高手量子力學：「精英日課」人氣作家，帶你刺探世界的底層邏輯，升級你對萬物的認知

名人推薦：高手推薦
火星爺爺｜作家、企業講師
冬陽｜推理評論人、廣播節目主持人
曹玉婷｜臺大醫院北護分院主治醫師
愛瑞克｜《內在原力》系列作者、TMBA共同創辦人
賴以威｜臺灣師範大學電機系副教授暨教學發展中心主任
簡麗賢｜北一女中物理教師

　　透過萬老師的生動描繪，你會發現，那些細究微觀世界運作真相的物理學家，像是一個個福爾摩斯……想了解量子力學，我推薦你從萬老師這本書開始。啟程後你會發現，你搭乘的是貼心、善解的萬老師所駕駛的「尊榮優步」。
──火星爺爺／作家、企業講師

　　世界不會因為你不...

第1章　詭祕之主


　　現在有誰不是量子力學的愛好者呢？人人都知道量子力學講究不確定性，所謂「遇事不決，量子力學」。人們都愛把「量子」放入公司和品牌的名稱當中，所以有了「量子基金」、「量子波動速讀」，乃至「量子推拿」。
　　你可能已經聽過不少版本的量子力學講解，有側重計算的學院版、講故事的歷史版、可愛的卡通版，還有霸道總裁假裝學過版。量子力學已經是一種文化，每個人都可以有自己的體驗角度。
　　我要說的，是最原本的角度。
　　詭祕。
　　這是一個被我們之中最聰明的頭腦探索了一百年的祕密。聽說它的冰山一角，你就足以動容；稍微了解，你就會為之痴迷；深入鑽研進去，你可能會陷入絕望，乃至瘋狂。
　　量子力學是關於我們生活的這個世界的本原的祕密。愛因斯坦（Albert Einstein）、波耳（Niels Bohr）、薛丁格（Erwin Schrödinger）、海森堡（Werner Heisenberg）、狄拉克（Paul Dirac）、包立（Wolfgang Pauli）、德布羅意（Louis de Broglie）、費曼（Richard P. Feynman）……二十世紀物理學裡最耀眼的英雄，都是因為在量子力學中建功立業而留下姓名。
　　一開始，物理學家只是問了一些非常基本的問題：世界上的各種東西都是由什麼組成的？如果原子是最小的單位，那為什麼這個原子和那個原子的化學性質如此不同呢？原子還能再分解成別的東西嗎？光，到底是什麼？這些問題幾千年前就有人問，只不過直到一百年前，我們才有了足夠的技術和數學工具去真正探索它們。
　　結果這一探索，物理學家發現，微觀世界的東西和宏觀世界完全不同，它們似乎在遵循某些非常怪異的規則。
　　比如說，如果把你限制在一個各個面都是牆的房間裡，你想要出來就必須在牆上打個洞，對吧？那你是否會想到，中國有個「勞山道士」的故事，說有一種叫「穿牆術」的法術，可以讓人直接穿牆而過，既不破壞牆，也不傷害人？
　　在微觀世界裡，實施這個法術是常規操作。把一個電子限制在位能比它自身能量高的區域內，這個電子有一定的機率能穿「牆」而出。那既然電子可以，質子當然也可以，原子也可以……一直到由原子組成的人，在原則上，其實也可以──只不過你能成功穿牆的機率非常非常小而已。
　　這還不算什麼。日常世界裡的你，在任何一個特定時刻，都只能出現在一個特定的地方，對吧？比如你此時此刻不能既在北京又在哈爾濱。但是在微觀世界裡，電子可以同時出現在所有的地方──它不但能「既在這裡，又在那裡」，而且能同時沿著好幾條不同的路線前進。
　　日常世界的桌子上不會突然憑空冒出一個蘋果和一個橘子來，你想要水果得自己出去買。但是在微觀世界裡，真空當中可以突然憑空冒出一個電子和一個正電子來，只不過你幾乎不可能抓住它們而已。
　　微觀的世界，充滿詭祕。
　　那你可能說，這幫物理學家為什麼非得琢磨這些怪異的東西？難道老老實實地研究我們日常的世界還不夠嗎？
　　這些怪異行為不是物理學家幻想出來的，它們都是實驗和邏輯推理的結果。為了解釋日常世界的「正常」，你只能接受微觀世界的「不正常」。換一個視角，也許應該說微觀世界的那些怪異行為才是正常的；而我們在日常生活裡的感知，都是大尺度帶來的錯覺。
　　哪有什麼歲月靜好，不過是微觀的粒子們在替你詭祕前行。

