终于从科幻片写到科幻理论——量子力学了
量子力学我一直都无法真正搞清楚其中的原理，所以只能做个量子力学的简史，来说一说这段科学，这还得从昨天看《宇宙的奇迹》完，提到了重金属，就想到了元素周期表（门捷列夫真牛），研究着元素，就想到了原子，质子和中子，电子，就不自觉又到了看不明白的量子力学
说到量子力学就不得不从物理史上持续时间最长，程度最为激烈的论战说起。这场论战争论的焦点是——光。
最开始人们通过观察发现光沿直线传播，会反射会折射，直观的认为光就是由一粒粒非常小的光子组成的，这套说法，我们就称之为“微粒说”。 后来当黑暗中世纪过去之后，人们了解到声音是一种波，当理解了波动现象之后，觉得光很可能也是一种波，我们称之为光的“波动说”。
#第一次波粒战争
1672年，29岁年轻气盛的牛顿，因为制造了一台杰出的望远镜而当选英国皇家学会会员。 初来乍到的牛顿给学会递交了一篇文论，内容是关于他自己所做的色散实验。色散实验是他做的最有名的实验之一了，这应该属于小学自然课的知识。就是让一束白光通过三棱镜，散射出一条颜色从红到紫的彩色宽带。牛顿看到白光是由七色光混合而成，他认为光的复合与分解就是不同颜色的颗粒的混合与分开。 这篇论文就到了罗伯特·胡克的手里，胡克是谁？他比牛顿大8岁，也是非常杰出的科学家。7年前，胡克出版了《显微术》一书，这本划时代的著作为他赢得了世界性的学术声誉，在书中他明确的支持光的波动说。而胡克已经抱得大名的时候，牛顿才刚刚从剑桥大学毕业，也许还在苹果树下思考他的万有引力呢。 这时，作为光学和仪器方面独一无二的权威，胡可显然没有把牛顿这个毛头小子放在眼里，对他论文中的观点进行了激烈的抨击。 牛顿有生以来都没有受到这样的批评，哪里受得了这个，勃然大怒。花了整整四个月的时间，写了一篇长文炮轰胡克，其中言辞刻薄。就这样，胡克大言不惭在先，牛顿恶语相讥在后，两个人都格外的敏感且心胸狭窄，最终成为了一生的仇人。
19世纪初，托马斯杨成为了波动方面军的领袖，第二次波粒战争爆发。双缝干涉条纹这门波动大炮无坚不摧，微粒说节节败退。最终1850年，光速在真空与水中的速度被测定，铁一般的数据面前，微粒说承认战败。
但这还不算什么，更加激动人心的事情即将发生。1856年、1861年和1865年，伟大的麦克斯韦发表了三篇关于电磁理论的论文。
在麦克斯韦之前，最伟大的物理学家是牛顿，力学体系统一了天上和地下，让世人明白月亮与我们手中的苹果遵循这一样的物理定律。在他此之后最伟大的物理学家当然是爱因斯坦，相对论统一了时间和空间。而在牛顿与爱因斯坦之间，最伟大的物理学家毫无疑问就是麦克斯韦，他统一了电场与磁场，之后的量子理论与相对论都是建立在此基础之上。今天我们的手机、无线电、雷达等等的现代发明都来源于此。古老的牛顿力学历经岁月磨砺始终屹立不倒，从天上的行星到手中的苹果，万物都毕恭毕敬的遵循着它制定的规则运行。在光学方面，波动一统天下，电磁理论更是把荣光扩大到了整个电磁世界。而在热方面，三大热力定律已经建立。而且它们三个是彼此支撑包容的，形成了经典物理的大联盟，经典力学，电磁学和热力学是物理世界的三大支柱，它们紧紧结合在一起，构筑起华丽而雄威的殿堂。
时间进入到20世纪。1900年，大科学家开尔文，发表了科学史上非常著名的演讲。他说：“现在物理学的天空晴空万里，除了两朵小小的乌云。只要把他们给赶走，物理学就大功告成了。” 这两朵小乌云是当时面临的两个没有解决掉的难题，一个是迈克尔逊-莫雷实验，一个是黑体辐射实验。当时开尔文认为这是两个小问题，很快就会被搞定的。 而“乌云”这个比喻后来变得非常出名，被反复引用。所有人都没法想象，这两朵不起眼的乌云将要摧毁整个经典物理大厦，最终将让物理学在烈火与暴雨中实现涅槃，并重新建起两座更加壮丽的城堡。 第一朵乌云，导致了相对论革命的爆发；第二乌云，则导致了量子论革命的爆发。如果开尔文知道后面将要发生的事情，他一定会为自己当年的一语成谶而深感震惊。
