1900年，德國科學(xué)家普朗克在研究黑體輻射時(shí)提出著(zhù)名的“普朗克黑體公式”，同時(shí)他得出一個(gè)結論，即要使方程成立，就必須作一個(gè)假定：假設能量在發(fā)射和吸收的時(shí)候，不是連續不斷的，而是一份一份的。也就是說(shuō)能量不能無(wú)限切割，能量有其最小的基本單位。最初普朗克將這個(gè)基本單位稱(chēng)為“能量子”，隨后很快就改稱(chēng)為“量子”（普朗克的意思是說(shuō)能量的傳輸只能是以一個(gè)量子、兩個(gè)量子或者任意整數個(gè)量子傳輸，而不可能是二分之一個(gè)量子或者五分之一個(gè)量子）。就這樣量子登上了物理世界的歷史舞臺，時(shí)間是1900年12月14日。截至今天量子誕生短短一百余年，一方面量子論獲得了巨大成功，其成果深刻改變了我們的世界，我們的衣食住行無(wú)一不被量子理論所顛覆，從某種角度來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)直不亞于一場(chǎng)革命。另一方面，對量子論各種奇特的形式，人們始終只知其然而不知其所以然，量子的理論發(fā)展帶有濃厚的玄學(xué)味道。
事情從1887年說(shuō)起，新婚剛剛三個(gè)月的赫茲完成了一項改變人類(lèi)歷史的實(shí)驗——驗證麥克斯韋電磁學(xué)理論。赫茲通過(guò)實(shí)驗成功的實(shí)現了電磁波的捕捉，證實(shí)了經(jīng)典電磁理論的的預言，證明了經(jīng)典電磁學(xué)的正確性。就在十余年前英國物理學(xué)家麥克斯韋，以其簡(jiǎn)潔明了的麥克斯韋方程將磁學(xué)、電學(xué)、光學(xué)統一起來(lái)，創(chuàng )立了經(jīng)典電磁學(xué)。他預言了電磁波的存在，預言光是電磁輻射的一種存在形式。而這個(gè)預言終于被人類(lèi)第一次證實(shí)。赫茲的成功使整個(gè)物理世界都為之歡呼，后來(lái)人們?yōu)榱思o念這個(gè)時(shí)刻，用赫茲的名字來(lái)代表電磁波的基本形式——波動(dòng)幅度的單位。不過(guò)赫茲的實(shí)驗有一個(gè)小小的瑕疵，赫茲發(fā)現了一個(gè)奇怪的現象，赫茲發(fā)現光照似乎對他的實(shí)驗有影響?，F在大家都明白，赫茲發(fā)現的是很平常的“光電效應”，在當時(shí)這令他百思不解，不過(guò)在1887年，比起證實(shí)麥克斯韋理論的巨大成功，這個(gè)小瑕疵實(shí)在不算什么。
隨著(zhù)時(shí)間，赫茲偶然發(fā)現的光電現象被人們通過(guò)各種方式進(jìn)行了深入研究。這種現象表現為當光照射到金屬上的時(shí)候，金屬表面會(huì )飛出電子，就像是被光線(xiàn)打出的一樣，對光與電之間存在的這個(gè)有趣現象，人們叫它“光電效應”?？茖W(xué)家認為，光線(xiàn)顯然具有某種能量，在照射金屬時(shí)使得金屬中的電子獲得能量，從而掙脫束縛逃逸出來(lái)。但這種解釋卻有一些難以解釋的地方，例如按照經(jīng)典電磁理論來(lái)說(shuō)，光是電磁波的一種，也就是說(shuō)光是一種波，那么對波來(lái)說(shuō)強度代表了能量，所以光的強度也就是光的能量。理論說(shuō)光的強度越大能量就越大，就越能夠照射出電子。但是實(shí)驗卻不是這樣，人們發(fā)現光是否能照射出電子與光的強度沒(méi)有關(guān)系，而是與光的頻率有關(guān)系。簡(jiǎn)單說(shuō)就是頻率的高低決定了能否照射出電子，例如高頻光（像紫外線(xiàn)）無(wú)論其強度高低一定能照射出電子，而低頻光（例如紅色光）即便是強度再大也照射不出電子，這明顯不符合麥克斯韋電磁理論。
