炉匠：量子板凳的故事

量子板凳的故事

炉匠 

引言 量子力学这两年火了，多数微信读者都被科普了好几遍“幽灵般超距纠缠”， “薛丁格猫” “量子与意识”等等。而火了以后也出现了两极分化。科班出身的物理学家认为，量子力学是很高大上很神秘的科学，你要是不懂薛丁格方程，说量子这个词都不好意思。而市井商人则完全不管那一套，马上就有量子概念系列产品上市。咱们商人玩“信息，基因，纳米，互联网加”这些概念的时候，你们科学家还不知道在哪‘转筋’呢。

前日看到一篇关于“量子医学”的文章，分享该文章的物理学家很愤怒，呼吁大家举报并导致删帖。而我却认为鼓励举报和删帖本身是一种法西斯行为，正确的态度应该是指出文章错在哪里，这样读者就会增强抵抗假科普的免疫力。 我把文章贴近一个有很多科学家的群里，考考大家此文错在哪里。没想到大家都说错误很多，却又举不出到底哪句话是错的。 我把文章打开一看，却和大家观点完全不一样，觉得几乎大部分话没有错，错的只是在关键地方塞进一点私货。这也许是假科普的一个特点：先大量抄袭科学历史书的材料，然后再联系到日常生活中的阴阳，经络和中医， 最后讲为什么你该买我推荐的保健药营养品化妆品。

可是反思一下，我辈科学家在写科研基金申请的时候也是靠这个套路：先引用（抄袭）许多科学文献，然后再联系到自己的研究小领域，最后讲为什么应该给我这个小组研究经费。其实写基金申请也是科普，因为评审者很多不懂详细的问题，而说服对方给钱基本上就是忽悠了。既然真假科普都是抄的同一本科学书，用的是同样的营销艺术，认清真假就不简单了。我下面写的故事就是想白描一下现今的真假科普。

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板凳大家都坐过，但你是否知道量子力学的基本原理在支持着你，使你不会一屁股做到地上？

那么高大上的量子力学是怎样来支撑那猥琐得不见天日的屁股？好多物理学家说我根本不懂物理，就连一向严谨的美国高能物理学家W教授也说 “造个凳子不需要量子力学”。我们很多同学在小学甚至幼儿园里（我那时侯的幼儿园还不用针扎小孩）就学过，固体占有空间，不可压缩。如果把一个最简单的凳子（木块）放在屁股和地面之间，由于木块是固体不可压缩，因此就能支撑您的体重，不会一下坐到地上。

可是，支持你屁股的东西真的不是物质，而是虚的，量子力学的基本原理。因为即使是固体，里面绝大部份是也空的，比如一个凳子里的所有“物质”，包括质子中子和电子，放在一起还没针尖那么大。 是量子力学的规矩让原子核们分得开开的，即有距离而又不能互相脱离远去。 这样撑起的“气场”构成了固体。

来点具体事实：木头的主要成分是碳，碳原子的直径约70 皮米（万亿分之一米），而这个70皮米直径的球里几乎完全是空的，中心只有一个1 费米那么大的原子核（费米是千分之一皮米，见图一）。举个栗子来说明原子有多空： 假如原子像个700米直径的大广场，那么里面的原子核只有个樱桃那么大（1厘米）。因此，在一个原子里只有大约百亿分之一是低能物理定义下的固体，其他部分都是空的。那空的地方是什么？是量子力学的“规矩”， 在教科书里很实用主义地称之为“电子云”。电子云不是物质，而是电子的花样。在两个原子核之间，左边的原子核撑起一片电子云，右边的原子核撑起另一片电子云，两个云互相交汇形成一个花样，就像两个武林高手，站在一个大广场的两端，左边那个摆个姿势，右边那个摆个姿势，中间的距离和力量就定了。在化学里，电子云的分布也叫“化学键”。我们知道化学键是非常结实的，决定了固体不能被压缩的性质，同时，想拉断化学键，也需要很大的力气。就是说，两个武林高手摆的姿势即不让他们互相靠近，也谁都不能离开。因此，量子力学的规矩支持了电子云的形状，电子云的形状决定了固体占有空间。规矩完全是空的，根本没有物质。

