薛定諤的貓，116 年前的 12 月 12 日，馬可尼收到橫跨大西洋、人類史上第一個無線電信號的那一天。
似乎什麼都沒有改變。
包括馬可尼自己，當時沒有人能夠想象，在接下來的一百多年，通信會把世界變成什麼樣子。
2016 年 8 月 16 日，世界第一顆量子通信衛星「墨子號」從酒泉發射的那一天。
就像當年的馬可尼一樣，我們也無從想象，未來的量子計算與量子通信，終將帶來一個怎樣的魔法時代。
絕對安全的信息傳輸？
智商秒殺全人類的人工智能？
瞬移、穿越不再是科幻？
潘建偉教授的量子通信衛星上天了。
5 年後，人人都會用無法破解的加密網絡刷信用卡。你還覺得量子理論是象牙塔裡的黑科技，和你的生活毫無關係？
讓我們先從神秘的量子理論開始，解密量子通信。
這注定是一場不可思議的旅程。
如果你完全不懂量子力學，請放心大膽地往下看，我保證不用任何公式就能讓你秒懂，連 1+1=2 的幼兒園數學基礎都不需要。
如果你自以為懂量子力學，請放心大膽地往下看，我保證你看完會仰天長嘆：什麼是量子力學啊？
正如量子力學大師費曼所說：沒有人懂量子力學。如果你覺得懂了，那肯定不是真懂。
在燒腦、反直覺和毀人三觀方面，沒有任何學科能夠和量子力學相比。如果把理工男最愛的大學比作霍格沃茲魔法學校，那麼唯一和量子力學專業相提並論的，只能是黑魔法。
然而，量子理論之所以如此神秘，並不是因為物理學家的故弄玄虛。其實，在量子理論剛誕生的搖籃時期，它只是一門人畜無害的學科，專門研究電子、光子之類小玩意兒。
而 「量子」 這個現在看來很厲害的名字，本意不過是指微觀世界中「一份一份」的 不連續能量 。
這一切，都源於一次物理學的靈異事件。
百年戰爭
20 世紀初，物理學家開始重點糾結一個糾結了上百年的問題：光，到底是波還是粒子？
粒派
所謂粒子，可以想象成一顆光滑的小球球。
每當你打開手電，無數光子就像出膛的炮彈一樣，筆直地射向遠方。
很多著名科學家（牛頓、愛因斯坦、普朗克）做了很多權威的實驗，確鑿無疑地證明了光是一種粒子。
波派
所謂波，就像往河裡扔塊石頭，產生的水波紋一樣。
如果把光看作是一種波，可以完美解釋干涉、衍射、偏振等經典光學現象。
很多著名科學家（惠更斯、楊、麥克斯韋、赫茲）做了很多權威的實驗，確鑿無疑地證明了光是一種波，電磁波。
可問題是，波和粒子畢竟是兩種截然不同的東西啊！
粒子可分成一個一個的最小單位，單個粒子不可再分；波是連續的能量分佈，無所謂「一個波」或者「兩個波」；
粒子是直線前進的，波卻能同時向四面八方發射；
粒子可以靜止在一個固定的位置上，波必須動態地在整個空間傳播。
波與粒子之間，存在著不可調和的矛盾。
於是自古以來，塞伯坦星上的科學家就分成兩派： 波派和粒派 ，兩派之間勢均力敵的百年撕逼戰爭從未分出勝負。
很多人問我：科學家為什麼要為這種事情勢不兩立，大家擱置爭議、共同研究不就得了。
為了一個字：
信仰!
