两位“物理科普网红”相遇 张朝阳与王一联手扣响量子世界的大门

 遇事不决量子力学，量子力学学不好是不是自不量力……很多人在调侃量子力学，却忍不住好奇，为什么这门仅一百余年历史的科学，竟然能统治世界成为“顶级流量”？10月28日，搜狐创始人、董事局主席兼首席执行官、物理学博士张朝阳与香港科技大学副教授、博士生导师王一开启量子力学对谈，从量子力学的历史、特征和应用进行了硬核解读，满足了网友对量子力学的好奇心。

两位“物理网红”的这场对话，是专属于物理爱好者的思维盛宴。张朝阳毕业于清华大学物理系，获得MIT物理学博士，于2021年11月开启《张朝阳的物理课》，近两年时间开播180余期，凭借硬核烧脑的直播风格多次出圈，还出版了两本同名书籍。同年，王一利用短视频走上科普之路，他主攻理论物理和宇宙学研究，擅长用段子讲述黑洞、引力波和量子纠缠。

直播中，二人谈起自己的专业口若悬河，全程高能输出，波粒二象性、波函数、物质比热、隧穿效应等知识点不断“砸”出。这种新奇的“交流式授课”，让网友在一场头脑风暴中更深刻认识真实存在的世界。“我们想通过语言的交流和对话，定性描述定量的物理学科学。科普一定包含真正的物理，而不是似是而非的东西。”张朝阳从物理科学角度反驳了“心灵感应是量子纠缠”的说法。

张朝阳在直播中说今天不写公式，但谈到烧脑知识点时，还是忍不住多次起身在黑板上写下公式。王一笑称，这与霍金《时间简史》的风格一样，“张老师用非常严格的公式为我们去做最靠谱的科普。”

这是一场物理思维碰撞的对话，更是一堂饱含硬核科普的知识直播。搜狐视频自2019年起积极布局知识直播赛道，不止物理科学，还拓展覆盖了自然科学和人文科学等各学科领域，以及泛知识领域。目前，搜狐视频已成功推出《张朝阳的物理课》《星空下的对话》《科学演讲局》等出圈IP，也带动何懿医生、不刷题的吴姥姥等优秀知识播主开直播讲知识，在全网掀起知识学习的热潮。

没有量子力学的世界是一堆灰

上世纪初，英国著名物理学家威廉.汤姆生（即开尔文男爵）提出了著名的“两朵乌云”：第一朵乌云出现在光的波动理论上，指迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾；第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上，尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。后一朵乌云，终于酿成了量子力学这场大风暴。

那么，量子(quanta)具体是什么？王一类比“饭粒子”、“孢子”，“量子也是一小块一小块，这个是很基本的，掰不开。”张朝阳也解释说，“束缚态的存在，导致系统如果作为能量状态的话，包括其它算符的本征态是分立的概念，可以跟数学上实数和整数的区别。”通常，学术界习惯于用正整数去标记这些分立的能量取值，于是就能数数：第一能级、第二能级……正好比数掉落的饭粒。

观测量分立取值是量子力学与经典力学最重要的区别之一。张朝阳对此分享了自己的理解，在由经典力学主导的宏观世界中，所有的物理量都是可以连续变化的。以地球绕太阳旋转为例，如果某一天地球受到了撞击，轨道总会稍微偏移一点点——任意微小的改变都是经典力学允许的。

正如莱布尼茨所说，世界上没有两片完全相同的树叶。很难认为偏移前后地球仍沿同一个轨道行进，无论这一改变有多微小。但由量子力学的微观世界则不同。在这里，1就是1，不能是1.001或者是0.999。上帝拿出两个氢原子，并指定它们的核外电子都只在基态（第一个轨道）上运动，那么它们就得是一模一样的两个氢原子，除了所处位置可能不同外没有任何区别。正因如此，自然界才能逐渐形成稳定的结构。

“如果世界不是量子的”，张朝阳说，“那可能就只剩一堆灰。”王一补充说，可能还是“一堆萎缩的灰”。在经典力学的框架下，卢瑟福认为，核外电子就在原子核周围转圈。如果是这样的话马上会有一个问题，电子圆周运动有加速度，这样它会不停往外辐射电磁波，然后往原子核里掉。

为了解决这个问题，玻尔率先假定了电子将处在一个不辐射的“定态”，提出了用整数标记电子轨道的思路。王一说，玻尔是一位承前启后继往开来的物理学家，他的模型成功解释了氢原子光谱的性质，展示了量子力学在微观世界的实用性，也为他赢得了1922年的诺贝尔奖。

踹开电子波粒二象性的大门

上世纪世界上伟大物理学家对于量子力学的探索历史，被视为科学史上的“黄金时代”。这段有意思的历史随着张朝阳和王一的对话深入，逐渐浮现出来。

张朝阳与王一介绍，玻尔提出原子状态和原子光谱之后，海森堡用矩阵这一数学工具重新进行系统化叙述，但是经典物理学家对这种抽象的描述存在理解困难。随后，量子力学中另一个概念——波粒二象性——补上了这块拼图。德布罗意扩展了光的波粒二象性，提出了电子的波粒二象性。王一评价，“这相当于一脚把门踹开了。”

