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星際旅行、時空穿越、瞬間移動……無數(shù)的文學(xué)和影視作品為我們展現(xiàn)著人類科幻的未來。這些并不是創(chuàng)作者們腦洞大開的隨意想象，創(chuàng)作者們都有一個基本的理論基礎(chǔ)——量子力學(xué)。量子力學(xué)，是當(dāng)今物理研究的最前沿。但對于普通群眾來說，量子力學(xué)看似高深莫測。
5月3日，世界上第一臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)的量子計算機(jī)在中國誕生，量子力學(xué)取得現(xiàn)實應(yīng)用的重大突破。
那么，量子力學(xué)到底講了什么？它的前世今生是怎樣的？
懷著對科學(xué)的敬畏之心，本人希望化繁為簡、以最平實易懂的語言，寫下量子力學(xué)的發(fā)展以及普通人怎樣能看懂量子力學(xué)，和大家一起掀開量子力學(xué)的神秘面紗。
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大地沐浴陽光，萬物生長。
“光”是什么？卻千百年來，人類受益于光的恩賜。卻不知光到底為何物，只能做出一些猜想。
人類對于光的無知，直到1655年開始有所改變。英國的博物學(xué)家胡克，提出了光的波動說，他認(rèn)為光是一種波，與水波相似。荷蘭人惠更斯發(fā)表《光論》，發(fā)揚(yáng)了這一理論。
他們的反對者，是牛頓。他提出了光微粒說，認(rèn)為光是極小的微粒，遵循運動定律。
兩派觀點爭執(zhí)不下，但都有瑕疵。
按照牛頓的觀點，光是微小的顆粒。他合理解釋了光的直線傳播和反射性質(zhì)。對于光的折射和衍射，牛頓的解釋并不令人滿意。
惠更斯等人認(rèn)為，光是波。那就需要有傳播的媒介，像聲波通過空氣、水波通過水來傳播。但是真空中沒有物質(zhì)，光是如何進(jìn)行傳播的呢？
他們說，在所有空間中都存在一種看不見的物質(zhì)，叫做“以太”，光就是通過“以太”進(jìn)行傳播的?？墒牵绻耙蕴闭娴拇嬖?，那么地球以每秒30公里的速度公轉(zhuǎn)，我們應(yīng)該可以感受到迎面吹來的“以太風(fēng)”。大量的實驗證明，并沒有“以太風(fēng)”吹來。
由于牛頓無與倫比的學(xué)術(shù)地位，他的粒子理論占據(jù)了主導(dǎo)。在此后100多年中無人敢于挑戰(zhàn)，而惠更斯的理論則漸漸為人淡忘。
1801年，托馬斯·楊進(jìn)行了一項著名的實驗——“雙縫實驗”。
實驗很簡單。
把一束光投射到一塊背景板上，前邊放置另外一塊開有兩個相鄰縫隙的板子。
如果光是粒子，那么，實驗的結(jié)果應(yīng)該是背景板上投射出兩條大約相同的狹窄光束。可實驗結(jié)果大大出乎人們意料。
背景板上的投影卻是很多條。這對于光粒子說就是災(zāi)難。
因為這樣的現(xiàn)象，是波的表現(xiàn)。
當(dāng)我們觀察水波時會發(fā)現(xiàn)，兩個水波重疊的地方，波峰遇到波峰時水波會更高，波峰遇到波谷時候，會相互抵消消失。這種常見現(xiàn)象叫做干涉。
只有波才會有干涉。
實驗所使用的背景板上明暗相間的黑白條紋證明了光的干涉現(xiàn)象，從而證明了光是一種波。雙縫實驗徹底動搖了光粒子說的統(tǒng)治。
此后的50年間，光的波動說進(jìn)一步發(fā)展。到十九世紀(jì)中期，開始主導(dǎo)科學(xué)思潮。人們認(rèn)可了光是一種波，不是粒子。
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19世紀(jì)物理學(xué)大發(fā)展，科學(xué)家們認(rèn)為人類對于物理學(xué)的掌握已經(jīng)趨于完美，再進(jìn)行研究，不過是在已知結(jié)果的小數(shù)點后加上幾位而已。
