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有什麼比量子力學更奇怪的嗎？這個物理框架導致了許多奇異的現象——理論上的貓同時處於死亡和活著的狀態，相隔數千米的粒子仍然可以瞬間通訊，以及優柔寡斷的光子以某種方式同時朝兩個方向移動。
但它也促成了現代生活成為可能的科技進步。沒有量子力學，就不會有電晶體，因此也不會有個人電腦；沒有雷射，因此也不會有藍光播放器。詹姆斯·卡卡利奧斯是明尼蘇達大學的物理學教授，他希望人們瞭解量子力學對我們日常生活的影響有多大——但要做到這一點，人們必須首先了解量子力學。
卡卡利奧斯在《量子力學的奇妙故事》（Gotham Books，2010）中著手處理這兩項任務，這是一本關於科學中最複雜主題之一的易於理解、大部分不含數學的著作。為了保持生動性，作者穿插了來自巴克·羅傑斯的故事和其他經典科幻故事的插圖和類比。我們與卡卡利奧斯談論了他的新書、量子力學使哪些成為可能，以及早期科幻對未來的設想與我們所知的現在相比如何。
[以下是採訪的編輯稿。]
這本書的目的是揭示人們覺得如此神秘的量子力學世界，並指出它無處不在嗎？
沒錯。事實上，引言名為“量子物理學？你正沉浸其中！”
有很多關於量子力學的歷史和哲學基礎的優秀書籍。但似乎沒有多少書談論量子力學有多麼有用。是的，這門科學有奇怪的想法，而且可能令人困惑。但量子力學最令人驚奇的事情之一是，即使你對它感到困惑，你也可以正確和富有成效地使用它。
我在引言中提出了我所謂的量子力學的“勞動人民的觀點”，並展示瞭如果你憑信仰接受三個奇怪的想法——即光子是光；物質的運動具有與之相關的波長性質；以及一切事物，光和物質，都具有隻能具有離散值的固有角動量或自旋——事實證明，你可以看到雷射是如何工作的。你可以看到電晶體或你的計算機硬碟或磁共振成像的工作原理——我們認為理所當然的、幾乎定義我們生活的一系列技術。
在電晶體之前就有了計算機；它們使用真空管作為邏輯元件。要製造更強大的計算機，意味著你必須有更多的真空管。它們很大，產生大量熱量，而且很脆弱。你必須使房間和計算機都非常大。因此，如果你使用真空管，只有政府和少數大型公司才會擁有最強大的計算機。你不會在全國擁有數百萬臺計算機。沒有理由將它們全部連線到網際網路，也不會有全球資訊網。
它美麗之處在於，開發此技術的科學家並非試圖製造手機；他們並非試圖發明 CD 播放器。如果你在 1926 年去見薛定諤並說：“好方程式，埃爾溫。它有什麼用？”他不會說：“好吧，如果你想以緊湊的數字格式儲存音樂...”
但是，如果沒有對原子如何表現、它們如何相互作用以及它們如何與光相互作用的基於好奇心的理解，我們所生活的世界將截然不同。
那麼，舉一個例子，量子力學如何使雷射成為可能？
量子力學最基本的後果之一是，所有物質的運動都伴隨著一個波，包括原子中的電子。薛定諤提出了一個方程式，該方程式說：“你告訴我作用在電子上的力，我可以告訴你它的波在空間和時間中的任何位置在做什麼。”馬克斯·玻恩說，透過操縱薛定諤開發的這個波函式，你可以知道在空間和時間中的任何位置找到電子的機率。由此可知，電子在原子內部只能具有某些離散的能量。這是透過實驗發現的；這是原子展示的著名線光譜的來源，也是氖燈是紅色而鈉街燈有黃色調的原因。它與它們各自元素的線光譜有關。
但是，要真正理解這些離散能量的來源——電子和原子只能具有某些能量而不能具有其他能量——是量子力學最令人驚奇的事情之一。這就像你在賽道上開車，而你只被允許以 10 英里的倍數行駛。當你將它帶到一起許多原子時，所有這些能量都會擴充套件成一個可能的能量帶。