　　在對微觀世界的詭祕進行探索的過程中，物理學操縱日常世界的能力也愈來愈強。就像修仙小說的主人翁一邊更新世界觀，一邊掌握新法術一樣，認知升級決定了能力升級。
　　量子力學帶給我們的回報，遠遠超出了所有人的想像。我們終於明白了原子到底是怎麼一回事，能精確推演日常世界的大部分自然現象；我們揭開了原子核的祕密，製造了原子彈，建造了核電廠；我們深入理解了固態物理學，發明了半導體和電腦晶片；我們能精確測量，甚至能操縱單個原子；我們能解釋遠在天邊的白矮星是怎麼一回事……量子力學是這個世界的底層邏輯，哺育了幾乎所有的現代先進科技。
　　然而物理學的英雄們仍然沒找到量子力學的最終答案。我們可以接受微觀世界的各種行為，但要說規則就是這樣了，那似乎有點不合邏輯。
　　比如說，一個電子從「同時出現在所有地方」，到「恰好在這裡被人們找到」，完全是一瞬間的事情，甚至可以說根本就不需要時間──那這一瞬間到底發生了什麼呢？什麼樣的事情，可以不花費時間就發生改變呢？
　　再進一步，這個電子最終在哪裡被找到，居然是完全隨機的。世界上怎麼能有完全隨機的事情呢？為什麼是在這裡而不是在那裡，總得有點原因吧？
　　有些人──比如愛因斯坦──就懷疑，量子世界種種詭祕的背後，必定還有一個隱藏得更深的，詭祕之主。
　　愛因斯坦死不瞑目，可是當時已經沒有多少人願意聽他說話了。

　　在早期的熱鬧後，曾有三十年之久，絕大多數物理學家都認為，繼續探索量子力學的祕密是徒勞的，應該專注在計算和應用上，畢竟現有的量子理論已經夠用了。那些年裡，物理學家「上天入地」，幾乎把人們能想到和想不到的所有自然法則都研究明白了，量子力學只是他們的計算工具而已。
　　量子力學的應用無處不在，但是人們對量子力學祕密的探索，沉寂了。
　　好在我們生得晚，還有機會看到這場探索的後續。從二十世紀六、七○年代開始，又有人提出了新的假說，繼續探索那個詭祕之主。新技術允許物理學家做各種巧奪天工的實驗。對這個祕密的探索，現在是一個非常活躍的研究領域。
　　而物理學家走得更遠、更深之後，詭祕之感不但沒有減弱，反而還加重了。
　　
　　……（節錄）怎麼解釋這些現象？量子力學背後的詭祕到底是什麼？現在物理學家提出了幾個猜想，一個比一個離奇。
　　探索仍然在進行之中，沒有人知道最終的答案。但是我們可以肯定，真實世界絕對不是人們平常感知的樣子，而你有權知道真相。現在我站在幾代物理學家的肩膀上，向你彙報我們對這個祕密的探索經過和最新理解。
　　學習量子力學能給你一個脫離平庸生活、體驗詭祕的視角。我們的解讀不是低幼版也不是簡化版，不胡亂打比方，我將從最基本的概念講起，帶給你量子力學的純正趣味；我承諾不使用中學生水準以上的數學，主要用「物理直覺」說話，但我希望你能在學習過程中積極思考，學一點思辨的技巧；我要講一個探索的故事，你會看到物理學家們是如何一步步刺探未知的，你會學到他們常用的幾個心法。