德國人普朗克的老師也這樣勸導(dǎo)他，奉勸他不要去學(xué)純理論物理，他沒有被兩位導(dǎo)師的建議說服。
19世紀(jì)的最后一天，1899年12月31日，物理學(xué)家凱爾文發(fā)表迎接新世紀(jì)的演講：“19世紀(jì)已將物理學(xué)大廈全部建成，今后物理學(xué)家的任務(wù)就是修飾、完善這座大廈了?！?/p>
普朗克無心為此高興，他正在為一個6年還沒有解決的計算問題頭疼不已。
當(dāng)時的物理學(xué)家總結(jié)出的兩個公式，都不能準(zhǔn)確的計算物體發(fā)出的輻射。一個可以在輻射的長波部分計算出結(jié)果，另外一個公式可以在輻射的短波部分算對，可是一旦到相反的波段，答案就謬之千里了。
普朗克不能理解其中奧義，他的研究陷入了長期的困局。
“走投無路”的普朗克想，不然先強(qiáng)行的把兩個公式湊成一個滿足所有波段的公式吧，然后倒著推理，看看是什么結(jié)果。
結(jié)果是，如要想讓組合在一起的公式成立，那么物體發(fā)出輻射時，能量就不能是連續(xù)的，而是以一個微小數(shù)量的整數(shù)倍跳躍式的變化，也就是說能量的變化是一份一份的。
1901年，他把計算的結(jié)果發(fā)表，在論文中，他把這一份一份的能量起名為“量子”。
其他的科學(xué)家驗證出了普朗克的正確性，量子力學(xué)自此誕生，普朗克成為了“量子之父”。
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1880年之后，愛迪生改良后的電燈泡開始大面積的推廣。人類對于光的利用達(dá)到了前所未有的高度。
德國人赫茲發(fā)現(xiàn)，用紫外線燈光照射金屬，里邊的電子會被激發(fā)出來形成電流。光生成了電。
赫茲稱其為“光電效應(yīng)”，他卻做不出解釋。
1905年，在物理學(xué)界被稱為“愛因斯坦奇跡年”。愛因斯坦在這一年中，發(fā)表了5篇劃時代的重要論文。其中一篇關(guān)于“光電效應(yīng)”的論文，直接成就了愛因斯坦獲得諾貝爾獎。
愛因斯坦在論文中，重新提起光的粒子說。按照光粒子說和量子概念，光應(yīng)當(dāng)是由一份一份不連續(xù)的微小顆粒組成，他起名叫“光量子”，簡稱光子。
當(dāng)某一光子照射到靈敏的金屬上時，它的能量被金屬中的某個電子吸收。電子的動能增大，克服了原子核對它的引力，飛出了金屬表面，成為光電子，形成光電流。
愛因斯坦對于光電效應(yīng)的解釋，震動了已經(jīng)普遍認(rèn)可光波動說的物理學(xué)界。
一系列實驗驗證了愛因斯坦的正確性，人們開始意識到光同時具有波和粒子的雙重性質(zhì)。對于光是什么，這一持續(xù)近300年的爭論，終于以一個神奇概念的產(chǎn)生而宣告終結(jié)——光的波粒二象性。
科學(xué)家獲得了新的思路，原來一種物質(zhì)是可以同時具有兩種截然不同性質(zhì)的。波粒二象性就像一把鑰匙，微觀世界的大門被打開了。物理學(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，基本粒子都是具有波粒二象性的。
經(jīng)過幾十年孜孜不倦的研究，量子力學(xué)與已經(jīng)沿用近300年的經(jīng)典物理理論之間的矛盾日益明顯。
之所以出現(xiàn)這樣的局面，是因為科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的量子現(xiàn)象，在宏觀世界中都不曾出現(xiàn)。量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的對立，實質(zhì)是微觀世界和宏觀世界對立的縮影。
