这是有史以来第一次，人类在科学实验中正式遭遇「灵异事件」。121年前的12月12日，马可尼收到横跨大西洋、人类史上第一个无线电信号的那一天。似乎什么都没有改变。包括马可尼自己，当时没有人能够想象，在接下来的一百

这是有史以来第一次，人类在科学实验中正式遭遇「灵异事件」。

121年前的12月12日，马可尼收到横跨大西洋、人类史上第一个无线电信号的那一天。

似乎什么都没有改变。

包括马可尼自己，当时没有人能够想象，在接下来的一百多，通信会把世界变成什么样子。

2016年8月16日，世界第一颗量子通信卫星「墨子号」从酒泉发射的那一天。

就像当年的马可尼一样，我们也无从想象，未来的量子计算与量子通信，终将带来一个怎样的魔法时代。

绝对安全的信息传输？

智商秒杀全人类的人工智能？

瞬移、穿越不再是科幻？

潘建伟教授的量子通信卫星上天了。

5年后，人人都会用无法破解的加密网络刷信用卡。你还觉得量子理论是象牙塔里的黑科技，和你的生活毫无关系？

让我们先从神秘的量子理论开始，解密量子通信。

这注定是一场不可思议的旅程。

如果你完全不懂量子力学，请放心大胆地往下看，我保证不用任何公式就能让你秒懂，连1+1=2的幼儿园数学基础都不需要。

如果你自以为懂量子力学，请放心大胆地往下看，我保证你看完会仰天长叹：什么是量子力学啊？

正如量子力学大师费曼所说：没有人懂量子力学。如果你觉得懂了，那肯定不是真懂。

在烧脑、反直觉和毁人三观方面，没有任何学科能够和量子力学相比。如果把理工男最爱的大学比作霍格沃兹魔法学校，那么唯一和量子力学专业相提并论的，只能是黑魔法。

然而，量子理论之所以如此神秘，并不是因为物理学家的故弄玄虚。其实，在量子理论刚诞生的摇篮时期，它只是一门人畜无害的学科，专门研究电子、光子小玩意儿。

而「量子」这个现在看来很厉害的名字，本意不过是指微观世界中「一份一份」的不连续能量。

这一切，都源于一次物理学的灵异事件。

百年战争

20世纪初，物理学家开始重点纠结一个纠结了上百年的问题：光，到底是波还是粒子？

粒派

所谓粒子，可以想象成一颗光滑的小球球。

每当你打开手电，无数光子就像出膛的炮弹一样，笔直地射向远方。

很多著名科学家（牛顿、爱因斯坦、普朗克）做了很多权威的实验，确凿无疑地证明了是一种粒子。

波派

所谓波，就像往河里扔块石头，产生的水波纹一样。

如果把光看作是一种，可以完美解释干涉、衍射、偏振等经典光学现象。

很多著名科学家（惠更斯、杨、麦克斯韦、赫兹）做了很多权威的实验，确凿无疑地证明了光是一种波，电磁波。

可问题是，波和粒子毕竟是两种截然不同的东西啊！

粒子可分成一个一个的最小单位，单个粒子不可再分；波是连续的能量分布，无所谓「一个波」或者「两个波」；

粒子是直线前进的，波却能同时向四面八方发射；

粒子可以静止在一个固定的位置上，波必须动态地在整个空间传播。

波与粒子之间，存在着不可调和的矛盾。

于是自古以来，塞伯坦星上的科学家就分成两派：波派和粒派，两派之间势均力敌的百年撕逼战争从未分出胜负。

很多人问我：科学家为什么要为这种事情势不两立，大家搁置争议、共同研究不就得了。

为了两个字：

信仰！

千面之神

且问你：《权力的游戏》中，信奉七神的维斯特洛人民，为何要与信奉旧神的关外野人拼个你死我活？

自古以来，人们为了信仰争端大开杀戒，早已不足为奇。

唯一的和谐社会可能是古希腊：他们的神多达百八十号，有管天上、有管地下，各路神仙各司其职，倒也井水不犯河水。

人称：希腊众神。

要命的是，科学家们信仰的神只有一个，而且是放之宇宙而皆准的全能大神。这位神祇的名字，叫真理。

大到宇宙的诞生，小到原子的运转，科学家们相信，这个世界的万事万物都是基于同一个规律，可以用同一个理论，甚至同一套方程解释一切。比如，让苹果掉下来把牛顿砸晕的是万有引力，让月亮悬在空中掉下来的也是万有引力。用同一个方程，既能算出地球的质量，也能让马斯克的猎鹰九号火箭上天，这就是科学的威力。

想要一个宇宙、两种规律？

对不起兄弟，别在科学界混了，您可以去跳个槽，比如竞选总统。

当然，科学家们没有谁敢自称是真理的代言人，就连牛顿谦虚起来都是这样的：「我只是一个在海滩上捡贝壳的孩子，而真理的大海，我还没有发现啊！」

就算是捡贝壳，捡多了，说不定拼到一起就能窥见真理之神的全貌呢！

整个科学史，就像一个集卡拼图的过程。做实验的科学家们每发现一个科学现象，搞理论的科学家们就绞尽脑汁推测它背后的运行规律。不同领域的大牛把各方面的知识、理论慢慢拼到一起，真理的图像就渐渐清晰。

在20世纪初，光学的知识储备和数学理论越来越完善。大家逐渐觉得，这一块的真相总算有希望拼出来了——结果却发现，波派和粒派的理论早已背道而驰，还各自越走越远。这就好比你集了一辈子卡片，自以为拼得差不多了。这时突然发现，你拼出的图案居然和别人是不一样的，而且差不是一点点！

是不是有种把对方连人带图都砸烂的冲动？

当时波派和粒派都坚信，自己手上的拼图，才是唯一正确的版本。

双方僵持不下直到1924年，终于有人大彻大悟：波or粒，为什么光不能两者都是呢？

也许在某些时候，粒子看起来就像是波；在另一些时候，波看起来就像是粒子。波粒如同阴阳一般相生相克，就像一枚硬币的正反两面（波粒二象性），只不过我们一直以来都在盲人摸象、各执一词。