第1章　詭祕之主


　　現在有誰不是量子力學的愛好者呢？人人都知道量子力學講究不確定性，所謂「遇事不決，量子力學」。人們都愛把「量子」放入公司和品牌的名稱當中，所以有了「量子基金」、「量子波動速讀」，乃至「量子推拿」。
　　你可能已經聽過不少版本的量子力學講解，有側重計算的學院版、講故事的歷史版、可愛的卡通版，還有霸道總裁假裝學過版。量子力學已經是一種文化，每個人都可以有自己的體驗角度。
　　我要說的，是最原本的角度。
　　詭祕。
　　這是一個被我們之中最聰明的頭腦探索了一百年的祕密。聽說它的...

推薦文　解讀量子力學的堂奧，體悟細細閱讀的樂趣
簡麗賢／北一女中物理教師
　　在月明如素、夜深人靜的農村老家，閱讀萬維鋼老師的新作《高手量子力學》，頗有在習習涼風中閱讀大自然奧祕的況味，腦海裡浮現杜甫「細推物理須行樂，何用浮榮絆此生」的詩句。杜甫所處時代背景，顛沛流離，而他卻能感悟、推敲、細究大自然事物盛衰變化，應該及時行樂，何必受浮名束縛。
　　大自然是一部量子力學的書籍，腳踏厚實的大地，遠觀浩瀚的天空。閱讀廣袤無垠的天地，細察上下四方和古往今來的宇宙。人類對宇宙所知有限，見微知著不容易，理解量子力學亦然。因此，突破古典物理的思維、孕育現代科技的量子力學讓人著迷，盼能藉其一窺堂奧。
　　《高手量子力學》內容豐富，如物理學家普朗克（Max Planck）以「能量量子化」的創新觀念解釋黑體輻射紫外災變；愛因斯坦（Albert Einstein）延伸普朗克的論點而提出「光量子」，解釋光電效應現象；德布羅意（Louis de Broglie）提出新穎思維的物質波理論；奧地利物理學家薛丁格（Erwin Schrödinger）的貓；海森堡（Werner Heisenberg）論述不確定性的觀點……還有鬼魅似的超距作用、量子通訊、量子計算，以及量子穿隧等，這些近代物理觀點，只有閱讀和思考，才能逐步理解科學的演進，體悟閱讀的樂趣。
　　《高手量子力學》傳遞讀者科學概念，例如普朗克突破古典物理學理論解釋黑體輻射的困境，物理學家從嶄新的論點切入，以能量不連續的概念取代古典物理能量為連續值的想法，闡述能量量子化的論點，解釋黑體輻射的疑義。普朗克的量子論於一九○○年十二月十四日發表，是古典物理與近代物理學的分界日，引導二十世紀的物理邁向新領域，量子力學誕生。之後，一代代的物理學家相繼接棒，掀起量子力學的神祕面紗。
　　量子力學揭開原子的祕密，愈往微觀世界探究，更能發現大自然是一部量子力學的書籍。難怪二十一世紀的科幻電影和戲劇都想藉由量子力學思索趣味橫生的劇本，例如量子通訊、量子糾纏、量子穿隧。不可思議的「穿牆術」可能源自「量子穿隧」的科幻想像，讀者或許從電影《蟻人與黃蜂女：量子狂熱》（Ant-Man and the Wasp: Quantumania）窺出端倪。
　　萬維鋼老師深入淺出引導讀者理解量子力學的概念，述說物理學革命史，以及「量子化」帶來的應用。他旁徵博引量子研究的奇思妙想，引入量子通訊和量子電腦等，這些量子科技正帶著量子力學的思維向前行，量子科技的「Q世代」未來令人期待。
　　引用杜甫的詩句：「繁枝容易紛紛落，嫩蕊商量細細開。」閱讀《高手量子力學》，不宜「繁枝容易紛紛落」的速讀，應是「嫩蕊商量細細開」的思索，才能自然生發，體悟閱讀量子力學的趣味。