1905年，在瑞士專(zhuān)利工作的一個(gè)年輕的三級專(zhuān)利員完美的解決了這個(gè)問(wèn)題，他的名字叫愛(ài)因斯坦。這篇名叫《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉化的一個(gè)啟發(fā)性觀(guān)點(diǎn)》的論文是愛(ài)因斯坦第六篇論文，論文以普朗克的量子假設出發(fā)說(shuō)，光線(xiàn)不是連續的而是一份一份的，愛(ài)因斯坦把它們稱(chēng)為“光量子”。單個(gè)“光量子”的能量越高則表現為頻率越高，而光的強度則只代表更多的“光量子”數量。如此以來(lái)，既然能量高低決定了是否打出電子，而高頻率又代表高能力，所以高頻率的光更能打出電子。后來(lái)，“光量子”被稱(chēng)為“光子”。這個(gè)假設雖然完美的解釋了“光電效應”，但卻不符合經(jīng)典電磁學(xué)對光的描述，麥克斯韋說(shuō)光是波，那么“光量子”又是什么呢？這種描述明顯更像粒子?？墒菒?ài)因斯坦的理論卻被實(shí)驗有力的證實(shí)，雖然晚了點(diǎn)。而且很快，人們發(fā)現在原子模型中，量子態(tài)無(wú)處不在。
19世紀，湯姆遜在研究陰極射線(xiàn)時(shí)發(fā)現了電子的存在，從而打破了一直以來(lái)原子不可分割的觀(guān)點(diǎn)。原子中存在電子，那么這就說(shuō)明原子有著(zhù)自己的內部結構。到了1910年，盧瑟福通過(guò)實(shí)驗發(fā)現原子中有某種密度很大的核心，而且這個(gè)核只占據原子半徑的萬(wàn)分之一，也就是說(shuō)原子實(shí)際上是空無(wú)一物的?；谶@種認識盧瑟福試圖構建原子的結構，他于1911年發(fā)表了原子結構的“行星系統”模型。一個(gè)占據絕大部分質(zhì)量的原子核在原子的中心，而原子核的四周是帶負電荷的電子沿著(zhù)特定軌道圍繞原子核運行，就像一個(gè)微型的太陽(yáng)系。但是很快有人指出，按照經(jīng)典電磁理論，這兩者之間會(huì )放出強烈的電磁輻射，輻射會(huì )損失能量，從而導致電子持續失去能量而墜毀在原子核上，從而造成原子的毀滅，這個(gè)過(guò)程只需要一瞬。所以按照經(jīng)典電磁學(xué)理論，“行星系統”是不可能存在的。我們知道世間萬(wàn)物都由原子構成，原子的毀滅也就預示著(zhù)這個(gè)世界是不存在的，但這顯然并沒(méi)有發(fā)生?？墒菍?shí)驗明確說(shuō)明原子是由原子核與電子構成，那么就只剩下一種解釋——經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋原子結構。這個(gè)時(shí)候，一個(gè)叫玻爾的年輕小伙子，走上歷史舞臺，一生傳奇的他將徹底改變這個(gè)世界。
