什麼是量子力學？這門大學畢業的成年人聽起來都恍若天書的學問，孩子們竟然看得懂？科普作家李淼認為，只要有能力並掌握了方法，完全可以做到。運用自身的專業知識，並將知識變成任何人都可以聽得懂的故事和看得懂的書，作者確實做到了。
很多小朋友應該都看過Facebook 創始人扎克伯格給他的女兒講量子力學的那張照片。扎克伯格在清華大學經濟管理學院做演講時，談到學習量子力學對他思維方式產生的巨大幫助。因此，清華經濟管理學院的錢穎一院長當場表示，要把量子力學列入他們學院的正式課程。
可能有些小朋友會好奇了：什麼是量子力學呢？一個由量子力學主宰的世界，到底是什麼樣的？下面，我就帶領大家開啟一場量子世界之旅。
在遨遊神奇的量子世界之前，我要先回顧一下經典世界，也就是我們日常生活的世界。在20 世紀以前, 我們對經典世界的認識主要來自於牛頓爵士，他是人類歷史上最著名的兩大科學家之一。
牛頓的早年生活相當悲慘。他出生在英國的一個小村莊。在他出生前3 個月，他爸爸就去世了。3 歲那年，他媽媽又結了婚，牛頓被交給外婆撫養。牛頓怨恨媽媽遺棄了自己，甚至曾經想放火燒掉繼父家的房子。直到他10 歲那年繼父也過世了，媽媽才搬回來與他同住。16 歲那年，媽媽讓他輟學，好幫家裡幹農活。幸好中學校長特別愛才，專門跑到他家去遊說，說像他這麼聰明的孩子，不讀書實在太可惜。再加上他的舅舅也表示會在經濟上幫忙，牛頓才重返校園。我們應該感謝這位了不起的中學校長：要是沒有他，牛頓爵士就得一輩子修理地球了。
牛頓18 歲那年考上了劍橋大學三一學院。這是全世界最有名的學院之一。小朋友們應該知道，世界上有一個很了不起的大獎，叫諾貝爾獎，它包括物理、化學、生理學或醫學、文學、和平和經濟學六大類。迄今為止，劍橋大學三一學院的師生已經拿過32 次諾貝爾獎。要知道，整個亞洲，48 個國家，40 多億人口，加起來也只拿過不到30 次諾貝爾獎。不過，拿了這麼多次諾貝爾獎並不是三一學院聞名遐邇的主要原因。讓這個學院名動天下的真正原因是，這裡出了一個牛頓。
牛頓22 歲從劍橋大學畢業，那年英國爆發了一場大瘟疫，牛頓就回到自己家的農莊避難。在避難的那兩年，他做出了三項影響後世數百年的偉大發現，分別是微積分、光譜學和萬有引力。牛頓之所以能創造這樣的奇蹟，一個很重要的原因就是他特別用功。比如，有一次他請朋友到家裡吃飯，朋友來了以後，卻發現牛頓正在書房裡廢寢忘食地工作。朋友左等右等也不見他出來，就自己吃掉了一隻雞，留下一堆骨頭後離開了。牛頓從書房出來，看到盤中的骨頭後恍然大悟地說：「我還以為自己沒有吃飯，原來早就吃過了」。說完，他又回書房工作去了。
兩年後，牛頓重返劍橋，並於26 歲時當上了第二任盧卡斯數學教授。此後，牛頓的人生一直順風順水：29 歲被選為英國皇家學會的院士，46 歲當選為英國國會議員，56 歲當上英國皇家造幣廠的廠長，60 歲成為英國皇家學會的院長。牛頓是歷史上第一個被封為爵士的科學家，也是有史以來第一個享受國葬待遇的科學家。在他死後，一位詩人專門寫了一首歌頌他的詩，詩裡寫道：「自然規律隱藏在黑暗之中。上帝說『讓牛頓去吧』，然後世界就有了光明。」
為什麼牛頓爵士會獲得如此高的聲譽？因為他寫了一部非常偉大的學術著作，叫《自然哲學的數學原理》。左頁的圖就是這部著作第一次出版時的樣子。
在這部著作裡，牛頓爵士建立了一門全新的學科，叫經典力學，也叫牛頓力學。其核心是牛頓三定律和萬有引力定律。