推薦短文　翻轉想像的量子力學
火星爺爺／作家、企業講師
　　萬老師於「菁英日課」的量子力學課程，我反覆聽了五遍，太精彩。
　　透過萬老師的生動描繪，你會發現，那些細究微觀世界運作真相的物理學家，像是一個個福爾摩斯。發現真相過程情節的跌宕起伏、驚心動魄，大勝所有偵探小說。而各家物理宗師的論戰之精彩，也是華山論劍所遠不能及。
　　量子力學能夠讓你明白為什麼這個宇宙是這樣運作？其結論之顛覆，能最大幅度拓寬、翻轉你的認知想像（甚至連愛因斯坦都覺得「上帝不會擲骰子」），你值得被這樣的知識震撼一次。
　　我聽了五季的精英日課，在廣袤的知識大陸，萬老師是我心中第一名的中文領航員。想了解量子力學，我推薦你從萬老師這本書開始。啟程後你會發現，你搭乘的是貼心、善解的萬老師，駕駛的「尊榮優步」。

推薦短文　透過一本書，看一眼未來世界！
冬陽／推理評論人、廣播節目主持人
　　認識科學，長遠來說是個好投資。我指的不是煩惱科系、工作這類學生時期的抉擇，而是一輩子受用的持續學習。世界不會因為你不了解科學而停下發展的腳步，但你可以因為多理解科學一分而擁有多一絲回應世界的能力。
　　我承認量子世界並不好懂，它太違反在巨觀世界養成的常理直覺，可是當其詭祕的面紗被層層揭開時（雖然科學界還無法理解全貌），帶來的影響也許要將不理解它的人們拋在追趕不及的遠遠後頭。
　　這不是危言聳聽，想一想自己十年或二十年前用什麼方式接收資訊，選取的商業理財標的為何，甚至連娛樂形式題材的變化就能察覺到有多驚人，人生下一個十年、二十年，你還有力氣精神追逐嗎？衝著這股危機感，你就該燃起興致翻翻這本《高手量子力學》，接觸它、認識它，先從好奇開始，體會它的神祕樂趣，進而產生探問的興致——那就是投資的起點。
　　我不能保證收益多寡，但確定基本不賠（除非把買書錢閱讀時間算進去）。作者沒把你當孩子，諄諄善誘說簡化的故事；而是把你當專業人士，期許你能從中得到洞見、做出能改變世界的大事。書裡以中學生程度的認知為基礎，拋開漫威電影很炫但多半站不住腳的說法；愛因斯坦當年都還問號滿滿的未知，現在已有平易近人的表述，只等你翻開書頁，賺得量子世界的第一桶金啦！

推薦短文　「平行宇宙」竟有可能是真的？
曹玉婷／臺大醫院北護分院主治醫師
　　猶記得在高中物理課讀到「量子力學」，就深受「波粒二象性」、「光電效應」、「電子雲模型」、「測不準原理」等理論與實驗的吸引。這些新穎的物理觀念徹底顛覆了我對世界的認知，帶給我截然不同的人生觀。
　　正如本書作者所說，讀完這本書，你至少能分辨哪些與「量子」掛勾的商品，只是不實廣告；而看似由人類豐富想像力所描繪的世界觀，例如「平行宇宙」，透過嚴謹的理論推導與實驗證明，竟然有可能是真的。
　　先別被看似深奧難解的數學公式給嚇到，就連最聰明的物理學家愛因斯坦、費曼（Richard P. Feynman）等人，都沒能真正理解「量子力學」的全貌。我們普通人能站上巨人的肩膀，一窺當代科學極限的邊界，享受一下思考練習的純正趣味，認識一些量子力學在日常生活中的實際應用，那就足夠了！