難道同一個世界，不應(yīng)該有同一個理論嗎？
愛因斯坦開始提出質(zhì)疑。量子力學(xué)過于玄幻，提出的概念實在令人費解。愛因斯坦是量子物理的奠基人之一，但此時，他站出來對量子力學(xué)本身的一些基本概念和完備性提出深刻的否定。
量子物理學(xué)家們卻并不認(rèn)同他。新興的量子力學(xué)成績斐然，不容置疑。在各種學(xué)術(shù)期刊中充斥著火藥味，好像這些科學(xué)家萬一碰面，必然會有火星撞地球般的激烈雄辯。很快，這樣的會面，真的來了。
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“地表最強(qiáng)”物理學(xué)家大辯論
1927年，比利時。著名的第五屆索爾維會議。
這是物理學(xué)史上最偉大的一次聚會。如華山論劍，江湖上頂尖高手悉數(shù)到場，都是物理學(xué)各個分支的旗幟性人物。照片中與會的29人，有17人都先后獲得過諾貝爾獎，被稱為物理學(xué)的“全明星”盛會。
在照片中，愛因斯坦居中而坐，可見其當(dāng)時在學(xué)術(shù)界的地位。他以因果論為武器，展開對量子力學(xué)現(xiàn)狀的分析，指出量子力學(xué)研究不盡如人意。
所謂因果論，就是任何事物的產(chǎn)生和發(fā)展都有一個原因和結(jié)果。這是天衣無縫的真理。
愛因斯坦的支持者有薛定諤和德布羅意。
他的反對派人數(shù)眾多，他們有個統(tǒng)一的名號——哥本哈根學(xué)派。掌舵人是波爾，他為量子力學(xué)奠定了重要的理論基礎(chǔ)。特別值得一提的是，波爾曾經(jīng)到訪中國，他在自己的族徽中，放上了中國的太極圖。波爾認(rèn)為太極完美的詮釋了自己的互補(bǔ)原理。好像光的波粒二象性，波和粒的屬性是互補(bǔ)的。
波爾帶領(lǐng)著一批30歲左右才華橫溢的年輕人，玻恩、海森堡、泡利、狄拉克等都是這個學(xué)派的主要成員。他們對量子力學(xué)的解釋被稱為量子力學(xué)的“正統(tǒng)解釋”。
哥本哈根學(xué)派的辯據(jù)，是基于計算的概率論。在量子世界里，結(jié)果經(jīng)常不是明確的，而只是一種概率。
我們舉例來說明，例如“量子隧穿效應(yīng)”。
在兩塊金屬中間夾一層絕緣層，一般都認(rèn)為電子不能通過絕緣層。但哥本哈根學(xué)派說，電子通過絕緣層是存在概率的。經(jīng)過計算，可以得出概率的數(shù)值。這就是“量子隧穿”。如果放到宏觀世界，人能不能穿墻？按照量子隧穿，宏觀物體也能發(fā)生隧穿效應(yīng)。人也可能穿過墻壁，但要求組成這個人的所有微觀粒子都同時穿過墻壁，實際上幾乎是不可能的。但從概率上說，人可以穿墻。
愛因斯坦對于這樣的概率說嗤之以鼻。概率的存在，只是量子力學(xué)理論不完整的證明。量子力學(xué)并沒有找到完整描述微觀和宏觀世界的理論。
“上帝不會擲骰子”，愛因斯坦這樣說。
“愛因斯坦，別去指揮上帝該怎么做！”波爾回?fù)簟?/p>
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在第五屆索爾維會議上，愛因斯坦沒有取得勝利，甚至可以說失敗了。他并不甘心，三年以后的第六屆會議，他卷土重來。
愛因斯坦總結(jié)經(jīng)驗，放棄了對于具體案例的探討，把矛頭指向哥本哈根學(xué)派的理論基礎(chǔ)——“測不準(zhǔn)原理”。
我們簡單介紹下這一原理。人們?yōu)榱酥庇^理解原子內(nèi)部，會畫一個這樣的示意圖。
電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)，看上去像行星圍繞太陽旋轉(zhuǎn)。
