爱因斯坦有一个名言，这个宇宙最不可理解的地方就在于它竟然是可以理解的。我们竟然可以通过数学和物理的方式去去描述宇宙、预言宇宙。
上节课我们讲到，到了1900年，20世纪第一天的时候，开尔文勋爵——他也是热力学的一个大牛，做了一个演讲，他认为现在的物理学晴空万里，只有两件事情我们还不清楚，他把这个事情称为“物理学天空中的两朵小乌云”。
一个事情叫做迈克尔逊-莫雷实验，还有一个事情叫做黑体辐射。只不过当时人们就是没想到，这两朵小乌云，一朵就引起了相对论的革命，还有一朵引起了量子论的革命。整个经典物理学在一个非常戏剧性的情况下突然之间分崩离析，整个物理学大厦一下子全部倒下来了。
前面我们讲了其中一朵如何引发了相对论的革命，今天我们来讲量子论革命。这段波澜壮阔的革命时期，涌现出了很多物理学史上非常伟大的科学家。1900年，马克斯·普朗克研究黑体辐射问题，发表普朗克公式，提出能量不是连续的，成为量子论的开创性工作。
1913年，尼尔斯·玻尔对原子轨道进行量子化，提出新的原子结构模型。1925年，海森堡提出了一种可以从根本上解决量子化的矩阵力学。除此之外，还有狄拉克、德布罗意、费米、泡利、波恩、卢瑟福、居里夫人、洛伦兹等等，这些物理学家都是在这一时期做出贡献的人物。他们非常深刻地改变了物理学的面貌，这是物理学史上最传奇的年代，它的故事非常多，大家有空可以去看一下。【物理之美 精彩提要】
就像我们中学在物理课上学到的那样，传统的物理学是决定论的，就是说给定了某一个时刻的所有条件，你可以完全确定地算出下一个时刻的状态。比如老师告诉你在T=0的时候小球状态怎么样，你可以非常准确地算出T=1的时候这个小球状态是怎么样的。从牛顿开始，几百年以来，所有的物理学家都是这么认为的。
但是按照概率波的解释，量子力学带给我们的一个观念是，所有的物理都是不确定的。换句话说，哪怕我准确地算出了这个小球怎么运动，我也不知道N个时刻之后小球的位置在哪里。我只能用一种可能性，用一种概率来描述它，就是说这个小球可能有不同的运动方向，但是我只能告诉你某个方向它的可能性是最大的，某个方向可能性小一点，某个方向可能性更小。这个观点就在非常彻底的层次上改变了物理学的面貌。我们原来以为物理学是门非常精密、唯一的科学，但是现在量子论告诉我们，物理学的本质是什么，物理学不是告诉你会发生什么，物理学的本质是告诉你可能发生什么，这个可能性是怎么分布的。所以这就是对经典物理观的彻底破坏，它是比相对论在某种意义上更加彻底的一场革命。如果说相对论只不过是把你的三观颠覆了一下，量子论等于是把传统物理学的三观连着转了三个圈，然后再用一个大锤子彻底把它打成碎片。量子论离经叛道到什么程度，当时很多伟大的物理学家都不能接受量子论这个观点，代表人物就是爱因斯坦。他坚决不相信物理学是一种描述可能性的学问，所以他说过一句非常有名的话，叫做“上帝不掷骰子”。他认为物理学一定是确定的，逻辑严密的，一环扣一环的。当时爱因斯坦就和量子派的代表人物尼尔斯·玻尔进行了科学史上非常有名的长时间的争论。在玻尔看来，物理学是由实验决定的，如果实验认为上帝是掷骰子的，那么我们就必须认为量子论这种观点是对的。他也说了一句很有名的话，他说爱因斯坦你不要去指挥上帝应该怎么做，上帝不是说你喜欢它怎么样就怎么样，上帝自有它行事的逻辑。从这场争论到现在为止，我们确实做了很多实验，来看看上帝究竟掷不掷骰子。到今天为止，不管深层次的原因怎么样，至少从表面上看来，我们发现量子论确实是对的，就是上帝在表面上至少是一个掷骰子的上帝。所以量子论的这种观点虽然很奇特，但是至少今天我们不得不认为量子论这种观点确实是宇宙的本质，物理学可能是一个不确定的科学，它告诉我们的是概率。从今天回过头去看，我们认为量子论是一种关于态的理论，量子论最奇怪的一点就是认为一个物体的量子态是可以叠加的，叫做叠加态。打个比方，我们扔一颗骰子，但是我们把它罩住，不让看见。这个骰子状态是什么样的呢，它可能是1，可能是2，可能是3，或者是1，或者是2，或者3，或者4，或者5，或者6，这是经典的物理学的一种看法。量子论不一样，量子论认为这六个态是叠加的，换句话说它不是“或者”、“可能”的关系，它是一种“而且”的关系。
用量子语言来说，如果我们把一个骰子遮住，它的态是怎样的，它又是1，又是2，又是3，又是4，又是5，又是6，这六个态是叠加在一起的，量子论认为这个骰子是一个叠加态。
所以这就是量子论里面最不好理解的一个概念，它认为所有可能的情况都是互相叠加的，换句话说一个物体它同时具有所有的可能性，这种可能性的分布是怎样的，就按照我们刚才说的薛定谔方程。
