世界上有許多著名的貓：Kitty、加菲貓、哆啦A夢(mèng)逗物、Tom……

而科學(xué)界最著名的貓，大概就是“薛定諤的貓”了瑟俭。薛定諤的貓來(lái)自于物理學(xué)家薛定諤所提出的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)翎卓，為的是展現(xiàn)量子力學(xué)理論與宏觀物體的經(jīng)驗(yàn)常識(shí)之間的矛盾。

從頭開(kāi)始介紹“薛定諤的貓”是一個(gè)非常漫長(zhǎng)的過(guò)程摆寄，在開(kāi)始這個(gè)過(guò)程之前失暴，我要對(duì)這個(gè)過(guò)程本身做一些說(shuō)明。

有時(shí)微饥，我們想要解釋的事物 A逗扒，需要事物 B 做背景知識(shí)，但聽(tīng)眾卻可能并不了解事物 B欠橘，于是我們不得不把事物 B 也介紹一下矩肩；理解事物 B 又需要事物 C 和事物 D 的知識(shí)，于是我們又不得不把事物 C 和 D 也介紹一遍肃续；理解事物 C 和 D 可能又需要其他的背景知識(shí)黍檩。如此一來(lái)，為了解釋事物 A始锚，我們就不得不解釋一長(zhǎng)串的 B建炫、C、D疼蛾、E……

這真是一件惱人的事情肛跌。

對(duì)于想要了解這事物的人，長(zhǎng)長(zhǎng)的鏈條也讓人喪氣，尤其在解釋問(wèn)題的人水平不怎么高明的時(shí)候衍慎。讀這樣老長(zhǎng)的文字大概是好奇心與沒(méi)耐性之間的戰(zhàn)斗转唉。然而，如果真的要給人家解釋某件事物稳捆，最好還是耐住性子赠法，假裝自己的文字很生動(dòng)，從背景知識(shí)開(kāi)始一點(diǎn)點(diǎn)解釋把它描述出來(lái)乔夯。

1砖织、從光說(shuō)起

我們?cè)噲D理解這個(gè)世界——就像費(fèi)曼說(shuō)的那樣——像是在觀看天神們所下的一盤象棋，雖然我們不知道弈棋的規(guī)則末荐，但觀看的時(shí)間長(zhǎng)了侧纯，總能總結(jié)出一些規(guī)律來(lái)。

天神的棋盤

任何我們總結(jié)出的關(guān)于這個(gè)世界的規(guī)則甲脏，都要面臨一個(gè)問(wèn)題：我們永遠(yuǎn)無(wú)法確知世界展現(xiàn)給我們的樣子眶熬，是否就是它本來(lái)的樣子。就像柏拉圖的洞穴比喻一樣：被綁縛于洞穴中的人块请，只能看到火光把物體投在墻壁上的影子娜氏，以為那就是真實(shí)的世界。

然而科學(xué)必須放過(guò)這個(gè)問(wèn)題墩新，只關(guān)注我們所看到的世界贸弥，而不關(guān)注“本來(lái)”的世界。這是因?yàn)椋撼俏覀儞碛猩系垡暯呛Ｔǎ牢覀兯吹降氖澜缗c本來(lái)的世界并不相同茂腥，否則，“本來(lái)的世界”對(duì)我們來(lái)說(shuō)便只是一個(gè)修辭的說(shuō)法切省，沒(méi)有任何實(shí)際意義。我們要把自己當(dāng)做柏拉圖比喻里的愚昧的人帕胆，把墻壁上的影子當(dāng)成真實(shí)的世界朝捆，從而避免陷入認(rèn)知論的難題。

柏拉圖的洞穴

人們觀察到物體通常由比它本身小的部分組成懒豹，小的部分又由更小的部分組成芙盘，如此分割直至超出了人所能觀察的范圍。人們?cè)O(shè)想這種分割不能一直持續(xù)下去脸秽，當(dāng)一個(gè)部分足夠小時(shí)儒老，它便是組成物質(zhì)的一個(gè)基本單位〖遣停基本單位的種類是有限的驮樊，它們通過(guò)不同的組合方式組成了各種不同的物體。

在古代，人們認(rèn)為這些基本單位是土囚衔、水挖腰、火、氣這些元素练湿，現(xiàn)在猴仑，我們知道組成物質(zhì)的是一些基本粒子。

《創(chuàng)世紀(jì)》里造物主第一天首先創(chuàng)造了光肥哎。事實(shí)上人類自有文明以來(lái)辽俗，就從未停止過(guò)對(duì)光的觀察和理解。光到底是什么呢篡诽？

一種自然的觀點(diǎn)是：光和我們對(duì)其它物質(zhì)的理解一樣崖飘，是由某種極其微小的微粒組成。另一種看法是：光是一種波霞捡，就像水面上下振動(dòng)而擴(kuò)散開(kāi)來(lái)那樣傳播坐漏。這是兩種截然不同的看法。

17世紀(jì)是科學(xué)由啟蒙進(jìn)入繁榮的時(shí)代碧信，微粒說(shuō)的代表人物正是當(dāng)時(shí)物理學(xué)的代表人物牛頓赊琳，而波動(dòng)說(shuō)的代表人物是胡克、惠更斯等人砰碴。限于當(dāng)時(shí)的觀測(cè)條件躏筏，雙方各有論據(jù)和實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持，并沒(méi)有確鑿的證據(jù)證明光是微粒還是波動(dòng)呈枉，但由于牛頓本人在科學(xué)界的地位趁尼，微粒說(shuō)成為不可挑戰(zhàn)的權(quán)威。

2猖辫、雙縫實(shí)驗(yàn)

當(dāng)我們描述粒子的時(shí)候酥泞，就像在描述一個(gè)球體，只不過(guò)比我們經(jīng)驗(yàn)中的球體小得多啃憎，但它依然應(yīng)該遵循牛頓的運(yùn)動(dòng)定律芝囤。我們使用位置和動(dòng)量這些屬性來(lái)描述粒子的運(yùn)動(dòng)。

光的色散

相反辛萍，假如光是一種波悯姊，它應(yīng)該是在介質(zhì)中傳播的一種振動(dòng)，就像描述水波或者聲波一樣贩毕，我們使用振幅來(lái)描述振動(dòng)的強(qiáng)弱悯许，用頻率（波長(zhǎng)）描述振動(dòng)的快慢。

當(dāng)水波被某個(gè)障礙物擋住時(shí)辉阶，如果障礙物上面有個(gè)小的縫隙先壕，我們會(huì)觀察到水波可以從縫隙穿過(guò)瘩扼，不但傳播到縫隙所正對(duì)的后方，而且傳播到整個(gè)障礙物的后面启上。這是因?yàn)樗ǖ恼駝?dòng)在傳播到障礙物的小縫隙時(shí)邢隧，形成了一個(gè)點(diǎn)波源，擴(kuò)散到障礙物后面冈在，這種現(xiàn)象稱為衍射倒慧。

當(dāng)兩列波在同一個(gè)介質(zhì)上振動(dòng)的時(shí)候，如果兩列波的波峰相遇包券，則相遇處的振幅因?yàn)椴ǚ瀵B加而得到加強(qiáng)纫谅；相反如果一列波的波峰遇到另一列波的波谷，相遇處的振幅會(huì)因?yàn)橄嗷サ窒鴾p弱溅固。這叫作波的干涉付秕。

波的干涉

衍射和干涉是波特有的現(xiàn)象，如果光是一束粒子流侍郭，它將遵循類似小球的運(yùn)動(dòng)定律询吴，不會(huì)出現(xiàn)衍射和干涉現(xiàn)象；如果光是一束波亮元，則它會(huì)出現(xiàn)衍射和干涉現(xiàn)象猛计。

盡管遇到一些事實(shí)的挑戰(zhàn)，但微粒說(shuō)一直作為光性質(zhì)的權(quán)威解釋爆捞，直到19世紀(jì)初奉瘤，人們才開(kāi)始發(fā)現(xiàn)光的波動(dòng)性質(zhì)。