牛頓第一定律說的是，如果沒有外力，物體會一直保持它原有的運動狀態。小朋友們在日常生活中經常會有這樣的體驗：你在家裡打遊戲打得正高興，媽媽突然讓你到外面去做運動，你肯定會覺得很煩；又如，你在外面玩得正開心，媽媽突然叫你回家吃飯，你肯定也會不願意。類似的，一個靜止的物體，你要是不去推它，它就會一直不動；而一個在真空中運動的物體，你要是不去攔住它，它就不會停下來。在物理學上，我們把物體想要保持原有運動狀態的特性叫做慣性，所以牛頓第一定律也叫慣性定律。
牛頓第二定律說的是，力能改變物體運動的速度。我們可以想像，一個靜止的物體，你推它一下，它就會動起來；而一個運動的物體，你把它抓住，它就會停下來。還有一點很關鍵：質量越大的物體，要改變其運動狀態就得花更大的力氣。舉個例子：有一輛玩具小汽車朝你開過來，要想讓它停下來，你只需伸手抓住它就可以了。但如果是一輛真正的汽車朝你開過來，要想使它停下來，一般人肯定做不到，得超人這樣的超級英雄才行。我們可以將牛頓第二定律看成是一個懶人的定律：越懶的人，他的惰性就越大，改變起來也就越難。同樣，越是質量大的物體，慣性就越大，改變起來也就越難。
牛頓第三定律是說，如果你對物體施加一個作用力，就會受到物體給你的一個大小相等、方向相反的反作用力。舉個例子，很多小朋友，特別是男孩子，都喜歡拍皮球。當你拍皮球的時候會感到手疼。這是因為在拍球的時候，你的手對皮球施加了一個力，而皮球反過來也會給你的手一個大小相等的反作用力。你拍得越用力，手就會越疼，這是因為皮球給手的反作用力也相應變大了。
除了這三條運動定律，牛頓爵士還發現了一條關於力的新定律，叫萬有引力定律。它說的是，任何兩個有質量的物體之間都存在著一種彼此吸引的力，其大小與兩個物體質量的乘積成正比，而與兩個物體間距離的平方成反比。這種力普遍存在於整個宇宙。比如，讓成熟的蘋果從樹上掉下來的就是這種力。再比如，讓月球繞著地球轉，以及讓各大行星繞著太陽轉的也是這種力。這種無處不在的吸引力被稱為萬有引力。
這幾條定律都很簡單，對不對？但你可不要小看這幾條簡單的定律。用它們，我們可以預言太陽何時會從東方升起，也可以預言月亮什麼時候盈，什麼時候缺。而且這些預言能精確到分、秒，甚至更短的時間。在宏觀世界，也就是我們日常生活的世界中，大到日月星辰，中到江河湖海，小到柴米油鹽，全都可以用牛頓爵士發現的這幾條定律來精確地描述。
由於牛頓力學的巨大成功，20 世紀前的科學家普遍相信，牛頓三定律和萬有引力定律就是主宰整個宇宙的終極真理。其中的代表人物就是法國著名數學家、物理學家拉普拉斯。
拉普拉斯在18 歲那年帶著一封推薦信去了巴黎，想要見著名科學家達朗貝爾一面。達朗貝爾把他當成一個小毛孩子，讓他吃了閉門羹。拉普拉斯就把一篇自己寫的論文寄給了達朗貝爾。達朗貝爾看了論文後態度發生了180°的大轉彎，不但馬上見了拉普拉斯，還主動表示要當他的教父，後來甚至把他推薦到一個軍事學校去教書。所以，當你足夠優秀的時候，最好的推薦人其實就是你自己。
在那個軍事學校裡，拉普拉斯和一個矮個子的學生結下了不解之緣，他就是日後威震歐洲的拿破崙將軍。隨著拿破崙一步步地登上法蘭西權力之巔，拉普拉斯也跟著飛黃騰達起來。拿破崙稱帝的時候，他甚至被委任為法國的內政部長，相當於中國的公安部長。可惜，拉普拉斯雖然搞科研是一把好手，搞行政卻是一個十足的飯桶，只在內政部長的位子上幹了短短六個星期，就被忍無可忍的拿破崙免了職。