玻爾是丹麥人，他得到盧瑟福的賞識，曾在曼徹斯特跟隨盧瑟福工作，所以熟知盧瑟福的原子理論。1913年，回到丹麥的玻爾繼續試圖揭開(kāi)原子內部的奧秘，在得到其他的提示后，他吸收了一種新的方式——原子光譜線(xiàn)。當時(shí)人們已經(jīng)知道，任何元素在被加熱時(shí)都會(huì )釋放特定波長(cháng)的光，這些光通過(guò)分光鏡投射到屏幕上就會(huì )得到光譜線(xiàn)，通過(guò)光譜線(xiàn)我們可以分辨出到底是那種元素。當時(shí)瑞士的一名數學(xué)教師，叫做巴爾末的更是發(fā)現了其中的規律，并總結出了著(zhù)名的“巴耳末公式”。玻爾在研究巴耳末公式時(shí)發(fā)現，公式中描述的原子放射符合量子規律，他得出結論原子內部只能釋放能量不是連續的，而是一份一份的特定量的能量，從而提出了原子結構的“玻爾模型”，根據玻爾的模型，原子結構不是類(lèi)似行星圍繞太陽(yáng)運行的模樣，而是量子化的。電子放出和吸收的能量不是持續不斷的和任意的，它只能釋放和吸收一份一份的特定值，所以電子只能在能量值所對應的特定軌道，當能量發(fā)生變化，電子就跳躍到能量值對應的其他特定軌道，這種現象叫做“電子躍遷”。關(guān)于電子的躍遷過(guò)程我們需要注意的是，這并不是說(shuō)電子好像汽車(chē)變道一樣，從一個(gè)軌道飛到另一個(gè)軌道，“電子躍遷”是個(gè)量子化的過(guò)程，量子化是不連續的，也就是說(shuō)電子并沒(méi)有處在兩條軌道之間的任何狀態(tài)。為了便于理解你可以把這個(gè)過(guò)程想象成“空間轉移”，電子從一個(gè)軌道消失然后在另一個(gè)軌道憑空出現?！安柲Ｐ汀比〉镁薮蟪晒?，但模型對于電子為什么只能具有量子化軌道卻解釋不清楚，而且模型只對只有一個(gè)電子的情況起作用，如果是多個(gè)電子（比如氫原子）則無(wú)能為力，另外對于光線(xiàn)的偏振、強度和很多其他的現象，“玻爾模型”都完全失敗了。究其原因，玻爾的模型是一種經(jīng)典電磁理論與量子理論的結合，這種結合的失敗再次證明經(jīng)典電磁理論對微觀(guān)環(huán)境下的情況束手無(wú)策。
1924年，法國的德布羅意通過(guò)愛(ài)因斯坦狹義相對論公式和普朗克黑體公式推論出，電子運行中始終伴隨著(zhù)一個(gè)內在頻率，也就是波，德布羅意把這種波稱(chēng)為“相波”，后人為了紀念他也稱(chēng)其為“德布羅意波”。歷史似乎是一種輪回，一直以來(lái)關(guān)于光是一種波還是一種粒子科學(xué)家始終存在不同的看法，牛頓的《光學(xué)》將光看成一種粒子，經(jīng)典電磁理論將光看成一種波，而且光還只是所有輻射中的一種。到1897年湯姆遜發(fā)現原子中電子的存在，電子實(shí)實(shí)在在公認是一種粒子，然而這種粒子居然擁有一種“波”。歷史似乎又退回到了爭論光是“粒子”還是“波”年代，而且現在不光是光和輻射，連電子和普通物質(zhì)也出了問(wèn)題（因為原子構成萬(wàn)物），究竟是粒子還是波？不過(guò)事情很快就有了新情況的出現，而且不是一個(gè)，而是兩個(gè)。也就是在這一年，玻爾邀請一名德國的天才青年訪(fǎng)問(wèn)哥本哈根，這個(gè)青年叫海森堡。
海森堡生于德國巴伐利亞，從小就成績(jì)出眾，多才多藝。1922年玻爾赴德國哥廷根學(xué)術(shù)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，海森堡給他留下了深刻印象。哥本哈根之行建立了玻爾與海森堡的友誼，而且使得這個(gè)年輕人站在了物理學(xué)研究的最前沿。1925年，回到德國的海森堡（當時(shí)在哥廷根波恩實(shí)驗室工作）從電子在原子中的運動(dòng)出發(fā)，提出了矩陣設想。