1801年煮甥，托馬斯?楊完成了雙縫實(shí)驗(yàn)盗温，展示了光的干涉現(xiàn)象。

雙縫實(shí)驗(yàn)

光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)一個(gè)不透明板上的兩個(gè)狹縫成肘，形成兩個(gè)新的點(diǎn)光源卖局，兩個(gè)新的光源發(fā)出的光線相互干涉，在后面的探測(cè)屏上留下了明暗相間的條紋双霍。楊通過(guò)實(shí)驗(yàn)還初步測(cè)定了空氣中不同顏色光的波長(zhǎng)砚偶。

隨后菲涅爾和泊松完善了光的波動(dòng)理論，并發(fā)現(xiàn)了泊松亮斑：當(dāng)光照射于一個(gè)圓盤時(shí)店煞，由于在圓盤邊緣發(fā)生衍射現(xiàn)象，從而會(huì)在圓盤形成的陰影中心位置出現(xiàn)一個(gè)亮斑风钻。

這些事實(shí)使人們相信顷蟀，光是一種波。

3骡技、電磁理論

19世紀(jì)鸣个，電磁現(xiàn)象的研究在經(jīng)歷了安培羞反、法拉第等人之后，終于在麥克斯韋這里集大成囤萤。麥克斯韋提出了電磁場(chǎng)的方程組昼窗，并預(yù)言了電磁波的存在。由于計(jì)算求得的電磁波的傳播速度與當(dāng)時(shí)測(cè)得的光速十分接近涛舍，麥克斯韋大膽預(yù)言：光是一種電磁波澄惊。

1887年，赫茲通過(guò)實(shí)驗(yàn)成功證實(shí)了麥克斯韋所預(yù)言的電磁波的存在富雅，并測(cè)得電磁波的速度等于光速掸驱。

現(xiàn)在我們知道，可見(jiàn)光是頻率在特定范圍內(nèi)的電磁波没佑。

可見(jiàn)光譜只占有寬廣的電磁波譜的一小部分

至此毕贼，光的性質(zhì)似乎已經(jīng)定論了。

然而蛤奢，正如一開(kāi)始所說(shuō)鬼癣，我們通過(guò)觀察現(xiàn)象而總結(jié)出關(guān)于這個(gè)世界的規(guī)則。任何我們總結(jié)出的規(guī)則啤贩，都要經(jīng)受事實(shí)的檢驗(yàn)待秃。如果所有觀察到的事實(shí)都符合我們提出的規(guī)則，那么我們可以暫時(shí)認(rèn)為這條規(guī)則是正確的瓜晤。但終有一天锥余，當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)了不符合這個(gè)規(guī)則的現(xiàn)象時(shí)，這條規(guī)則的正確性便會(huì)受到質(zhì)疑痢掠。

為了包含新的現(xiàn)象驱犹，我們需要修正已有的規(guī)則或者提出新的規(guī)則，然后繼續(xù)等待事實(shí)的挑戰(zhàn)足画⌒劬裕科學(xué)正是通過(guò)這樣的不斷的自我否定發(fā)展而來(lái)。

4淹辞、量子理論和光量子

十九世紀(jì)末医舆，人們普遍認(rèn)為物理學(xué)的基礎(chǔ)理論已經(jīng)接近完善：以牛頓的力學(xué)體系和麥克斯韋的電磁理論為根基已經(jīng)構(gòu)筑起了宏偉的大廈，剩下的工作不過(guò)是小的修補(bǔ)而已象缀。開(kāi)爾文勛爵在1900年的演講中說(shuō)：“動(dòng)力學(xué)理論認(rèn)為熱和光都是運(yùn)動(dòng)的方式蔬将，現(xiàn)在這一理論的優(yōu)美和明晰，正被兩朵烏云籠罩著央星∠蓟常” （“兩朵烏云”指的是以太測(cè)量實(shí)驗(yàn)和黑體輻射問(wèn)題。）

然而隨即人們便發(fā)現(xiàn)莉给，舊的理論已經(jīng)無(wú)法解決這些“小”問(wèn)題毙石，必須建立新的理論體系廉沮。兩朵烏云最終帶來(lái)一場(chǎng)風(fēng)暴，迅速摧毀了舊的物理學(xué)大廈徐矩，也導(dǎo)致新的理論體系——相對(duì)論和量子力學(xué)在廢墟上建立起來(lái)滞时。“兩朵烏云”的其中一個(gè)——邁克耳遜莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果滤灯，促使愛(ài)因斯坦提出了相對(duì)論坪稽；另一個(gè)黑體輻射問(wèn)題，使普朗克在解決過(guò)程中提出了能量量子化的假設(shè)力喷。

電磁波是能量傳遞的一種方式刽漂，物體都會(huì)以電磁波的方式輻射或者吸收能量，這正是熱成像儀能夠“看到”物體的原因弟孟。黑體指的是能夠把照射到自身的電磁波的能量全部吸收的理想物體贝咙，理論研究和工業(yè)生產(chǎn)的需要，使得人們希望找到黑體向外輻射的能量強(qiáng)度與電磁波頻率之間的關(guān)系拂募。

地球溫度的黑體輻射

在普朗克之前庭猩，威廉?維恩已經(jīng)提出了一個(gè)公式，用來(lái)描述黑體輻射陈症。但維恩公式只能對(duì)高頻電磁波（短波）給出近似解蔼水，而不能描述低頻電磁波（長(zhǎng)波）。普朗克便著手改進(jìn)維恩公式录肯。他使用數(shù)學(xué)方法對(duì)公式進(jìn)行改寫以使其在高頻和低頻情況下都能符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果趴腋。

1901年，普朗克發(fā)表了黑體輻射定律公式论咏。普朗克的黑體輻射定律能與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全吻合优炬，但是需要有一個(gè)前提假設(shè)：能量不能像以前人們?cè)O(shè)想的那樣是以連續(xù)的方式被發(fā)射和吸收，而只能以一個(gè)基本的最小單位的整數(shù)倍進(jìn)行發(fā)射和吸收厅贪，能量必須以離散的形式一份一份地被發(fā)射或者吸收蠢护，每份能量都是最小單位的整數(shù)倍，這個(gè)最小的能量單位是不可分割的养涮，普朗克稱這一份份的能量為諧振子葵硕。

普朗克的量子理論

假如電磁波在某個(gè)頻率下的最小份的能量為v，那么以這個(gè)頻率進(jìn)行的能量輻射和吸收只能以v的整數(shù)倍來(lái)進(jìn)行贯吓。任意時(shí)間內(nèi)物體輻射或吸收的能量可以是v懈凹、2v、3v……但絕對(duì)不會(huì)是0.5v悄谐、2.1v介评，這便是能量的量子化。

好比我們正在看的手機(jī)上的文字尊沸，乍看這些文字似乎是連續(xù)的線條威沫，但細(xì)看之下，這些文字實(shí)際是由很多分離的像素點(diǎn)組成的洼专。一個(gè)字可能由50個(gè)或者100個(gè)像素組成棒掠，但絕不可能由61.5個(gè)像素組成。

但是屁商，等等烟很！能量輻射既然是電磁波，波一定是連續(xù)的蜡镶，而這些離散的諧振子又是什么呢雾袱？普朗克并沒(méi)有為量子化假設(shè)給出更多物理解釋，而是把它當(dāng)做一種推導(dǎo)公式的數(shù)學(xué)手段官还。量子的概念直到愛(ài)因斯坦解釋光電效應(yīng)時(shí)才提出芹橡。

赫茲的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電磁波的同時(shí)還觀察到另外一種現(xiàn)象：當(dāng)紫外線照射到金屬電極上時(shí)，會(huì)有電火花出現(xiàn)望伦，這種現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)林说。隨著電子的發(fā)現(xiàn)和對(duì)原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究，人們認(rèn)識(shí)到光電效應(yīng)是由于光線使金屬表面發(fā)射出電子屯伞。電子吸收光線的能量獲得動(dòng)能腿箩，因而逃逸出原子的控制。