1900年，开尔文发表乌云演讲的时候，普朗克已经研究黑体辐射问题有6年之久了。两套公式，就是只在一个有限的范围内有效，而从根本上这两套公式推导都没有任何的问题。普朗克和所有人一样，想要找出一个普遍适用的公式，但面前的二者就是无法调和。 一天下午，普朗克决定不再管什么假定和推导了，采用实用主义的态度，直接尝试凑出一个能用公式来再说吧。他运用数学方法尝试了几天，还真就侥幸凑了出来，无论是长波还是短波都适用。这就是著名的普朗克黑体公式。
经过反复的研究，普朗克发现，要让公式背后的意义成立，需要有一个前提假设。能量在传递的时候必须要是一份一份的，它不可以无线分割，必须要有一个最小单位。这个单位就是后来的“量子”。 正是这个假设，让曾经被认为坚不可摧的经典物理世界土崩瓦解。为什么呢？能量不是连续的，这有什么了不起的？普朗克发现，能量的传输必须要遵循货币一般的方式。1900年12月14日，普朗克将自己的大胆假设公之于世。这一天被认为是量子的诞生之日。
甚至到后来，大家都发现了量子将带来巨大革命的时候，普朗格自己都不能接受这个结果。 当然了，普朗克的态度是完全可以理解的，因为量子的思想太过于惊人，所以在后来量子论的成长过程中，很多科学巨人都参与推动它的工作，可最终却因为无法接受它惊世骇俗的解释而纷纷站到了保守的一边。 这张闪闪发光的名单里不仅有普朗克，还有瑞利、汤姆逊、德布罗意、薛定谔乃至爱因斯坦。
时间就这么过去了4年多，直到1905年。这一年被称之为物理史上的奇迹之年，因为在这一年一位超级天才，连续发表了6篇划时代的论文。他就是阿尔伯特·爱因斯坦。在这6篇论文当中，爱因斯坦解释了布朗运动，提出了大名鼎鼎的狭义相对论，还证明了物理史上最著名的公式E=mc²。 而其中有一篇论文，为爱因斯坦在之后赢得了诺贝尔物理学奖，也是他让量子论来到历史舞台的中央，并且引爆了第三次波粒战争，这篇论文是对于光电效应的解释。
光的频率越高，那么单个光量子的能量就越高。而光的强度越高，只代表光量子的数量越多。而且能量没有连续性，不能累计，一个光量子激发出一个对应的电子。因此低频的光，单个光量子的能量不足以激发出电子，所以你有再多的光量子也无济于事。 爱因斯坦将量子论引入其中，光电效应的难题迎刃而解。
卢瑟福通过粒子散射试验，提出了行星原子模型。原子就像我们的太阳系，电子围绕着原子核运动。 但是这个模型与经典电磁理论不相容。玻尔为了解决这个问题，于是引入量子化假设，提出了玻尔模型。 他假定电子相对于原子核的轨道距离是量子化的，处在特定距离的电子就是稳定的，不会因为丢失能量而坠毁，同时电子可以在不同轨道间跃迁。因为能量的传输是量子化的，所以能量变化而带来的位置改变也就是跳跃的。 当时波尔理论非常的成功，获得了1922年的诺贝尔奖。 玻尔回到哥本哈根，组建研究所，吸引了世界各地才华横溢的年轻人。在他的领导下，缔造了以激情活力与进取为代表的哥本哈根精神，玻尔研究所逐渐也成为了物理学界人们眼中的圣地，深远的影响着量子力学的未来。
1923年，德布罗意从爱因斯坦光量子假设出发，认为实物粒子也具有波动性，提出了物质波理论。第三次波粒战争被推向高潮。现在不仅仅是光，整个物质世界全部都被卷入了波动与微粒的战争之中，物理世界陷入大混乱。 但也不用太过担心，这像是黎明前的黑暗，物理学即将迎来自己的曙光。就像当年卢瑟福遇到了玻尔，玻尔也将遇到自己的接班人。