真理确实只有一个，但是真理的表现形式，会不会存在着多个版本？

难道真理就是那个千面之神，用千变万化的面目欺骗了我们如此之久？

灵异的实验

究竟是波，是粒，还是波粒二象，大家决定，用一个简单的实验来做个了断：

双缝干涉实验

双缝，顾名思义，就是在一块隔板上开两条缝。

用一个发射光子的机枪对着双缝扫射，从缝中漏过去的光子，打在缝后面的，就会留下一个光斑。（等效于1961年电子双缝干涉实验）

在实验之前，科学家的推测如下：

第一种可能

如果光子是纯粒子，那么屏幕留下两道杠。

光子像机枪发射的子弹一样笔直地从缝中穿过，那么屏幕上留下的一定是2道杠，因为其他角度的光子都被板挡住了。

第二种可能

如果光子是纯波，那么屏幕上会留下斑马线般的一道道条纹。

光子穿过缝时，会形成2个波源。两道波各自震荡交汇（干涉），波峰与波峰之间强度叠加，波峰与波谷之间正反抵消，最终屏幕上会出现一道道复杂唯美的斑马线（干涉条纹）。

第三种可能

如果光子是波粒二象，那么屏幕图案应该是以上两种图形的杂交混合体。

总之，

两道杠=粒派胜；

斑马线=波派胜；

四不像=平局。

是波是粒还是二合一，看屏幕结果一目了然，无论实验结果如何，都在我们的预料之中。

第一次实验：把光子发射机对准双缝发射。

结果：标准的斑马线。

根据之前的分析，这证明光子是纯波。OK，实验结束，大家回家洗洗睡吧。

粒派不服：我明明知道光子是一个一个的粒子！

这样，我们再做一次实验，把光子一个一个地发射出去，看会怎么样，一定会变成两道杠的！

第二次实验：把光子机枪切换到点射模式，保证每次只发射一个光子。

结果：斑马线，竟然还是斑马线，怎么可能？我们明明是一、个、一、个把光子发射出去的啊！

最令人震惊的是，一开始光子数量较少时，屏幕上的光点看上去一片杂乱无章，随着积少成多，渐渐显出了斑马线条纹！

光子要真的是波，那粒派也不得不服。

问题是：根据波动理论，斑马线来源于双缝产生的两个波源之间的干涉叠加；而单个光子要么穿过左缝、要么穿过右缝，穿过一条缝的光子到底是在和谁发生干涉？

难道……光子在穿过双缝时分裂成了两个？一个光子分裂成左半光子和右半光子，自己的左手和右手发生了关系？事情好像越来越复杂了。干脆一不做二不休，我们倒要看看，光子究竟是怎样穿过缝的。

第三次实验：在屏幕前加装两个摄像头，一边一个左右排开。哪边的摄像头看到光子，就说明光子穿过了哪条缝。同样，还是点射模式发射光子。

结果：每次不是左边的摄像头看到一个光子，就是右边看到一个。一个就是一个，从来没有发现哪个光子分裂成半个的情况。

大家都松了一口气。光子确实是一个个粒子，然而在穿过双缝时，不知怎么就会变形成两道波同时穿过，形成干涉条纹。

虽然诡异了些，不过据说这就是波粒二象性了，具体细节以后再研究吧，这个实验做得人都要精分了。

然而，就在这时，真正诡异的事情发生了……

人们这才发现，屏幕上的图案，不知什么时候，悄悄变成了两道杠！

没用摄像头看，结果总是斑马线，光子是波；

用摄像头看了，结果就成了两道杠，光子变成了粒子。

实验结果取决于看没看摄像头？

这不科学啊，做物理实验竟然见鬼了啊！

一个貌似简单的小实验做到这份上，波和粒子什么的已经不重要了，重要的是现在全世界的科学家都懵逼了。

这是有史以来第一次，人类在科学实验中正式遭遇灵异事件。

观察者魔咒

你还没看出灵异在哪里？

好吧，请先看懂下面这个例子：

电视里正在直播足球比赛，一个球员起脚射门——

「咔」暂停，你预测一下这个球会不会进？

在球迷看来：球进还是不进，和射手是不是C罗、梅西有关，和对方门将的状态有关，和裁判收没收钱说不定还有关。

在科学家看来：有关的东西更多，比如球的受力、速度和方向，距离球门的距离，甚至草皮的摩擦力、球迷吼声的分贝数等等。

不过，只要把这些因素事无巨细地考虑到方程里计算，完全可以精确预测三秒后球的状态。但无论是谁，大家都公认的是，球进与不进，至少和一件事情是绝对无关的：

你家的电视。

无论你用什么品牌的电视，无论电视的屏幕大小、清晰度高低、质量好坏，无论你看球时是在喝啤酒还是啃炸鸡，当然更无论你看不看电视直播——该进的球还是会进，该不进就是不进，哪怕你气得把电视机砸了都没用。