光電效應(yīng)

光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：每種金屬都有一種極限頻率劣摇，當(dāng)光的頻率超過(guò)極限頻率時(shí)珠移，便可發(fā)生光電效應(yīng)，反之如果光的頻率沒(méi)有達(dá)到金屬的極限頻率末融，那么無(wú)論如何增加光的強(qiáng)度和照射時(shí)間钧惧，都無(wú)法使金屬發(fā)生光電效應(yīng)。

從舊有的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看滑潘，這種現(xiàn)象十分奇怪：如果光（電磁波）是一種連續(xù)能量垢乙，光的強(qiáng)度和照射時(shí)間的增加應(yīng)該可以使電子吸收更多的能量，從而最終使電子獲得足夠的能量發(fā)生光電效應(yīng)语卤。

1905年追逮，愛(ài)因斯坦提出了光量子理論，他認(rèn)為光束并不是連續(xù)的波動(dòng)粹舵，而是由離散的光量子組成钮孵。光量子（光子）就像普朗克假設(shè)中的諧振子一樣，每個(gè)光子攜帶一份固定大小的能量眼滤，光子的能量大小與光波的頻率有關(guān)巴席，頻率越高光子的能量越大。

根據(jù)光量子理論诅需，金屬電子只能吸收單個(gè)的光子漾唉，當(dāng)光的頻率超過(guò)了金屬的極限頻率時(shí)荧库，光子的能量足夠大，可以使電子獲得足夠逃逸的動(dòng)能赵刑；而當(dāng)光的頻率較低時(shí)分衫，增加光的強(qiáng)度只是增加了光束里光子的密度而已，單個(gè)光子的能量并沒(méi)有變化般此，因此金屬電子無(wú)法獲得足夠的逃脫能量蚪战。

隨后的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛(ài)因斯坦的理論，愛(ài)因斯坦本人也因?yàn)楣怆娦?yīng)定律的發(fā)現(xiàn)而獲得了1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（盡管布朗運(yùn)動(dòng)铐懊、相對(duì)論邀桑、質(zhì)能方程等理論足夠使他配得上數(shù)個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)）。

5科乎、波粒二象性

曾經(jīng)壁畸，光的粒子理論因?yàn)榕ｎD的關(guān)系而成為正統(tǒng)，使得胡克茅茂、惠更斯等人的波動(dòng)理論漸漸為人淡忘瓤摧。而后娃承，托馬斯?楊的雙縫實(shí)驗(yàn)和菲涅爾轴脐、泊松身隐、麥克斯韋急波、赫茲等人的發(fā)現(xiàn)給了粒子理論有力的回?fù)粢囊埃脽o(wú)可辯駁的事實(shí)證明了光是一種波動(dòng)民轴。直到現(xiàn)在涝开，光量子理論又指出光是由粒子（光子）組成的怀吻，使得微粒說(shuō)再次出現(xiàn)在人們面前影斑。

粒子和波

然而波動(dòng)理論并沒(méi)有被完全擊敗给赞，盡管不得不承認(rèn)光子的存在，但當(dāng)把光線通過(guò)雙縫時(shí)矫户，干涉條紋還是像原來(lái)一樣出現(xiàn)在探測(cè)屏上片迅，這是光是波的不可辯駁的證據(jù)。

人們不得不接受這樣的事實(shí)：光既有波動(dòng)性質(zhì)皆辽，也有粒子性質(zhì)柑蛇。這便是光的波粒二象性。

光具有波粒二象性驱闷，然而波粒二象性的意義卻不止于此耻台。

就像一開(kāi)始所說(shuō)的，我們?cè)噲D通過(guò)觀察現(xiàn)象找出世界運(yùn)行的規(guī)則空另，但我們卻總是像盲人摸象一樣盆耽，看到的是這個(gè)世界的某個(gè)部分而非全部。光的波粒二象性使人們意識(shí)到：也許是因?yàn)檫x擇了不同的觀察角度，導(dǎo)致對(duì)同一物質(zhì)得到了不同的圖景摄杂。

波粒二象性理解示意圖：從不同角度觀察同樣一件物體坝咐，可以看到兩種迥然不同的圖樣

一直被認(rèn)為是波的光表現(xiàn)出了粒子性，反過(guò)來(lái)想：其它我們一直以來(lái)當(dāng)做粒子的物質(zhì)析恢，會(huì)不會(huì)也表現(xiàn)出波動(dòng)性呢畅厢？

1924年，德布羅意提出了物質(zhì)波的假說(shuō)氮昧，他認(rèn)為所有物質(zhì)都有波動(dòng)性質(zhì)。幾年后浦楣，人們得到了電子束的干涉和衍射現(xiàn)象袖肥，證明了電子也具有波動(dòng)性。（物質(zhì)都具有波動(dòng)性與日常的經(jīng)驗(yàn)相悖振劳，這是因?yàn)槿粘Ｋ?jiàn)物體的動(dòng)量遠(yuǎn)大于光子椎组，因而很難觀察到其波動(dòng)性質(zhì)。）

在電子雙縫實(shí)驗(yàn)里历恐，抵達(dá)偵測(cè)屏障的電子寸癌，顯示出干涉圖樣

物質(zhì)都具有波粒二象性，這是我們觀察世界所得到的規(guī)則弱贼，然而我們僅僅知道了“規(guī)則”蒸苇，卻不知其中的“奧秘”。就好像我們看到天神走出一步棋吮旅，我們知道這步棋符合我們觀察許久總結(jié)出的規(guī)律溪烤，卻不懂天神為何要這樣走棋。

6庇勃、不確定性原理

時(shí)間已經(jīng)來(lái)到1925年左右檬嘀，人們對(duì)原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了更深刻的了解。人們最早知道原子內(nèi)部有一個(gè)帶正電的核和周圍數(shù)個(gè)帶負(fù)電的電子责嚷，但對(duì)電子在原子中究竟如何分布卻并不清楚鸳兽。

之前湯姆遜提出的模型是“由許多電子電平衡地懸浮移動(dòng)于帶正電荷的濃湯或云球里，就好像帶負(fù)電荷的梅子分布于帶正電荷的布丁里．這些粒子被認(rèn)為分布于幾個(gè)同心圓球面罕拂∽嵋欤”

隨后盧瑟福在散射實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，原子應(yīng)該具有一個(gè)帶正電的核心爆班，集中了原子絕大部分質(zhì)量并占據(jù)很小的區(qū)域蒿秦，電子則包圍在區(qū)域的外面。因此盧瑟福提出的原子結(jié)構(gòu)模型“大多數(shù)的質(zhì)量和正電荷蛋济，都集中于一個(gè)很小的區(qū)域（原子核）棍鳖；電子則環(huán)繞在原子核的外面，像行星的環(huán)繞著太陽(yáng)進(jìn)行公轉(zhuǎn)《纱Γ”

盧瑟福模型

但是盧瑟福模型中的電子環(huán)繞原子核做加速運(yùn)動(dòng)镜悉，根據(jù)電磁理論加速運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)發(fā)出輻射而失去能量，因此這樣的原子結(jié)構(gòu)是無(wú)法穩(wěn)定存在的医瘫。

量子理論提出之后侣肄，玻爾提出新的量子化的原子模型，指明原子的能量狀態(tài)并不是連續(xù)的醇份，而是處在一系列離散的狀態(tài)中稼锅。原子中的電子處在固定的軌道上，不同能量狀態(tài)的電子處在不同層級(jí)的軌道上僚纷。當(dāng)原子的能量狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)矩距，電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道上，并以電磁波的形式發(fā)射或吸收能量怖竭。

