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120年了，它依旧神秘

来源：晰数塔互联网快讯时间：2020年12月15日 09:50

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Javier，题图来自：pixabay

一

在1958年出版的《物理学与哲学 : 现代科学中的革命》一书中，维尔纳·海森堡讲述了他与尼尔斯·玻尔进行的那些彻夜长谈后，他是如何不断地对自己说：“自然真的有可能如此荒谬吗？”

自马克斯·普朗克在1900年12月14日创立量子理论以来，物理学家一直对量子力学中的种种发现感到困惑。因为量子世界看起来是如此的不合常理，以及如此的有违直觉，以至于半个多世纪后的1964年，理查德·费曼说出了关于那句著名的：“没有人真正理解量子力学。”

二

触发量子革命的线索并非来自于对物质的研究，而是来自于辐射的一个问题。回到19世纪末，当时物理学家无法解释从热物体辐射出光的模式。我们都知道，热物质会发光，越热就越亮。光的光谱很宽，随着温度的升高，其峰值会从红色变成黄色，最后变成蓝色。物理学家试图通过结合热力学和电磁理论的概念来理解光谱的形状，但所有的尝试都失败了。然而，只要假设能量是量子化的，就会得到一个与实验完美符合的表达式。

普朗克定律正确地描述了黑体辐射。

普朗克推导的结果表明，能量不可以取任何值，而只能是一个常数（即后来的普朗克常数）的倍数。然而，能量具有离散的值在当时是难以被接受的。甚至连普朗克自己对他的发现也表示不解。他用了多年时间，试图将的这个常数应用到经典物理学中，但都没能成功。尽管这个想法在当时很荒谬，但事实证明，来自其他研究的数据完美地与量子理论相符合。

三

爱因斯坦是最早领略到量子力学的奥妙的人之一。1905年，他写了一篇论文，将普朗克的理论应用到光电效应中。光电效应是海因里希·赫兹在1887年描述的一种光从金属中剥离电子的现象，经典电磁学并不能解释为什么这种现象只发生在特定的频率。爱因斯坦则选择利用普朗克的“量子”视角来看待光，即光并不像一个连续的波，而是像一束粒子流，这些光的粒子——光子——有着离散的能量。

有意思的是，普朗克驳斥了爱因斯坦的假设。罗伯特·密立根也是如此，并且他开始试图全力通过实验来驳斥爱因斯坦的理论……但实验结果却意外地为这一理论提供了验证。之后的故事相信很多人也都听过了，当其他研究人员的工作将量子物理学带入了一个更加“奇幻”的领域时，连爱因斯坦自己也开始对量子理论表示怀疑。

玻尔是首个用量子力学来描述原子的人。原子是由带正电的原子核和带负电的电子构成的。电荷相反的粒子会相互吸引。所以，根据电磁理论，电子会很快就陷入原子核中。然而，我们看到原子是稳定的。

为了解释原子稳定性的问题，1913年，玻尔基于欧内斯特·卢瑟福在更早些时候的模型，提出了一个与之前完全不同的原子模型。在玻尔所提出的原子模型中，当电子在离散的圆形轨道之间跃迁时，原子会发射或吸收能量。1915年，阿诺尔德·索末菲用椭圆轨道取代了圆形轨道，使得玻尔模型得到了进一步推广（扩展阅读：《物理学史上最伟大的教师之一》）。

玻尔模型。

四

1925年，海森堡、马克斯·玻恩和帕斯库尔·约尔当，开始以玻尔和索末菲的工作为起点，用矩阵代数创建了量子力学的数学公式。沃尔夫冈·泡利将这种矩阵力学应用到玻尔的原子模型中。但在1926年，这种方法就被埃尔温·薛定谔提出的波动方程所取代。在这一里程碑式的进展中，路易斯·德布罗意也做出了基础性的贡献，从某种意义上看，是德布罗意扭转了我们看待量子世界的方式：如果光能表现出粒子的行为，那么电子也能表现出波的行为。后来，保罗·狄拉克展示了海森堡和薛定谔的图景看起来不同，其实是等价的（扩展阅读：《如何成为理论学家中的理论学家》）。

在薛定谔的波动方程中，量子系统的状态是由波函数描述的。在经典物理学中，牛顿力学可以精确地预测物体的位置和速度；但在量子物理学中，玻恩对波动方程的解释却将电子的轨道变成了一种难以想象的事物——概率密度云。这意味着一个电子在同一时刻可占据它的整个轨道。

由此，玻尔和海森堡提出了量子力学中的“哥本哈根诠释”。根据这个诠释，当对一个系统进行测量时，这种不确定性就消失了；只有这时，波函数才会坍缩，叠加的状态才会变成粒子的一个位置。也就是说，是观察者的观测改变了这个系统。

进行观测后，波函数会坍缩。

这种说法引发了薛定谔提出著名的思想实验——薛定谔猫，这是一只被藏匿于密闭盒子中、同时处于既死又活的状态的猫，这种生与死的叠加状态会一直持续，直到盒子被打开（扩展阅读：《万物皆量子？》）。在薛定谔方程中，粒子的位置和速度无法被同时精确地知道，这一点反映也在海森堡的不确定性原理中。

五

1928年，虽然量子力学的基础已经基本完善，但辩论从未停止过，尤其是爱因斯坦与玻尔之间持续了一段长时间的论战。争论的一个中心问题是，波函数是否包含了关于一个系统的所有可能信息，或者说，是否有潜在的因素——隐变量——决定了一个特定测量的结果？

根据量子力学，对于两个“纠缠”的全同粒子，观察者对其中一个的影响可以瞬间传递到另一个粒子之上，即便这两个粒子在空间上是彼此相距甚远，爱因斯坦将其称之为“鬼魅般的超距作用”。爱因斯坦认为，我们可以利用隐变量来解释这种效应，而不必诉诸于概率——“上帝不掷骰子”，他在一封写给玻恩的信中如是说道。

爱因斯坦在1935年提出的思想实验如今被称为“爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬”（EPR佯谬）。这个实验产生了量子纠缠的概念，也就是我们今天所知道的鬼魅般的超距作用。

1964年，约翰·贝尔受到了另一个量子理论诠释的启发，这个诠释是由大卫·玻姆在德布罗意的导波理论基础上发展而成的，它驱散了哥本哈根诠释中的概率性迷雾，支持独立于观测的确定性视角。贝尔证明，如果隐变量存在，实验观察到的概率就必须低于一定的极限，这被称为“贝尔不等式”。之后的许多实验都表明，不等式被违反了，这表明并不存在隐变量。

尽管量子力学已经一次又一次地证明了它的预测能力，但这并不能削弱这样一个事实：这些自1900年由普朗克开启的所有这些奇怪现象，已经累计成了对量子理论的诸多诠释，比如多世界诠释等（详见：《量子力学的8种诠释》）