你是不是觉得，上面说的全都是废话？那么，仔细听好：

双缝干涉的第三次实验证明了，在其他条件完全相同的情况下，球进还是不进，直接取决于在射门的一瞬间，你看还是不看电视！

看还是不看，这是一个问题！

光子从发射器射向双缝，就好比足球射向球门；用摄像头观测光子是否进缝、怎么个进法，就好比用电视机看进球。

第三次实验与第二次的唯一区别，就是实验3开了摄像头观察光子（看电视），实验2没放摄像头（不看电视）——两次实验的结局竟截然不同。

这，就是观察者的魔咒。

难道说，不看光子它就是波，看一眼，它就瞬间变成粒子？

难道说，「光子是什么」这一客观事实，是由我们的观察（放不放摄像头）决定的？

难道说，对事物的观察方式，能够改变事物本身？

三观崩塌

在所有人懵逼的时候，还是有极少数聪明人，勇敢地提出了新的理论：光子，其实是一种智能极高的外星AI机器人。

之所以观察会导致实验结果不同，是因为光子在你做实验之前就悄悄侦查过了，如果发现有摄像头，它就变成粒子形态；如果发现是屏幕，就变成波的形态。

这个理论让我想起了传说中的：

难道机器人阿童木真的存在？（「阿童木」是日语「アトム」的发音直译，词语源自英语「Atom」，意即「原子」）

这种扯淡理论居然没被口水喷死，还要做实验去验证它，可见科学家们已经集体懵逼到了什么地步。

第四次实验：事先，只有屏幕没有摄像头；

我们算好光子穿过缝的时机，等它穿过之后，再以迅雷不及掩耳之势加上摄像头。（等效于1978年惠勒延迟选择实验）

结果是啥？无论加摄像头的速度有多快，只要最终加上了摄像头，屏幕上一定是两道杠；反过来，如果一开始有摄像头，哪怕在最后一刻秒秒钟撤掉，屏幕上一定是斑马线。

回到看球赛的那个例子，就好比：我先闭上眼睛不看电视，等球员完成射门、球飞出去3秒钟后，我突然睁开眼睛，球一定不进，百试百灵。

在你冲出门去买足彩之前，我先悄悄提醒你：这种魔咒般的黑科技，目前只能对微观世界的基本粒子起作用。要用意念控制足球这样的大家伙，量子还做不到啊！

请注意，加不加摄像头，是在光子已经穿过双缝之后再决定的。不管光子在穿缝的时候变成什么形态，过了缝应该就定型了。

既然光子的状态在加摄像头之前就定型了，为什么实验结果还是能在最后一刻发生变化？

难道说，在之后做出的人为选择（未来），能够改变之前已经发生的事实（历史）？

而且，加摄像头的速度，可以做到非常快（40纳秒）。就算光子真的是个狡猾的微型变形金刚，当它变成波的形态穿过双缝，在最后一刻却发现面前是一个摄像头时，它也来不及再次变身了吧？

「主观决定客观」「未来改变历史」「外星人其实是无处不在的光子」……

好端端一个实验弄得谣言四起，物理学家们纷纷感到几百年来苦心经营的科学体系正在崩塌。

与之一起崩塌的，还有全人类的三观。

量子魔法时代的大幕，正在徐徐拉开。

为了一只猫的死活，100年前的天才哲学家，学历最高的足球运动员，撩妹无数的量子力学教授……他们都在纠结个啥？

另一些人，却恰恰相反——他们做任何事，都是为了纠结，下面我要说的，就是另一些人的故事。

学历最高运动员

1908年夏天。

丹麦，哥本哈根。

一名足球运动员正在思考自己的前程。

23岁，是时候做个决定了。比自己小两岁的弟弟，已经成为国奥队的中场核心。在刚刚结束的伦敦奥运会上，哈那德·玻尔率丹麦队17：1血洗法国队，斩获银牌创造「丹麦童话」，一夜之间成为家喻户晓的球星。

而我，作为丹麦最强俱乐部——哥本哈根AB队的主力门将，居然从未入选国家队，这简直是一种耻辱。

国家队大名单里怎能没有我？

教练说我什么都好，唯一的弱点是喜欢思考人生。

上次和德国米特韦达队踢友谊赛，对手竟敢趁我在门框上写数学公式的时候，用一脚远射偷袭，打断我的思路！最后一刻不还是被我的闪电扑救解围，要是后卫早点上去堵枪眼，那场球踢完就可以交作业了。

是成为世界最伟大的门将，还是成为世界最伟大的物理学家，这是一个问题，我需要纠结一下。

第一章里我们讲到，100多年前，为了搞清光子究竟是波还是粒子，科学家们被一个貌似简单的「双缝干涉」实验弄到集体「精分」。

这个实验明白无误地说明，光子既可以是波，也可以是粒子。

至于它到底是什么，取决于你的观测姿势。

装摄像头观测光子的位置，它就变成粒子；不装摄像头，它就是波！

我们曾经天真地以为，无论用什么样的姿势看电视直播，都不可能影响球赛结果，可是在微观世界中，这个天经地义的常识好像并不成立，这就是那么多高智商理工男懵逼的原因。

但是在玻尔看来，将宏观世界的经验常识套用到微观世界的科学研究上，纯属自寻烦恼。

通过常识，我们可以理解一个光滑小球的物理属性；但是凭什么断定，组成这个小球的万亿亿亿个原子，也一定有着和小球完全相同的属性？

凭什么在微观世界中，原子、电子、光子，一定要遵循和宏观世界同样的物理法则？

一般人纠结的问题无非是：量子世界的物理法则为什么这么奇怪啊……只有天才，能够直截了当问出关键问题：这些法则是什么？严格来说，量子理论是一群人，而不是一个人创立的。但是如果一定要选出一个「量子力学代言人」的话，我觉得非玻尔莫属，因为当别人纠结的时候，他第一个想通了。

通过前面那些烧脑的实验，玻尔总结了量子世界的三大基本原则：

态叠加原理

在量子世界，一切事物可以同时处于不同的状态（叠加态），各种可能性并存。比如，在双缝干涉实验中，一个光子可以同时处在左缝和右缝。这种人类无法想象的叠加态，才是最普通不过的本质形态；而在我们看来「正常」的非黑即白，才是一种特例。

测不准原理

叠加态是不可能精确测量的。比如，精确测出了粒子的位置，但它的速度却永远测不准！这并不是因为仪器精度不够高，其实，仪器再好都没用。这个不可能是被宇宙规律所禁锢的「不可能」，而非「有可能但目前做不到」。

观察者原理

虽然一切事物都是多种可能性的叠加，但是，我们永远看不到一个既左且右、又黑又白的量子物体。只要进行观测，必然看到一个确定无疑的结果。至于到底看到哪个态则是随机的，其概率高低取决于叠加态中哪个态的成分居多。

这样一来，实验解释起来就轻松多了：

「双缝干涉」实验的官方解释：

没装摄像头：光子在未观测的情况下处于「多种可能性并存」的叠加态，以50%的概率同时通过了左缝和右缝，形成干涉条纹；装上摄像头：光子被观测后只能处于一个态，不能神奇地同时穿双缝了，所以干涉条纹就消失了。这就是目前量子力学教科书上的正统理论：哥本哈根解释。