玻爾模型示意圖

玻爾模型的固定軌道锥债，可以很好的解釋為何原子總是釋放特定頻率的光譜，以及元素周期表不同位置元素的化學(xué)性質(zhì)為何相似或者不同痊臭。這都是因?yàn)殡娮又荒軓哪硞€(gè)特定的軌道躍遷到另一個(gè)哮肚，從而放射出特定頻率的電磁波，而元素的化學(xué)性質(zhì)取決于原子中電子的排布广匙。

玻爾模型里的躍遷允趟，是一個(gè)量子過(guò)程，電子從一個(gè)軌道到另一個(gè)軌道時(shí)鸦致，并不存在一個(gè)中間狀態(tài)拼窥，這導(dǎo)致模型無(wú)法清楚地描寫“躍遷”的過(guò)程。因此蹋凝，玻爾在領(lǐng)取1922年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)時(shí)也稱：“這一理論還是十分初步的鲁纠，許多基本問(wèn)題還有待解決△⒓牛”

1799年改含，拉普拉斯出版了巨著《天體力學(xué)》，當(dāng)拿破侖看到這部書時(shí)迄汛，問(wèn)拉普拉斯捍壤，為何他在書中一句也不提及上帝，拉普拉斯回答道：“陛下鞍爱，我不需要那個(gè)假設(shè)”鹃觉。

很多時(shí)候，我們基于某個(gè)假設(shè)解釋某些事情睹逃，但總有一天我們發(fā)現(xiàn)盗扇，如果解釋這些事情可以有別的途徑而從前的假設(shè)從來(lái)沒(méi)有被證實(shí)過(guò)的時(shí)候祷肯，這個(gè)假設(shè)并不必要存在。就像拉普拉斯可以用物理定律解釋天體運(yùn)行而不必假設(shè)是上帝在推動(dòng)它們疗隶。

電子的軌道也是這樣一個(gè)假設(shè)佑笋。與行星運(yùn)行的軌道不同，人們并沒(méi)有在原子尺度上實(shí)際觀察到電子的運(yùn)動(dòng)軌道斑鼻。實(shí)驗(yàn)所觀察到的是原子發(fā)射出的不同頻率的電磁輻射蒋纬，玻爾指明的原子處在不同的能量狀態(tài)，這些都不表示原子中一定要存在這樣的軌道坚弱。

因此海森堡在1925年的論文里指出：只有在實(shí)驗(yàn)里能夠觀察到的物理量才具有物理意義蜀备，才可以用理論描述其物理行為。海森堡放棄了用經(jīng)典物理的運(yùn)動(dòng)軌道描述電子荒叶，認(rèn)為經(jīng)典的運(yùn)動(dòng)概念已經(jīng)不適用與量子層級(jí)碾阁。如果不能設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)準(zhǔn)確觀測(cè)電子的位置或動(dòng)量，則談?wù)撘粋€(gè)電子運(yùn)動(dòng)的位置或動(dòng)量是沒(méi)有意義的停撞。

海森堡試圖只使用可觀察量來(lái)描述原子系統(tǒng)，最終他意識(shí)到解決這個(gè)問(wèn)題需要引入不可對(duì)易的可觀察量悼瓮。所謂“對(duì)易”戈毒，是指滿足某種“交換律”，即“改變順序而不影響結(jié)果”横堡。比如在四則運(yùn)算的加法運(yùn)算中埋市，改變兩個(gè)加數(shù)的順序，并不影響結(jié)果命贴。

加法交換律

而不對(duì)易則表示交換順序會(huì)影響最終的結(jié)果道宅，例如在拍照時(shí)，先對(duì)焦再按快門和先按快門再對(duì)焦會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果胸蛛。

海森堡基于只采用可觀察量的原則污茵，推導(dǎo)出一種利用不對(duì)易變量的“二維數(shù)集”形式來(lái)描述量子系統(tǒng)的公式，后來(lái)玻恩發(fā)現(xiàn)公式中的二維數(shù)集就是數(shù)學(xué)當(dāng)中的矩陣葬项，于是和助手約爾當(dāng)完善了理論的數(shù)學(xué)形式泞当，這個(gè)理論把粒子的物理量闡釋為隨時(shí)間演化的矩陣，因此稱作矩陣力學(xué)民珍。矩陣力學(xué)中的位置和動(dòng)量不再是經(jīng)典力學(xué)中的定義襟士。

在矩陣力學(xué)中，電子的位置和動(dòng)量是不對(duì)易的嚷量，而是“共軛對(duì)易”的陋桂。海森堡提出：電子的位置和動(dòng)量是一對(duì)共軛變量（軛：指古代牛車上兩頭并行的牛脖頸上的橫梁，“共軛”表示兩個(gè)事物存在某種內(nèi)在關(guān)聯(lián)）蝶溶，當(dāng)一個(gè)被測(cè)量得越精確時(shí)嗜历，另一個(gè)就變得越不精確。兩個(gè)變量的不精確度的乘積總是高于一個(gè)定值。這就是海森堡的不確定性原理秸脱。

在經(jīng)典力學(xué)中落包，運(yùn)動(dòng)物體的可觀察量都是可對(duì)易的，例如對(duì)于給定狀態(tài)下的某個(gè)物體摊唇，先測(cè)量物體的位置再測(cè)量物體的動(dòng)量和先測(cè)量物體的動(dòng)量再測(cè)量物體的位置咐蝇，得到的結(jié)果是一樣的。

但在量子尺度下巷查，無(wú)法做到在不影響物體狀態(tài)的情況下對(duì)其進(jìn)行測(cè)量有序，因此測(cè)量一個(gè)物理量的時(shí)候必然會(huì)對(duì)物體的狀態(tài)產(chǎn)生影響，從而影響其它物理量的測(cè)量岛请。換言之旭寿，對(duì)于測(cè)量行為會(huì)產(chǎn)生相互影響的兩個(gè)物理量，實(shí)驗(yàn)者永遠(yuǎn)無(wú)法同時(shí)測(cè)得兩個(gè)物理量的精確值崇败。

海森堡提出了一個(gè)電子顯微鏡的思想實(shí)驗(yàn)：電子顯微鏡的精度與顯微鏡發(fā)射光線的波長(zhǎng)有關(guān)盅称，波長(zhǎng)越短則精度越高，亦即能夠更加精確地測(cè)量物體的位置后室。當(dāng)測(cè)量一個(gè)電子的位置和動(dòng)量時(shí)缩膝，顯微鏡發(fā)射的光線波長(zhǎng)越短，就更能準(zhǔn)確測(cè)量電子的位置岸霹。

但正如解釋光電效應(yīng)的時(shí)候說(shuō)的疾层，波長(zhǎng)越短的光頻率越高，單個(gè)光子的動(dòng)量越大贡避。光子碰撞電子會(huì)并被隨機(jī)散射痛黎，會(huì)傳遞一個(gè)動(dòng)量給電子，光子的動(dòng)量越大刮吧，電子的動(dòng)量被改變得越大湖饱，因此測(cè)得的電子的動(dòng)量越不準(zhǔn)確。反之如果使用動(dòng)量較小的光子杀捻，電子的動(dòng)量被擾動(dòng)得很小琉历，但動(dòng)量小的光子波長(zhǎng)更長(zhǎng)，我們得到的電子位置就會(huì)更加不準(zhǔn)確水醋。

需要明確的是旗笔，不確定性原理所指明的測(cè)量的不準(zhǔn)確性并不是因?yàn)樵O(shè)備精度或者實(shí)驗(yàn)技術(shù)的原因。在量子尺度上拄踪，測(cè)量行為必然對(duì)物體產(chǎn)生擾動(dòng)蝇恶，而這種擾動(dòng)的程度存在一個(gè)下限。（盡管在經(jīng)典力學(xué)里測(cè)量物體時(shí)惶桐，攪擾可以被消減得越小越好撮弧，但即便在經(jīng)典力學(xué)中潘懊，測(cè)量精度也是無(wú)法無(wú)限提高的，正如費(fèi)曼所指出的那樣：我們無(wú)法絕對(duì)精確地知道物體的運(yùn)動(dòng)——“從實(shí)際的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)贿衍，經(jīng)典力學(xué)中早已存在著不可確定性了”授舟。）

