為什么量子力學(xué)很重要？我們習(xí)慣于在宏觀層面看世界。我們的眼睛在其微觀層面上無(wú)法感知真正存在的東西，而且（也許）那樣會(huì)更好。我們需要顯微鏡或其他技術(shù)來(lái)檢測(cè)物質(zhì)最小部分——原子的行為。我們對(duì)構(gòu)成物質(zhì)的粒子性質(zhì)的最好描述是用量子力學(xué)來(lái)描述的——亞原子粒子，例如電子、中子、質(zhì)子、夸克等等。我們是由物質(zhì)構(gòu)成的，因此也是由粒子構(gòu)成的。

每天，我們?nèi)祟惗继锢矶伤枋龅牧孔游瑁?20 世紀(jì)，海森堡、玻爾、泡利、愛因斯坦、薛定諤和德布羅意等科學(xué)家試圖通過(guò)他們的研究和實(shí)驗(yàn)來(lái)解釋。海森堡在德國(guó)黑爾戈蘭島逗留期間奠定了基礎(chǔ)，在那里他能夠計(jì)算數(shù)字矩陣。起初，他甚至不知道這是什么意思。在 1920 年代中期，量子力學(xué)始于海森堡的不確定性和玻恩的波函數(shù)。

正如我們所見，量子理論是許多人的心血結(jié)晶，但玻爾是教父，是每個(gè)人都?xì)J佩的人。玻爾首先應(yīng)用了原子內(nèi)不連續(xù)性的概念。是玻爾解釋了最簡(jiǎn)單的原子氫的行為。更重要的是，玻爾對(duì)量子理論的真理以及向年輕科學(xué)家傳播其基本原理有著近乎惡魔般的癡迷。他是那個(gè)告訴愛因斯坦的人，“嘿，阿爾伯特，看，上帝真的在擲骰子！” 無(wú)論如何，愛因斯坦仍然堅(jiān)信，量子的奇異性遲早會(huì)被其他東西補(bǔ)償。他認(rèn)為，在量子理論之下存在一個(gè)確定性世界。另一方面，玻爾支持這樣一種觀點(diǎn)，即量子理論是完整的，并且量子世界無(wú)疑是概率性的。

是的，你沒(méi)有看錯(cuò)。我們受“概率”支配。

現(xiàn)代物理學(xué)的基本定律提供了統(tǒng)計(jì)信息。海森堡指出，在給定時(shí)間，關(guān)于宇宙中物體狀態(tài)的精確信息不僅無(wú)法確定，而且如果可能的話，我們將無(wú)法準(zhǔn)確了解未來(lái)和過(guò)去，只有統(tǒng)計(jì)信息。

如果你想解釋電子如何通過(guò)計(jì)算機(jī)芯片，光的光子如何在太陽(yáng)能電池板中轉(zhuǎn)化為電流，或者在光纖中的激光中放大自身，或者甚至只是太陽(yáng)如何繼續(xù)燃燒，你將使用量子物理。電子學(xué)是一門研究電子運(yùn)動(dòng)的物理學(xué)分支科學(xué)。工程師和科學(xué)家開發(fā)了一系列宏觀模型，例如 BJT 和 FET，以定義電子在某些狀態(tài)下的行進(jìn)行為。量子力學(xué)告訴我們，一個(gè)電子只能占據(jù)一定的能級(jí)。當(dāng)觀察一大群電子時(shí)，例如在半導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)的電子，這些能級(jí)是“能帶”，或允許的能量值范圍。當(dāng)半導(dǎo)體連接到能帶內(nèi)的電壓時(shí)，它就會(huì)導(dǎo)電。當(dāng)連接到允許能量帶之外的電壓時(shí)，設(shè)備不導(dǎo)電。它充當(dāng)絕緣體。這就是晶體管打開或關(guān)閉的方式，計(jì)算機(jī)將其讀取為 1 或 0 位。

量子物理學(xué)描述了簡(jiǎn)單的事物，例如單個(gè)粒子或一組少數(shù)粒子的位置或動(dòng)量隨時(shí)間變化的方式。在接近光速的高速情況下，需要支持，例如阿爾伯特愛因斯坦的相對(duì)論，我們稍后再討論。幾種量子場(chǎng)理論涉及物質(zhì)相互作用的基本力：電磁學(xué)，它解釋了原子如何結(jié)合在一起；強(qiáng)大的核力，這解釋了原子核在原子中心的穩(wěn)定性；和弱核力，這解釋了為什么一些原子會(huì)發(fā)生放射性衰變。放射性衰變是一系列過(guò)程，通過(guò)這些過(guò)程原子在一定時(shí)間后改變其狀態(tài)，從而達(dá)到較低的能量但更穩(wěn)定并發(fā)射各種粒子。該過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行（稱為衰減鏈），直到達(dá)到最大穩(wěn)定性的條件。近年來(lái)，已經(jīng)有理論和實(shí)驗(yàn)研究將所有這些力量結(jié)合起來(lái)得出上帝方程，這是一個(gè)可以描述自然的簡(jiǎn)單方程。我說(shuō)的是標(biāo)準(zhǔn)模型。一個(gè)例子是希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，這種粒子解釋了為什么其他粒子有質(zhì)量。