基于这个观点，薛定谔就问了一个问题：如果电子有波动性，对应的波动方程是什么，比不过猜出了著名的薛定谔方程，解出了波函数，最后由奥本海默的导师玻恩给出了波函数的解释。张朝阳说，“只有薛定谔把波动方程写出来之后，传统经典物理学家研究电磁波，研究各种波动方程很熟，一看感兴趣了，所以薛定谔的理论先被接受的。”

既然粒子是“波”，那这个“波”究竟是什么？王一指出当前学界认为，玻恩的概率诠释是当前这个烧脑问题的最好回答。张朝阳的理解是，在经典力学中，一般会解出粒子某一时刻出现的位置；而在量子力学中，解出的是粒子某一时刻出现在某地的概率密度，波的强度对应的就是这一密度。于是现在要抛弃电子沿轨道绕转这一假设，接受电子是弥散的波这个事实——现在这一图像又被称为“电子云”。王一解释说，“经典的物理图像好像电子在动，概率分布不动，概率分布才是真正客观存在的东西，用我们网友的话说，其实你想想它动，其实没动，如动。”

物质的波动性自然导致了观测量特别是能量的分立取值，张朝阳说，“这是让波函数单值连续可归一，不发散，必需的条件要求它是分立的。”王一以乐器中弦振动来形容波动束缚态，“拨弦为什么有特定的声音？两边定住了，加上这样一个束缚，就不能发出连续频率的声音，有特定的频率。”张朝阳用一句总结为，“无限长的弦什么频率都有，两端固定的弦只能有特定的频率。”

用量子力学解释化学结构

在氢原子上，人类第一次发现并验证了自然的底层是出乎意料的量子逻辑。更令人振奋的是，对氢原子的进一步研究解释了元素能按一定规律排列成周期表的深层原因，引导物理学家开始把目光投向化学。玻恩等人率先开始了利用量子力学讨论化学结构和过程的探索。这不得不谈到玻恩的学生奥本海默。王一提到，这段历史也出现在前段时间热映的《奥本海默》电影中。

如果把两个氢原子的原子核放在一起，一个电子如何在它们的共同势场中运动？“这是一个三体问题，经典都解不出来。”王一说，“原子核终归动的比较慢。虽然也不知道势能是什么样，但是知道是在那儿不动的。先假设原子核不动有一个势能，电子到处跑，电子比较轻，跑得快，最后对这个势能有什么样的贡献，把它们放到一起就是玻恩-奥本海默近似。这个近似也是现代用第一原理去解释计算化学、量子化学等等，它就是一个基础性的工作。”

张朝阳解释，“研究物理里面，尤其量子力学或者结构方面，能量的阶梯比较重要。”能量阶梯指的是，不同的过程自由度涉及的能量并不一致，因而可能表现出相对独立的规律。比如在处理化学键时，质子的质量是电子的1840倍，而电子的动能则远大于质子的动能，所以区分两个过程才是合理的。

从能量阶梯谈温室效应和恒星演化

正是源于量子力学观测量分立取值的特性，能量阶梯这一现象普遍存在于不同物理现象中。对话中，张朝阳和王一介绍了不同物质结构在能量上的巨大差异，并据此解析了温室效应、恒星演化等背后的物理原理。

张朝阳分享了自己对能量阶梯的理解，以氢分子为例，他觉得应该分为三层：分离原子核与核外电子，需要从外部提供13.6 eV（电子伏特，能量的单位）的能量，对应到温度是需要将这团物质加热到几十万度；如果是从氢分子中分离两个氢原子，所需能量就大大降低了，一般只需要若干个电子伏特的能量，对应到温度就是几百上千度；如果考虑氢分子还会转动和振动，这两个能级就更低了。“碳和氧结合，电子排列组合的能量就产生差别，以热的形式放出来。燃烧一张纸，燃烧的火焰有多少度？几百度。”

王一提到了恒星的形成。恒星是由星际物质的坍缩形成的，坍缩的过程中需要不断给星际物质降温——否则，热和压强会顶住引力，坍缩就停止了。如果恒星中全是氢原子，因为原子能级差巨大，激发和退激发的过程效率很低，辐射能量的效率也会变低。相反，如果其中有一定量的氢分子，哪怕再少，也能够大大提升辐射的效率，促进恒星的形成。

同样是为了降温，地球也会向宇宙空间辐射出光子。由于地球温度很低，这一类光不能有效地激发空气中氮气和氧气分子振动或转动。这样，光子就很容易逃离地球带走温度。但如果大气中的二氧化碳和水蒸气变多，王一介绍道，由于三原子分子更容易转动和振动，对应着更低的激发能量，增强了大气吸收地面热辐射的能力。张朝阳说明，“一吸收就留在了地球上，就是温室效应。”