终于，一切都有了答案。

有了答案吗？

因为完美解释了双缝干涉等灵异现象，玻尔一（四）夜（面）成（树）名（敌）。但小伙伴们却纷纷表示：这个理论不仅反直觉反人类，而且bug点很多!比如，没有观测时，光子是混沌中的叠加态；观测的一瞬间，光子就变成了单一的确定态，请问两种态是怎样无缝切换的？按照玻尔的说法，观测的一瞬间，光子就随机蜕变成多种可能中的一种，还把这个过程取名叫「塌缩」。具体怎么个塌法，玻尔自己也说不清。

再比如，既然触发「塌缩」的前提是「观测」，那么谁能够成为合格的观察者呢？科学家、人类、一切生命体、还是包括人工智能在内的任何智慧形态？众说纷纭之际，给玻尔带来致命一击的，是一只猫。

一只猫的拷问

10年前，正是薛老师亲手写下了量子波动方程，与矩阵力学、路径积分一起，被后人并称为量子力学的三大基石。

10年后的1935年，对「哥本哈根解释」的群起而攻之，薛老师打响了第一枪。当时，几乎所有人觉得「叠加态」是个纯属幻想的玩意儿，却没人能真正驳倒玻尔和他的哥本哈根学派。因为，「态叠加」「测不准」「观察者」无论这三大原理违和感多么强，都被玻尔视作量子世界不可挑战的公理。所谓公理，就像「两点之间有且只有一条直线」，或者牛顿力学三定律一样，是无法、也无须证明的宇宙基本大法。

在玻尔看来，物理学家的任务是透过现象找规律，而不是去质问上帝：你为什么要把宇宙设计成这样子？而且，凭什么微观世界的宇宙法则，一定要和宏观世界的生活经验相符呢？无懈可击的玻尔之盾，也只有金枪不倒的薛定谔之矛能够与之一战。

「薛定谔的猫」就是薛老师用来挑战玻尔的头脑实验（以下实验纯属想象、推理，没有任何无辜的猫因此而被害）。把一只猫关在封闭的箱子里。

和猫同处一室的还有个自动化装置，内含一个放射性原子：如果原子核衰变，就会激发α射线->射线触发开关->开关启动锤子->锤子落下->打破毒药瓶，于是猫当场毙命。在这个邪恶的连环机关中，猫的死活直接取决于原子是否衰变；然而，具体什么时候衰变是无法精确预测的随机事件。

只要不打开盒子看，我们就永远没法确定，猫此时此刻到底是死是活。

刑具准备完毕，现在，薛老师对玻尔的拷问开始：

1.原子啊、衰变啊、射线啊，这些都属于你们整天研究的「微观世界」，自然得符合量子三大定律，没错吧？

2.按照玻尔你自己的说法，在没打开盒子观测之前，这个原子处于「衰变」+「没衰变」的叠加态，没错吧？

3.既然猫的死活取决于原子是否衰变，而原子又处于「衰/不衰」的叠加态，那是不是意味着，猫也处在「死/没死」的叠加态？

原子衰变=死猫；原子没衰变=活猫；叠加态原子=叠加态的猫。

所以，按照哥本哈根解释，箱中的猫是不死不活、又死又活的混沌之猫，直到开箱那一刻才瞬间「塌缩」成一只死猫或者活猫？

薛老师的逻辑，其实就是反证法：以子之矛，攻子之盾。先假装你是完全正确的，然后顺着你的说法推理啊，直到推出一个荒谬透顶的结论——那只能说明你从一开始就错了！

至于为什么要放进一只猫，这又是薛老师的高明之处。以前大家研究原子、光子，总觉得那是与日常完全不同的另一个世界；无论量子多么诡异，我们总可以安慰自己说：微观世界的规律，不一定适用于宏观物体。科学家们做完烧脑的实验，还能回归老婆孩子热炕头的正常生活。现在，薛老师把微观的粒子和宏观的猫绑在一起，要么你承认叠加态什么的都是不切实际的胡思乱想，要么你承认猫是不死不活的叠加态——别纠结，二选一。

连三岁小孩都知道，如果打开箱子看到一只死猫，那说明猫早就死了，而不是开箱的瞬间才死的——只不过它被毒死的时候，你装作没听到惨叫声而已。

你的理论告诉我们，猫在被观测前是不死不活的；那么，如果把你关进一个密室，你不也变成不死不活了吗？或者，在密室中的你看来，全世界的人都是不死不活的僵尸态？还是说，地球和太阳是否存在，都变成不确定的了？薛老师的猫，本意是想让玻尔下不了台，万万没想到，这只猫却引发了唯心、唯物主义的大辩论。哲学家们突然发现，终于有机会以专家的身份，来对科学界说三道四了。

「我思故我在」的误会

400年前，一个法国大叔的思考，奠定了唯心主义哲学的核心思想。假设世间一切都是幻觉，所谓人生，也许只是我们的大脑在黑客帝国的AI里做的一个梦，说不定身体正插满管子泡在培养皿中。

那么问题来了：如果一切都可能是幻觉，那么，还有没有绝对不是幻觉的东西呢？

有。

唯一不可能是幻觉的，只有「我们正在思考世界是不是幻觉」这件事。

我在思考，至少说明我还是个东西。

其实，唯心主义并不是「我想要什么存在它就存在」，而是「只有我的意识（心）无可置疑，世界却可能是幻觉」。所以，如果你认真看那些唯心主义哲学大师的著作，会发现他们的逻辑严密得令人发指。

而唯物主义者的观点则是「我在故我思」：世界肯定不是幻觉，不过每个人都把自己版本的幻觉当作客观世界的真相。但是，到底哪一个世界观才对呢？

由于唯物主义者无法证明这个世界一定不可能是黑客帝国，而唯心主义者也拿不出这个世界一定就是黑客帝国的确凿证据，所以谁也无法说服对方。

直到唯心主义者们听说了量子力学。

这么说来，主张「心外无物」的明代哲学家王阳明，早在500年前就发明了量子力学！

王阳明与友人同游南镇，友人问曰：

「天下无心外之物，如此花树，在深山中自开自落，于我心亦何相关？」

先生答曰：

「你未看此花时，此花与汝心同归于寂，你来看此花时，则此花颜色一时明白起来，便知此花不在你的心外。」

唯心所现，唯识所变。

未看此花时，花的存在是不确定的叠加态；起心动念的一刹，花才会从不确定态「塌缩」为确定态，你观察的世界因此呈现。

意识与物质互为因果，无法割裂。量子力学的「观测导致塌缩」就是唯心主义的铁证！然而，很多人至今都不知道「意识决定观测结果」这个名声在外的量子黑科技，其实是道听途说导致的误会。回到双缝干涉实验，如果科学家故意不观测实验结果，而是用机器自动记录；去掉人类的「意识」干扰，是不是量子态就不会塌缩了？

