本文來(lái)自微信公眾號：原理（ID：principia1687），作者：Javier，題圖來(lái)自：pixabay
一
在1958年出版的《物理學(xué)與哲學(xué) : 現代科學(xué)中的革命》一書(shū)中，維爾納·海森堡講述了他與尼爾斯·玻爾進(jìn)行的那些徹夜長(cháng)談后，他是如何不斷地對自己說(shuō)：“自然真的有可能如此荒謬嗎？”
自馬克斯·普朗克在1900年12月14日創(chuàng )立量子理論以來(lái)，物理學(xué)家一直對量子力學(xué)中的種種發(fā)現感到困惑。因為量子世界看起來(lái)是如此的不合常理，以及如此的有違直覺(jué)，以至于半個(gè)多世紀后的1964年，理查德·費曼說(shuō)出了關(guān)于那句著(zhù)名的：“沒(méi)有人真正理解量子力學(xué)?！?/p>
二
觸發(fā)量子革命的線(xiàn)索并非來(lái)自于對物質(zhì)的研究，而是來(lái)自于輻射的一個(gè)問(wèn)題?；氐?9世紀末，當時(shí)物理學(xué)家無(wú)法解釋從熱物體輻射出光的模式。我們都知道，熱物質(zhì)會(huì )發(fā)光，越熱就越亮。光的光譜很寬，隨著(zhù)溫度的升高，其峰值會(huì )從紅色變成黃色，最后變成藍色。物理學(xué)家試圖通過(guò)結合熱力學(xué)和電磁理論的概念來(lái)理解光譜的形狀，但所有的嘗試都失敗了。然而，只要假設能量是量子化的，就會(huì )得到一個(gè)與實(shí)驗完美符合的表達式。
普朗克定律正確地描述了黑體輻射。
普朗克推導的結果表明，能量不可以取任何值，而只能是一個(gè)常數（即后來(lái)的普朗克常數）的倍數。然而，能量具有離散的值在當時(shí)是難以被接受的。甚至連普朗克自己對他的發(fā)現也表示不解。他用了多年時(shí)間，試圖將的這個(gè)常數應用到經(jīng)典物理學(xué)中，但都沒(méi)能成功。盡管這個(gè)想法在當時(shí)很荒謬，但事實(shí)證明，來(lái)自其他研究的數據完美地與量子理論相符合。
三
愛(ài)因斯坦是最早領(lǐng)略到量子力學(xué)的奧妙的人之一。1905年，他寫(xiě)了一篇論文，將普朗克的理論應用到光電效應中。光電效應是海因里?！ず掌澰?887年描述的一種光從金屬中剝離電子的現象，經(jīng)典電磁學(xué)并不能解釋為什么這種現象只發(fā)生在特定的頻率。愛(ài)因斯坦則選擇利用普朗克的“量子”視角來(lái)看待光，即光并不像一個(gè)連續的波，而是像一束粒子流，這些光的粒子——光子——有著(zhù)離散的能量。
有意思的是，普朗克駁斥了愛(ài)因斯坦的假設。羅伯特·密立根也是如此，并且他開(kāi)始試圖全力通過(guò)實(shí)驗來(lái)駁斥愛(ài)因斯坦的理論……但實(shí)驗結果卻意外地為這一理論提供了驗證。之后的故事相信很多人也都聽(tīng)過(guò)了，當其他研究人員的工作將量子物理學(xué)帶入了一個(gè)更加“奇幻”的領(lǐng)域時(shí)，連愛(ài)因斯坦自己也開(kāi)始對量子理論表示懷疑。
玻爾是首個(gè)用量子力學(xué)來(lái)描述原子的人。原子是由帶正電的原子核和帶負電的電子構成的。電荷相反的粒子會(huì )相互吸引。所以，根據電磁理論，電子會(huì )很快就陷入原子核中。然而，我們看到原子是穩定的。
為了解釋原子穩定性的問(wèn)題，1913年，玻爾基于歐內斯特·盧瑟福在更早些時(shí)候的模型，提出了一個(gè)與之前完全不同的原子模型。在玻爾所提出的原子模型中，當電子在離散的圓形軌道之間躍遷時(shí)，原子會(huì )發(fā)射或吸收能量。1915年，阿諾爾德·索末菲用橢圓軌道取代了圓形軌道，使得玻爾模型得到了進(jìn)一步推廣（擴展閱讀：《物理學(xué)史上最偉大的教師之一》）。
玻爾模型。
四
1925年，海森堡、馬克斯·玻恩和帕斯庫爾·約爾當，開(kāi)始以玻爾和索末菲的工作為起點(diǎn)，用矩陣代數創(chuàng )建了量子力學(xué)的數學(xué)公式。沃爾夫岡·泡利將這種矩陣力學(xué)應用到玻爾的原子模型中。但在1926年，這種方法就被埃爾溫·薛定諤提出的波動(dòng)方程所取代。在這一里程碑式的進(jìn)展中，路易斯·德布羅意也做出了基礎性的貢獻，從某種意義上看，是德布羅意扭轉了我們看待量子世界的方式：如果光能表現出粒子的行為，那么電子也能表現出波的行為。后來(lái)，保羅·狄拉克展示了海森堡和薛定諤的圖景看起來(lái)不同，其實(shí)是等價(jià)的（擴展閱讀：《如何成為理論學(xué)家中的理論學(xué)家》）。
在薛定諤的波動(dòng)方程中，量子系統的狀態(tài)是由波函數描述的。在經(jīng)典物理學(xué)中，牛頓力學(xué)可以精確地預測物體的位置和速度；但在量子物理學(xué)中，玻恩對波動(dòng)方程的解釋卻將電子的軌道變成了一種難以想象的事物——概率密度云。這意味著(zhù)一個(gè)電子在同一時(shí)刻可占據它的整個(gè)軌道。