但這是錯誤的，軌道根本不存在。事實上，原子內(nèi)部的樣子更像這樣。
像一團(tuán)云霧，科學(xué)家形象的稱之為“電子云”。這看上去密密麻麻的云霧，其中的電子其實只有極少的幾個，甚至是1個。
出現(xiàn)云霧狀，是因為電子在原子狹小的空間內(nèi)以接近光速運動，看到的只能是一團(tuán)云霧。
測不準(zhǔn)原理說的是，在原子內(nèi)部，電子的運動毫無規(guī)律，我們知道電子的位置時，卻不可能知道它的速度。位置和速度，不能同時知道，這與描述宏觀世界的經(jīng)典物理學(xué)是相悖的。例如我們可以計算出任意時刻，地球圍繞太陽軌道運行的速度和位置。
愛因斯坦相信，只是我們?nèi)狈τ^測的手段和合理的公式，不存在這樣的測不準(zhǔn)原理。
每天在旅館用早餐時，科學(xué)家們見面，愛因斯坦就描繪一個思維實驗，他認(rèn)為從中可以清楚看出哥本哈根學(xué)派解釋的矛盾。
玻爾在傍晚的時候就對這些理想實驗做出了解釋，他會在晚餐時分析給愛因斯坦聽。
愛因斯坦對這些分析提不出反駁，但在心里他是不服氣的。
第六屆索爾維會議，愛因斯坦再次以失敗告終。
由于第二次世界大戰(zhàn)一觸即發(fā)，愛因斯坦被德國納粹迫害而逃亡美國，沒有出席三年后的第七屆索爾維會議。
量子力學(xué)的索爾維會議結(jié)束了，然而關(guān)于量子力學(xué)的爭論仍在繼續(xù)。
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1935年，愛因斯坦和他的支持者向哥本哈根學(xué)派發(fā)起了總攻。
愛因斯坦圍繞量子糾纏展開質(zhì)疑。
所謂量子糾纏，是量子世界中又一奇妙的現(xiàn)象?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，在同一特殊反應(yīng)中能夠生成兩個且只有兩個相互糾纏的量子，這兩個量子如孿生一般，對其中一個發(fā)生作用，另外一個會同時做出相同的變化。比如一對相互糾纏的電子，如果他們的糾纏方式是反向糾纏，一個正向旋轉(zhuǎn)，那么另外一個必然反向旋轉(zhuǎn)。假設(shè)你將前邊的電子改為反向旋轉(zhuǎn)，那么另外一個會同時變?yōu)檎蛐D(zhuǎn)。而且，這兩個電子無論相聚多遠(yuǎn)，哪怕是銀河系的兩端，也不能阻礙他們同時發(fā)生變化。
他們之間是如何聯(lián)系的呢？這種聯(lián)系速度甚至達(dá)到光速的十倍。這不科學(xué)。因為按照相對論，光速無法被超越。愛因斯坦把這種鬼魅般的聯(lián)系稱為“幽靈作用”。
誠然，直到今天，我們還沒有確鑿證據(jù)找到能超越光速的物質(zhì)。所以，哥本哈根學(xué)派告訴愛因斯坦，世界本來就是這樣的。
愛因斯坦的主要支持者薛定諤，更是提出了一個對于哥本哈根學(xué)派如同噩夢的實驗——“薛定諤的貓”。
既然量子力學(xué)的理論都是解釋微觀狀態(tài)，那如何與宏觀世界結(jié)合呢？薛定諤假設(shè)，在一個箱子里，放一個原子核，原子核是個量子級概念，它在不確定的時間內(nèi)會自發(fā)的產(chǎn)生衰變，誰都無法預(yù)測衰變的準(zhǔn)確時間。箱子內(nèi)設(shè)計一個機(jī)關(guān)，當(dāng)原子核衰變時，將聯(lián)動一把錘子，打破裝有可以毒死貓的毒氣瓶。箱子里邊放一只貓，然后把箱子蓋上。請問，過一段時間后，箱子里裝著的是一只活貓還是死貓？
按照哥本哈根學(xué)派的理論，觀察行為會改變物質(zhì)變化的狀態(tài)。好，那不觀察呢？
對此，哥本哈根學(xué)派只能吞下苦水，承認(rèn)那只貓是處于半死不活的混合態(tài)。