1901年，海森堡出生于德国的艺术世家，从小就被认为是一个神童。在数学和物理一面都展现出了非凡的天赋，同时他对文学和音乐也表现出了极大的兴趣。长大之后，他觉得自己数学不错，本来是向往这方面发展，但是被自己心仪的导师拒绝了之后，退而求其次才选择了物理。他之后在物理取得的巨大成就，离不开他精湛的数学功力。 当时，海森堡作为一个大二学生，竟然敢向玻尔提出一些学术观点上的不同意见，这让玻尔对他刮目相看，随后，玻尔便邀请海森堡去哥本哈根访学。 海森堡去到玻尔身边，最大的受益还不是物理研究上的，而是一种哲学上的熏陶。玻尔是一个极富哲学气质的人，他对许多物理问题的看法都带着浓厚的哲学色彩，这很大程度上影响了海森堡后来的思维方式。
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当年，玻尔的理论非常成功。它可以很好的解释观察到的氢原子内部的行为，也因此获得了1922年的诺贝尔物理学奖。 在他获得获奖之前的1919年，应普朗克的邀请，玻尔访问了战后的柏林。在那里普朗克与爱因斯坦热情的接待了他。量子力学三大巨头坐在了一起展开了讨论。玻尔就说电子在轨道间的跃迁是不可预测的，爱因斯坦对此大摇其头，认为任何的物理过程都是确定的和预测的。在这里就已经埋下了两个人旷日持久争论的种子。
这一届索尔维会议，俨然成了爱因斯坦与玻尔两个人的华山论剑，爱因斯坦设计了很多的思想实验对量子论进行攻击。 海森堡后来回忆说：爱因斯坦和玻尔两个人早餐的时候就会见面，爱因斯坦便描绘一个思想实验，指出哥本哈根解释的内部矛盾。在会议休息期间，哥本哈根学派的一帮人就开始讨论分析这个思想实验，在傍晚的时候玻尔心中就已经有数了，他会在晚饭的时候分析给爱因斯坦听。爱因斯坦对这些分析提不出反驳，但心里还是不服气的。 这场华山论剑，爱因斯坦终究还是输了一招。 一弹指三年过去，第六届索尔维会议，两人的第二次华山论剑，爱因斯坦带着他那著名的光箱实验再度来袭，玻尔用爱因斯坦广义相对论中的红移效应完美化解。光箱实验非但没有击倒量子论，反而成了它最好的证明。 两人的对决，爱因斯坦最终还是占了下风。他从最初的全盘否定，变为后来认为量子论是不完备的，量子系统表现出的不确定性是因为还有隐藏变量我们没有发现没有掌握，他始终坚信：“上帝是不掷骰子的！”。
面对浩浩荡荡的历史潮流，爱因斯坦顽强的逆流而上，结果是被冲刷得站立不稳，苦苦支撑。量子论的思潮席卷了整个物理界，毫无保留的指明了未来的方向，越来越多的人领悟了哥本哈根解释的奥义，纷纷皈依量子门下。 爱因斯坦的反动不免令人扼腕叹息。遥想1905年，他横空出世，六次出手，每一次都地动山摇，惊世骇俗。他少年意气，睥睨群雄，那一幅笑傲江湖的传奇画面在多少人心中留下了永恒的神往。 可是，当年那个斩龙少年，长出了龙鳞，站到了新生量子论的对立面。
这不仅仅只是他们两个人的争斗，而是传统物理与新物理两种世界观的争斗。 不仅爱因斯坦是量子论的怀疑者，还有之前我们说过的很多量子论的创立者，像是普朗克、德布罗意和薛定谔。所以即便没有了爱因斯坦，量子论也并没有轻松多少。
