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“上帝擲骰子嗎”來自愛因斯坦著名的一句話:無論如何，我都確信，上帝不會擲骰子。
愛因斯坦的這句話經(jīng)常被認為是他反對非決定論即概率論的標志。而與概率論相對應(yīng)的就是決定論宜肉。
宇宙到底是從出生的一剎那起就有了一個確定的命運，像上好發(fā)條的鐘表翎碑，沿著固定的軌跡滴滴答答的走著谬返？還是，宇宙擁有很多不確定性日杈，像在擲一粒骰子遣铝，充滿著隨機性佑刷？
這兩種對立的觀點分別對應(yīng)著物理上兩種不同的理論，即經(jīng)典物理的決定論和量子物理的概率論翰蠢。我們已經(jīng)知道決定論在科學(xué)上是行不通的项乒，而經(jīng)典物理成了過往的輝煌歲月，取而代之的是量子物理及其概率論梁沧。
至于量子物理及其概率論是什么檀何，這將是本文的重點，也是本文的主角所講述的故事廷支。
本文的主角——《上帝擲骰子嗎》是一本關(guān)于量子物理的科普書频鉴，講述了一個關(guān)于量子論如何建立的故事。作者帶領(lǐng)我們沿著量子論建立的道路展開了一次探險恋拍，見證了一段充滿著困惑垛孔、激動、狂喜施敢、震驚的奇妙之旅周荐。
故事從經(jīng)典物理開始。經(jīng)典物理在建立了經(jīng)典力學(xué)僵娃、經(jīng)典電動力學(xué)概作、經(jīng)典熱力學(xué)（加上統(tǒng)計力學(xué)）三大支柱后達到了全盛時期，物理學(xué)家們認為一切物理現(xiàn)象幾乎都可以在現(xiàn)成的理論中得到解釋默怨，力讯榕、熱、光匙睹、電愚屁、磁……一位著名的科學(xué)家說：“物理學(xué)的未來，將只有在小數(shù)點第六位后面去尋找痕檬■保”
事實上，這個強大的物理帝國在經(jīng)歷了曇花一現(xiàn)的輝煌后就像泡沫一樣凋零了梦谜。凋零最開始的預(yù)兆來自天空漂浮的兩朵烏云丘跌。
第一朵烏云是邁克爾遜-莫雷實驗，這個實驗是邁克爾遜用來測量光以太對于地球的漂移速度改淑。
（以太是經(jīng)典物理中物理學(xué)家們?yōu)榻忉尮庠谡婵罩械膫鞑ザ岢龅臎]有質(zhì)量但有極大剛性，并且無處不在的一種介質(zhì)）
這個實驗是物理史上有名的“失敗的實驗”浴讯，不管改變什么條件朵夏，這個速度都測量不出來，現(xiàn)在我們知道這是因為實驗測量的是一個根本不存在的東西榆纽。
“以太”作為一種假定的介質(zhì)仰猖，是當時經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)捏肢，而這個基礎(chǔ)卻被一個實現(xiàn)無情地否定了。盡管當時的物理學(xué)家們?yōu)榻忉屵@個現(xiàn)象又提出了許多假說來修補饥侵，但建立在理論意義上的假設(shè)物理量想來也是弱不禁風(fēng)的鸵赫。
第二朵烏云是黑體輻射實驗和理論的不一致。量子論的誕生最初就是來源于黑體輻射問題躏升。
（黑體指的是那些可以吸收全部外來輻射的物體辩棒，比如一個空心的球體，內(nèi)壁上涂滿吸收輻射的涂料膨疏，外壁開一個小孔一睁，那么這樣一個球體就是黑體）
物理學(xué)家們在研究黑體輻射問題時發(fā)現(xiàn)，不論是從粒子還是波的角度出發(fā)去推導(dǎo)佃却，得出的黑體輻射公式都沒辦法完全適用者吁。
（粒子和波是經(jīng)典物理對光的兩種認識，關(guān)于光到底是粒子還是波饲帅，物理學(xué)史上一直存在著兩大派別的爭論复凳，就是著名的波粒戰(zhàn)爭）