7、互補(bǔ)原理

不確定性原理意味著量子系統(tǒng)的觀察者無(wú)法確知當(dāng)前系統(tǒng)的全部信息贸辈。對(duì)一個(gè)電子來(lái)說(shuō)释树，對(duì)它的位置信息了解得越準(zhǔn)確，則對(duì)它的動(dòng)量了解得越不準(zhǔn)確擎淤，反之亦然奢啥。

這種事實(shí)使得玻爾相信：不確定性原理所昭示的含義，并不像海森堡顯微鏡實(shí)驗(yàn)所展示的那樣嘴拢，僅僅是無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量一個(gè)電子的位置和動(dòng)量桩盲，而是：物質(zhì)的內(nèi)秉屬性使得量子系統(tǒng)不可能同時(shí)具備可觀測(cè)的“位置”和“動(dòng)量”。

玻爾于1927年提出了互補(bǔ)原理席吴。物體具有波動(dòng)性和粒子性赌结，有時(shí)會(huì)表現(xiàn)出波動(dòng)性，有時(shí)會(huì)表現(xiàn)出粒子性孝冒。物體的波動(dòng)性和粒子性是互補(bǔ)的柬姚，即物體可以表現(xiàn)出波動(dòng)性或者粒子性，但不能同時(shí)既表現(xiàn)出波動(dòng)性又表現(xiàn)出粒子性迈倍。在雙縫實(shí)驗(yàn)中伤靠，光表現(xiàn)出波動(dòng)性而出現(xiàn)干涉條紋捣域；在光電效應(yīng)中啼染，光則表現(xiàn)出粒子性。

一對(duì)互補(bǔ)的性質(zhì)就像一個(gè)硬幣的正面和反面焕梅，它們互為一體又相互排斥迹鹅。

鴨兔錯(cuò)覺(jué)

就像這張著名的鴨兔錯(cuò)覺(jué)圖片，把它看成一只鴨子的時(shí)候贞言，兔子的形象便消失了斜棚；而把它看成一只兔子的時(shí)候，鴨子的形象便消失了该窗。

微觀粒子的位置和動(dòng)量弟蚀，也是一對(duì)互補(bǔ)的可觀測(cè)量，位置的不確定性越小酗失，動(dòng)量的不確定性就越大义钉，反之亦然。

海森堡在不確定性原理的論文里提到：“玻爾提醒我注意到规肴，觀測(cè)的不確定性并不只是從不連續(xù)性事件出現(xiàn)捶闸，而是直接捆綁于某種要求夜畴，即我們配派同樣的正確性給迥然不同的實(shí)驗(yàn)，盡管在這些實(shí)驗(yàn)中删壮，有些演示了微粒說(shuō)贪绘，而又有些演示了波動(dòng)說(shuō)⊙氲”

互補(bǔ)原理表明在測(cè)量物體某種性質(zhì)的時(shí)候税灌，不可避免地會(huì)對(duì)物體產(chǎn)生擾動(dòng)，因而不能同時(shí)完整地測(cè)量物體的全部性質(zhì)硬耍÷⑺觯“不同的實(shí)驗(yàn)可能會(huì)得出互相矛盾的結(jié)果，這些結(jié)果無(wú)法收集于單獨(dú)一種物理圖景中”经柴。

不管量子物理現(xiàn)象怎樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越經(jīng)典物理解釋的范疇狸窘，所有證據(jù)的說(shuō)明必須用經(jīng)典術(shù)語(yǔ)來(lái)表達(dá)。理由很簡(jiǎn)單坯认，提到"實(shí)驗(yàn)"這術(shù)語(yǔ)翻擒，我們指的是一種狀況，我們可以告訴其他人牛哺，我們到底從這種狀況中學(xué)到了些什么陋气，因此，關(guān)于實(shí)驗(yàn)裝置與觀察結(jié)果的說(shuō)明引润，必須通過(guò)恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用經(jīng)典物理術(shù)語(yǔ)巩趁，以無(wú)歧義的語(yǔ)言表達(dá)。

這極為重要的一點(diǎn)意味著淳附，原子物體的行為议慰、原子物體與測(cè)量?jī)x器的相互作用（定義了現(xiàn)象發(fā)生所需條件），這兩者之間不可能存在有任何明顯的分割奴曙。因此别凹，從不同實(shí)驗(yàn)獲得的證據(jù)不能概括在單獨(dú)一種圖景內(nèi)，而必須視為相互補(bǔ)足洽糟，只有整個(gè)現(xiàn)象能夠詳盡概括關(guān)于物體的所有可能信息炉菲。

——玻爾

8、薛定諤方程

矩陣力學(xué)從粒子角度描述物體的行為坤溃，把粒子的物理量闡釋為隨時(shí)間演化的矩陣拍霜，放棄了不可觀察的”軌道“假設(shè)，能夠解釋玻爾模型中無(wú)法解釋的“躍遷”行為薪介。

物質(zhì)具有波粒二象性祠饺，既然把微觀物體當(dāng)成粒子可以描述量子理論，那么把它們當(dāng)做波動(dòng)應(yīng)該也可以做出同樣的描述昭灵。應(yīng)該可以找到這樣一個(gè)理論吠裆，使用包含頻率伐谈、波幅等屬于波的物理量的波動(dòng)方程來(lái)描述量子理論。這個(gè)方程應(yīng)該具備和矩陣力學(xué)一樣的完備性试疙，同樣能夠解釋波爾模型的“躍遷”等量子行為诵棵。

薛定諤在接觸了波粒二象性理論之后，開(kāi)始著手尋找能夠正確描述量子性質(zhì)的波動(dòng)方程祝旷。1926年履澳，薛定諤正式發(fā)布了他的論文。他推導(dǎo)出一個(gè)方程怀跛，用來(lái)描述原子中電子的波函數(shù)距贷，并且能夠推導(dǎo)出玻爾模型中的電子行為。

薛定諤方程可以正確地描述量子系統(tǒng)的波函數(shù)隨時(shí)間變化的演化吻谋。隨后薛定諤以及其它幾位物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家證明了薛定諤方程和矩陣力學(xué)在數(shù)學(xué)上的等價(jià)性忠蝗。但薛定諤方程使用的是人們熟悉的波動(dòng)概念，而不是抽象得多的矩陣數(shù)學(xué)漓拾，因此相比矩陣力學(xué)阁最，薛定諤方程更容易學(xué)習(xí)和理解。

薛定諤方程

物理定律與純粹的數(shù)學(xué)方程的區(qū)別是：物理定律方程里的變量骇两，對(duì)應(yīng)的是現(xiàn)實(shí)世界中的物理量速种，因此函數(shù)和函數(shù)變量均具有物理意義。

例如對(duì)于自由落體運(yùn)動(dòng)低千，我們觀察到物體下落的距離與下落時(shí)間的平方成正比配阵，從而總結(jié)出一個(gè)二次函數(shù)，函數(shù)的一個(gè)變量代表下落時(shí)間示血，另一個(gè)變量代表下落距離棋傍，函數(shù)中的一個(gè)常數(shù)項(xiàng)表示星球的重力加速度，加速度的含義是物體的運(yùn)動(dòng)速度變化得有多快矾芙。這個(gè)二次函數(shù)的物理意義便是自由落體運(yùn)動(dòng)舍沙。

有時(shí)近上，我們根據(jù)許多已觀察到的事實(shí)剔宪，總結(jié)出某些物理量之間的關(guān)系，從而得到一條經(jīng)驗(yàn)公式壹无，公式使用的變量都是我們已知其意義的物理量葱绒，我們也知道這條公式的物理意義正是對(duì)我們已觀察到的事實(shí)的描述。我們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)不斷驗(yàn)證這條公式斗锭〉氐恚——我們既總結(jié)出了“規(guī)律”，也猜到了“奧秘”岖是。

