包罗万象的东西。提出奇怪且违反直觉的想法来解释观察结果，发展这些想法的后果并进一步测试它们，然后，如果它们符合现实，则接受它们，这并不是量子力学所独有的。这就是我们所说的物理学。
此外，由于量子力学以其怪异性而闻名，它被过度用作与量子力学毫无关系的事物的理由。有一个说法叫“量子忽悠”，指的是人们将诸如积极思考的力量或让微笑成为你的保护伞之类的个人哲学，以某种方式附加到量子力学上，试图使其听起来科学。
并且从中赚取大量金钱。
是的。在我看来，这有点像用数学结理论或拓扑学来证明许愿时交叉手指的合理性。它具有大致相同的相关性和理由。