再比如，做实验时突然飞过一只苍蝇，在它的N只复眼注视下，光子的叠加态会因此而塌缩吗？（你以为苍蝇就没有意识吗？）

结果，根本没有任何影响！

屏幕结果是代表波动的斑马线还是代表粒子的两道杠，只与实验设备的设置有关，和谁来观测、是否观测无关。只要实验中双缝全开，哪怕有一亿双眼睛盯着，看见的仍然是未塌缩的叠加态光子产生的干涉条纹。现在看来，比玻尔那句毁人不倦的「观察导致塌缩」更准确的表述是：

只要微观粒子处于「可能被精确测量」的环境下，它就会自动塌缩，并不需要等待「观察者」就位。

所以归根到底，量子实验仍然是不以主观意志为转移的。

眼见为实？

只不过，我们无法精确测量，只能用概率分布来计算这个客观世界，那么，薛定谔的猫真的存在吗？一开始，包括薛老师和玻尔本人在内，没有人相信世界上真会有不死不活、既死又活的猫。可是不久之后，科学家们惊恐地发现，这件看似显然的事，居然没法证伪（证明猫不是叠加态）。

按理说，猫到底是不是叠加态，做个实验不就明白了？可惜，这个实验至今做不出来——毕竟，我们没法让猫产生干涉条纹啊！证伪不行，证实的方法倒是有一个：把这只猫造出来。令人细思恐极的是，我们已经做到了。

1996年，美国人梦露（男）用单个铍离子制成「薛定谔猫态」并拍下了快照，发现铍离子在第一个位置处于自旋向上的状态，而同时又在第二个位置自旋向下，而这两个状态相距80纳米之遥！

这是人类有史以来第一次，亲眼「看」到活生生的量子叠加现象。不过，这毕竟只是单个离子，和猫相比还差了十万八千里啊！2004年，潘建伟团队首次实现了多光子的薛定谔猫态。虽然这只猫的身材依旧苗条——浑身上下只有5个光子，但还是令玻尔的追随者信心大增。

这说明，从单个微观粒子到严格意义上的薛猫（宏观量子叠加态），也许只是量变而非质变，它被亲切地称为：薛定谔的小猫。如果继续增加粒子数量，是不是能把小猫慢慢喂肥成大猫呢？

然而，现实很残酷：目前「薛猫」的最高纪录，仍然是潘建伟2012年实现的8光子叠加态。要知道，为了增加区区3个光子，实验用了整整8年时间。可想而知，要让猫身上亿个原子同时处于量子叠加态，绝非易事。

在乐观者看来，这不过是暂时的技术困难，假以时日迟早会攻克；但也有人认为，量子世界与宏观世界之间存在着一道天然的结界，像猫一样大的宏观叠加态，也许是这个宇宙明令禁止的。

有朝一日，能不能造出一只眼见为实的大薛猫，至少现在，我们还不知道。但是我们已经知道：即使是小猫，也蕴含着无比惊人的能量。

1935年，薛老师很忙。除了N多前女友和养猫以外，薛老师发现了量子的另一个诡异之处，而当时几乎没有人注意到这个问题。为了研究微观世界，看看原子核这个大西瓜肚子里都有些什么籽儿，科学家祭出了最强大的武器：粒子对撞机。欧核中心（CERN）的加速器就是干这个的：

最常见的现象是：母粒子被撞击后，分裂成两个更小的粒子A和B。

因为能量守恒原理，子粒子能量相同，方向相反。比如说，因为母粒子静止不动，所以分裂后的子粒子A向左边飞，B一定往右边飞，这样才能左右抵消。同理，A的自旋（角动量）向上，B的自旋一定向下。至于具体是向上还是向下，这是个随机事件，必须观测后才能知道。

那么问题来了：根据量子理论，在不被观测的情况下，粒子处于多种可能性的叠加态。

举个例子。就像箱子里那只不死不活的薛定谔的猫一样：A和B这对龙凤胎粒子，自打出娘胎起，他们的性别就没确定，直到有人来看了一眼，这才瞬间分出男女！

然而和薛猫不同的是，箱子里的猫只有一只，孪生粒子却有两个。而且，这两个粒子即使相隔很远很远，叠加态也能保持不变。如同在千里之外，瞬间产生联系……

是时候@爱因斯坦了。

来自幽灵的威胁

大家都知道爱因斯坦创立了相对论。但很少有人知道，大神在35岁就已经功成名就（完成狭义+广义相对论），而在之后40年的悠长岁月里，他其实都在纠结一件事：量子力学。曾经，他也是一个集美貌与才华于一身的男子：

研究量子力学30年之后：

能让爱因斯坦这种大神级人物「不明白」的，不是深奥的理论和复杂的公式，而是宇宙的意义。爱因斯坦深信，宇宙在本质上是高度和谐的，这种和谐是可以通过数学之美体现出来的。所以，一个理论如果不美，倒不是说一定是错的，但它肯定不够本质。在更高的层面上，和谐，比对错更重要。而量子力学，在爱因斯坦看来，就是一种不和谐（不完备）的理论。

比如，量子力学的核心思想是：

微观世界的一切只能用概率统计来表达，而具体到单个的粒子，它的状态是不确定的叠加态。把这个粒子放大N亿倍，就成了薛定谔的猫。

这是第一个让爱因斯坦不爽的地方：量子力学否认了物质的实在性。爱因斯坦认为，根本不存在薛定谔思想实验中那只不死不活的叠加态的猫。猫的死活在观测之前就是定数，只不过愚蠢的人类看不见箱子里发生的一切，只能推测出「50%活or50%死」的概率。你是不是突然有一种，和爱因斯坦英雄所见略同的感觉？