在數學(xué)中，矩陣是一個(gè)按照長(cháng)方形陣列排列的復數或實(shí)數集合，是高等代數的常見(jiàn)工具。海森堡認為物理應該始終嚴格堅持經(jīng)驗主義，應該避免過(guò)多和隨意的假設，而盡量只使用那些可觀(guān)測的值。他摒棄了玻爾理論中假設電子處在某條軌道，而直接使用可觀(guān)測的“能量差”，從而形成一張表格，這就是矩陣名稱(chēng)的來(lái)源。隨后，波恩、約爾當等人完善了這種理論，建立起了一種新的量子力學(xué)——矩陣力學(xué)。通過(guò)推演，新力學(xué)很明顯是經(jīng)典力學(xué)的擴展，在矩陣力學(xué)中，牛頓經(jīng)典力學(xué)是一種特殊情況下的表現形式。但是事情并沒(méi)有就此結束，同年奧地利科學(xué)家薛定諤在阿爾比斯山度假期間，從經(jīng)典力學(xué)出發(fā)，利用德布羅意波公式，也得出了自己的方程——著(zhù)名的“薛定諤波動(dòng)方程”，薛定諤方程也證明古老的牛頓經(jīng)典力學(xué)是新生波動(dòng)方程的一種特殊表現形式。
至此，量子論通過(guò)兩種不同的途徑，得出兩種不同的方法。一個(gè)是從粒子運動(dòng)的角度出發(fā)，強調光譜線(xiàn)和非連續性的矩陣力學(xué)。一個(gè)是從波動(dòng)的角度出發(fā)，強調電子作為波的連續性的波動(dòng)力學(xué)。而且經(jīng)過(guò)證明，兩種力學(xué)在數學(xué)上是完全等價(jià)的，它們可以互相推導出對方。但是雙方都認為自己的方法才是唯一正確的。而且即使兩種體系從數學(xué)角度上可以統一，但其根源的意識形態(tài)卻格格不入，就矩陣力學(xué)來(lái)說(shuō)它的本意是粒子性和不連續性，而波動(dòng)力學(xué)則是波動(dòng)性和連續性。那么物理規律到底應該怎么解釋?zhuān)橇Ｗ?？還是波？這個(gè)問(wèn)題并沒(méi)有得到解決，而且很快又出現了更詭異的事。
波恩是哥廷根實(shí)驗室的頭，非常欣賞海森堡的矩陣模式，正是他與海森堡和另一名科學(xué)家約爾當一起奠定和完善了海森堡的矩陣設想，創(chuàng )立了矩陣力學(xué)。不同于海森堡的是，波恩對薛定諤方程態(tài)度溫和的多。1926年，通過(guò)對薛定諤方程的研究，波恩提出了一個(gè)令所有人都大吃一驚的看法——薛定諤方程中的波函數代表著(zhù)粒子在某個(gè)位置出現的幾率。波恩認為這個(gè)波函數代表著(zhù)一種隨機或者說(shuō)一種概率，而這種概率則像一個(gè)波。換句話(huà)說(shuō)電子本身不是波，電子的出現的幾率才是波，而且這個(gè)波嚴格的按照薛定諤方程中那個(gè)波函數的分布展開(kāi)。那么這是什么意思呢？按照波恩的邏輯，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是電子的行為無(wú)法精確預測，只能預言電子出現的概率。再簡(jiǎn)單說(shuō)就是我們不能確定。那么這又代表什么呢？這代表對經(jīng)典物理學(xué)中決定論的顛覆。