千面之神
且問你：《權力的遊戲》中，信奉七神的維斯特洛人民，為何要與信奉舊神的關外野人拼個你死我活？
自古以來，人們為了信仰爭端大開殺戒，早已不足為奇。
唯一的和諧社會可能是古希臘：他們的神多達百八十號，有管天上、有管地下，各路神仙各司其職，倒也井水不犯河水。
人稱：希臘眾神。
要命的是，科學家們信仰的神只有一個，而且是放之宇宙而皆準的全能大神。這位神祇的名字，叫作 真理 。
大到宇宙的誕生，小到原子的運轉，科學家們相信，這個世界的萬事萬物都是基於同一個規律，可以用同一個理論，甚至同一套方程解釋一切。比如，讓蘋果掉下來把牛頓砸暈的是萬有引力，讓月亮懸在空中掉不下來的也是萬有引力。用同一個方程，既能算出地球的質量，也能讓馬斯克的獵鷹九號火箭上天，這就是科學的威力。
想要一個宇宙、兩種規律？
對不起兄弟，別在科學界混了，您可以去跳個槽，比如競選總統。
當然，科學家們沒有誰敢自稱是真理的代言人，就連牛頓謙虛起來都是這樣的：「我只是一個在海灘上撿貝殼的孩子，而真理的大海，我還沒有發現啊！」
就算是撿貝殼，撿的多了，說不定拼到一起就能窺見真理之神的全貌呢！
整個科學史，就像一個集卡拼圖的過程。做實驗的科學家們每發現一個科學現象，搞理論的科學家們就絞盡腦汁推測它背後的運行規律。不同領域的大牛把各方面的知識、理論慢慢拼到一起，真理的圖像就漸漸清晰。
在 20世紀初，光學的知識儲備和數學理論越來越完善。大家逐漸覺得，這一塊的真相總算有希望拼出來了——結果卻發現，波派和粒派的理論早已背道而馳，還各自越走越遠。這就好比你集了一輩子卡片，自以為拼得差不多了。這時突然發現，你拼出的圖案居然和別人是不一樣的，而且差的不是一點點！
是不是有種把對方連人帶圖都砸爛的衝動？
當時波派和粒派都堅信，自己手上的拼圖，才是唯一正確的版本。
雙方僵持不下直到 1924 年，終於有人大徹大悟： 波 or 粒，為什麼光不能兩者都是呢？
也許在某些時候，粒子看起來就像是波；在另一些時候，波看起來就像是粒子。波和粒如同陰陽一般相生相剋，就像一枚硬幣的正反兩面（波粒二象性），只不過我們一直以來都在盲人摸象、各執一詞。
真理確實只有一個，但是真理的表現形式，會不會存在著多個版本？
難道真理就是那個千面之神，用千變萬化的面目欺騙了我們如此之久？
靈異的實驗
究竟是波，是粒，還是波粒二象，大家決定，用一個簡單的實驗來做個了斷：
雙縫干涉實驗
雙縫，顧名思義，就是在一塊隔板上開兩條縫。
用一個發射光子的機槍對著雙縫掃射，從縫中漏過去的光子，打在縫後面的屏上，就會留下一個光斑。（等效於 1961 年電子雙縫干涉實驗）
在實驗之前，科學家的推測如下：
第一種可能
如果光子是純粒子，那麼屏幕留下兩道槓。
光子像機槍發射的子彈一樣筆直地從縫中穿過，那麼屏幕上留下的一定是 2 道槓，因為其他角度的光子都被板擋住了。
第二種可能
如果光子是純波，那麼屏幕上會留下斑馬線般的一道道條紋。
光子穿過縫時，會形成 2個波源。兩道波各自震盪交匯（干涉），波峰與波峰之間強度疊加，波峰與波谷之間正反抵消，最終屏幕上會出現一道道複雜唯美的斑馬線（干涉條紋）
第三種可能
如果光子是波粒二象，那麼屏幕圖案應該是以上兩種圖形的雜交混合體。
總之，
兩道槓 = 粒派勝；
斑馬線 = 波派勝；
四不像 = 平局。
是波是粒還是二合一，看屏幕結果一目瞭然，無論實驗結果如何，都在我們的預料之中。
第一次實驗 ：把光子發射機對準雙縫發射。
結果 ：標準的斑馬線。
根據之前的分析，這證明光子是純波。OK，實驗結束，大家回家洗洗睡吧。
粒派不服：我明明知道光子是一個一個的粒子！
這樣，我們再做一次實驗，把光子一個一個地發射出去，看會怎麼樣，一定會變成兩道槓的！
第二次實驗 ：把光子機槍切換到點射模式，保證每次只發射一個光子。
結果 ：斑馬線，竟然還是斑馬線，怎麼可能？我們明明是一、個、一、個把光子發射出去的啊！