而有時(shí)候帮毁，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)手段得到一個(gè)新的公式实苞，這并不是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，新的數(shù)學(xué)公式中出現(xiàn)的某些變量尚未有明確定義的物理意義烈疚，或者這個(gè)公式所表達(dá)的物理意義我們尚不得而知黔牵。盡管我們依然可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這條公式，但這條公式背后一定隱藏著我們尚未知曉的物理事實(shí)爷肝』郑——我們總結(jié)出了“規(guī)律”，卻猜不出“奧秘”灯抛。

一個(gè)描述波的函數(shù)金赦，通常描述的是各點(diǎn)偏離平衡位置的距離（振幅）隨位置和時(shí)間的變化。對(duì)于水波來(lái)說(shuō)对嚼，水面隨著水波的傳播而上下振動(dòng)夹抗，波函數(shù)描述的水面某點(diǎn)起伏的程度。

物質(zhì)具有波粒二象性纵竖，即可以呈現(xiàn)出粒子性又可以呈現(xiàn)出波動(dòng)性兔朦。如果把一個(gè)電子當(dāng)做粒子，位置描述了電子的空間位置磨确，動(dòng)量描述的是電子保持運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)沽甥，而如果把電子當(dāng)成波，我們用以描述波的振幅乏奥、頻率等變量又有什么物理含義呢摆舟？ 換言之，薛定諤方程描述了物質(zhì)的波函數(shù)的行為邓了，然而對(duì)一個(gè)電子或者其他物體來(lái)說(shuō)恨诱，波函數(shù)的物理意義是什么呢？

9骗炉、概率

波動(dòng)力學(xué)（薛定諤方程）建立后照宝，人們還一直不清楚波函數(shù)的物理意義。與海森堡一起發(fā)展了矩陣力學(xué)的玻恩句葵，提出了一個(gè)對(duì)波函數(shù)的解釋厕鹃。

玻恩認(rèn)為，波函數(shù)描述的是一種概率乍丈，它描述的是“在某時(shí)間剂碴、某位置發(fā)生某個(gè)相互作用”的概率，例如“在某時(shí)間轻专、某位置探測(cè)到一個(gè)粒子”的概率忆矛。

所謂概率，指的是隨機(jī)事件發(fā)生的可能性的度量请垛。以丟硬幣為例子催训，我們預(yù)測(cè)硬幣丟出去之后洽议，有一半的可能性正面朝上，一半的可能性反面朝上漫拭，因此正面和反面朝上的概率各是50%绞铃。

經(jīng)典物理學(xué)是建立在一種決定論的世界觀上的，以自由落體運(yùn)動(dòng)為例：如果我們知道某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的位置和速度嫂侍，根據(jù)自由落體的運(yùn)動(dòng)公式儿捧，我們可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)這個(gè)時(shí)間點(diǎn)之后1秒的位置和速度，運(yùn)動(dòng)公式給我們提供的是一種精準(zhǔn)預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力挑宠。然而在量子力學(xué)中菲盾，波函數(shù)所給出的預(yù)測(cè)只是一個(gè)概率，它告訴我們的只是某個(gè)粒子有多大可能性出現(xiàn)在這個(gè)位置各淀、又有多大可能性出現(xiàn)在另一個(gè)位置懒鉴。

拉普拉斯曾經(jīng)說(shuō)：“我們可以把宇宙現(xiàn)在的狀態(tài)視為其過(guò)去的果以及未來(lái)的因。假若一位智者會(huì)知道在某一時(shí)刻所有促使自然運(yùn)動(dòng)的力和所有組構(gòu)自然的物體的位置碎浇，假若他也能夠?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析临谱，則在宇宙里，從最大的物體到最小的粒子奴璃，它們的運(yùn)動(dòng)都包含在一條簡(jiǎn)單公式里悉默。對(duì)于這位智者來(lái)說(shuō)，沒(méi)有任何事物會(huì)是含糊的苟穆，并且未來(lái)只會(huì)像過(guò)去般出現(xiàn)在他眼前抄课。” ——這就是著名的拉普拉斯妖雳旅，假若我們知道了某一時(shí)刻所有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)跟磨，根據(jù)物理學(xué)公式便能推斷出后面1秒、1小時(shí)攒盈、乃至無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)某個(gè)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)抵拘。

而今，即便我們能夠知道所有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（不確定性原理告訴我們這其實(shí)也是不可能的）型豁，我們也無(wú)無(wú)法推斷出之后的準(zhǔn)確狀態(tài)僵蛛，我們所能推斷出的，只不過(guò)是某個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生的可能性而已偷遗。

物理學(xué)家們就像一群探險(xiǎn)者墩瞳，為了破解古老的謎題歷經(jīng)無(wú)數(shù)艱險(xiǎn)驼壶，終于在幽暗的山洞里找到了藏著答案的寶箱氏豌。他們以為終于找到了上帝的秘密，滿懷期待地打開(kāi)寶箱热凹，卻發(fā)現(xiàn)里面放著一個(gè)——骰子泵喘。

波函數(shù)的概率解釋對(duì)篤信決定論的人來(lái)說(shuō)是難以接受的泪电，這其中就包括提出了薛定諤方程的薛定諤和對(duì)量子力學(xué)作出了開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)的愛(ài)因斯坦。愛(ài)因斯坦終其一生都無(wú)法接受非決定性的概率解釋纪铺，他與玻爾展開(kāi)了關(guān)于量子力學(xué)的一系列意義深遠(yuǎn)的論戰(zhàn)相速，并提出了許多著名的思想實(shí)驗(yàn)。隨著技術(shù)進(jìn)步鲜锚，這些思想實(shí)驗(yàn)漸漸可以轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詫?shí)際進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)突诬，它們時(shí)至今日依然被用來(lái)驗(yàn)證量子力學(xué)的的基礎(chǔ)理論。

愛(ài)因斯坦在寫給玻恩夫婦的信中寫道：“……量子力學(xué)固然是堂皇的芜繁⊥叮可是有一種內(nèi)在的聲音告訴我，它還不是那真實(shí)的東西骏令。這個(gè)理論說(shuō)得很多蔬捷，但是一點(diǎn)也沒(méi)有真正使我們更加接近于‘上帝’的秘密。我無(wú)論如何深信上帝不是在擲骰子……”

10榔袋、哥本哈根詮釋

哥本哈根詮釋是哥本哈根學(xué)派對(duì)量子力學(xué)的一種詮釋周拐，即是依據(jù)量子力學(xué)的“規(guī)則”對(duì)世界運(yùn)行的“奧秘”的一種猜測(cè)。哥本哈根學(xué)派包括了玻爾凰兑、海森堡和玻恩等人妥粟，而哥本哈根詮釋的基礎(chǔ)正是玻爾的互補(bǔ)原理、海森堡的不確定性原理和玻恩的波函數(shù)概率表述吏够。

哥本哈根詮釋認(rèn)為：量子系統(tǒng)的狀態(tài)由波函數(shù)描述罕容，薛定諤方程即是波函數(shù)的演化方程。量子系統(tǒng)的表述是概率性的稿饰，事件的概率由波函數(shù)給出锦秒。粒子的位置和動(dòng)量無(wú)法被同時(shí)確定。物質(zhì)的波粒二象性喉镰，會(huì)因具體的觀測(cè)行為而展現(xiàn)出粒子性或波動(dòng)性旅择，但不能同時(shí)展示兩者。

拋硬幣時(shí)侣姆，雖然我們預(yù)測(cè)出現(xiàn)正面或者反面的概率是50%生真，然而當(dāng)硬幣丟出之后，硬幣要么正面朝上捺宗，要么反面朝上柱蟀。這時(shí)，硬幣的狀態(tài)是確定的蚜厉，100%正面朝上或者100%反面朝上长已，是“拋出”這個(gè)動(dòng)作使我們預(yù)測(cè)的50%-50%概率轉(zhuǎn)變成了現(xiàn)實(shí)。