拉普拉斯是牛頓力學的忠實信徒。他曾說過，我們可以把宇宙現在的狀態視為其過去的果以及未來的因。如果一個智者能知道某一時刻所有的力和所有物體的運動狀態，那麼未來就會像過去一樣出現在他的面前。這個拉普拉斯口中全知全能的智者，後來被人稱為「拉普拉斯妖」。而這種認為牛頓力學強大到足以決定未來的觀點，被稱為決定論，在20 世紀以前一直是學術界的主流觀點。
關於決定論的盛行，最好的例子就是拉普拉斯本人的故事。他用牛頓力學計算了太陽系中所有行星的運動，然後寫成一本叫《天體力學》的書，獻給了登基的拿破崙。拿破崙看了書後問他：「你這本書講的全是天上的事，為什麼一個字都不提上帝？」拉普拉斯回答：「陛下，在我的理論裡，不需要假設上帝的存在。」
不過，到了20 世紀以後，科學家們發現，牛頓力學其實只適用於我們日常生活的宏觀世界，放到尺度特別小的微觀世界就行不通了。
小朋友們來跟我做一個簡單的思想實驗。一塊石頭，用錘子敲碎後會變成小石塊；這個小石塊也可以被敲碎，變成更小的石塊。就這麼一直敲下去，最後會敲出一個最小的石塊，之後無論你怎麼敲，都無法再分割它了。這個最小的「石塊」就被稱為原子。原子的概念，古希臘人早在2000 多年前就已經提出了。不過古希臘人所說的原子，完全是一種哲學上的思辨。最早從科學上闡述原子概念的人，是著名的奧地利物理學家玻耳茲曼。
講一個關於玻耳茲曼的趣事。玻耳茲曼是一個很奇怪的老師，他上課時不喜歡往黑板上寫東西，而是在講臺上一個人哇啦哇啦地講個不停。有學生向他抱怨說，老師，你以後得在黑板上寫公式，光講不寫我們都記不住啊。玻耳茲曼一口答應了。但到了第二天，他又在課堂上滔滔不絕地講，最後還總結道：大家看這個問題，就像一加一等於二那麼簡單。然後他突然想起自己上次對學生的承諾，於是拿起粉筆，在黑板上工工整整地寫上了「1+1=2」。
玻耳茲曼一直相信世界是由原子構成的，並以此為基礎創立了一門叫統計力學的學科。不過在那個年代，大家普遍不相信原子論，所以，在學術上，玻耳茲曼有一大批反對者。這些人常年攻擊原子論，甚至直接攻擊玻耳茲曼本人，這讓他感到很痛苦。玻耳茲曼曾感慨他是「一個軟弱無力地與時代潮流抗爭的人」。但玻耳茲曼並非孤軍奮戰，有一個年輕的德國科學家也站在他這邊。不過玻耳茲曼心高氣傲，覺得支持他的德國人是個無名小卒，根本看不上眼。然而，這個德國科學家不是別人，正是日後被稱為「量子論之父」的普朗克。
現在的科學研究已經證明，原子的確是存在的。但它的尺寸非常小，只有1 米的100 億分之一。它到底有多小呢？假如地球上的所有人都變得和原子一樣小，把他們一個個地摞起來，最後還不如一個身高1 米的小朋友高。不過原子也不是最基本的粒子。在原子內部的中心，有一個帶正電的原子核，它的大小只有原子的10 萬分之一；而在原子核外面，還有帶負電的電子，它們的尺寸更小。
我們已經說過，世界上的物質都是由原子構成的。除了原子外，還有一種常見的東西，那就是光。科學家早在19 世紀就已經發現，光其實是一種以光速傳播的波。什麼是波呢？波是某種東西在傳播過程中振動的現象。比如，水波是由水的振動而產生的。再比如，聲波是由空氣的振動而產生的。波也有能量：其頻率越高，或者說波長越短，波的能量越高。
在前面那張圖中，中間有顏色的部分是我們眼睛可以看見的光，叫作可見光。雨後的天空經常會出現美麗的彩虹，它有赤橙黃綠藍靛紫七種不同的顏色。可見光的頻率範圍，就介於紅色光和紫色光之間。其中紅色光的頻率最低，波長最長，能量也最低；紫色光頻率最高，波長最短，能量也最高。比紅色光能量更低的是紅外線，利用紅外線可以製成夜視儀，遙控電視機、空調。比紅外線能量更低的是微波，它可以用來加熱物體。我們家裡用的微波爐，就是利用了微波能加熱物體的特性。還有比微波能量更低的，那就是無線電。我們的電視、廣播、手機和無線網絡信號，都是用無線電來傳輸的。