決定論是什么？決定論也叫拉普拉斯信條，其內容是認為自然界和人類(lèi)社會(huì )普遍存在著(zhù)客觀(guān)的規律和因果聯(lián)系（因果律），決定論認為世界是可以精確預測的。決定論認為我們的宇宙從出生起就有一個(gè)確定的規律，有一個(gè)放之四海皆準的原則，通過(guò)這個(gè)規律我們只要掌握足夠的信息，就可以精確的預測未來(lái)。我們現在無(wú)法了解，并不是因為理論上不行，而是因為我們所知道的信息太少而已。好比我們能夠毫不含糊的預測一顆炮彈的軌跡和落點(diǎn)；我們能預測幾千年后的日食，可以精確到秒；我們能夠解釋宇宙是如何誕生的更能夠預測星系何時(shí)毀滅。即便是像賭博這種幾率游戲例如擲骰子，只要知道骰子的大小、質(zhì)地、質(zhì)量、初速度、摩擦系數、角度、空氣阻力等等所有需要的情報，再配合以合適的運算方法，我們都可以精確的得出每次的結果。就像阿基米德所說(shuō)：給我一個(gè)支點(diǎn)，我可以撬起地球。如果我們撬不起地球，不是因為理論上不可行，只是因為我們沒(méi)有這么一個(gè)支點(diǎn)。但是現在有人說(shuō)，物理不能預測，決定論是錯的，因果律不存在，這讓數百年來(lái)的物理學(xué)如何接受？
但是該來(lái)的還是會(huì )來(lái)。1986年，著(zhù)名的流體力學(xué)權威詹姆斯萊特希爾爵士在皇家學(xué)會(huì )紀念牛頓《原理》發(fā)表300周年的集會(huì )上作出了一個(gè)轟動(dòng)一時(shí)的道歉，他說(shuō)：“現在我們都深深的意識到，我們的前輩對牛頓力學(xué)的驚人成就是那樣崇拜，這使他們把它總結成一種可預言的系統。而且說(shuō)實(shí)話(huà)，我們在1960年以前也大都傾向于相信這個(gè)說(shuō)法，但現在我們知道這是錯誤的。我們以前曾經(jīng)誤導了公眾，向他們宣傳說(shuō)滿(mǎn)足牛頓運動(dòng)定律的系統是決定論的，但是這在1960年后已被證明不是真的。我們都愿意在此向公眾表示道歉。”數百年來(lái)的決定論壽終正寢，物理學(xué)翻開(kāi)了新的未知的一頁(yè)。但這是后話(huà)，我們的量子理論還在艱難跋涉。
矩陣力學(xué)中還有一個(gè)奇特的現象，動(dòng)量和位置這兩個(gè)物理量在公式中不遵守乘法交換律，也就是說(shuō)電子的動(dòng)量×電子的位置≠電子的位置×電子的動(dòng)量，這是什么原因呢？很明顯的是這個(gè)式子代表先觀(guān)測電子的動(dòng)量再觀(guān)測電子的位置，與先觀(guān)測電子的位置再觀(guān)測電子的動(dòng)量，其結果是不一樣的，而這又說(shuō)明什么呢？據說(shuō)海森堡在公園散步時(shí)領(lǐng)悟到，很可能觀(guān)測動(dòng)量的行為影響到了位置的數值，反過(guò)來(lái)也是一樣。電子的動(dòng)量×電子的位置≠電子的位置×電子的動(dòng)量的意思是：在微觀(guān)條件下，我們要同時(shí)觀(guān)測一個(gè)粒子（比如電子）的動(dòng)量和位置是不可能的。1927年海森堡發(fā)表了他的這一原理：“不確定原理”（國內一些著(zhù)作刊物中翻譯做“測不準原理”）。需要注意的是“不確定原理”并不是說(shuō)我們的觀(guān)測手段或者設備太落后，只要我們有更精確的辦法就能解決，它說(shuō)的是一種理論限制，同時(shí)測準一個(gè)粒子的動(dòng)量和位置在原則上是不被允許的，不管科技多么發(fā)達都做不到（類(lèi)似的還有永動(dòng)機）。