如果從粒子的角度推導(dǎo)得到的就是適用于短波的維恩公式，從經(jīng)典電磁波的角度推導(dǎo)得到的就是適用于長波的瑞利-金斯公式灶泵。
量子物理在這里出現(xiàn)了一個關(guān)鍵人物育八，就是普朗克。
他決定出手將兩個公式進行調(diào)和丘逸，找到一個普遍使用的黑體輻射公式单鹿。結(jié)果我們知道，這個公式被他找到了深纲，即著名的普朗克黑體公式仲锄。
盡管這個公式的意義當時還不為人所知，但普朗克卻清楚地知道湃鹊，經(jīng)典物理學(xué)無法解決這個問題儒喊。為了解開這個謎團，普朗克決定放下經(jīng)典物理的傳統(tǒng)成見币呵，尋找新的突破怀愧。
他首先做出了不連續(xù)性的假定：假設(shè)能量在發(fā)射和吸收的時候，不是連續(xù)不斷余赢，而是分成一份一份的芯义。
這一假設(shè)打破了長久以來物理學(xué)們的觀念，經(jīng)典物理學(xué)家認為能量的釋放是連續(xù)的妻柒，它總可以在某個時刻到達范圍內(nèi)的任何可能值扛拨。這種連續(xù)性的假設(shè)是整個經(jīng)典物理學(xué)的根基，現(xiàn)在經(jīng)典物理學(xué)的根基被輕易地動搖了举塔。
普朗克認為能量只有有限個可能態(tài)绑警，在發(fā)射的時候分成有限的一份份求泰，每次按照確定的量傳輸。這個確定的量就是一個“量子”计盒，量子是能量的最小單位渴频，能量可以傳輸一個量子、兩個量子北启，但卻不能傳輸二分之一個量子卜朗，這就是能量的不連續(xù)性。
普朗克提出“量子”的概念被認為是量子誕生的標志暖庄。
在量子論之后的發(fā)展道路上我們將看到更多著名的物理學(xué)家們聊替，愛因斯坦、玻爾培廓、薛定諤惹悄、波恩、德布羅意肩钠、泡利泣港、海森堡……這些都是量子物理建立的關(guān)鍵人物。
首先登場的是愛因斯坦价匠。
當時的物理學(xué)家們做了光電效應(yīng)的一系列實驗当纱，這些實驗的結(jié)果與當時的經(jīng)典電磁理論相矛盾。
經(jīng)典電磁理論認為踩窖，光作為一種波動坡氯，強度代表了能量，增強光的強度可以打擊出金屬表面更高能量的電子洋腮。但實驗結(jié)果表明增強光的強度只能打擊出更多數(shù)量的電子箫柳，不能增加電子的能量。要打基礎(chǔ)更高能量的電子啥供，必須提高光的頻率悯恍。
愛因斯坦針對光電效應(yīng)實驗與經(jīng)典電磁理論的矛盾，打破了經(jīng)典物理中光是連續(xù)性的電磁波這一觀念伙狐，繼承了普朗克的不連續(xù)性涮毫，提出了光量子假說。
他假設(shè)光以量子的形式吸收能量贷屎，沒有連續(xù)性罢防，不能積累，一個光子擊打出一個對應(yīng)的電子唉侄。
這就很好地解釋了光電效應(yīng)的實驗現(xiàn)象咒吐。頻率高的光線單個量子比頻率低的光線擁有更高的能量，因此照射到金屬表面可以擊打出擁有更高動能的電子。
愛因斯坦在光電效應(yīng)上的研究成果成為量子論的奠基石之一渤滞。
接下來登場的是盧瑟福和他的學(xué)生玻爾。
盧瑟福在實驗的基礎(chǔ)上提出了一種原子模型榴嗅，這個模型中有一個占據(jù)了絕大部分質(zhì)量但體積卻非常小的“原子核”在原子的中心妄呕。在原子核四周帶負電的電子沿著特點的軌道繞著原子核運行。這一模型當時被稱為“行星系統(tǒng)”模型嗽测。
這一模型又被物理學(xué)家們指出與經(jīng)典物理理論相違背绪励。根據(jù)經(jīng)典電磁理論，帶負電的電子繞著帶正電的原子核運轉(zhuǎn)唠粥，是一個不穩(wěn)定的體系疏魏。