我們所熟知的第一個(gè)量子是光子（太陽(yáng)的粒子），它是量子力學(xué)的基本成分，是簡(jiǎn)單的無(wú)質(zhì)量粒子，每天都在轟擊和加熱我們，通過(guò)它我們還能夠利用光電效應(yīng)產(chǎn)生電流與光伏板。光電效應(yīng)解釋了電子在被光子流淹沒(méi)后從金屬表面射出的特性。光子的能量被轉(zhuǎn)移給電子，電子獲得動(dòng)能以改變軌道，變成光電子，并為電路傳輸電力做好準(zhǔn)備。

“量子”一詞來(lái)自拉丁語(yǔ)“quanto”，反映了這樣一個(gè)事實(shí)，即量子模型總是暗示一些以離散量出現(xiàn)的東西。所以它不僅是概率的，而且是離散的。量子場(chǎng)中包含的能量是某個(gè)基本能量的整數(shù)倍。對(duì)于光，這與頻率和波長(zhǎng)有關(guān)。

普朗克為熱體發(fā)出的光能頻率創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)學(xué)公式。它表明熱物體會(huì)發(fā)出“紅色”頻率。最熱的物體會(huì)發(fā)出所有可見顏色的頻率，使它們看起來(lái)是白色的。普朗克的公式奏效了，這要?dú)w功于一個(gè)關(guān)鍵的想法。在普朗克之前，科學(xué)家們認(rèn)為能量是連續(xù)的。他們認(rèn)為一個(gè)物體有可能具有那個(gè)尺度的能量值。普朗克的激進(jìn)假設(shè)是，在亞原子水平上，熱物體只能以小單位或“包”的形式發(fā)射能量。他稱這些量子包。普朗克說(shuō)，量子中的能量隨頻率的增加而增加。較低頻率（例如紅光）比較高頻率（例如白光中的頻率）具有更少的能量。然而，普朗克找不到解釋能量以這種方式量化的原因。在給朋友的一封信中，他寫道，他公式中的這個(gè)數(shù)學(xué)假設(shè)是“絕望的行為”。

幾年后，尼爾斯·玻爾給出了答案。

玻爾徹底改變了軌道模型。他說(shuō)電子必須在一系列特定的路徑上。這些路徑就像行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道。他稱它們?yōu)殡娮榆壍馈Ｃ總€(gè)軌道都有一個(gè)相關(guān)的能級(jí)。當(dāng)電子吸收足夠的能量時(shí)，它會(huì)從一個(gè)軌道“跳躍”到下一個(gè)更大的軌道。當(dāng)一個(gè)電子從一個(gè)軌道“下落”到一個(gè)較小的軌道時(shí)，它會(huì)釋放能量。發(fā)射的能量正好是兩個(gè)軌道之間的能量差。這就是為什么能量以離散值存在的原因，如“量子”，而不是連續(xù)的。

玻爾原子（來(lái)源：Britannica）

地球隨著它的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)。和其他行星一樣。牛頓展示了什么力量在起作用——即萬(wàn)有引力。愛因斯坦通過(guò)引入時(shí)空告訴了我們更多的東西。微觀層面，即物質(zhì)的最小部分，實(shí)際上是相同的。有一個(gè)類似于我們太陽(yáng)的原子核，然后有位于軌道上的電子。每個(gè)軌道都有數(shù)量有限的電子，它們?cè)谧孕矫婢哂蟹浅Ｌ厥獾奶匦浴｀牛妙愃频谋扔鳎壍朗俏覀兊男行牵娮邮撬木用瘛?/p>

當(dāng)我們觀察世界時(shí)，在宏觀或微觀層面上，實(shí)質(zhì)結(jié)構(gòu)是相同的。有些東西控制著一切（太陽(yáng)），有些東西跟隨運(yùn)動(dòng)并使原子保持活力。沒(méi)有什么特別的原因嗎？我們顯然不知道。電子可以從一個(gè)軌道跳到另一個(gè)軌道，我們將其視為“觀察”。理論上，我們?nèi)祟愐部梢詮囊粋€(gè)星球跳到另一個(gè)星球，但需要消耗大量能量。我們可能已經(jīng)這樣做了；我們不知道。唯一的問(wèn)題是它需要更大數(shù)量級(jí)的能量。請(qǐng)記住，當(dāng)電子從一個(gè)軌道跳到另一個(gè)軌道時(shí)，我們通過(guò)適當(dāng)發(fā)射或吸收的光子來(lái)觀察它——即進(jìn)入或離開物質(zhì)的光線。在第一種情況下，我想到了一顆以力量進(jìn)入地球的隕石，從而改變了演化，迫使他們離開房子到其他地方避難，在另一個(gè)軌道上。我們知道同一類型的電子不能存在于軌道內(nèi)，技術(shù)上具有相同的自旋。無(wú)需贅述，自旋與電子的電磁行為有關(guān)。軌道上的兩個(gè)電子必須具有相反的自旋；也就是說(shuō)，兩個(gè)平等的人在同一個(gè)房間里打架，最好避免！