推薦短文　微觀知識裡的宏觀啟示
愛瑞克／《內在原力》系列作者、TMBA共同創辦人
　　萬維鋼最令我佩服的地方，就是可以把很複雜的事物簡單化，簡單到中學生也都可以看懂、聽懂；同時也能讓原本懂的人，發覺原來自己還不懂，透過進階學習而擴張了自己的知識邊界。《高手量子力學》就是這樣的一本書。
　　一百多年前，在量子力學還沒開始之前，很多事情被視為玄學；經過歷代科學家們的不斷投入研究、驗證、發展，量子力學逐漸成為顯學。很多過去我們無法理解的事情，開始有了合理的解釋。萬維鋼為讀者講解這段精彩的科學史，並在書中承諾「不使用中學生水準以上的數學」，因此，這本書很適合給未曾接觸過量子力學的人，作為第一本的啟蒙、入門書。
　　然而，隨著實驗技術愈來愈進步，科學家們發現更多令人詭譎的事情。這些詭譎，此書裡面應有盡有。我想，這也是給原本已經認識量子力學的人，當作進階的讀物，更新腦中的資料庫。

推薦文　解讀量子力學的堂奧，體悟細細閱讀的樂趣
簡麗賢／北一女中物理教師
　　在月明如素、夜深人靜的農村老家，閱讀萬維鋼老師的新作《高手量子力學》，頗有在習習涼風中閱讀大自然奧祕的況味，腦海裡浮現杜甫「細推物理須行樂，何用浮榮絆此生」的詩句。杜甫所處時代背景，顛沛流離，而他卻能感悟、推敲、細究大自然事物盛衰變化，應該及時行樂，何必受浮名束縛。
　　大自然是一部量子力學的書籍，腳踏厚實的大地，遠觀浩瀚的天空。閱讀廣袤無垠的天地，細察上下四方和古往今來的宇宙。人類對宇宙所知有限，見微知著不容易，理解...

總序　寫給天下通才
　　感謝你拿起這本書，我希望你是個「通才」。我對你有個特別大的設想。
　　我設想，如果你不滿足於僅僅靠某一項專業技能謀生，不想做個「工具人」；如果你想做一個能掌控自己命運、自由的人，一個博弈者，一個決策者；如果你想要對世界負點責任，要做一個給自己和別人拿主意的「士」，我希望能幫助你。
　　如何成為這樣的人？一般的建議是讀古代經典。古代經典的本質是寫給貴族的書，像中國的「六藝」、古羅馬的「七藝」，說的都是自由技藝，都是塑造完整的人，不像現在標準化的教育都是為了訓練「有用的人才」。經典是應該讀，但那遠遠不夠。
　　今天的世界比經典時代要複雜得多，今天學者們的思想比古代經典要先進得多。現在我們有很成熟的資訊和決策分析方法，古人連機率都不懂。賽局理論都已經如此發達了，你不能還捧著一本《孫子兵法》就認為可以橫掃一切權謀。我主張你讀新書，學新思想。經典最厲害的時代，是它們還是新書的時代。
　　就我所知而言，我認為你至少應該擁有這些見識——對我們這個世界的基本認識，包含科學家對宇宙和大自然的最新理解；對「人」的基本認識，能科學化地使用大腦，控制情緒；知道社會如何運行，以及個人與個人、利益集團與利益集團之間如何互動。你要能理解複雜事物，而不僅僅是執行演算法和走流程；要有一定的抽象思維，以及邏輯運算能力；必須掌握多個思維模型，遇到新舊難題都有辦法；一套高段的價值觀……
　　這代表——你需要成為一個「通才」。普通人才不需要了解這些，埋頭把自己的工作做好就行，但你不想當普通人才。君子不器，勞心者治人，君子之道鮮矣。你得把頭腦變複雜，你得什麼都懂才好。你不能指望讀一、兩本書就變成通才，你得讀很多書，做很多事，有很多領悟才行。
　　我能幫助你的，是這一本本的小書。我是一個科學作家，在「得到」App寫一個叫「精英日課」的專欄。這個專欄專門追蹤新思想。有時候我看到有意思的新書、有意思的思想，就寫幾期內容；有時候我做大量調查研究，寫成一個專題。這些書脫胎於專欄，內容經過了十萬名以上讀者的淬鍊，書中還有讀者與我的問答互動。
　　通才，並不是對什麼東西都略知一二的人，不是只知道各門派趣聞軼事的人，而是能綜合運用各門派武功心法的人。這些書並不是某項學科知識的「簡易讀本」，我的目的不是讓你簡單知道，而是讓你領會其中的門道。當然，你作為非專業人士，不大可能去求解愛因斯坦（Albert Einstein）的重力場方程式，但是你至少能領略到相對論純正的美，而不是卡通化、兒童化的東西。
　　這些書不是長篇小說，但我仍希望你能因為體會到其中某個思想，或與某位英雄人物共鳴，而產生驚心動魄的感覺。
　　我們幸運地生活在科技和思想高度發達的現代世界，能輕易接觸到第一流的智慧，我們擁有比古人好得多的學習條件。這一代人應該出很多了不起的人物才對，如果你是其中一員，那是我最大的榮幸。