如果需要直觀(guān)一點(diǎn)的解釋的話(huà)，有一個(gè)辦法，例如我們看到東西是因為光的反射，量子理論已經(jīng)確定光是由光子組成的，換而言之就是光子撞擊我們需要看到的東西以后反射到我們的眼睛里，那么對于宏觀(guān)的物體，不管是航空母艦還是一粒芝麻，相比光子來(lái)說(shuō)都是無(wú)窮大的，所以光子的撞擊力微不足道，但是在微觀(guān)環(huán)境下，對一個(gè)粒子（比如電子）來(lái)說(shuō)光子是個(gè)與自身大小差不多的東西，那么產(chǎn)生的撞擊力會(huì )那么改變粒子的運行狀態(tài)。（電子的質(zhì)量：9.10938215（45）×10千克；電子的半徑：0.090880914（40）費米；光子的質(zhì)量：9.347543（38）×10 千克；光子的半徑：0.0031349374（29）費米，括弧里是次方）
哥本哈根的玻爾看到海森堡的論文后，敏銳的意識到，不確定原則是建立在波和粒子的雙重基礎上的，它是粒子在波和粒子之間的一種搖擺或者轉換，波的屬性越多則粒子的屬性越少，反之亦然。最后海森堡接受了玻爾的觀(guān)點(diǎn)，給自己的論文加了一條附注，聲明不確定性原則同時(shí)建立在連續性和不連續性之上。玻爾據此領(lǐng)悟到不確定性原則說(shuō)明，雖然波和粒子在同一時(shí)刻是互斥的，但它們卻在一個(gè)更高的層次上統一在一起，作為粒子的兩面性被納入一個(gè)整體概念，這個(gè)原理具有普遍意義，應該是量子理論最核心的基石之一，這就是玻爾的“互補原理”。就這樣波與粒子之爭，在玻爾（互補原理）、海森堡（不確定原則）、波恩（波函數概率解釋?zhuān)┑娜笤瓌t下被統一在一起，這就是大名鼎鼎的“波粒二重性”?！安６匦浴笔俏⒂^(guān)粒子的基本屬性之一，不同條件下分別表現為波動(dòng)或者粒子的性質(zhì)，一切微觀(guān)粒子都具有這種屬性?；パa原理、不確定原則、波函數概率解釋也成為量子理論的正統“哥本哈根解釋”的核心內容。
它的內容有下面幾點(diǎn)：一是不確定原理限制了我們對微觀(guān)事物認識的極限，而這個(gè)極限是具有物理意義的一切。二是微觀(guān)事物中，觀(guān)測者對與被觀(guān)測者的擾動(dòng)是不可避免的，所以客體和主體必須被理解為一個(gè)不可分割的整體。沒(méi)有孤立存在于客觀(guān)世界的“事物”，純粹的客觀(guān)世界是沒(méi)有意義的，任何事物只有結合要給特定的觀(guān)測手段才談得上具體意義。被觀(guān)測者所表現出的形態(tài)，很大程度上取決于我們的觀(guān)察方法。對于同一個(gè)對象來(lái)說(shuō)，其表現形態(tài)可能是互斥的，但都必須被同時(shí)用于這個(gè)對象的描述中。三是因為觀(guān)測本身給對象帶來(lái)的各種原則上不可預測的擾動(dòng)，所以量子世界的本質(zhì)是“隨機性”，不存在傳統觀(guān)念中那種嚴格的因果關(guān)系，而必須以一種統計性的解釋取而代之。具體來(lái)說(shuō)以一個(gè)電子為例，觀(guān)測一個(gè)電子之前，電子處在一種所有位置和狀態(tài)的可能性都存在的疊加狀態(tài)，這種狀態(tài)可以以波函數來(lái)表示，而當我們觀(guān)測電子時(shí)，電子的波函數瞬間“坍縮”，電子按照波函數的概率分布隨機做出一個(gè)選擇。再簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，電子在我們觀(guān)測之前不存在，我們觀(guān)測它就出現，同時(shí)我們只能通過(guò)統計得出它的趨勢，而無(wú)法精確的知道每個(gè)電子的位置、速度、質(zhì)量等信息。