波爾和愛因斯坦的論戰(zhàn)，也是量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的論戰(zhàn)。爭論雖然直到今天輸贏也沒有定論，卻促進(jìn)了量子力學(xué)的發(fā)展和完善。
論戰(zhàn)使哥本哈根學(xué)派的思想廣泛流傳。
科學(xué)家們并未停步，他們聰明的繞過了研究誰對誰錯，而是選擇忠于實驗結(jié)論和計算結(jié)果。問到量子力學(xué)的原理，大多數(shù)物理學(xué)家會說“閉嘴，乖乖計算”。
波爾說：“我們稱之為真實的一切，都是由我們不能稱之為真實的東西組成?！绷孔恿W(xué)，充滿許多匪夷所思的怪論，但是，一切的實驗和計算，都驗證出它是對的。原理如何，無人知曉；事實證明，愛因斯坦錯了。
根據(jù)量子力學(xué)的方程，人們設(shè)計了可以控制微小電流的開關(guān)，應(yīng)用到激光、晶體管、集成電路等電子工業(yè)的大多領(lǐng)域?？梢哉f量子力學(xué)如果不成立，那么我們的電腦、手機(jī)、相機(jī)等等電子元器件將統(tǒng)統(tǒng)失靈。沒有量子力學(xué)的世界，我們只能回到蒸汽時代。
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以上就是簡單的量子力學(xué)發(fā)展過程。近年，量子力學(xué)一詞，出現(xiàn)的越來越頻繁。我們普通人，怎么能夠容易理解量子力學(xué)呢？如果我們能夠打破幾個定勢思維，同樣可以走進(jìn)量子力學(xué)的奇妙世界。
顛覆思維之一、量子化無處不在
從量子的名字看，很多人看到叫“子”，就認(rèn)為是一種微小顆粒。在理解量子時，請忽略后邊的“子”字，而看前邊的“量”字。量子，拉丁語本意為“有多少”，代表“一定數(shù)量的某物質(zhì)”。
量子力學(xué)，雖然研究基本粒子，但是量子化，卻是宇宙的屬性。大到行星、小到細(xì)胞，最終分解都是可以量子化的。甚至人類的思維，科學(xué)證明，我們的意識同樣不是連續(xù)的，每隔0.042秒就有微小的斷開。那么我們的意識就可以視為以0.042秒為一份的量子化意識。
我們所處的宏觀世界是由微觀世界組成的，兩者并無清晰的界限。哪怕我們?nèi)梭w，同樣由微小的原子組成。按照波粒二象性，如果告訴你，人同樣是由波組成的，也并不需要意外。這在德布羅意的“物質(zhì)波”理論中，已經(jīng)有了答案。
另外，抽象到如空間，也可以量子化?？臻g的量子化，產(chǎn)生了蟲洞。蟲洞的概念，是說我們只要有足夠大的能量，就可以打開單位空間之間的間隙，依靠這樣的蟲洞，可以進(jìn)行時間旅行、空間轉(zhuǎn)移。這并不是科幻，至少從數(shù)學(xué)的推算中可行。蟲洞也叫“愛因斯坦－羅森橋”，由愛因斯坦及羅森在研究引力場方程時推算得出。
如太極的玄妙，宏觀和微觀相互交融，并非對立。解釋宏觀世界的經(jīng)典物理學(xué)，和解釋微觀世界的量子力學(xué)，現(xiàn)在還極不相融，沒有達(dá)成一致，但已有科學(xué)家通過實驗開始把彼此歸于統(tǒng)一。由此，可能會產(chǎn)生更加奇妙又偉大的理論。
顛覆思維之二：沒有唯一的真理，甚至在科學(xué)中
蘋果砸到牛頓的頭時，他發(fā)現(xiàn)了萬有引力。今天我們知道，扔一個蘋果，只要有足夠大的能量，甚至可以把蘋果扔出地球。這對于古代人，無法想象。
認(rèn)知沒有止境時，真理就是相對的。
假設(shè)世界只是一個平面，我們都是二維平面人，那么我們甚至都不能理解，在一個三維世界的地上出現(xiàn)了兩個腳印是什么原理。還好，我們本身是三維的，知道腳印的上邊是一個完整的人。那量子糾纏的超遠(yuǎn)距離“幽靈作用”是什么原因呢？科學(xué)家目前的解釋有分歧，有些認(rèn)為光速并不是極限速度，“幽靈作用”是超光速傳導(dǎo)產(chǎn)生的；而也有科學(xué)家認(rèn)為，宇宙本身是11維度的空間，“幽靈作用”是由于那些被壓縮在空間內(nèi)的、我們看不到的維度影響產(chǎn)生的。