图一 原子（灰色团）和原子核（插图里的彩色点）的尺度比例。原子核是原子直径的十万分之一。图中灰色表示电子云，越黑表示电子出现的几率越高。从中心到外周灰色越来越浅，表示电子主要出现在离原子核比较近的地方。

原子里面是空的，教科书里都说是外国老头卢瑟福(Ernest Rutherford)发现的，可我邻居王大爷说这道理中国人发明的，在电视剧里唐朝那会儿就有“四大皆空” 的说法嘛！他说作为中国人我们一定要有理论自信，不能崇洋媚外。本来是中国领先几千年的事，非要说是外国人发现的，这种思想要不得。

王大爷是我们小区的首席科学家。他也是教授，曾在某大学进修得了学位，后来在好几所大学里演讲，当过“特聘教授”。他当年练“宇宙信息功”时候就出名，给多位首长表演过特异功能，还给几位首长发过功保健。后来他搞基因产品捞到第一桶金。再后来生意挫折后改卖纳米美容水，生意火得不得了，小区里好多子女周末回家前都要顺便在楼下买几箱孝敬老人。好多老人也反映说喝了特管事，顺气，通便。每天晚上跳舞之前，王教授都要讲个科普报告，被女粉丝围得水泄不通。特别是说到“科学家费尽全力爬上山顶，而佛学大师早就一个筋斗云上去了”的时候，周围跳“小苹果”大妈的眼里全都崇拜得放电光。

王教授今年初搞了个概念股，要承包区里几个部门之间的量子保密干线。后来听说那工程关乎国家安全，必须是上面有特硬的人才能干。大爷立马改了，卖“量子经络水” 说是‘哈佛诺贝尔奖科学家’多年心血开发出来的。“一滴水里的量子状态比整个宇宙的原子都多”。这么大量的信息量整合到经络里，可以让人的阴阳完美调和。 阴阳调和可以把病消灭在没有发生的时候，中医叫“治未病”。小区里好多大妈喝了量子水都认为比纳米水更好使。

我觉得王教授的科普几乎每句话都有道理，有些科学上不严格的话也是可以原谅的，但是把这些话凑到一起，问题就多了。比如他说“治未病”这个概念确实很好，让小区里的邻居们多喝水也是善念。但为啥要打搅纯洁的量子力学呢？

我虚心向王教授请教过，他说这是心理学问题。“现在咱们做强国梦，国家大力提倡科学。你看咱们小区里那些科研人员多风光。整天忙得脚不沾地，每天孩子上学都要雇门口爬着的黑车（指非法等人的私人出租车），周末到大超市一车一车地买东西。”大爷慢悠悠地喝了一口茶，“可院子里的老年人呢，看着年青人的疯狂，自己却闲的没事，而且青春不在。跟风科学，和赶时髦一样可以增加点自信心”。“我们靠科普卖产品的，就是利用这种心态”。“比如你给老人家买一箱纯净水，她可能一天都想不起喝一口。可你说这是高科技的量子水，卖的不便宜，且必须一天三次一次一杯的喝才管用。 这样她就认真了，不但自己喝还向院子里的老头舞伴推荐。” 我有点愤怒了，这不是宣扬迷信坑人钱吗？王大爷斜了我一眼“你也在市面上混过几十年了，怎么长不大，一出口还是文革语言？”。

 说着他的语气就不那么平和了，“你们科学家就不迷信？你讲得那个卢瑟福的‘正经科学’，故事里一个关键人物叫鲍林（Linus Pauling，图二)，一辈子研究电子云，一人独得两次萝卜儿奖，最后老了迷信什么？每天吃十克维生素C！吃维生素是我们玩剩下的概念，还不如喝水呢。喝水可以增加肾血流，防止肾衰竭，而吃大量维生素C对肾有害，增加肾结石。”说着大爷兴奋起来了：“维生素，脑白金，深海鱼油，都是抄袭外国的概念。水保健品系列也是从日本先开始的。可是量子信息保健品系列则是我们中国人发明的，我们有全部的知识产权，这点完全是世界领先”。“你不是说是哈佛研究出来的吗？”我提起他的广告词。“哈佛的那是原理，我这个是产品，两码事！看来你真是读书读傻了。”