量子论还有一种更加奇怪的东西，叫纠缠态，就是说两个量子态它可能是互相缠绕的。什么意思，我们打个比方。有两只手套，我们把它放在两个箱子里。但是我们不看，不知道哪个箱子里是左手套，哪个箱子里是右手套。这时候按照量子论的说法，每个箱子里的手套的态都是叠加的，它是左手套加上右手套的叠加，它又是左手套又是右手套。这两个箱子还处在一个量子纠缠态里面，哪怕你把箱子运到宇宙的两个边缘，它们之间离多少光年都是一样，只要一个箱子打开的时候，它的状态会瞬间地影响到另外一个箱子，这叫做量子纠缠。但是大家不要以为这听起来像一个神话，量子纠缠确确实实可以在实验中被测试到，而且有实用价值。大家可能听说过，最近有很多这样的发展，量子计算机、量子通信、量子加密，我国前几年也发射了“墨子号”量子通信卫星。还有一种叫做量子隐态传输，所有的这些前沿技术都是建立在刚才我们说的，量子叠加态和量子纠缠态这个基础之上的，你确确实实可以利用它来做一些事情。通信也好，加密也好，包括什么叫隐态传输，就是说我可以在不知道这个盒子里面的量子什么态的情况下把它复制，把它传送到另外一个地方。大家在科幻小说里肯定看到过，一个人走到这里，然后把我扫描一遍，把我分解掉，突然间传送到另外一个星球上面，量子隐态传输干的就是这个事情。量子论这个东西听起来非常奇怪，非常颠覆大家的常识，但是量子论对实实在在的技术推动是有很大作用的。现代科学两大支柱，相对论和量子论，相对论有一定实用，但是没有那么多实用。但是量子论确确实实改变了整个人类社会的技术。有人曾经做过一个估计，今天世界上的GDP有1/3都是和量子技术有关的，建立在量子论基础上的。最简单的，没有量子论，我们就不理解半导体的原理，就没有集成电路，没有电子学，我们今天任何电器，计算机什么的都没有。所以量子论虽然在自然哲学观上很奇怪，但它确确实实是推动人类社会技术进步的一个非常重要的动力，也是对人类社会改变最大的现代科学的一个东西。量子论还是20世纪早期的事情，现在物理学最前沿的研究在研究什么？经过2000多年的发展，物理学家发现，我们自然界中的所有现象都可以简化为四种力：引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。今天我们的物理学用广义相对论描述引力，用量子场论描述其他三种力。大家肯定会想，既然有三种力是同一种东西，没有道理说另外一种是特立独行的。我们物理学如果有终极目标的话，肯定是把所有的力都统一在一起。物理学现在就缺一个东西，就是把广义相对论和量子场论再拔高一步，发展出一种大统一理论，或者叫做万能理论的东西，现在这是物理学的一个终极目标。现在很热门的理论，大家可能听说过的超弦、M理论，就是进行这种大统一理论尝试的例子。超弦又有另外一个很奇怪的推论。平常认为宇宙是四维的，有三维的空间，还有一维的时间。但是在超弦看来，如果把最基本的单位看成一个弦的话，我们的宇宙就是十维的。很奇怪，十维怎么想象？为什么我们平时看到的只有四维呢？它认为有六个维度是被蜷缩起来的，平时我们看不见。有四个维度是开放的，三维空间和一维时间。这是一个最前沿的东西，我们就暂时提一提，大家理解说这是物理学家现在正在追求的目标，什么时候可以达到当然不知道，也有可能很快达到，也有可能遥遥无期，甚至人类整个历史都灭绝了也不一定能够达到这个理论。但是，我们还有一个问题，就算我们建立了大统一理论，难道物理学就结束了吗，或者说一切都完美了吗？我们又记得在20世纪初的时候，大家说物理大厦已经建完了，物理学的天空晴朗无边、万里无云，只有两朵小小的乌云，当然后来没想到这两朵乌云引发了革命。现在一百年过去了，我们把当初的物理学大厦彻底地摧毁了，我们重建了两座新的大厦，量子论、相对论，我们做了更多的工作。但是在21世纪初的时候，我们发现尽管做了这么多的努力，尽管物理学有了巨大的进步，但是现在天空遍布乌云，还不是两朵乌云，基本上看不到天。哪怕有了大统一理论，我们还是有着非常非常多不能解释的问题。
我随便举两个例子。暗物质，我们平时所以为的普通的物质在我们整个宇宙里只占4%点几，5%不到，暗物质占多少呢，23%。暗能量就更加多了，按照能量算的话，它占了整个宇宙的72%。这都是近20年来发现的东西。在20年里面我们对宇宙的认识发生了天翻地覆的变化，在20年前，我们几百年来所有的物理学都只研究了4%。霍金写《时间简史》的时候还根本不知道有暗能量这种东西，这是非常非常全新的一个认识。哪怕这个大统一理论完成了，它能不能解释暗物质、暗能量我们还是不知道，有可能我们需要全新的物理学。
这只是随便的一个例子，在现代物理学的上空，类似这样的乌云还有很多，就是说物理学还有非常多的我们还不知道的未知的领域，我们对人类、对这个宇宙奥秘的探索肯定还有很长的路要走。
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