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前面说到海森堡，在几乎同时间，另外一位科学家通过另一条道路也创立了同样的量子力学。他是奥地利物理学家，全世界最有名的猫家长—埃尔文·薛定谔。1925年，38岁的他已经是瑞士苏黎世大学的一位知名教授，相比于24岁的海森堡来说，当然只能算是大器晚成。 这一年圣诞节，薛定谔正在美丽的阿尔卑斯山上度假。据说当时他是在与一位情人约会，这位女士是谁始终是个谜题。而且她的真实身份引发了人们极大的好奇心，无论是史学专家还是八卦记者都想挖出她到底是谁，可惜都没成功。这位神秘女郎真是极大的激发了薛定谔的灵感，让他的创造力非常的旺盛，薛定谔一生中最伟大的工作就是在这段时间完成的。薛定谔在咀嚼了德布罗意物质波的理论之后，决定直接把它运用到原子中去。海森堡用庞大的矩阵运算导出结果这实在是太麻烦了，薛定谔说我们直接就把电子看成是波，用波动方程去表示它就可以了。 最终它得到了名震世界的薛定谔波动方程，建立了波动力学，并且古老的经典力学也可以被包容其中。 虽然玻尔模型能很好的解释氢原子，但是当原子核外的电子一多，情况一复杂，也就无能为力了。 于是量子力学应运而生，海森堡和薛定谔几乎是在同时间里，分别从两条迥异的道路向上跋涉，最终都登上量子论的山顶。
海森堡通过矩阵的形式创立了矩阵力学，薛定谔通过波动方程的形式创立了波动力学。这里两种形式虽然在数学上完全等价的，但是理论解释却完全不同。 海森堡的矩阵力学建立在粒子的基础上，强调的是粒子非连续性的一面。薛定谔的波动力学建立在波的基础上，从德布罗意的物质波理论出发，强调的是电子作为波连续性的一面。他不断的思考着矩阵背后的物理意义，一天晚上他又想起了矩阵不符合乘法交换律的特性，ab不等于ba。 在实际的计算中他就碰到了这个问题，电子的动量P和位置Q两个数值，PQ不等于QP。既然数学中已经蕴含了世界的真相，那这个不等式背后的物理意义到底是什么呢？海森堡一直没有搞懂。 突然有一天，他灵光乍现做出了一个大胆的猜测，这是不是代表着如果我们先测量了电子的位置，就会影响电子的动量，反过来，如果先测量了动量，那么也就会影响它的位置。 海森堡手心捏了一把汗，他知道这里面藏着一个重大的秘密。 由经过数学计算海森堡发现了，如果对动量的测量越精确，那么对位置的测量就越不精确，反之亦然。电子的动量和位置就想跷跷板的两头一样，这头按下去，那头就会翘起来。我们永远也没法同时确定一个电子的动量和位置。
海森堡不确定性原理，不仅发生在动量与位置之间，能量和时间之间，也存在着不确定的关系。 在宏观世界，如果你面对一面2米高的墙，如果你的跳跃能力只有1米5，那你是无论如何都不可能翻过这堵墙的。但是当一个微观粒子，面对一堵高于自己能量的墙的时候，时间确定，能量不确定，因此它有一定的概率是可以翻过这堵墙。就像是在墙上打了条隧道穿过去了一样。 之前我们在解读《浪潮之巅》的时候，介绍过摩尔定律。就是说计算机的运算能力每18个月会翻一番。运算能力取决于芯片上计算单元的多少。计算单元越做越小，7纳米，5纳米工艺都有了，已经逼近了物理极限，要再往小了去发展就变得非常困难了。因为量子世界中的隧道效应就开始显现，计算单元传输的0和1的信息就会出错。所以摩尔定律必然在量子力学面前失效。 还有另外一件更玄的事情，真空涨落，真空中的能量可以无中生有。海森堡告诉我们，在极短的时间内是什么都可能发生的，因为时间确定，那能量就非常的不确定。能量物质就可以自由的出现和消失。但是代价就是它只能在那一段极短的时间内，时间一到，就像是灰姑娘的魔法会消失一样，时间很短，所以质能守恒定律在大尺度上并没有被破坏。 玻恩的概率诠释，海森堡的不确定性以及玻尔的互补原理，三者共同构成了歌本哈根解释的核心。前二者今天我们都说了，玻尔的互补原理是什么意思呢？他将终结持续了300多年的波粒战争，那个非常非常诡异的电子双缝实验也会登台。
