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量子力学：上帝也掷骰子

木木西里

2020-01-15

导读：遇事不决，量子力学

“ 俗话说：遇事不决，量子力学

量子力学作为科幻电影中经常出现的填坑专业户，很大一部分原因是和它反直觉的结论和晦涩的数学表达式分不开的。别说普通人难懂，就连曾经获得诺贝尔物理学奖的理查德·费曼都说：“我想我可以肯定地说，没人真正理解量子力学！”

尽管经常被拿来调侃，但真要细究起来，量子力学理论的确可以称得上是20世纪最伟大的物理理论之一。今天小编就站在一个学习者的角度，来和大家唠唠这让无数人挠头的量子力学和它的发展史。

量子妖精

一切都还要从一百多年前说起， 1900年12月14日，42岁的量子力学创始人普朗克在德国柏林的物理学会上发表了题为《论正常光谱的能量分布定律的理论》的论文，提出了著名的普朗克公式，这一天也被后世认为是量子力学的诞生日。

同时，他公布了一个数字（6.6206957×10-34焦耳•秒），这个数字被称为“普朗克常数”，当时的普朗克对新常数，也就是被后人称为“普朗克常数”的h不甚了解。尽管他本人也不希望承认量子化能量的概念，但他心想：如此小的一个量，难道会是一个妖精吗？

从此之后，魔盒被打开，标志着量子力学范畴的这个小精灵（h）就此诞生了。这个常数也被戏称为“量子小妖精”，一百多年来，吸引无数学者为之着迷。就连爱因斯坦和波尔也曾因量子力学产生争论。

第五届索尔维会议

在量子力学的发展史中，有一场著名的会议：1927年的第五届索尔维会议。这场会议从1927年10月24日持续到29日，为期 6天，主题是“电子和光子”。也正是这场会议留下了一张让后世唏嘘不已的照片：

在这张物理学史上全明星阵容的照片中，一共29人，有17人在其一生的研究生涯中获得过诺贝尔奖，有的还不止一次。咱们的祖师爷们就是这么优秀！

此次会议期间，以波尔为代表的哥本哈根学派代表了量子力学，以爱因斯坦为代表的经典物理学派则持经典物理思想理念，双方就量子力学展开了激烈的争论。在当时要想理解双方的观点或许太过困难，但科学争论离不开实验基础，现在的我们可以从双方阵营的著名实验一窥究竟。

电子双缝实验

首先是支撑量子力学学说的双缝实验：用电子枪发射一束电子经过双缝投到屏幕上，会出现干涉条纹，这说明电子是一种波，和光子一样，具有波粒二象性的特征。

实验继续，同样用一把电子枪发射电子，只是这一次是一个接着一个地发射电子，需要在上一个电子到达屏幕之后再发射下一个电子。实验结果却出现了一个让经典物理理论无法解释的现象，在屏幕上，同样形成了干涉条纹。

因为按照经典的波动理论，只有两列波同时经过狭缝的时候才会形成干涉条纹。电子是微观粒子，具有粒子和波的双重特点。但第二次实验一次只发射一个电子，上一个电子到达屏幕后再发射下一个电子，为何也会出现干涉条纹呢？

从实验结果来看，以波尔为首的哥本哈根学派根据实验现象认为：一个电子可以“同时”通过两条狭缝形成干涉条纹，即量子处于“既是此，又是彼”的状态，也称为一种“叠加态”。电子双缝实验的伟大意义就此诞生，它成为支撑量子理论的心脏。

薛定谔的猫

一提到量子理论的争论，就不得不提到著名的薛定谔思想实验中的猫，这只半死不活的猫总是像梦魇一样让支持量子论的物理学家们不得安宁：

设想在一个封闭的匣子里，有一只活猫和一瓶毒药。毒药瓶上有一个锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。这个放射性原子有50%的可能性发生衰变，如果原子核衰变，触发电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，猫必死无疑。

如果我们不打开盖子，这只猫有50%的可能性活着，有50%的可能性死了。而在量子的世界里，当匣子处于关闭状态，整个系统则一直保持不确定性的波态，即猫会处于“生和死的叠加态”。

薛定谔挖苦说：根据量子理论的解释，箱子中的猫处于“死－活叠加态”——既死了又活着！违背了逻辑思维。。

这种“既死又活”的不确定性正是爱因斯坦口中怼波尔的名言：上帝不会掷骰子！

波尔也毫不客气的回应：爱因斯坦，别指挥上帝怎么做！

双方持对立观点的物理学家就这样一直争论了多年，量子力学却在一次次的争论中找到了核心着力点和发展方向，这场世纪之争也成了物理学史上的一段佳话。时至今日，量子力学已然成为现代物理学的基础理论之一。几十年以后，回看当年“华山论剑”般的索尔维会议，霍金有些沮丧地说道：“上帝不但掷骰子，他还把骰子掷到我们看不见的地方去！”