剛才說的都是能量比較低的光，下面來說說能量高的。比紫色光能量更高的是紫外線。如果我們長時間在外邊曬太陽的話，皮膚就會被曬傷，而曬傷我們的就是紫外線。比紫外線能量更高的是X 射線。X 射線的穿透本領很強，我們到醫院體檢拍X光片時，用的就是X 射線。比X 射線能量更高的是γ 射線。γ 射線的能量非常高，所以可以當是一種特殊的手術刀，來給病人做手術。
我們剛才說過，科學家早在19世紀就已經發現，光是一種以光速傳播的波。但在1900 年，我們前面提到的普朗克有了一個驚人的發現：物體熱輻射所發出的光，其能量並不連續，而是一份份的，大小等於光的頻率乘以一個很小的常數，叫普朗克常數。我們所說的「量子化」，其實就是指這種物理量本身不連續、總是一份份分布的特性。換言之，在量子世界裡，物理量總是存在著一個最小值，無法像在經典世界中那樣，直接趨於零。這個偉大的發現開啟了通往量子世界的大門，普朗克因此獲得了1918年的諾貝爾物理學獎。
有一個關於普朗克的趣事。普朗克獲獎以後，經常被邀請到各個大學去做演講。由於報告內容都是一樣的，久而久之，他的司機也能講出來。有一次，司機和普朗克說，你的報告我已經倒背如流了，乾脆下次演講讓我去吧。普朗克答應了。於是下一次演講時，司機就頂替普朗克上臺做報告，並且很順利地完成了。但在接下來的觀眾提問環節中，有個觀眾問了個技術問題，直接把司機給難住了。幸好司機反應很快，回答道：「這個問題很簡單，連我在臺下的司機都能回答，讓他來和你講吧。」然後坐在臺下的普朗克就上臺救了場。
1905年，大物理學家愛因斯坦在人類理解量子世界的道路上又向前邁進了一步。他指出，光其實也是一種粒子，叫做光子。
我們給大家講過，人類歷史上有兩位最著名的科學家。其中一位是牛頓爵士，另一位就是愛因斯坦。與牛頓爵士類似，愛因斯坦的早年生活也很不順。愛因斯坦出生在德國的一個猶太家庭，他為了不在德國軍隊裡服役，跑到瑞士去考大學。結果第一年高考時落了榜，到第二年他才考上蘇黎世理工學院。愛因斯坦比較恃才傲物，在大學期間經常不去聽課。更糟糕的是，那時的大學課堂不像現在，講大課的時候，一個教室裡有幾十甚至上百個學生，所以你不去，老師可能也發現不了。但在愛因斯坦上大學的時候，一個教室裡只有10 個學生，你不去，老師一抓一個準。由於愛因斯坦經常不去上課，他的老師們都對他很不滿。當時他們物理系的系主任韋伯，就曾批評愛因斯坦不喜歡聽從他人的意見。這導致了一個很嚴重的後果，就是愛因斯坦畢業的時候，沒有在大學裡找到工作。
大學畢業後的兩年，愛因斯坦過得相當艱難。他曾經在中學教過課，給小孩子做過家教，甚至還當過一段時間的無業游民。後來靠一個大學好友的父親幫忙，才在伯爾尼專利局找到了一份穩定的工作。這份工作薪水不高，但比較空閒，這樣愛因斯坦就有時間從事他心愛的物理學研究了。
到了1905 年，原本默默無聞的愛因斯坦突然進入人們的視野，他在一年之內做出了三項震驚世界的重大發現，分別是狹義相對論、布朗運動和光電效應。由於愛因斯坦的神奇表現，後來人們把1905 年稱為「愛因斯坦奇蹟年」。在愛因斯坦的三大發現中，光電效應是人類在理解量子世界的道路上邁出的第二步，愛因斯坦也因此獲得了1921 年的諾貝爾物理學獎。
——本文選自李淼著民主與建設出版社《給孩子講量子力學》，詳細精彩內容請讀原著。