打个不太恰当的比方（给量子打个恰当的比方真的好难！）：比如，我在知乎的粉丝男女比例是80:20。我相信，每个关注我的知友，一定都对自己的性别深信不疑。然而，那些发明量子力学的疯狂科学家们，他们竟然说：80:20的比例，说明每位知友的性别是不确定的，见面时80%的可能性会变成男生，20%的可能性变成女生！

因为只有这样我才能解释，为什么线下活动时见面的都是男生，而索要福利的都是女生。至于女生为什么没来，可能是出于一些很简单的原因，比如当天身体不舒服。仅仅因为我们不知道背后的原因，就认为人的性别是可以按一定概率随机改变的，纯属不切实际的猜想。

这个「背后隐藏的原因」，学名叫作「隐变量」。

当时包括爱因斯坦在内的很多人都以为，一旦我们揪出了隐变量，量子力学那些混沌不清的阴暗角落，就会被照亮得一览无余。一个不掷骰子的上帝，一个确定无疑的世界，一个可以被人类的直觉完全理解的宇宙——这就是爱因斯坦的终极梦想。到那时，「薛定谔的猫」之类的奇幻故事，只能给孙子当哈利波特讲了。

结果，猫的故事还没讲完，薛老师又想了一出「孪生粒子叠加态」，第二次触怒了爱因斯坦大神。因为这一次，量子力学要挑战的是相对论。研究微观小世界的量子力学，怎么会和研究宏观大宇宙的相对论结下梁子呢？这又是薛老师「一不小心」捅下的篓子。在薛定谔「孪生粒子」的思想实验中，两个相距万里的粒子，观测出A的状态，也就知道B的状态，因为A和B都是一个母粒子分裂而成的，B的状态一定和A相反。

因为A、B两个粒子的命运紧密相连，牵一发而动全身，所以薛老师给起了个性感的名字：量子纠缠。这就好比如：母亲把一双鞋分给兄弟俩，他们各带一只远走他乡。中国的哥哥打开盒子发现是左脚，就知道弟弟带到美国的另一只一定是右脚。

看上去，这并没有什么稀奇。

稀奇的是，根据量子力学的说法，弟弟那只鞋左还是右，不是他妈决定的，而是哥哥「打开盒子」的行为决定的。在哥哥看到左脚鞋的一瞬间，鞋里飞出一个神秘的信号，闪电般穿过千山万水，通知美国的另一只鞋变成右脚！

这个速度能有多快？

无限快。

但是，上帝允许无限快的瞬时传送吗？在这个宇宙中，没有东西能超过真空光速。不要说超过光速，就是试图接近光速的行为，都会导致时空的畸变。

宇宙的尺度是以「亿光年」为单位计的，在恢宏的空间中，银河系一边发生的任何事情，不可能立即对彼岸的世界造成影响。就算此时此刻太阳爆炸了，我们还能逍遥自在地活8分钟，因为8分钟后，光才来得及从太阳飞到地球。通过对粒子A的观测，居然瞬间让远方的粒子B的量子叠加态塌缩了——这被爱因斯坦斥为「幽灵般的超距作用」。

在严谨的学术界，「幽灵」是一个让人联想起伪科学的词。不存在超光速，更不存在超距作用，因为这是相对论的大前提：局域性。如果量子纠缠允许超光速，那么，是量子力学错了，还是已经被无数次实验证实的相对论错了？

在爱因斯坦看来，这压根不是个问题。一双鞋，俩兄弟当时分到的就是哥左弟右；两个粒子，在分裂的一瞬间A、B的状态就是确定的。尘埃落定之后，你爱怎么观察就怎么观察，为什么要信量子力学那一套「观察决定实验」的鬼话？只可惜，在量子面前，人类的直觉和常识又一次大错特错。

终极黑客：约翰·贝尔

超距作用（量子）vs局域性（爱因斯坦），人们曾经以为，这是个永远不会有答案的问题。因为如果做实验验证，这两者根本没法区分啊！比方说，先制备一对所谓的纠缠态粒子，然后一个运到北京，一个放在上海。我先测量到上海的A粒子自旋向上，然后打电话去问北京的同事：哥们，你那边测下B是什么态？100%是自旋向下！

爱因斯坦和量子理论都预言，B的自旋一定和A相反。也就是说，仅凭测量是不可能区分两种说法谁对谁错的，这就好比两个人都赌同一个球队赢，如何分胜负呢？但是不测量，又怎么可能知道它在测量之前是什么？显然，这个问题无解。

30年过去，爱因斯坦、玻尔、薛定谔等一代宗师已经成为逝去的传奇，然而还是没有人认真思考过这个问题。

也许这就是为什么，做出这个近代物理学最重要的大发现的人，不是某位著名的教授，而是一位当时还默默无闻的工程师，也难怪当他投稿之后，文章居然被杂志编辑「不小心」弄丢了，拖了一两年才发表。

约翰·贝尔，36岁提出「贝尔不等式」，欧核中心（CERN）加速器设计工程师，爱因斯坦的粉，业余爱好是研究量子力学的基础理论。

我一直觉得，贝尔不像个正统科学家，更像个「物理学黑客」。虽然和计算机黑客相比，他破解的是原子而非比特；但是，论及思维之独特、技巧之高超、发现漏洞之敏锐，则是有过之而无不及。

众所周知，粒子A的自旋一定和B相反；但贝尔发现，所有人都忽略了一件事：自旋在三维空间是有3个分量的。

A在X轴的自旋分量（Ax）如果向上，B在X轴的自旋（Bx）一定向下，但是B在Y轴和Z轴上的自旋（By、Bz）呢？如果爱因斯坦的局域性理论是对的，By、Bz应该和Ax一毛钱关系没有，但是用量子力学算出来的结果，却有着微妙的区别：在某些情况下，By、Bz和Ax之间竟存在着微弱的关联！

