序

本书向非科研人员详细地解释了量子物理学到底是什么，并且介绍了那些正在高速发展的、以光和物质所特有的量子现象为基础的科学技术。“什么才是所有人都需要了解的量子物理学？”当我在思考如何回答这个问题的时候，我意识到，尽管量子物理学是一门涉及范围非常广的学科，但是关于它的一本科普读物不应该试图面面俱到。与其回答刚才那个问题，我不如问我自己，什么才是量子物理学中最博大精深的思想，同时这种思想是每一个人都能理解的？对于很多物理学家来说，量子物理学最出色的方面是让他们重新审视物质世界最深层次、最基本的概念，也就是他们的科学世界观。

量子物理学最重要的思想是：量子世界呈现出概率性，而这种概率性和我们的直觉思维是有冲突的。这个思想包含了下面两个要点：

首先，物理世界的运作方式并不像时钟发条那样精准——就算我们用最完美的方法知道了物体现在的状态，这并不能保证我们可以准确地预测它将来的状态。将来可能发生的事并不是预先决定好的。我们可以谈论的，只是或大或小的概率而已。同理，用完美的方法观察到的物体，它现在的状态并不能使我们确切地得知它过去的状态。这个要点看上去不足为奇，尤其是对一些复杂系统（比如人的行为）来说，但是，量子物理学却告诉我们，这个要点对最简单的物体（比如一个单电子）也适用。

其次，假设有一个隐藏的物体，在我们第一次观测到它的时候，我们的直觉思维是，在被观察到的那一刻，它的外观和表现就是它被观察到之前的样子。比如，你打开一个礼物盒，看到一个小巧的绿宝石，那么，你会自然而然地认为，在你打开盒子之前，这颗宝石就是小小的、绿色的。但是，对于量子层面的物体，也就是当我们试图观察和测量像电子这样的基本粒子时，这样的直觉思维式世界观却不再适用。

也许你会想，在观测微小物体的性质和表现时，直觉思维不可靠这一点也不奇怪，但是大多数物理学家却觉得，如果你思考得更深入，那么你就会觉得这里面有很大的问题。诺贝尔物理学奖获得者默里·盖尔曼（Murray Gell Mann）曾经说过：“量子力学的发现是人类历史上最伟大的成就之一，但它同时也是人类最难掌握的理论之一……它违反了我们的直觉思维——确切地说，应该是人类的直觉思维是建立在忽略量子效应的基础上。”

这本书最主要的目的是帮助你深入思考和理解量子物理学的定位，从而你也可能感叹，量子物理学的世界观是多么反直觉，并且这个事实已经一次又一次地被实验室里的各种实验所证实。在2015年，当我还在写这本书的时候，世界上3个不同的实验室分别独立地完成了相似的实验，他们的结果第一次完完全全地证实了：我们赖以生存的这个世界，与我们用直觉思维形成的、经典物理学世界观解释的世界，是格格不入的。在经典物理学世界观里，我们用直觉思维认定每一个基本粒子都具有确定的性质和表现，这和它们是否或者如何被观测到无关。《科学》杂志把这项发现纳入当年的十大科学发现之一。这些科学实验彻底改变了我们的科学世界观，在本书中我们将详细探讨它们。

科学世界观的改变通常是和技术革命紧密联系在一起的，这两者互相扶持，形成了一个从发现到创造发明的反馈式循环，如农业科技和人类劳动分工的出现，印刷术和文化的传播，18世纪物理学和生产工业化，等等。在人类探索了量子物理学100多年后的今天，一个新型技术分支正在冉冉升起，它就是：量子技术。这个新型技术基于我们全新的科学世界观。虽然这个世界观和直觉思维相反，科学家和工程师却可以利用量子技术完成各种新型任务：无法破解的信息加密，超高精度的重力和加速度传感器，能以指数级速度计算并给出问题答案的、比目前任何计算机都要快的量子计算机，等等。

我写这本书的目的是用浅显易懂的语言，尽全力让一个没有物理学基础，但又充满好奇心、具有恒心的读者，在读书的过程中，有能力去理解和遵循我们用来解释量子理论正确性的逻辑思维。