最令人震驚的是，一開始光子數量較少時，屏幕上的光點看上去一片雜亂無章，隨著積少成多，漸漸顯出了斑馬線條紋！
光子要真的是波，那粒派也不得不服。
問題是：根據波動理論，斑馬線來源於雙縫產生的兩個波源之間的干涉疊加；而單個光子要麼穿過左縫、要麼穿過右縫，穿過一條縫的光子到底是在和誰發生干涉？
難道……光子在穿過雙縫時分裂成了兩個？一個光子分裂成左半光子和右半光子，自己的左手和右手發生了關係？事情好像越來越複雜了。乾脆一不做二不休，我們倒要看看，光子究竟是怎樣穿過縫的。
第三次實驗 ：在屏幕前加裝兩個攝像頭，一邊一個左右排開。哪邊的攝像頭看到光子，就說明光子穿過了哪條縫。同樣，還是點射模式發射光子。
結果：每次不是左邊的攝像頭看到一個光子，就是右邊看到一個。一個就是一個，從來沒有發現哪個光子分裂成半個的情況。
大家都鬆了一口氣。 光子確實是一個個粒子，然而在穿過雙縫時，不知怎麼就會變形成兩道波同時穿過，形成干涉條紋。
雖然詭異了些，不過據說這就是 波粒二象性 了，具體細節以後再研究吧，這個實驗做得人都要精分了。
然而，就在這時，真正詭異的事情發生了……
人們這才發現，屏幕上的圖案，不知什麼時候，悄悄變成了兩道槓！
沒用攝像頭看，結果總是斑馬線，光子是波；
用攝像頭看了，結果就成了兩道槓，光子變成了粒子。
實驗結果取決於看沒看攝像頭？
這不科學啊，做物理實驗竟然見鬼了啊！
一個貌似簡單的小實驗做到這份上，波和粒子什麼的已經不重要了，重要的是現在全世界的科學家都懵逼了。
這是有史以來第一次，人類在科學實驗中正式遭遇靈異事件。
觀察者魔咒
你還沒看出靈異在哪裡？
好吧，請先看懂下面這個例子：
電視里正在直播足球比賽，一個球員起腳射門——
「咔」暫停，你預測一下這個球會不會進？
在球迷看來： 球進還是不進，和射手是不是 C 羅、梅西有關，和對方門將的狀態有關，和裁判收沒收錢說不定還有關。
在科學家看來： 有關的東西更多，比如球的受力、速度和方向，距離球門的距離，甚至草皮的摩擦力、球迷吼聲的分貝數等等。
不過，只要把這些因素事無鉅細地考慮到方程裡計算，完全可以精確預測三秒後球的狀態。但無論是誰，大家都公認的是，球進與不進，至少和一件事情是絕對無關的：
你家的電視。
無論你用什麼品牌的電視，無論電視的屏幕大小、清晰度高低、質量好壞，無論你看球時是在喝啤酒還是啃炸雞，當然更無論你看不看電視直播——該進的球還是會進，該不進就是不進，哪怕你氣得把電視機砸了都沒用。
你是不是覺得，上面說的全都是廢話？那麼，仔細聽好：
雙縫干涉的第三次實驗證明了，在其他條件完全相同的情況下，球進還是不進，直接取決於在射門的一瞬間，你看還是不看電視！
看還是不看，這是一個問題！
光子從發射器射向雙縫，就好比足球射向球門；用攝像頭觀測光子是否進縫、怎麼個進法，就好比用電視機看進球。
第三次實驗與第二次的唯一區別，就是實驗 3 開了攝像頭觀察光子（看電視），實驗 2 沒放攝像頭（不看電視）——兩次實驗的結局竟截然不同。
這，就是觀察者的魔咒。
難道說，不看光子它就是波，看一眼，它就瞬間變成粒子？
難道說，「光子是什麼」這一客觀事實，是由我們的觀察（放不放攝像頭）決定的？
難道說，對事物的觀察方式，能夠改變事物本身？
三觀崩塌
在所有人懵逼的時候，還是有極少數聰明人，勇敢地提出了新的理論： 光子，其實是一種智能極高的外星 AI 機器人。
之所以觀察會導致實驗結果不同，是因為光子在你做實驗之前就悄悄偵查過了，如果發現有攝像頭，它就變成粒子形態；如果發現是屏幕，就變成波的形態。
這個理論讓我想起了傳說中的：
難道機器人阿童木真的存在？（「阿童木」是日語「アトム」的發音直譯，詞語源自英語「Atom」，意即「原子」）
這種扯淡理論居然沒被口水噴死，還要做實驗去驗證它，可見科學家們已經集體懵逼到了什麼地步。
第四次實驗：