其他科学家们看到「贝尔不等式」先是嗤之以鼻，接着目瞪口呆，最后是深深的悔恨。这个深藏30年的宇宙级bug，就这样被贝尔这位工程师挖了出来。贝尔不等式的诞生，宣告了量子局域性之争，从哲学思辨变为实验可证伪的科学理论。

20年后（1982），法国人阿兹派克特（Aspect）第一个成功验证了贝尔不等式，结论：

万万没想到，实验结果揭晓之后，最高兴不起来的居然是贝尔本人。原来贝尔是爱因斯坦的忠实信徒，人家下班不约会而去搞不等式的目的，就是为了证明量子力学错了！之后，贝尔花了大半辈子的时间，试图找出实验的漏洞，直到去世之前还在思考如何修正局域性理论。当然，这一切并没有什么用。

从阿兹派克特实验至今30多年，人们在光子、原子、离子、超导比特、固态量子比特等许多系统中都验证了贝尔不等式，所有的实验无一例外，全部支持量子理论。如今，除了层出不穷的民科，已经没有人怀疑量子世界的奇异和真实。但很多人还是忍不住会想，贝尔不等式什么的还是太抽象了，能不能亲眼见证量子纠缠的魔力呢？

幽灵成像实验

比起喜欢用数学公式讲道理的贝尔，搞量子光学的史砚华可就实在多了。我觉得，史教授2008年发明的「幽灵成像」，应该是证明量子纠缠绝非幻想的最直观的实验。请认真看下图：

幽灵成像的原理通俗易懂：先把红光子和蓝光子「纠缠」到一起，然后两者分开各走各路。红光穿过狭缝打出一定形状的图案，蓝光不穿缝正常走。实验结果绝对震撼：明明没有穿过狭缝的蓝光，竟然也投射出了与红光相同形状的图像！如果这个实验能够早70年做出来，我真想看看爱因斯坦的表情。

这次，你总不能说：光子在纠缠之前就已经是那个形状了吧！穿缝还是不穿缝，显然是在光子出发后才决定的。发生在红光子身上的所有事，蓝光子也会分毫不差地经历一遍。这样看来，仅仅把量子纠缠比作龙凤胎还远远不够，他们出生时珠联璧合，长大成人之后仍然是生死与共！而且，通过改变红光那边狭缝的形状，想让蓝光打出什么样的图案都可以。

这就意味着，我们可以远程发送图像甚至视频，而无论距离多远、哪怕从宇宙的另一端传过来都是瞬时传输的，延迟时间永远为0。然而，这岂不是违反相对论（任何信息和物质不能超过光速）的公理了吗？并没有！虽然信息是瞬时传送过来了，但要把其中的乱码剔除，提取出真正的内容，还是必须把图像用不超光速的传统方式再发一遍。让爱因斯坦操碎了心的「超光速」问题，原来只是杞人忧天！

大自然就是如此微妙。

宇宙的规则也许看似奇怪，内在却有着惊人的自洽性。我们只能说相对论和量子力学之间存在着理论上的矛盾，但从来没发现物理规律本身有自相矛盾的地方。如果把宇宙看作一个产品，最令人细思恐极的是：无论狡猾的人类捣鼓出多么刁钻古怪的实验，这个同时在线用户数高达10^80（1后面跟80个0）的产品却从来不会被搞出bug。

如果宇宙真有一个产品经理的话，请收下我卑微的膝盖，顺便想问一个问题是：为什么您的宇宙中会有量子纠缠呢？

量子纠缠背后的秘密

100年前，量子力学的祖师爷玻尔说：如果谁没有被量子力学惊到，那他肯定不懂量子力学。爱因斯坦：我思考量子力学的时间百倍于广义相对论，但依然不明白。造出第一颗原子弹的费曼更直接：没有人懂量子力学！学了100多年的量子力学，今天，我们懂了吗？

墨子号首席科学家、中国量子通信第一人潘建伟说：「如果能搞清楚为什么有量子纠缠，我可以现在去死」，接着潘老师又说：「但是现在还没搞清楚，所以我想活得长一点……」

考虑到潘院士今年才51岁，这句话似乎暗示着，我们在50年后都不一定能搞懂量子了。

这些牛人说的「不懂」，可不是小学生学不会四则运算的那种「不懂」。我们已经搞清了微观世界的所有基本规则，建立了强大的数学模型，算出来的理论预测和实验结果分毫不差，但我们还只是一个拿到使用说明书的孩子，对于其意义和目的一无所知，莫名地好委屈。

然而现在，越来越多的线索显示，量子纠缠的背后，可能隐藏着一个巨大的秘密。

2013年，Maldancena和Susskind发现，量子纠缠和虫洞（虫洞即爱因斯坦·罗森桥）在数学模型上非常相似。他们猜想，量子纠缠也许就是一个微型虫洞。量子纠缠中最神秘的现象「超距作用」其实并没有超越光速，而是像虫洞那样穿越了时空。这就是为什么，孪生粒子能够异地千里，同呼吸、共命运的真正原因。请认真看下图：

而在2010年VanRaamsdonk的独立研究中，发现了更为惊人的线索。他建立了一个类似真实宇宙的三维宇宙模型，一旦在模型中去掉量子纠缠，时间和空间就会被打乱成碎片。正是无处不在的量子纠缠，像建筑物的钢筋结构件一样，把本应支离破碎的时空编织成了一个整体。请认真看下图：

在有进一步的实验证据之前，我们无法评价这些猜想有多靠谱。但是令理论物理学家们心跳加速的是，各条独立的线索似乎指向着同一个宝藏。找到它，发现量子纠缠真正的秘密，就有可能理解在开天辟地、宇宙洪荒的大爆炸时刻，宇宙是怎样被建造出来的。

为了传说中的OnePiece，越来越多身怀绝技的人踏上了量子时代的大航海之路。有人说：哲学家们总是用各种方式解释世界，但问题在于改变世界。其实，科学和文明的高度，取决于我们对于世界理解的深度。通过认识和理解世界，猿人把手中的石块换成了自然规律，拥有了改天换日的力量。当一群不食人间烟火的理工男在实验室热烈地争论原子模型时，谁能想到，30年后广岛在火海中的哭喊？