需要注意的是，這種理論并不是說(shuō)電子實(shí)際上是同時(shí)具有準確的位置和動(dòng)量的，只不過(guò)我們出于某種限制無(wú)法知道，這種看法是錯誤的，一個(gè)具有準確位置和動(dòng)量的電子沒(méi)有任何辦法可以觀(guān)測到，這完全臆想是出來(lái)的，完全探測不到和根本不存在之間沒(méi)有區別，所以事實(shí)上這樣的電子不存在，在量子領(lǐng)域不存在“客觀(guān)”和“實(shí)際上”，柏拉圖式的真理不存在。不存在一個(gè)客觀(guān)的絕對的世界，唯一存在的是我們能夠觀(guān)測到的世界，物理學(xué)的全部意義不在于它能夠揭示什么，而是它能夠明確，關(guān)于自然我們能說(shuō)什么，不存在脫離觀(guān)測的絕對自然。
這就是關(guān)于量子論的“正統理論”。它的理論是如此奇特，難以想象，完全違背我們理性本身，但它的確能夠解釋量子世界一切不可思議的現象。這種解釋是以玻爾為首的波恩、海森堡、約爾當等一大群科學(xué)家作出的，由于他們大多都曾在哥本哈根工作過(guò)，所以也被稱(chēng)為“哥本哈根解釋”。盡管量子論的誕生已經(jīng)過(guò)了一個(gè)世紀，其輝煌鼎盛與繁榮也過(guò)了半個(gè)世紀。量子理論曾經(jīng)引起的困惑至今仍困惑著(zhù)人們。玻爾的名言：“誰(shuí)要是第一次聽(tīng)到量子理論時(shí)沒(méi)有感到困惑，那他一定沒(méi)聽(tīng)懂?！睈?ài)因斯坦雖然對量子論的發(fā)展做出過(guò)貢獻，但他致死都不能同意哥本哈根解釋?zhuān)灿芯涿裕骸吧系鄄粩S骰子”。
說(shuō)到量子理論的奇特就不能不提一個(gè)著(zhù)名的思想實(shí)驗-“薛定諤的貓”。1935年針對哥本哈根解釋?zhuān)Χㄖ@設計了這樣一個(gè)思想實(shí)驗：假設一個(gè)放射性原子，它何時(shí)衰變是完全概率性的，只要沒(méi)有觀(guān)測它就處于衰變和不衰變的疊加狀態(tài)，只有觀(guān)測它才會(huì )隨機選擇一種狀態(tài)，或者衰變或者不衰變。那么把這個(gè)原子放入一個(gè)不透明的箱子，讓它保持疊加狀態(tài)。然后想象一種精巧的裝置，只要原子衰變就會(huì )激發(fā)反應，打破箱子里一個(gè)毒氣瓶，而同時(shí)箱子里還有一只貓。這樣如果原子衰變，毒氣瓶打破，貓被毒死。如果原子沒(méi)有衰變，毒氣瓶完好，貓也會(huì )活著(zhù)。那么在這個(gè)基礎上推論：當箱子沒(méi)有打開(kāi)，我們什么都看不到，也就是不能觀(guān)測這個(gè)原子時(shí)，這個(gè)原子是處于衰變和不衰變的混合疊加狀態(tài)。那么問(wèn)題是在這種情況下，這只貓處于什么狀態(tài)？似乎唯一的可能是，它和原子一樣處于混合疊加狀態(tài)，也就是處于死與活的混合疊加狀態(tài)，換句話(huà)說(shuō)這只貓既是死的也是活的。