由此，玻爾和海森堡提出了量子力學(xué)中的“哥本哈根詮釋”。根據這個(gè)詮釋?zhuān)攲σ粋€(gè)系統進(jìn)行測量時(shí)，這種不確定性就消失了；只有這時(shí)，波函數才會(huì )坍縮，疊加的狀態(tài)才會(huì )變成粒子的一個(gè)位置。也就是說(shuō)，是觀(guān)察者的觀(guān)測改變了這個(gè)系統。
進(jìn)行觀(guān)測后，波函數會(huì )坍縮。
這種說(shuō)法引發(fā)了薛定諤提出著(zhù)名的思想實(shí)驗——薛定諤貓，這是一只被藏匿于密閉盒子中、同時(shí)處于既死又活的狀態(tài)的貓，這種生與死的疊加狀態(tài)會(huì )一直持續，直到盒子被打開(kāi)（擴展閱讀：《萬(wàn)物皆量子？》）。在薛定諤方程中，粒子的位置和速度無(wú)法被同時(shí)精確地知道，這一點(diǎn)反映也在海森堡的不確定性原理中。
五
1928年，雖然量子力學(xué)的基礎已經(jīng)基本完善，但辯論從未停止過(guò)，尤其是愛(ài)因斯坦與玻爾之間持續了一段長(cháng)時(shí)間的論戰。爭論的一個(gè)中心問(wèn)題是，波函數是否包含了關(guān)于一個(gè)系統的所有可能信息，或者說(shuō)，是否有潛在的因素——隱變量——決定了一個(gè)特定測量的結果？
根據量子力學(xué)，對于兩個(gè)“糾纏”的全同粒子，觀(guān)察者對其中一個(gè)的影響可以瞬間傳遞到另一個(gè)粒子之上，即便這兩個(gè)粒子在空間上是彼此相距甚遠，愛(ài)因斯坦將其稱(chēng)之為“鬼魅般的超距作用”。愛(ài)因斯坦認為，我們可以利用隱變量來(lái)解釋這種效應，而不必訴諸于概率——“上帝不擲骰子”，他在一封寫(xiě)給玻恩的信中如是說(shuō)道。
愛(ài)因斯坦在1935年提出的思想實(shí)驗如今被稱(chēng)為“愛(ài)因斯坦-波多爾斯基-羅森佯謬”（EPR佯謬）。這個(gè)實(shí)驗產(chǎn)生了量子糾纏的概念，也就是我們今天所知道的鬼魅般的超距作用。
1964年，約翰·貝爾受到了另一個(gè)量子理論詮釋的啟發(fā)，這個(gè)詮釋是由大衛·玻姆在德布羅意的導波理論基礎上發(fā)展而成的，它驅散了哥本哈根詮釋中的概率性迷霧，支持獨立于觀(guān)測的確定性視角。貝爾證明，如果隱變量存在，實(shí)驗觀(guān)察到的概率就必須低于一定的極限，這被稱(chēng)為“貝爾不等式”。之后的許多實(shí)驗都表明，不等式被違反了，這表明并不存在隱變量。
盡管量子力學(xué)已經(jīng)一次又一次地證明了它的預測能力，但這并不能削弱這樣一個(gè)事實(shí)：這些自1900年由普朗克開(kāi)啟的所有這些奇怪現象，已經(jīng)累計成了對量子理論的諸多詮釋?zhuān)热?strong>多世界詮釋等（詳見(jiàn)：《量子力學(xué)的8種詮釋》）
在上個(gè)世紀20年代中期的量子力學(xué)狂熱歲月里，另一場(chǎng)革命正在進(jìn)行中——量子場(chǎng)論正在奠定基礎。量子場(chǎng)論結合了量子力學(xué)、狹義相對論和經(jīng)典場(chǎng)論，它有著(zhù)曲折的歷史，其發(fā)展一直延續到今天。量子場(chǎng)論將基本粒子視作為更基本的場(chǎng)的激發(fā)態(tài)。擴展閱讀：《你是什么粒子?》。
六
盡管量子力學(xué)是為了描述一個(gè)遠離日常經(jīng)驗的抽象原子世界而創(chuàng )造的，但它對日常生活的影響體現在方方面面。如果沒(méi)有量子力學(xué)，那么化學(xué)、生物學(xué)、醫學(xué)以及其他科學(xué)領(lǐng)域就不會(huì )取得驚人的進(jìn)展。如果沒(méi)有量子力學(xué)，給我們帶來(lái)計算機時(shí)代的電子革命就不會(huì )發(fā)生。如果沒(méi)有量子力學(xué)，給我們帶來(lái)信息時(shí)代的光子技術(shù)革命亦不會(huì )誕生。
從第一個(gè)晶體管到今天的科技社會(huì )，再到或許在不久的將來(lái)就能成為現實(shí)的量子計算機，我們的文明在很大程度上都要歸功于普朗克的開(kāi)創(chuàng )性工作。我們不能完全理解它并不要緊，因為物理學(xué)家自己也不能完全理解它。我們能做的就是聽(tīng)從費曼的建議，“放松心情，盡情享受”。
參考文獻：
https://science.sciencemag.org/content/289/5481/893
https://space.mit.edu/home/tegmark/PDF/quantum.pdf
https://www.bbvaopenmind.com/en/science/physics/understand-quantum-physics/
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