本文來自微信公眾號(hào)：原理（ID：principia1687），作者：Javier，題圖來自：pixabay
一
在1958年出版的《物理學(xué)與哲學(xué) : 現(xiàn)代科學(xué)中的革命》一書中，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(zhǎng)談后，他是如何不斷地對(duì)自己說：“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，物理學(xué)家一直對(duì)量子力學(xué)中的種種發(fā)現(xiàn)感到困惑。因?yàn)榱孔邮澜缈雌饋硎侨绱说牟缓铣＠?，以及如此的有違直覺，以至于半個(gè)多世紀(jì)后的1964年，理查德·費(fèi)曼說出了關(guān)于那句著名的：“沒有人真正理解量子力學(xué)?！?/p>
二
觸發(fā)量子革命的線索并非來自于對(duì)物質(zhì)的研究，而是來自于輻射的一個(gè)問題。回到19世紀(jì)末，當(dāng)時(shí)物理學(xué)家無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，隨著溫度的升高，其峰值會(huì)從紅色變成黃色，最后變成藍(lán)色。物理學(xué)家試圖通過結(jié)合熱力學(xué)和電磁理論的概念來理解光譜的形狀，但所有的嘗試都失敗了。然而，只要假設(shè)能量是量子化的，就會(huì)得到一個(gè)與實(shí)驗(yàn)完美符合的表達(dá)式。
普朗克定律正確地描述了黑體輻射。
普朗克推導(dǎo)的結(jié)果表明，能量不可以取任何值，而只能是一個(gè)常數(shù)（即后來的普朗克常數(shù)）的倍數(shù)。然而，能量具有離散的值在當(dāng)時(shí)是難以被接受的。甚至連普朗克自己對(duì)他的發(fā)現(xiàn)也表示不解。他用了多年時(shí)間，試圖將的這個(gè)常數(shù)應(yīng)用到經(jīng)典物理學(xué)中，但都沒能成功。盡管這個(gè)想法在當(dāng)時(shí)很荒謬，但事實(shí)證明，來自其他研究的數(shù)據(jù)完美地與量子理論相符合。
三
愛因斯坦是最早領(lǐng)略到量子力學(xué)的奧妙的人之一。1905年，他寫了一篇論文，將普朗克的理論應(yīng)用到光電效應(yīng)中。光電效應(yīng)是海因里希·赫茲在1887年描述的一種光從金屬中剝離電子的現(xiàn)象，經(jīng)典電磁學(xué)并不能解釋為什么這種現(xiàn)象只發(fā)生在特定的頻率。愛因斯坦則選擇利用普朗克的“量子”視角來看待光，即光并不像一個(gè)連續(xù)的波，而是像一束粒子流，這些光的粒子——光子——有著離散的能量。
有意思的是，普朗克駁斥了愛因斯坦的假設(shè)。羅伯特·密立根也是如此，并且他開始試圖全力通過實(shí)驗(yàn)來駁斥愛因斯坦的理論……但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻意外地為這一理論提供了驗(yàn)證。之后的故事相信很多人也都聽過了，當(dāng)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)，連愛因斯坦自己也開始對(duì)量子理論表示懷疑。
玻爾是首個(gè)用量子力學(xué)來描述原子的人。原子是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子構(gòu)成的。電荷相反的粒子會(huì)相互吸引。所以，根據(jù)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(wěn)定的。
為了解釋原子穩(wěn)定性的問題，1913年，玻爾基于歐內(nèi)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(dāng)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(kuò)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(kù)爾·約爾當(dāng)，開始以玻爾和索末菲的工作為起點(diǎn)，用矩陣代數(shù)創(chuàng)建了量子力學(xué)的數(shù)學(xué)公式。沃爾夫?qū)づ堇麑⑦@種矩陣力學(xué)應(yīng)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(chǔ)性的貢獻(xiàn)，從某種意義上看，是德布羅意扭轉(zhuǎn)了我們看待量子世界的方式：如果光能表現(xiàn)出粒子的行為，那么電子也能表現(xiàn)出波的行為。后來，保羅·狄拉克展示了海森堡和薛定諤的圖景看起來不同，其實(shí)是等價(jià)的（擴(kuò)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(tǒng)的狀態(tài)是由波函數(shù)描述的。在經(jīng)典物理學(xué)中，牛頓力學(xué)可以精確地預(yù)測(cè)物體的位置和速度；但在量子物理學(xué)中，玻恩對(duì)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。這意味著一個(gè)電子在同一時(shí)刻可占據(jù)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(jù)這個(gè)詮釋，當(dāng)對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，這種不確定性就消失了；只有這時(shí)，波函數(shù)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，是觀察者的觀測(cè)改變了這個(gè)系統(tǒng)。