這個(gè)思想實(shí)驗的特點(diǎn)是將微觀(guān)領(lǐng)域的量子現象投射到宏觀(guān)世界中來(lái)，畢竟又死又活的貓我們誰(shuí)都沒(méi)見(jiàn)過(guò)，而且完全違背了我們的邏輯思維。而觀(guān)測讓貓活著(zhù)或者死去，使得量子理論聽(tīng)起來(lái)又有強烈的主觀(guān)唯心論的味道。薛定諤巧妙地把微觀(guān)放射源和宏觀(guān)的貓聯(lián)系起來(lái)，其實(shí)是旨在否定宏觀(guān)世界存在量子疊加態(tài)。因為哥本哈根解釋中的波函數基于“觀(guān)測”的瞬間坍縮這一問(wèn)題，物理學(xué)中沒(méi)有一個(gè)公式能夠描述這種坍縮，盡管這與我們觀(guān)測到的結果相符合。不過(guò)隨著(zhù)量子力學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家已先后通過(guò)各種方案獲得了宏觀(guān)量子疊加態(tài)。此前，科學(xué)家最多使4個(gè)離子或5個(gè)光子達到“薛定諤貓”態(tài)。如何使更多粒子構成的系統達到這種狀態(tài)并保存更長(cháng)時(shí)間，已成為實(shí)驗物理學(xué)的一大挑戰。但另一方面，截至目前，物理學(xué)對這個(gè)坍縮還只是知其然不知其所以然，為了避免物理學(xué)墜入形而上的深淵，很多科學(xué)家持有的態(tài)度是，管用就行，至于原因，不理會(huì )。
量子物理學(xué)演變到現在已經(jīng)有了多種理論及多種不可思議的推導。埃弗萊特的多世界理論認為不存在坍縮，薛定諤的貓不存在又死又活，而是波函數的所有可能都發(fā)生了，所謂的坍縮只是世界發(fā)生了分裂，每一種可能出現在不同宇宙中。例如薛定諤的貓在一個(gè)世界是死的，在另一個(gè)世界是活的。這種理論說(shuō)，我們的宇宙存在很多個(gè)不同的空間，空間之間不能相互影響，還有人提出疑問(wèn)，放入貓會(huì )又死又活，那放入一個(gè)人呢？答案是不會(huì )，因為人是觀(guān)察者會(huì )使得波函數坍縮，形成一個(gè)具體的結果。那么問(wèn)題是貓為什么不行？而人為什么能使波函數坍縮？貓與人的區別又是什么？難道答案是人有意識嗎？維格納就認為意識在觸動(dòng)波函數中擔當了重要角色。那么是意識觸動(dòng)了物理反應？這個(gè)結論任誰(shuí)都會(huì )瞠目結舌吧?；堇仗岢隽艘粋€(gè)令人吃驚的構想——“延遲實(shí)驗”，這個(gè)實(shí)驗理論上可以形成等結果發(fā)生以后再決定過(guò)程，就好比可以等你回到家以后再決定你是走路回家還是坐車(chē)回家。而且這個(gè)構想已經(jīng)經(jīng)過(guò)了實(shí)驗證實(shí)，當然是在微觀(guān)領(lǐng)域上，不過(guò)大家不要忘了世間萬(wàn)物可都是微觀(guān)粒子構成的。而以上這些理論和說(shuō)法還都只是簡(jiǎn)單的闡述，這些內容經(jīng)過(guò)推演可以得出更驚人但又都符合量子基本理論。目前基于量子理論的最新和最熱的理論是“超弦理論”。
量子論就像個(gè)神話(huà)，但仍然是二十世紀最偉大的理論，量子理論對你我的影響之深遠怎么形容都不為過(guò)，從收音機、電視機、電腦、互聯(lián)網(wǎng)、激光、電子顯微鏡、原子鐘到核磁共振的醫學(xué)圖像顯示裝置，都關(guān)鍵地依靠了量子力學(xué)的原理和效應。對半導體的研究導致了二極管和三極管的發(fā)明，最后為現代的電子工業(yè)鋪平了道路。在核武器的發(fā)明過(guò)程中，量子力學(xué)的概念也起了一個(gè)關(guān)鍵的作用?？梢哉f(shuō)沒(méi)有量子理論，就沒(méi)有你我現在的生活，盡管我們對它還不是非常理解。
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