事先，只有屏幕沒有攝像頭；
我們算好光子穿過縫的時機，等它穿過之後，再以迅雷不及掩耳之勢加上攝像頭。（等效於 1978 年惠勒延遲選擇實驗）
結果是啥？
無論加攝像頭的速度有多快，只要最終加上了攝像頭，屏幕上一定是兩道槓；反過來，如果一開始有攝像頭，哪怕在最後一刻秒秒鐘撤掉，屏幕上一定是斑馬線。
回到看球賽的那個例子，就好比：我先閉上眼睛不看電視，等球員完成射門、球飛出去 3 秒鐘後，我突然睜開眼睛，球一定不進，百試百靈。
在你衝出門去買足彩之前，我先悄悄提醒你：這種魔咒般的黑科技，目前只能對微觀世界的基本粒子起作用。要用意念控制足球這樣的大傢伙，量子還做不到啊！
請注意，加不加攝像頭，是在光子已經穿過雙縫之後再決定的。不管光子在穿縫的時候變成什麼形態，過了縫應該就定型了。
既然光子的狀態在加攝像頭之前就定型了，為什麼實驗結果還是能在最後一刻發生變化？
難道說，在之後做出的人為選擇（未來），能夠改變之前已經發生的事實（歷史）？
而且，加攝像頭的速度，可以做到非常快（40納秒）。就算光子真的是個狡猾的微型變形金剛，當它變成波的形態穿過雙縫，在最後一刻卻發現面前是一個攝像頭時，它也來不及再次變身了吧？
「主觀決定客觀」「未來改變歷史」「外星人其實是無處不在的光子」……
好端端一個實驗弄得謠言四起，物理學家們紛紛感到幾百年來苦心經營的科學體系正在崩塌。
與之一起崩塌的，還有全人類的三觀。
量子魔法時代的大幕，正在徐徐拉開。
為了一隻貓的死活，100 年前的天才哲學家，學歷最高的足球運動員，撩妹無數的量子力學教授……他們都在糾結個啥？
另一些人，卻恰恰相反——他們做任何事，都是為了糾結，下面我要說的，就是另一些人的故事。
學歷最高運動員
1908 年夏天。
丹麥，哥本哈根。
一名足球運動員正在思考自己的前程。
23 歲，是時候做個決定了。比自己小兩歲的弟弟，已經成為國奧隊的中場核心。在剛剛結束的倫敦奧運會上，哈那德·玻爾率丹麥隊 17：1血洗法國隊，斬獲銀牌創造「丹麥童話」，一夜之間成為家喻戶曉的球星。
而我，作為丹麥最強俱樂部——哥本哈根 AB 隊的主力門將，居然從未入選國家隊，這簡直是一種恥辱。
國家隊大名單裡怎能沒有我？
教練說我什麼都好，唯一的弱點是喜歡思考人生。
上次和德國米特韋達隊踢友誼賽，對手竟敢趁我在門框上寫數學公式的時候，用一腳遠射偷襲，打斷我的思路！最後一刻不還是被我的閃電撲救解圍，要是後衛早點上去堵槍眼，那場球踢完就可以交作業了。
是成為世界最偉大的門將，還是成為世界最偉大的物理學家，這是一個問題，我需要糾結一下。
第一章裡我們講到，100 多年前，為了搞清光子究竟是波還是粒子，科學家們被一個貌似簡單的「雙縫干涉」實驗弄到集體「精分」。
這個實驗明白無誤地說明，光子既可以是波，也可以是粒子。
至於它到底是什麼，取決於你的 觀測姿勢 。
裝攝像頭觀測光子的位置，它就變成粒子；不裝攝像頭，它就是波！
我們曾經天真地以為，無論用什麼樣的姿勢看電視直播，都不可能影響球賽結果，可是在微觀世界中，這個天經地義的常識好像並不成立，這就是那麼多高智商理工男懵逼的原因。
但是在玻爾看來，將宏觀世界的經驗常識套用到微觀世界的科學研究上，純屬自尋煩惱。
通過常識，我們可以理解一個光滑小球的物理屬性；但是憑什麼斷定，組成這個小球的萬億億億個原子，也一定有著和小球完全相同的屬性？
憑什麼在微觀世界中，原子、電子、光子，一定要遵循和宏觀世界同樣的物理法則？
一般人糾結的問題無非是：量子世界的物理法則為什麼這麼奇怪啊……
只有天才，能夠直截了當問出關鍵問題：這些法則是什麼？
嚴格來說，量子理論是一群人，而不是一個人創立的。但是如果一定要選出一個「量子力學代言人」的話，我覺得非玻爾莫屬，因為當別人糾結的時候，他第一個想通了。
通過前面那些燒腦的實驗，玻爾總結了量子世界的三大基本原則：
態疊加原理