我使用的類比是，你有一個禮堂，下面有一個管絃樂隊，上面有一個陽臺。這意味著要從管絃樂隊到陽臺，你必須吸收一些能量才能從管絃樂隊提升到陽臺。現在，如果管絃樂隊的每個座位都坐滿了，而你想從一個座位移動到另一個座位，那麼除非你吸收一些能量並被提升到陽臺上，否則你哪裡也去不了，那裡有空位，你可以四處走動。雷射中發生的事情是，在陽臺正下方有一個小夾層。你會升到陽臺上，然後你會落下並坐在夾層中。最終，隨著夾層被填滿，在管絃樂隊中會有很多空位，你就是從那裡來的。
一個人被推出夾層，並且由於他們相互交談的方式，他們同時去了。當他們從夾層跌回管絃樂隊時，他們會以光的形式釋放能量。由於它們都來自夾層的同一排座位，因此所有光都具有完全相同的顏色。由於它們同時去了，因此它們都相干地同相。並且，如果夾層中有很多它們，則可以擁有非常高強度的單色光束。這就是雷射。
正如薛定諤無法知道他的方程式會被用來做什麼一樣，雷射也是如此，現在雷射使我們能夠擁有 CD 和 DVD 以及許多其他東西。
電晶體也是如此。它最初是為放大無線電訊號而開發的，並且你有了取代正在使用的真空管的電晶體收音機。現在它們也被用作邏輯元件，1 和 0。如果你將電壓施加到電晶體上，你基本上可以開啟或關閉一個門，允許電子流過，或者使電子很難流動。因此，你有兩種不同的電流狀態，高和低，你可以將其稱為 1 或 0。你可以巧妙地將它們組合在一起，使用 1 和 0 執行邏輯運算。你可以編碼資訊。你可以開發一種 1 和 0 的語言，並以這種方式操作它們。
再說一次，我認為這不是開發電晶體的人們的最初想法。看看它帶來了什麼。當你想到我們僅用於醫療應用的所有計算機和電子裝置時，一個標準醫院中的電晶體可能比銀河系中的恆星還要多。因此，它確實以非常深刻的方式改變了生活。
真正的科學界的超級英雄是少數知道他們在改變物理學的人，但我不認為他們認識到他們也在改變未來。
你保持這本書生動易懂的方法之一是使用早期科幻小說中的軼事。那些預測的實現程度如何？
主要問題是他們認為能源將會發生一場革命，這將導致噴氣揹包、死亡射線和飛行汽車。但我們得到的是一場資訊革命。當然，這個資訊時代是由於半導體和固態物理學而出現的，而這些都是由量子力學促成的。
很多事情都追溯到電晶體和半導體。在你看來，這是量子力學允許我們取得的最大根本性飛躍嗎？
甚至不止於此。透過辨別支配原子如何相互作用以及它們如何與光相互作用的基本規則，你現在也對化學有了基本的理解。元素週期表中原子的排列方式是有原因的，當你加上泡利不相容原理時，它自然會從薛定諤方程式中得出。對於世界為何如此，有一個非常深刻的理解。
你能想象生活在量子力學之前的世界嗎？
我們認為所有這些事情都是理所當然的。這就像路易斯·C·K 的YouTube片段——一切都很棒，但沒人開心。
“量子”經常被用作我們不理解的事物的標籤，而且我們經常將許多現象歸入“量子怪異”的模糊類別中。你希望看到這種情況消失嗎？
我會。它被過多地用作包羅永珍的東西。提出奇怪且違反直覺的想法來解釋觀察結果，發展這些想法的後果並進一步測試它們，然後，如果它們符合現實，則接受它們，這並不是量子力學所獨有的。這就是我們所說的物理學。
此外，由於量子力學以其怪異性而聞名，它被過度用作與量子力學毫無關係的事物的理由。有一個說法叫“量子忽悠”，指的是人們將諸如積極思考的力量或讓微笑成為你的保護傘之類的個人哲學，以某種方式附加到量子力學上，試圖使其聽起來科學。
並且從中賺取大量金錢。
是的。在我看來，這有點像用數學結理論或拓撲學來證明許願時交叉手指的合理性。它具有大致相同的相關性和理由。