我们再来看看玻尔的互补原理，他以此终结了持续300多年的波粒战争。 这一出持续了300多年的传奇故事，穿插着物理史上最伟大的那些名字：牛顿、胡克、惠更斯、托马斯·杨、麦克斯韦、普朗克、爱因斯坦、玻尔、海森堡、德布罗意、薛定谔…… 现在我们进退维谷，一方面，双缝干涉条文毫不含糊的揭示了光的波动性，另一方面光电效应又同样清晰的表明它是粒子。就电子来说，玻尔的跃迁，海森堡的矩阵都强调了它不连续的一面，薛定谔的波动方程又大肆宣扬着它的连续性。 每个人说的似乎都是对的，这该如何是好呢？ 福尔摩斯有一句至理名言：“当你把一切不可能的结果都排除之后，那么剩下的，不管多离奇，也必然就是事实。” 到这里剩下唯一的可能就是：电子既是粒子，也是波！ 是的，波粒二象性就是玻尔的看法，这可不是专业高端和稀泥这么简单。经过了几百年的争论，不可否认，一个电子必须由粒子和波两个方面做出诠释，才是完备的。 玻尔所说的波粒二象性，意思是当我们去观测电子的时候，它只表现出一种属性，要么是电子、要么是波。它到底展示出粒子的一面还是波的一面，完全取决于我们怎么去观察它。
这里就要提到大名鼎鼎的电子双缝干涉实验，电子双缝干涉实验，如果我们不观测电子，电子就是可以同时通过两条狭缝，因为只有这样它才能知道两条缝的宽度，知道自己要落在干涉条纹的什么地方。 电子处于一种能够同时通过左缝和右缝的叠加态。可是一旦我们去观测它，电子的不确定性就消失了，因为观测会得到的一个确定的结果，于是电子就从刚才的叠加态坍缩成只走左边或者只走右边的两个纯态之一。
很快，薛定谔请出了那只令哥本哈根解释非常尴尬的猫咪。所谓薛定谔的猫，其实是他用来攻击量子论的一个思想实验。 你们哥本哈根学派不是说，在没有测量之前，一个粒子的状态是不确定的吗？处于各种可能性的叠加态，对吧？还有，如果严格按照薛定谔波动方程的演化方向，一个系统并不会从叠加态演化成纯态，也就是说坍缩并不符合量子论的基本原理。但是面对电子双缝干涉实验的结果，必须要把坍缩附着上去才能给出合理的解释。况且，也没有任何人亲眼看到所谓的叠加态长什么样子。 为了把人类意识这个令人厌烦的东西从物理学中一脚给踢开，同时还能绕开坍缩更好的解释叠加态的问题。物理学家们抛出了一个更加惊世骇俗的理论，也是我们常常在各类科幻电影中看到的：平行宇宙。
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多宇宙理论的创始人，埃弗莱特在1930年的双11这一天，出生在美国华盛顿。 从小他就对爱因斯坦怀有深深的崇敬。在他只有12岁的时候，就给在普林斯顿的爱因斯坦写信，询问了一些关于宇宙的问题，神奇的是，爱因斯坦竟然还真的给这个小男孩回信了。后来他也进入普林斯顿攻读物理。 1954年，就在量子论方兴未艾，哥本哈根解释如日中天的时候，埃弗莱特发表了自己的多宇宙理论。 面对经典的双缝困境，电子是走左边还是右边呢？按照哥本哈根解释，不观测的时候，叠加态两边都走。观测了，波函数坍缩，随机选择通过左边或者是右边。 埃弗莱特说波函数并没有坍缩，电子左右的选择都发生了，只不过这一过程造成了两个世界，在一个世界中我们看到电子往左边走，另一个世界则往右边。 这样一来薛定谔的猫也就不成问题了。分裂出了两个世界，在一个世界中，猫一只活着，不存在生死叠加的问题。而在另一个世界呢？猫在分裂那一刻就死了，不用等到我们开箱的时候才坍缩。