在量子世界，一切事物可以同時處於不同的狀態（疊加態），各種可能性並存。比如，在雙縫干涉實驗中，一個光子可以同時處在左縫和右縫。這種人類無法想象的疊加態，才是最普通不過的本質形態；而在我們看來「正常」的非黑即白，才是一種特例。
測不準原理
疊加態是不可能精確測量的。比如，精確測出了粒子的位置，但它的速度卻永遠測不準！這並不是因為儀器精度不夠高，其實，儀器再好都沒用。這個不可能是被宇宙規律所禁錮的「不可能」，而非「有可能但目前做不到」。
觀察者原理
雖然一切事物都是多種可能性的疊加，但是，我們永遠看不到一個既左且右、又黑又白的量子物體。只要進行觀測，必然看到一個確定無疑的結果。至於到底看到哪個態則是隨機的，其概率高低取決於疊加態中哪個態的成分居多。
這樣一來，實驗解釋起來就輕鬆多了：
「雙縫干涉」實驗的官方解釋：
沒裝攝像頭：光子在未觀測的情況下處於「多種可能性並存」的疊加態，以 50% 的概率同時通過了左縫和右縫，形成干涉條紋；
裝上攝像頭：光子被觀測後只能處於一個態，不能神奇地同時穿雙縫了，所以干涉條紋就消失了。
這就是目前量子力學教科書上的正統理論：哥本哈根解釋。
終於，一切都有了答案。
有了答案嗎？
因為完美解釋了雙縫干涉等靈異現象，玻爾一（四）夜（面）成（樹）名（敵）。
但小夥伴們卻紛紛表示：這個理論不僅反直覺反人類，而且 bug 點很多!
比如，沒有觀測時，光子是混沌中的疊加態；觀測的一瞬間，光子就變成了單一的確定態，請問兩種態是怎樣無縫切換的？
按照玻爾的說法，觀測的一瞬間，光子就隨機蛻變成多種可能中的一種，還把這個過程取名叫 「塌縮」 。具體怎麼個塌法，玻爾自己也說不清。
再比如，既然觸發「塌縮」的前提是「觀測」，那麼誰能夠成為合格的觀察者呢？
科學家、人類、一切生命體、還是包括人工智能在內的任何智慧形態？
眾說紛紜之際，給玻爾帶來致命一擊的，是一隻貓。
一隻貓的拷問
10 年前，正是薛老師親手寫下了量子波動方程，與矩陣力學、路徑積分一起，被後人並稱為量子力學的三大基石。
10 年後的 1935 年，對「哥本哈根解釋」的群起而攻之，薛老師打響了第一槍。
當時，幾乎所有人覺得「疊加態」是個純屬幻想的玩意兒，卻沒人能真正駁倒玻爾和他的哥本哈根學派。
因為，「態疊加」「測不準」「觀察者」無論這三大原理違和感多麼強，都被玻爾視作量子世界不可挑戰的公理。所謂公理，就像「兩點之間有且只有一條直線」，或者牛頓力學三定律一樣，是無法、也無須證明的宇宙基本大法。
在玻爾看來，物理學家的任務是透過現象找規律，而不是去質問上帝：你為什麼要把宇宙設計成這樣子？
而且，憑什麼微觀世界的宇宙法則，一定要和宏觀世界的生活經驗相符呢？
無懈可擊的玻爾之盾，也只有金槍不倒的薛定諤之矛能夠與之一戰。
「薛定諤的貓」 就是薛老師用來挑戰玻爾的頭腦實驗（以下實驗純屬想象、推理，沒有任何無辜的貓因此而被害）。
把一隻貓關在封閉的箱子裡。
和貓同處一室的還有個自動化裝置，內含一個放射性原子：如果原子核衰變，就會激發α射線->射線觸發開關->開關啟動錘子->錘子落下->打破毒藥瓶，於是貓當場斃命。
在這個邪惡的連環機關中，貓的死活直接取決於原子是否衰變；然而，具體什麼時候衰變是無法精確預測的隨機事件。
只要不打開盒子看，我們就永遠沒法確定，貓此時此刻到底是死是活。
刑具準備完畢，現在，薛老師對玻爾的拷問開始：
1. 原子啊、衰變啊、射線啊，這些都屬於你們整天研究的「微觀世界」，自然得符合量子三大定律，沒錯吧？
2. 按照玻爾你自己的說法，在沒打開盒子觀測之前，這個原子處於「衰變」+「沒衰變」的疊加態，沒錯吧？
3. 既然貓的死活取決於原子是否衰變，而原子又處於「衰/不衰」的疊加態，那是不是意味著，貓也處在「死/沒死」的疊加態？
原子衰變 = 死貓；原子沒衰變 = 活貓；疊加態原子 = 疊加態的貓。
所以，按照哥本哈根解釋，箱中的貓