特别与二氧化碳相比，水分子对这种低能辐射的吸收效率更高。王一还提到，大气中的水分子会妨碍天文学家观测宇宙的第一束光。这束光的学名是宇宙微波背景辐射，它出现在宇宙行程的早期，传播到地球时，已被衰减为能量特别低的电磁波。大气大部分成分对它而言都是透明的，其中却不包括水分子。于是目前，对这道光的观测只能选址在南极、智利、格陵兰岛或者我国西藏等少数几个非常干燥的区域。

量子态的激发就像攀岩一样

王一在直播中解释，“吸收光线、放射光线，同时和物质的比热也是有关系的。”张朝阳补充，“任何一团物体或者单位质量的物体加多少热量，提高这么多温度需要多少热量，单位温度的热量需要多少，这是比热。”为了方便网友理解，王一以饭量作类比，“比热就是你吃进去多少热量，这样的话1kg的物质可以升高1℃，我吃进去多少饭可以一成饱、两成饱、七成饱、八成饱，这个比较像。”

热力学中有一个“能量均分定律”，说明物质的比热会正比于微观结构的热力学自由度。一个双原子分子，理论上会有七个自由度。但实验观测发现：温度较低时，它的比热正比于三个自由度；升高温度，会变成五个；升到更高的温度后，才是期望的七个。张朝阳解释，这也是因为能量阶梯的存在。分立能级的激发“就跟攀岩似的，攀不上去就待在这儿了”。让分子平动的能量可以连续取值，这三个首先必然被激发；接下来继续加热，才能使大部分分子转动起来；而剩余的两个振动自由度需要更多的能量和更高的温度。

由此可见，研究物质的比热时，找对自由度非常关键。爱因斯坦曾经把晶体固体视为一连串用弹簧连起来的原子的组合。他认为加热固体时，原子吸收能量后，会在平衡点附近振动，由此可以计算固体的比热。

但是，王一继续说明，这里爱因斯坦犯了一个错误：每个原子都不是独立的，一个原子的振动必然会影响带动周围原子的振动，最后形成一种集体行为。特别是在温度低时，张朝阳补充道，振动“一点传到下一个，下一个再一点，这样形成一种微小的涟漪。”历史上，德拜最先意识到了这一点。和爱因斯坦的模型不同，在低温时，晶体会有更多的集体自由度来容纳热能，使得固体的比热下降得更为缓慢。

量子隧穿：穿墙术并非不可能

以往，穿墙术只存在于神话故事中的幻想情节，但是对于微观粒子来说，实现穿墙并非不可能。张朝阳和王一从量子力学角度分析“量子隧穿”效应。

张朝阳对此加以解释，就像经典力学中，声波能越过紧闭的门，经过衰减后传到外面。如果是波动性主导了粒子的运动时，其实它有概率渗透进任意有限高度的墙。在墙内，粒子的波函数会迅速衰减，但如果墙的宽度也是有限的，“衰减到这儿突然没有了，出来了，跑了，所以叫隧穿。”

王一则用《聊斋志异》的故事来形容，有一个道士练会了穿墙术，念个咒，往墙上一跑穿过去了。后来，他跟妻子显摆，念咒往墙上一跑，摔下来，没穿过去。“旁边有个人一直观测，这个粒子在这儿没跑过去，这样没穿过去，是所谓的量子芝诺效应。不是古人懂量子力学，古人的丰富的想象力在量子力学里面找到对应的关系。”

关于量子隧穿效应，在很多电影中也有体现，比如《未来世界》、《星际穿越》。张朝阳补充，现实中能观测到的量子隧穿现象是原子核的α衰变，“镭是固体，在地下室岩石中会衰减成氡气，按照气体游离出来。氡气会继续释放α粒子，α粒子是隧穿效应出来的，表面α粒子轰击你的皮肤辐射没关系，不会得癌症。但是氡气是气体，吸入肺以后，打击你的肺泡，导致肺的表面出现一些癌变最后得肺癌。”

虽然量子力学“有时候干好事也干坏事”，张朝阳和王一再次强调了量子力学的重要性，它是普适的，解释了这个世界最底层的框架。“居里夫人发现了镭，后来很多放射性发现，几十年后有了量子力学，包括核的理论后来多少年才建立的。原子核的理论，α衰变的解释后来是多少年之后，用量子力学很简单就解释了，物理学有很多相似性，量子力学是普适的，不仅在电子层面，核里面也是一样的。”

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作为今日头条青云计划、百家号百+计划获得者，2019百度数码年度作者、百家号科技领域最具人气作者、2019搜狗科技文化作者、2021百家号季度影响力创作者，曾荣获2013搜狐最佳行业媒体人、2015中国新媒体创业大赛北京赛季军、 2015年度光芒体验大奖、2015中国新媒体创业大赛总决赛季军、2018百度动态年度实力红人等诸多大奖。

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