自从1900年普朗克发明「Quantum」这个单词至今，量子终于从哲学辩论会的题材，变成了魔法般的黑科技。基于量子纠缠，可以造出比现在快1亿倍的量子计算机，而超距作用和贝尔不等式，则把量子纠缠变成了加密通信领域的终极武器。

改变世界的时刻真的到了！

公元前54年，深冬。高卢，毕布拉克德。罗马共和国高卢行省长——尤里乌斯·恺撒，借着帐篷里的烛火，正在一张羊皮上写着什么。战况紧急！恺撒的爱将西塞罗，突然遭到维尔纳人的围攻。现在，必须立刻派一名骑兵送信给西塞罗，命令他重整旗鼓，两军合力突围。可是，万一这封信被敌人截获怎么办？想到这里，他不由自主地停下了笔，棱角分明的脸上，分明掠过一丝狡猾的微笑……

恺撒大帝、福尔摩斯与密码学

作为罗马的第一位独裁者，恺撒大帝还有一个鲜为人知的技能点：

其实，大帝不是历史上第一个想出加密算法的人。据说，我朝的姜子牙在3000年前，就发明了古装版密码本「阴书」。

但恺撒密码，却很有可能是首个广泛运用到军事通信领域的加密技术。恺撒密码的原理，说白了就是一个字：替换！如果心里想的是字母A，纸上就写B；要写B，就用C代替。当然，我也可以用D替换A，用E替换B，以此类推（偏移3个字母）。

只要收发双方都知道偏移量是几，就能轻松加密和解密；而外人看到的无非是一堆乱码。这就让上课传小纸条，有了新招数！心里想（明文）：IloveU，老师看到（密文）：LoryhX。在今天看来，这种算法极易破解，毫无技术含量可言。但在当年的罗马战场，这就是令吃瓜群众望而生畏的黑科技！在恺撒制霸罗马的全盛时期，就连教主耶稣都不得不服：上帝的归上帝，恺撒的归恺撒。

然而讽刺的是，这样一位狂拽酷炫屌炸天、还精通密码谍战的军事天才，却死于一场密谋政变，生生被戳了23刀。为了纪念大帝，人们把恺撒制成了扑克牌上的标本：方块K。

又过了一千多年，恺撒大帝和他的罗马帝国早已灰飞烟灭，恺撒密码和扑克却被后人发扬光大。原版的恺撒密码，是用字母替换字母，而且所有字母还是按照偏移量顺序替换的，极大地降低了破解难度。到了维多利亚时代，这两个弱点终于被改进。于是，连福尔摩斯逮到的一个普通黑帮小弟，都学会原创这样的密码了：

我们来看，传说中的卷福，是怎样破解这种图形密码的。在英文字母中E最常见。第一张纸条上的15个小人，其中有4个完全一样，因此猜它是E。

这些图形中，有的带小旗，有的没有小旗。从小旗的分布来看，带旗的图形可能是用来把这个句子分成一个个单词。现在最难的问题来了。因为，除了E以外，英文字母出现次数的顺序并不很清楚，要是把每一种组合都试一遍，那会是一项繁琐且无止境的工作。根据似乎只有一个单词的一句话，我找出了第2个和第4个都是E。

这个单词可能是sever（切断），也可能是lever（杠杆），或者never（决不）。

毫无疑问，使用never这个词来回答一项请求的可能性极大，所以其他三个小人分别代表N、V和R。如此这般以此类推，福尔摩斯利用上（主）下（角）文（光）逐（环）个（的）击（加）破（持），分分钟破译了全部52个密文：

不过，所有基于替换法的加密算法，都有一个致命的弱点：因为凡是用字母构成的文字，其字母分布都要符合语言规律，比如英文单词中E最常见，Z和X最罕见，无论把字母替换成多么奇葩的东西，符号的分布规律永远不会变，用概率统计+穷举法+玩填字游戏的基本技巧，任何密文的破解只是时间问题。

就当小伙伴们都以为恺撒密码的发展已经走到头的时候，德国人谢尔比乌斯却给替换式密码来了一次大升级，造就了有史以来最可靠的加密系统，一度令盟军绝望的噩梦，让希特勒成也萧何败也萧何的二战谍报神器——英格玛密码机，又叫恩尼格玛密码机（ENIGMA）。

二战谍报神器跌落神坛

英格玛（Enigma）密码机牛在哪里？

1．机器加密

这是世界首台全自动的加密机器，而此前编码、译码一直靠人力。我国由于国情原因，直到20世纪80年代还在用铅笔+纸的人肉编码方法。用机器的好处不仅是省力，而且，可以轻松搞定人力难以企及的复杂算法。

2．复式替换

虽然基础原理和恺撒密码相同，但英格玛的字符替换方式却高级了不止一个档次：复式替换。也就是说，如果你连打3个A，恺撒密码的密文可能是DDD，但英格玛的密文却可能是BDA。英格玛的神奇之处在于「转子」，它通过转动的方式实时改变替换方式，每敲一个字所用的替换方式都不同，这让依赖频率分析、概率统计的破解方法从此无的放矢。

原版的英格玛密码机只有一个转子，二战时期德军为了万无一失，把转子加到了3个。

每个转子都有独立的设置，3个转子所有可能的设置，高达105654种组合！这样一来，连穷举法暴力破解的一线希望都断了念想。正因为英格玛在当时太过逆天，以至于德军从此高枕无忧，以为盟军这辈子也别想破解了。他们说得没错。单凭人力，是不可能干过英格玛密码机的。能够破解这台机器的，只能是另一台机器，一台算力更强大的机器。

马拉松运动员同志阿兰·图灵1941年发明的机器解码，用传统的频率分析+机器暴力穷举干掉了英格玛，从此军情六处把德军的情报兜了个底朝天。直到盟军诺曼底登陆，德国人还没有反应过来，他们正是被自己的传家宝坑死的。

而图灵的这台机器，就是世界上第一台计算机。在计算机时代，复式替换加密从此跌落神坛、万劫不复。而且实战中还发现，有时最容易攻破的反而不是算法，而是人。只要搞定那个掌握密码本的人，一切密钥都不攻自破。

全民加密：RSA技术