图二，鲍林和他的晶体模型，球是原子，棒是电子云。鲍林从面相上一看就是个神神叨叨的家伙，一天十克维生素C催的。

            为啥在王大爷的假科普可以完胜我的真科普？因为王大爷讲的是鼓舞人心的理念，前天是“水分子知道”昨天是“纳米概念”今天就是“量子信息水”了。而我讲得卢瑟福那套完全是一个实验接另一个实验，枯燥无味的证据链。等着跳舞的邻居们当然喜欢鼓舞人心的理念，而不喜欢听又臭又长的证据链啦。所以，王大爷说的“四大皆空”比起卢瑟福说的四大皆空，更能鼓舞人，虽然中间缺少个证据链。

最后，不管我的邻居们喜欢不喜欢，我还是想把卢瑟福的故事写在下面，满足一下扣证据链的死心眼们。

当年老卢的实验室来了个年青学生找活干，老卢看不上眼，就让这个学生做用放射性粒子轰击金箔的实验。按老卢当时的想法，这实验是不会有好结果的。因为当时主流科学认为原子的中心不是空的，质量均匀分布，所以每处都不强。 而放射性粒子却是非常重的，应该能完全穿透质量均匀稀薄的原子。就像用炮弹打一层纸。可是实验结果却完全出乎意料，虽然大多数“炮弹”穿纸而过，却有少数不可思议地被“纸”挡了回来。这就是历史上著名的“金箔实验”，我小时后听这故事的时候老问为什么要用贵重的黄金，我爸说金的延展性好，可以压成几乎透明的薄膜而不出破洞。

金箔实验的结果让老卢思考，结论是原子里绝大部份是空的，而质量只集中在中心很小的原子核里（图三）。因此他和波尔提出了所谓太阳系模型。后来，这模型被量子力学改进，认为电子不是围着原子核转，而是无处不在地形成花样，有点像现在的大数据地图，画出你一年所在的位置，会形成一个围绕住地，单位，商场等地的花样。这个花样只能告诉人你最可能出现在哪，却不能给出你现在的确切位置。

按波尔的说法，电子云是量子化的，就是只能存在一定的花样，从一种云跳到另一种云，不能连续变化。这样就解决了一个困难。因为按照电动力学的说法，如果电子像行星绕太阳那样旋转，就会不断辐射出能量。这样旋转的动能就会逐渐损失，最后落到原子核里。而如果是量子化的电子云花样，就没有中间道路，永远存在不会辐射出能量。电子云变换花样需要能量，这能量是普朗克常数的倍数，是个量子力学的经典公式，也称普朗克-爱因斯坦关系，或（delta E = hv）。我们老师字正腔圆地读成“德尔塔意等于爱吃牛”。

卢瑟福-波尔模型可不是像庄子-墨子那样雄辩出来的，而是有一系列明确的实验证据。比如上面提过的那个鲍林，他研究的是晶体。晶体是固体，里面的原子整齐排列，就像大阅兵时的方阵。这就提供了直接测量原子之间距离的方法。用X光照射晶体，光过晶体后产生的衍射条纹可以直接用尺子量，然后根据条纹的间距推算出原子间的距离。然而鲍林得奖的主要贡献还不是X光晶体学，而是电子云的“s-p杂化”花样。这花样直接推动了五十年代兴起的生物大分子研究。鲍林1930年代在康奈尔大学教书，把讲稿编成一本书，叫“化学键的本质”几十年过去了，到我上学那会儿同学们还像读圣经那样读，没这块知识根本别想出来混。

通过和王大爷（教授）的讨论，我似乎有些迷茫，为啥真假科普的套路竟然是一样的？有人说真假的区别在于是否以盈利为目的。 但今天科学知识也被大量消费，与消费保健品化妆品的界限是模糊的，连消费好莱坞大片也靠科普卖坐，而且知识也是错误百出，比王大爷有过之而无不及。王大爷曾经几次暗示我跟他一起创业，可我觉得还不如加入学校里科学家的创业团队呢。虽说创业99%靠忽悠，可至少创业的科学家还是科班出身的，科普时犯的错误会少些。我错了，王大爷有多年成功经验，而科学家们还是创业的菜鸟。 

图三 金箔实验。左上，如果原子核内质量均匀分布，则放射性粒子会全部透过去。如左下的结果。而如果原子内是空的，质量集中在很小的空间里，则这个小空间就有足够的的质量把alpha粒子挡回去，如右上所示。实际的实验观察（右下）验证了右上的模型。