泡利將這一原則正式化。

通過(guò)量子望遠(yuǎn)鏡看到的氫原子圖像。（來(lái)源：APS 物理）

量子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述通常采用“波函數(shù)”的形式，在方程式中由希臘字母 psi：Ψ 表示。關(guān)于這個(gè)波函數(shù)究竟代表什么存在很多爭(zhēng)論：有些人認(rèn)為波函數(shù)是真實(shí)的物理事物，有些人認(rèn)為波函數(shù)只是表達(dá)我們對(duì)底層的知識(shí)（或缺乏知識(shí)）的表達(dá)。特定量子對(duì)象的狀態(tài)。量子物理學(xué)以奇怪著稱，因?yàn)樗念A(yù)測(cè)與我們的日常經(jīng)驗(yàn)截然不同（至少對(duì)人類而言）。發(fā)生這種情況是因?yàn)殡S著物體變大，所涉及的影響會(huì)變小：如果你想看到量子行為，你基本上想看到粒子表現(xiàn)得像波，并且波長(zhǎng)隨著動(dòng)量的增加而減小。

量子力學(xué)不是局部的。這意味著什么？在特定位置進(jìn)行的測(cè)量結(jié)果可能取決于遠(yuǎn)處物體的屬性，并且以無(wú)法“正常”解釋的方式。然而，這在技術(shù)上不允許信息以超過(guò)光速的速度發(fā)送，盡管已經(jīng)有幾次嘗試找到使用量子非定域性的方法。量子力學(xué)是我們描述亞原子粒子世界的最佳理論。或許最著名的奧秘在于，量子實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可能會(huì)根據(jù)我們是否選擇測(cè)量所涉及粒子的某些特性而改變。當(dāng)注意到這一點(diǎn)時(shí)，科學(xué)家們深感不安。它似乎破壞了實(shí)踐中的許多概念，存在一個(gè)獨(dú)立于我們的世界。如果方式取決于我們?nèi)绾巍蛘呤欠瘛覀兛创敲础艾F(xiàn)實(shí)”究竟意味著什么？我們可以將其解釋為平行世界。

多世界解釋的主要優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)實(shí)的解釋。它通常會(huì)受到難以置信的歡迎，因?yàn)樗凳局耍ㄟB同其他物體）不斷地分支出無(wú)數(shù)的副本，但這本身并不是反對(duì)它的論據(jù)。每天，我們都會(huì)冒險(xiǎn)接觸行為不同的人。然而，人的分支導(dǎo)致關(guān)于身份和概率的哲學(xué)難題。除了平行世界之外，隱藏變量中還包含另一種解釋。這是什么意思？概率性質(zhì)的量子力學(xué)理論本質(zhì)上是由于尚不清楚或仍然不完整的物理機(jī)制。無(wú)論如何，這個(gè)理論與貝爾進(jìn)行的一些實(shí)驗(yàn)是不相容的。

根據(jù)一些研究，宇宙可以用一個(gè)包含所有可能現(xiàn)實(shí)的巨大波函數(shù)來(lái)描述。這種“通用波函數(shù)”是其組成粒子的所有可能狀態(tài)的組合或疊加。隨著它的發(fā)展，其中一些重疊會(huì)破裂，使一些現(xiàn)實(shí)彼此不同和孤立。從這個(gè)意義上說(shuō)，世界并不是完全由度量“創(chuàng)造”的。他們只是分開的。這就是為什么我們不應(yīng)該嚴(yán)格地說(shuō)世界的“分裂”，好像兩個(gè)是由一個(gè)產(chǎn)生的。相反，我們應(yīng)該談?wù)搩蓚€(gè)現(xiàn)實(shí)的解體，這些現(xiàn)實(shí)以前只是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的未來(lái)愿景。

在本專欄的開頭，我說(shuō)過(guò)我們是由粒子組成的。我們有我們美麗的波函數(shù)，它與其他波函數(shù)相交，進(jìn)而產(chǎn)生許多子函數(shù)。在我們生命周期的盡頭，粒子與宇宙重新結(jié)合，產(chǎn)生其他波函數(shù)，其他分子作為一組粒子賦予新生命生命，不一定是我們的意思，人類。

審核編輯：湯梓紅