單次的拋硬幣結(jié)果無(wú)法是反映出50%-50%的概率的，它反映出的永遠(yuǎn)是一次確定的正面朝上或反面朝上的結(jié)果术瓮。只有在拋了足夠多次的硬幣之后康聂，統(tǒng)計(jì)正面朝上或者反面朝上的次數(shù)，我們才會(huì)發(fā)現(xiàn)拋出的次數(shù)越多胞四，統(tǒng)計(jì)的結(jié)果也越趨向于50%-50%恬汁。因此，概率是一個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的預(yù)測(cè)辜伟，單次的觀察結(jié)果是無(wú)法反映系統(tǒng)的全部信息的氓侧。

波函數(shù)描述的是概率，然而當(dāng)我們像“拋硬幣”一樣對(duì)粒子做了一次測(cè)量時(shí)导狡，測(cè)量行為使概率轉(zhuǎn)變成了現(xiàn)實(shí)甘苍，我們會(huì)得到一個(gè)確定的測(cè)量結(jié)果。而在執(zhí)行了多次測(cè)量之后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)烘豌，我們會(huì)得到一個(gè)符合波函數(shù)概率預(yù)測(cè)的結(jié)果——單個(gè)光子在探測(cè)屏上留下的是一個(gè)光斑载庭，而許多光子組成的光束在探測(cè)屏上留下了干涉條紋。

觀測(cè)行為使波函數(shù)的概率轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)廊佩，哥本哈根詮釋把這個(gè)過(guò)程叫做波函數(shù)“坍縮”——由可能性“坍縮”為現(xiàn)實(shí)囚聚。對(duì)我們來(lái)說(shuō)，獲取量子系統(tǒng)的信息只有通過(guò)觀測(cè)标锄，因而只有“觀測(cè)”才會(huì)使波函數(shù)“坍縮”顽铸，使粒子的位置從概率變成現(xiàn)實(shí)，不進(jìn)行觀測(cè)料皇，粒子便是一個(gè)彌漫整個(gè)空間的概率波而已谓松，不存在于任何具體位置，這種狀態(tài)叫做“迭加態(tài)”践剂。

哥本哈根詮釋跟日常經(jīng)驗(yàn)之間存在巨大的鴻溝鬼譬。

詮釋告訴我們：一個(gè)粒子，當(dāng)我們不對(duì)它進(jìn)行任何觀測(cè)時(shí)逊脯，它的位置并不確定优质，而是處于一個(gè)“迭加態(tài)”彌漫在整個(gè)空間中——它可能存在于空間的每個(gè)位置，每個(gè)位置存在的可能性大小由波函數(shù)描述军洼。而一旦我們決定觀測(cè)這個(gè)粒子巩螃，粒子的位置便是確定的了，波函數(shù)“坍縮”為一個(gè)確定的狀態(tài)匕争。

然而避乏，日常經(jīng)驗(yàn)里的物體都是由微觀粒子組成的，它們同樣應(yīng)該遵循量子力學(xué)描述的行為甘桑。我們“看到”拍皮、“摸到”歹叮、“聽(tīng)別人說(shuō)到”或用任何一種方式確定一個(gè)物體的位置，即可認(rèn)為對(duì)組成物體的所有粒子進(jìn)行了一次“觀測(cè)”春缕。如果一個(gè)物體沒(méi)有被“觀測(cè)”的話盗胀，它應(yīng)該處于“迭加態(tài)”艘蹋。

量子力學(xué)似乎在告訴我們锄贼，當(dāng)你看月亮?xí)r，它便在你看到的位置呕童；當(dāng)你不再看它時(shí)篡帕，它便處于“迭加態(tài)”嘴高，變成了存在于每個(gè)位置的可能性。現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)中冯键，我們很難相信宏觀物體處在這樣一種狀態(tài)，似乎有一種我們尚未知曉的機(jī)制使得宏觀物體的波函數(shù)一直處于“坍縮”狀態(tài)（這種機(jī)制量子力學(xué)中稱作“退相干”）庸汗。

“你未看此花時(shí)惫确，此花與汝心同歸于寂。你來(lái)看此花時(shí)蚯舱，則此花顏色一時(shí)明白起來(lái)” ——明?王陽(yáng)明

11改化、重回雙縫實(shí)驗(yàn)

雙縫實(shí)驗(yàn)顯示的干涉條紋展示了光的波動(dòng)性，現(xiàn)在我們知道光的波粒二象性枉昏，光是由光子組成的陈肛，那么雙縫實(shí)驗(yàn)中的光子是如何通過(guò)雙縫的呢？

初時(shí)人們考慮光子穿過(guò)了雙縫兄裂，認(rèn)為它應(yīng)該穿過(guò)了兩個(gè)縫隙的二者之一句旱。但如果是這樣的話，有個(gè)問(wèn)題卻無(wú)法解釋：對(duì)于兩個(gè)縫隙中任意一個(gè)晰奖，假定另一縫隙不存在谈撒，則光穿過(guò)的實(shí)際上是一個(gè)單縫，探測(cè)屏上應(yīng)該留下以縫隙正對(duì)位置為中心亮度逐漸減弱的連續(xù)條紋匾南，這個(gè)連續(xù)條紋的區(qū)域覆蓋了雙縫時(shí)本來(lái)是暗區(qū)的部分——有些光子到達(dá)了雙縫時(shí)不會(huì)到達(dá)的地方港华。對(duì)于這部分光子來(lái)說(shuō)，似乎它們?cè)诖┻^(guò)縫隙時(shí)午衰，必須要“知道”另一個(gè)縫隙是否存在立宜，以此“決定”是否到達(dá)這部分區(qū)域。根據(jù)定域性原理以及狹義相對(duì)論臊岸，盡管兩個(gè)縫隙的距離很小橙数，但信息的傳播速度卻是有上限的，因此如果光子是通過(guò)了兩個(gè)縫隙之一的話帅戒，它應(yīng)該不能夠在通過(guò)一個(gè)縫隙的時(shí)候知道另一個(gè)縫隙的存在灯帮。

為了檢測(cè)光子是如何通過(guò)雙縫的崖技，人們?cè)O(shè)計(jì)了新的雙縫實(shí)驗(yàn)，在雙縫處設(shè)置了探測(cè)器钟哥，以統(tǒng)計(jì)光子通過(guò)了哪個(gè)縫隙迎献。在實(shí)驗(yàn)中，檢測(cè)器記錄了兩個(gè)縫隙各自通過(guò)了多少光子腻贰，然而讓人驚奇的是吁恍，這時(shí)探測(cè)屏上的干涉條紋卻消失了！如果想讓干涉條紋重新出現(xiàn)播演，就只能撤掉雙縫處的檢測(cè)器冀瓦，但這樣就無(wú)法知道光子分別通過(guò)了哪個(gè)縫隙；如果統(tǒng)計(jì)了光子通過(guò)了哪個(gè)縫隙写烤，干涉條紋便不會(huì)出現(xiàn)了翼闽。

現(xiàn)在來(lái)看一下哥本哈根詮釋對(duì)雙縫實(shí)驗(yàn)的解釋：當(dāng)光子通過(guò)縫隙時(shí)，它有50%的概率出現(xiàn)在左縫洲炊，50%的概率出現(xiàn)在右縫感局，光子處于“迭加態(tài)”。如果我們不“觀測(cè)”光子通過(guò)哪個(gè)縫隙暂衡，則光子會(huì)保持這種“迭加態(tài)”询微，我們可以認(rèn)為光子以這種狀態(tài)同時(shí)穿過(guò)了兩個(gè)縫隙，直到探測(cè)屏上重新發(fā)現(xiàn)光子的位置古徒，探測(cè)屏也是一種“觀測(cè)”方式拓提，它導(dǎo)致波函數(shù)“坍縮”因而光子有了確切的位置；如果我們選擇在雙縫處探測(cè)光子的位置隧膘，探測(cè)光子位置的“觀測(cè)”行為使得波函數(shù)“坍縮”代态，因而光子必定出現(xiàn)在兩個(gè)縫隙之一，這種觀測(cè)行為也讓我們?yōu)楣庾印斑x定”了一條路徑疹吃，光子就像普通的粒子穿過(guò)縫隙一樣蹦疑，不會(huì)表現(xiàn)出任何波的行為，干涉條紋不會(huì)再出現(xiàn)萨驶。