原理雖沒澄清，但利用量子糾纏現(xiàn)象，我國已經(jīng)于去年8月發(fā)射了量子通訊衛(wèi)星，領(lǐng)先全球。
量子力學(xué)正在滲透到科學(xué)的各個領(lǐng)域。例如生物學(xué)家甚至證明，我們的嗅覺，不是由我們一般認(rèn)為的，聞到物品的分子產(chǎn)生，而是像我們的耳朵一樣，“聽到”了物品中亞原子顆粒的波動來加以區(qū)分。量子生物學(xué)正在顛覆傳統(tǒng)生物學(xué)。
科學(xué)的研究還在繼續(xù)，可以肯定的是，我們看到的世界，并不是它的全部。
顛覆思維之三：沒有絕對的存在，概率才是真實的面貌
如果你在北京，對于我來說，你在北京的哪里呢？量子力學(xué)的解釋是，你在北京的任意一個地方。就如我們想知道一個電子在原子中的位置，電子是以波的形式存在于整個原子空間里，直到你去觀察時，才會具體的出現(xiàn)在一個點上。同樣，我沒有觀察或者沒有被告知時，你就如電子一般，在北京的任意一個角落都有存在的概率。
量子力學(xué)目前不能準(zhǔn)確的解釋這種邏輯，他們說這就是真實的世界。
這種概率存在的意義，目前在量子計算中顯的更為實用。
我們都知道，現(xiàn)代計算機(jī)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是二進(jìn)制。計算機(jī)二進(jìn)制中，一個單位信息叫一個比特。一個比特可以是0，或者1。如果我輸入2個比特01，通過傳輸后，它依然是01。量子比特則不同，我輸入兩個最小單位的量子比特，這兩個量子比特都有可能是0，也都有可能是1，概率均等。這時，輸出的結(jié)果也不再是單一信息，而是四個可能，00、01、10、11。量子計算給了我們四個概率相等的、可供選擇的、不確定的答案。這可以簡單認(rèn)為就是量子計算的原理。
2個量子比特信息，答案是2的2次方個；3個量子比特，就是2的3次方個；……20個量子比特，就是2的20次方個，也就是100多萬個。
量子計算，會隨著量子比特增加，呈幾何級數(shù)增長。比如我們想從100萬個不同比特信息中找到我們想要的一個，量子計算機(jī)不會像經(jīng)典計算機(jī)一樣逐個檢索，而是同時檢索100萬個答案。只要設(shè)定一下條件，計算機(jī)可以在一秒內(nèi)找到這個比特信息。
這就是在5月3日我國宣布研發(fā)成功的量子計算機(jī)的計算能力。因為我國科學(xué)家，實現(xiàn)了10對糾纏狀態(tài)下的量子計算，10對——20個量子，在計算中就是20個量子比特。
想要判斷量子計算到底牛不牛，學(xué)術(shù)界有三個達(dá)成共識的指標(biāo)性節(jié)點：計算能力超越早期經(jīng)典計算機(jī)是第一步，再是超越我們使用的個人電腦，最后是超越超級計算機(jī)。
我國科學(xué)家在全球率先完成了最困難的第一步。
量子計算機(jī)離我們已經(jīng)如此之近。
量子力學(xué)理論從量子一詞誕生，到今天有117年的歷史。量子力學(xué)已讓我們的生活翻天覆地。隨著對于量子力學(xué)研究的深入，實用化的量子產(chǎn)品終將迎來井噴的一天。
波爾說：“如果誰不曾對量子論感到震驚，他就根本沒有理解它。”
我們對于量子的無知，就像300多年前，人類對于光的無知一樣。人類探索量子世界秘密的過程，智慧之花也在悄然綻放。
也許，在未來的某一天，人類完全理解了量子的世界，才發(fā)現(xiàn)量子力學(xué)這門超現(xiàn)代科學(xué)本身，正是生命古老的事實。
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