進(jìn)行觀測(cè)后，波函數(shù)會(huì)坍縮。
這種說法引發(fā)了薛定諤提出著名的思想實(shí)驗(yàn)——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(xù)，直到盒子被打開（擴(kuò)展閱讀：《萬物皆量子？》）。在薛定諤方程中，粒子的位置和速度無法被同時(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(chǔ)已經(jīng)基本完善，但辯論從未停止過，尤其是愛因斯坦與玻爾之間持續(xù)了一段長(zhǎng)時(shí)間的論戰(zhàn)。爭(zhēng)論的一個(gè)中心問題是，波函數(shù)是否包含了關(guān)于一個(gè)系統(tǒng)的所有可能信息，或者說，是否有潛在的因素——隱變量——決定了一個(gè)特定測(cè)量的結(jié)果？
根據(jù)量子力學(xué)，對(duì)于兩個(gè)“糾纏”的全同粒子，觀察者對(duì)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(yuǎn)，愛因斯坦將其稱之為“鬼魅般的超距作用”。愛因斯坦認(rèn)為，我們可以利用隱變量來解釋這種效應(yīng)，而不必訴諸于概率——“上帝不擲骰子”，他在一封寫給玻恩的信中如是說道。
愛因斯坦在1935年提出的思想實(shí)驗(yàn)如今被稱為“愛因斯坦-波多爾斯基-羅森佯謬”（EPR佯謬）。這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(wèi)·玻姆在德布羅意的導(dǎo)波理論基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，它驅(qū)散了哥本哈根詮釋中的概率性迷霧，支持獨(dú)立于觀測(cè)的確定性視角。貝爾證明，如果隱變量存在，實(shí)驗(yàn)觀察到的概率就必須低于一定的極限，這被稱為“貝爾不等式”。之后的許多實(shí)驗(yàn)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(yù)測(cè)能力，但這并不能削弱這樣一個(gè)事實(shí)：這些自1900年由普朗克開啟的所有這些奇怪現(xiàn)象，已經(jīng)累計(jì)成了對(duì)量子理論的諸多詮釋，比如多世界詮釋等（詳見：《量子力學(xué)的8種詮釋》）
在上個(gè)世紀(jì)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(chǔ)。量子場(chǎng)論結(jié)合了量子力學(xué)、狹義相對(duì)論和經(jīng)典場(chǎng)論，它有著曲折的歷史，其發(fā)展一直延續(xù)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(kuò)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(yuǎn)離日常經(jīng)驗(yàn)的抽象原子世界而創(chuàng)造的，但它對(duì)日常生活的影響體現(xiàn)在方方面面。如果沒有量子力學(xué)，那么化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)以及其他科學(xué)領(lǐng)域就不會(huì)取得驚人的進(jìn)展。如果沒有量子力學(xué)，給我們帶來計(jì)算機(jī)時(shí)代的電子革命就不會(huì)發(fā)生。如果沒有量子力學(xué)，給我們帶來信息時(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就能成為現(xiàn)實(shí)的量子計(jì)算機(jī)，我們的文明在很大程度上都要?dú)w功于普朗克的開創(chuàng)性工作。我們不能完全理解它并不要緊，因?yàn)槲锢韺W(xué)家自己也不能完全理解它。我們能做的就是聽從費(fèi)曼的建議，“放松心情，盡情享受”。
參考文獻(xiàn)：
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/
本文來自微信公眾號(hào)：原理（ID：principia1687），作者：Javier
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