光同時(shí)具備波動(dòng)性和粒子性歉摧，使用雙縫觀測(cè)光束，這種觀測(cè)行為是我們“選擇”了觀察光的波動(dòng)性腔呜，光以波的形式通過(guò)雙縫叁温，因此探測(cè)屏上出現(xiàn)了干涉條紋展示光的波動(dòng)性；當(dāng)我們使用探測(cè)器檢測(cè)光子穿過(guò)哪個(gè)縫隙核畴，我們“選擇”了觀察光的粒子性膝但，因此我們觀察到光子的確切位置（左縫或右縫），光子以粒子的形式通過(guò)雙縫谤草，干涉條紋不會(huì)出現(xiàn)跟束。

你看這個(gè)世界的方式莺奸，決定了你看到的世界的樣子。

理查德?費(fèi)曼在著作《費(fèi)曼物理學(xué)講義》里表示冀宴，雙縫實(shí)驗(yàn)所展示出的量子現(xiàn)象不可能灭贷、絕對(duì)不可能以任何經(jīng)典方式來(lái)解釋，它包含了量子力學(xué)的核心思想略贮。事實(shí)上甚疟，它包含了量子力學(xué)唯一的奧秘。透過(guò)雙縫實(shí)驗(yàn)刨肃，可以觀察到量子世界的奧秘古拴。

—— 中文維基百科詞條：雙縫實(shí)驗(yàn)

12箩帚、薛定諤的貓

正如上面所說(shuō)的真友，哥本哈根詮釋中的“坍縮”造成了量子世界和宏觀世界之間的巨大鴻溝，人們難以認(rèn)同宏觀物體的“迭加態(tài)”紧帕。薛定諤因此提出了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明這種矛盾盔然，這便是“薛定諤的貓”。

薛定諤的貓

實(shí)驗(yàn)者甚至可以設(shè)置出相當(dāng)荒謬的案例來(lái)是嗜。把一只貓關(guān)在一個(gè)封閉的鐵容器里面愈案，并且裝置以下儀器（注意必須確保這儀器不被容器中的貓直接干擾）：在一臺(tái)蓋革計(jì)數(shù)器內(nèi)置入極少量放射性物質(zhì)，在一小時(shí)內(nèi)鹅搪，這個(gè)放射性物質(zhì)至少有一個(gè)原子衰變的概率為50%站绪，它沒(méi)有任何原子衰變的概率也同樣為50%；假若衰變事件發(fā)生了丽柿，則蓋革計(jì)數(shù)管會(huì)放電恢准，通過(guò)繼電器啟動(dòng)一個(gè)榔頭，榔頭會(huì)打破裝有氰化氫的燒瓶甫题。經(jīng)過(guò)一小時(shí)以后馁筐，假若沒(méi)有發(fā)生衰變事件，則貓仍舊存活坠非；否則發(fā)生衰變敏沉，這套機(jī)構(gòu)被觸發(fā)，氰化氫揮發(fā)炎码，導(dǎo)致貓隨即死亡盟迟。

根據(jù)量子力學(xué)的哥本哈根詮釋，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一段時(shí)間以后潦闲，貓會(huì)處于又活又死的迭加態(tài)攒菠。可是矫钓，假若實(shí)驗(yàn)者觀察盒子內(nèi)部要尔，他會(huì)觀察到一只活貓或一只死貓舍杜，而不是同時(shí)處于活狀態(tài)與死狀態(tài)的貓。用以描述放射性物質(zhì)衰變概率的波函數(shù)竟然表達(dá)出了活貓與死貓各半糾合在一起的狀態(tài)赵辕。

這事實(shí)引起一個(gè)謎題：到底量子疊加是在什么時(shí)候終止既绩，并且坍縮成兩種可能狀態(tài)中的一種狀態(tài)？

埃爾溫?薛定諤：類似這典型案例的眾多案例里还惠，原本只局限于原子領(lǐng)域的不明確性被以一種巧妙的機(jī)制變?yōu)楹暧^不明確性饲握，只有通過(guò)打開(kāi)這個(gè)箱子來(lái)直接觀察才能解除這樣的不明確性。它使得我們難以如此天真地接受采用這種籠統(tǒng)的模型來(lái)正確代表實(shí)體的量子特性蚕键。就其本身的意義而言救欧，它不會(huì)蘊(yùn)含任何不清楚或矛盾的涵義。但是锣光，在一張搖晃或失焦的圖片與云堆霧層的快照之間笆怠，實(shí)則有很大的不同之處。

CAT IS ALIVE or DEAD?

如實(shí)驗(yàn)中所描述的誊爹，貓的狀態(tài)決定于原子的衰變蹬刷。原子的衰變-不衰變處于50%-50%概率的迭加態(tài)，貓也就處于死-活各有50%概率的迭加態(tài)频丘，直到我們打開(kāi)容器办成，使這種迭加態(tài)“坍縮”，原子是否衰變才變成了是與否之一的現(xiàn)實(shí)搂漠，可憐的貓也才結(jié)束了迭加態(tài)的折磨迂卢，變成了死或者活的狀態(tài)。

我們?cè)谡f(shuō)導(dǎo)致波函數(shù)“坍縮”的是觀察者的觀測(cè)行為桐汤，然而我們卻并未明確定義“觀察者”而克。雙縫實(shí)驗(yàn)里，我們使用探測(cè)器來(lái)觀測(cè)光子惊科，然而探測(cè)器也是由微觀粒子組成的拍摇，這些粒子的狀態(tài)同樣遵守量子規(guī)律。

顯示探測(cè)器結(jié)果的粒子馆截，在被觀測(cè)之前充活，也處于迭加態(tài)，只有被迭加態(tài)被打破蜡娶，這些粒子才“坍縮”成經(jīng)典物理世界的狀態(tài)混卵，顯示出一個(gè)結(jié)果，這意味著窖张，探測(cè)器的結(jié)果也需要被觀測(cè)才能確定幕随。我們可以設(shè)置一個(gè)新的設(shè)備來(lái)檢測(cè)探測(cè)器的結(jié)果，然而新的設(shè)備依然是由微觀粒子組成宿接，和探測(cè)器一樣處于迭加態(tài)赘淮。再設(shè)置一個(gè)設(shè)備來(lái)探測(cè)新的設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果……

如此我們陷入了一個(gè)無(wú)限循環(huán)——每個(gè)設(shè)備都是由微觀粒子組成——直到……人辕录。

只有“觀測(cè)者”是人的時(shí)候，波函數(shù)才會(huì)“坍縮”梢卸，迭加態(tài)才會(huì)被打破走诞，因?yàn)檎俏覀冏约河^測(cè)到了檢測(cè)器上的確切結(jié)果、觀測(cè)到了探測(cè)屏上的干涉條紋蛤高、觀測(cè)到了量子系統(tǒng)的每個(gè)確切的行為蚣旱。

可是——人是什么呢？我們的軀體依然是由微觀粒子組成戴陡，和那些探測(cè)設(shè)備沒(méi)有區(qū)別塞绿，但決定我們要觀測(cè)這個(gè)世界的，并不是我們的身體恤批，而是我們的——意識(shí)异吻。這似乎是在說(shuō)，是我們的意識(shí)使得波函數(shù)發(fā)生了“坍縮”：

1开皿、正是因?yàn)槲覀円庾R(shí)到了某個(gè)電子涧黄，這個(gè)電子才從迭加態(tài)“坍縮”到了一個(gè)具體位置篮昧。

2赋荆、正是一個(gè)人意識(shí)到了一個(gè)世界，這個(gè)人的這個(gè)世界才存在懊昨。

作者：羅素的茶壺

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