年輕的玻爾認為這個模型沒有問題，他決定引入量子的概念晤愧，以解決經(jīng)典電磁力學(xué)無法解決的問題大莫。
玻爾假設(shè)，電子圍繞原子核運轉(zhuǎn)時官份，只能處于一些特定的能量狀態(tài)只厘，這些能量狀態(tài)是不連續(xù)的，稱為定態(tài)舅巷。
當電子處在定態(tài)是它就是穩(wěn)定的羔味，不會放射處任何形式的輻射而失去能量。電子除了處于穩(wěn)定的狀態(tài)钠右，還可以在不同的能量態(tài)之間躍遷赋元。當電子從能量高的狀態(tài)躍遷到能量低的狀態(tài)時，電子就以輻射的方式釋放出能量飒房；當電子吸收了能量搁凸，它就可以從能量低的狀態(tài)躍遷到能量高的狀態(tài)。能量的躍遷是一個量子化的過程情屹。
玻爾提出的假設(shè)建立起了一個完整的原子理論體系坪仇。
下面登場的將是海森堡、薛定諤和波恩垃你。
海森堡提出了矩陣方程椅文。幾乎同時，薛定諤發(fā)布波動方程惜颇。后來被證明皆刺，矩陣方程和波動方程在數(shù)學(xué)上是完全等價的，只是薛定諤的波動方程更為容易理解凌摄，他們建立的矩陣力學(xué)和波動力學(xué)被統(tǒng)稱為量子力學(xué)羡蛾。
薛定諤的波動方程是通過構(gòu)造一個新空間函數(shù)波函數(shù)建立的。這個波函數(shù)在當時還是一個未知量锨亏，人們還不知道它到底是什么東西痴怨。
波恩認為薛定諤波動方程里的波函數(shù)是骰子忙干，代表的是一種隨機、一種概率浪藻，更準確的說明是函數(shù)的平方代表了電子在空間某個地點出現(xiàn)的概率捐迫。
概率論的出現(xiàn)打破了經(jīng)典物理上的決定論，量子力學(xué)的概率論表明爱葵，世間的一切都是由超小的粒子構(gòu)成施戴，每一種情況都是上文的量子波函數(shù)決定的，粒子在空間中出現(xiàn)的地點是一個概率萌丈，無法精確知道赞哗。
海森堡在波恩概率論的基礎(chǔ)上進一步提出不確定性原理，即人們不能同時精確測量一個粒子的位置和它的速度辆雾。
量子物理認為除非首先描述測量一個物理量的方式肪笋，否則任何物理量都是沒有意義的。比如電子的動量度迂，這是一個無意義的說法涂乌，因為根據(jù)測量方式的不同，結(jié)果可以有很多英岭，從十分精確到萬分模糊湾盒，結(jié)構(gòu)都是正確且可能的。一個電子的動量诅妹，只有測量時才有意義罚勾。
同樣，在量子世界根本不可能說出一個客觀確定的答案吭狡，一個電子沒有“客觀動量”尖殃，有的只是“測量動量”。換言之划煮，不存在一個客觀的送丰、絕對的世界。唯一存在的弛秋，就是我們能夠觀測到的世界器躏。
事實上，量子物理到這里才是精彩的開始蟹略。因為它接下來將顛覆我們的認知登失，改變我們對宇宙的認識方法。
不確定性的提出挖炬，使物理學(xué)上出現(xiàn)許多神奇的推論和解釋揽浙。比如量子態(tài)疊加與塌縮、薛定諤的貓實驗、量子自殺馅巷。
正如玻爾曾說：“如果誰不為量子論感到困惑膛虫，那他就是沒有理解量子論〉鲡”
不妨你也去讀一讀這本書走敌，跟著作者的腳步進入量子論那奇怪的沼澤中時，你將見到無數(shù)稀奇古怪的東西逗噩，你會感覺如墜云霧中，找不到頭緒跌榔。費曼說過“沒人能理解量子論”异雁，但這正是物理學(xué)家們?yōu)橹偪竦脑颉?/b>
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