1980年，美国物理学家古斯提出了宇宙爆胀理论，说我们的宇宙其实就是一个免费的午餐。本来世界上什么都没有，就是真空状态，但就因为真空涨落在很短的时间内爆发出了很大的能量。 2016年，引力波的存在被证实，一时成为超级大新闻，引力波的一个重大意义就是它直接支持了宇宙爆胀理论，从而使我们对宇宙大爆炸之初的情况有更加深刻的了解。
最后我们还要聊量子论中的最后一个奥义，量子纠缠。故事还是要从爱因斯坦说起。 之前我们说，爱因斯坦坚决捍卫经典物理的世界观，从量子论的奠基人变成了其反对者，两次在索尔维会议上与玻尔互掐，可惜都落了下风。 爱因斯坦发现看来要打倒量子论没有这么容易，于是调整了策略，不再说量子论是错误的，而说它是不完备的。之所以我们看到量子系统表现出的不确定性，那只因为有隐藏变量我们没有发现，没有掌握。
在两次失利之后，爱因斯坦准备提出第三次反驳。这一次他还找来了两个帮手，都是他在普林斯顿大学的同事。一个叫波多尔斯基，一个叫罗森，连同爱因斯坦，三个人姓氏的首字母分别是EPR，因此他们为了论证量子论不完备性所提出的这个悖论就叫做EPR佯谬。
而就在不久之前，2015年10月，在荷兰进行了有史以来第一次对贝尔不等式的无漏洞验证实验。他们把两个金刚石色心放置在相距1.3公里的实验室，并以高达96%的测量效率检验了两者之间的纠缠。在严格的条件之下，量子论仍然获胜。我们最后的一丝怀疑都被消除，此后贝尔不等式正式更名为贝尔定律。
黯淡了刀光剑影，远去了鼓角争鸣，爱因斯坦与玻尔长达半个世纪的论战硝烟散尽，量子论笑到了最后，只可惜爱因斯坦与玻尔早已作古。如果他们活到今天不知道会表达什么样的看法呢？我们似乎听到在遥远的天国，那段经典的对白仍然在不停的重复： “玻尔，亲爱的上帝是不掷骰子的！”“爱因斯坦，你别去指挥上帝怎么做！” 现在，我们可以狂妄的用尼采的方式来宣布：爱因斯坦的上帝，已经死了！
量子论从诞生以来，经历了无数的风雨，就连爱因斯坦，薛定谔这些最伟大的物理学家都曾向他猛烈的开火，试图从根本上颠覆它，但这，却让量子论的光辉显得更加的耀眼夺目。 从实用的角度来说，量子论是有史以来最成功的理论，它不仅远超麦克斯韦的电磁理论，甚至超越了牛顿的经典力学。 他的出现，彻底改变了世界的面貌，比史上任何一种理论都引发了更多的技术革命。核能、计算机技术、新材料、能源技术、信息技术…… 如果要评选20世纪哪个事件最深刻的影响了人类社会，那毫不夸张的说，既不是两次世界大战，也不是共产主义运动的兴衰，更不会是联合国成立，女权运动、人类探索太空等等，都不是，而是量子力学的创立与发展。 许多人喜欢比较20世纪齐名的两大物理发现，相对论和量子论，争论他们究竟谁更伟大，其实所谓的伟大往往不具有可比性，正如人们争论李白与杜甫，莫扎特与贝多芬，罗马帝国与大汉王朝谁更伟大一样。 但是，如果仅从实用性的角度而言，我们到可以毫不犹豫的说，是的，量子论更加有的有用。 也许我们仍然不能从哲学意义上去真正理解量子论，但它依旧无可限量。虽然我们有时候还会偶尔怀念经典时代，怀念那些因果关系一丝不苟，宇宙的本质简单易懂的日子，但这也仅仅只是一种怀念罢了。
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写完到这，就想起了《奥本海默》上映的时候，好多量子力学里的人跟奥本海默的人物都串在一起了，爱因斯坦和奥本海默的对话，波尔是奥本海默的导师，海森堡是纳粹核计划的领军人物。德国要制造原子弹，以此美国集结全世界人才出台的曼哈顿计划，抢先一步研制成功。
最后我只想说，遇事不决，量子力学，科学的尽头是玄学，加油明天，早点睡，晚安。
