猫.爱因斯坦和密码学:我也能看懂的量子通信

如果你完全不懂量子力学，请放心大胆地往下看，我保 证不用任何公式就能让你秒懂，连 1+1=2 的幼儿园数学基 础都不需要。 如果你自以为懂量子力学，也请放心大胆地往下看，我保证你看完会仰天长叹:什么是量子力学啊?!
正如量子力学大师兼撩妹大师理查德·费曼的名言:“从前，据说世界上只有 12 个人懂相对论— 我可不信。也许曾经只有 1 个人懂相对论，但当人们看了他的论文 以后，懂的人肯定不止 12 个。然而另一方面，我可以有把 握地说没有人懂量子力学。 —换句话说，谁要是觉得自己彻底搞懂了量子力学， 那他肯定不是真懂。 在烧脑、反直觉和“毁人三观”方面，恐怕没有任何学科能够和量子力学相比。如果把理工男*爱的大学比作霍格沃兹魔法学校，那么唯一可以和量子力学专业相提并论的，只能是黑魔法。 然而，量子理论之所以看上去如此神秘，并不是因为物理学家的故弄玄虚。其实，在量子理论诞生之初的摇篮时期， 它原本只是一门人畜无害的学科，专门研究电子、光子之类 的小玩意儿。而“量子”这个现在看来很牛的名词，本意不 过是指微观世界中“一份一份”的不连续能量。 这一切，都源于一次物理学的灵异事件...... 百年战争 20 世纪初，物理学家开始重点纠结一个其实已经纠结 了上百年的问题: 光，到底是波还是粒子? 所谓粒子，可以想象成一颗光滑的小球球。每个粒子有确定的位置和速度，运动时直线前进，相撞时会按一定角度反弹。每当你打开手电，无数光子就像出膛的炮弹一样，笔直地射向远方。很多著名科学家(牛顿、爱因斯坦、普朗克、康普顿) 做了很多权威的实验 a，确凿无疑地证明了光是一种粒子。
比如，就拿让爱因斯坦得诺奖的经典光学实验“光电 效应”来说吧。人们发现，光照到一块金属上，金属的表面 居然会产生电流;而且更诡异的是，这种现象对光的强度完 全无感，只与光的频率有关。如果频率不够，无论用多强 的光照射金属板，光电效应都不会发生;反过来，只要光频 率刚刚越过一个门槛值，再微弱的光线都可以触发光电效应， 只不过产生的电流比较小而已。 今天看来，这是一个非常简单的实验，简单到被写进高 中物理教科书，成为高考物理卷的必考知识点，当年却让众 多科学大佬一筹莫展。电子吸收了光能，挣脱原子核的电磁力束缚跑来，从而形成了电流 —这部分很容易理解; 但是，你怎么解释“频率门槛”的事情?按理说，更强的 光可以给电子提供更多能量，延长光照时间应该也可以攒下 足够的能量形成电流，可这两种预想中的场景在现实中偏偏从未发生。 如果把光看作一种波，一种连绵不绝、可以无限细分的能量，那么这个问题恐怕永远无解。**个想通的还是当之无愧的爱因斯坦大神:每个电子只能吸收 1 个光子的能量， 一旦这个光子的能量(和频率成正比)足够逃脱原子核的囚 笼，电子就能“越狱”成功，否则只能把这份能量物归原主。 更多的光子(光强)和更长的照射时间对单个电子而言毫无 意义，因为它并不能攒下两个光子! 既然光都能分成一个两个的光子，那它自然只能是粒子 了— 这种“异端邪说”立刻引爆了学术界，因为在光电效 应之前，已经有很多比当年 26 岁的爱因斯坦更著名的科学家(惠更斯、托马斯·杨、麦克斯韦、赫兹)做了很多更权 威的实验，确凿无疑地证明了光是一种波，电磁波。
所谓波，就像往河里扔块石头，产生的水波纹一样。如果把光看作一种波，可以完美解释干涉、衍射、偏振等经典光学现象。 既然有的专家认为光是粒子，也有的坚信光是波，那么我们可以轻松得出结论:光既是波又是粒子。好的，本集内容到此结束，感谢您的阅读，我们下集再见...... 千面之神 说到信仰，我且问你:《权力的游戏》中，信奉七神 的维斯特洛人民，为何偏要与信奉旧神的野人拼个你死 我活? 古往今来，人类为了信仰争端大开杀戒，早已不足为奇。 在这方面，西方唯一的和谐社会可能是古希腊:他们的神多 达百八十号，有的管天上，有的管地下，还有的专管“啪啪 啪”，各路神仙各司其职，倒也井水不犯河水。人称:希腊众神要命的是，科学家信仰的神只有一个，而且是放之宇宙而皆准的全能大神。 这位神祇的名字，叫作真理。 大到宇宙的诞生，小到原子的运转，科学家相信，这个世界的万事万物都是基于同一个规律，可以用同一个理论，甚至同一套方程解释一切。 比如，让苹果掉下来把牛顿砸晕的是万有引力，让月亮悬在太空中掉不下来的也是万有引力;用同一个方程，既能算出地球的质量，也能让马斯克的“猎鹰 9 号”火箭上天， 这就是科学的威力。 什么?想要一个宇宙、两种规律? 对不起兄弟，别在科学界混了，您可以去跳个槽。当然，科学界也没有谁敢自称真理代言人，就连牛顿谦虚起来都是这样的:“我只是一个在海滩上捡贝壳的孩子，而真理的大海，我还没有发现啊!” 就算是捡贝壳，捡得多了，说不定拼到一起就能窥见真理之神的全貌呢! 整个科学史，就像一个集卡拼图的过程。做实验的每发现一个科学现象，搞理论的就绞尽脑汁推测它背后的运行规律。不同领域的大牛把各方面的知识、理论慢慢拼到一起，真理的图像就渐渐清晰。 在 20 世纪初，光学的知识储备和数学理论越来越完善，大家觉得，这一块的真相总算有希望拼出来了— 结果却发现，波派和粒派的理论早已背道而驰，还各自越走越远。 就好比你集了一辈子卡片，自以为拼得差不多了，这时突然发现，你拼出的图案居然和别人的完全不一样，而且差得不是一点点! 是不是有种把对方连人带图砸烂的冲动? 当时波派和粒派都坚信，自己手上的拼图，才是唯一正确 的版本。双方僵持不下，直到 1924 年，终于有人大彻大悟：波 or 粒，为什么不能两者都是?
也许在某些时候，粒子看起来就像是波;在另一些时候， 波看起来就像是粒子。 波和粒的性质如同阴阳一般相生相克，就像一枚硬币的 正反两面(波粒二象性)，只不过我们一直以来都在盲人摸 象、各执一词。 按照“波粒二象”的理论，与其说光“既波又粒”，倒 不如说它既非波也非粒，它只是恰好在某些时候表现出了和 我们刻板印象中的波 / 粒相同的行为而已。就像这个在不同方向上同时投影出方和圆的东西，它并不是方形和圆形的混血儿，而是在二维世界生活已久的平面国居民曾经无法想象的新物种:圆柱体。 真理确实只有一个，但是真理的表现形式，会不会有多个版本?难道真理就是那个千面之神，用千变万化的面目欺骗了我们如此之久? 果真如此的话，那个藏在面具背后的本尊又是谁呢?