萬維鋼
二○二○年五月七日

總序　寫給天下通才
　　感謝你拿起這本書，我希望你是個「通才」。我對你有個特別大的設想。
　　我設想，如果你不滿足於僅僅靠某一項專業技能謀生，不想做個「工具人」；如果你想做一個能掌控自己命運、自由的人，一個博弈者，一個決策者；如果你想要對世界負點責任，要做一個給自己和別人拿主意的「士」，我希望能幫助你。
　　如何成為這樣的人？一般的建議是讀古代經典。古代經典的本質是寫給貴族的書，像中國的「六藝」、古羅馬的「七藝」，說的都是自由技藝，都是塑造完整的人，不像現在標準化的教育都是為了訓練「有用的人才」...

第1章　詭祕之主
第2章　孤單光量子
第3章　原子中的幽靈
第4章　德布羅意的明悟
第5章　海森堡論不確定性
第6章　薛丁格解出危險思想
第7章　機率把不可能變成可能
第8章　狄拉克統領量子電動力學
第9章　世間萬物為什麼是這個樣子？
第10章　全同粒子的怪異行為
第11章　愛因斯坦的最後一戰
第12章　世界是真實的還是虛擬的？
第13章　鬼魅似的超距作用
第14章　波函數什麼都知道
第15章　用現在改變過去
第16章　你眼中的現實和我眼中的現實
第17章　貓與退相干
第18章　道門法則
第19章　宇宙如何無中生有？
第20章　量子通訊除魅
第21章　量子計算難在哪？
第22章　量子佛學
第23章　物理學的進化
番外篇 1　要不電子有意識，要不一切都是幻覺
番外篇 2　這個宇宙的物理學並不完美，而這很值得慶祝
番外篇 3　一個常數的謎團
番外篇 4　我們生活的這個世界是電腦類比出來的嗎？
番外篇 5 　「量子穿隧效應」的新謎題
番外篇 6　物理學家的冷笑話
附錄　量子英雄譜

第1章　詭祕之主
第2章　孤單光量子
第3章　原子中的幽靈
第4章　德布羅意的明悟
第5章　海森堡論不確定性
第6章　薛丁格解出危險思想
第7章　機率把不可能變成可能
第8章　狄拉克統領量子電動力學
第9章　世間萬物為什麼是這個樣子？
第10章　全同粒子的怪異行為
第11章　愛因斯坦的最後一戰
第12章　世界是真實的還是虛擬的？
第13章　鬼魅似的超距作用
第14章　波函數什麼都知道
第15章　用現在改變過去
第16章　你眼中的現實和我眼中的現實
第17章　貓與退相干
第18章　道門法則
第19章　宇宙如何無中生有？
第20章...