世界上有許多著名的貓：Kitty曙强、加菲貓、哆啦A夢(mèng)、Tom……而科學(xué)界最著名的貓胡诗，大概就是“薛定諤的貓”了陡舅。薛定諤的貓來自于物理學(xué)家薛定諤所提出的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)埋心，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)之間的矛盾残炮。
從頭開始介紹“薛定諤的貓”是一個(gè)非常漫長(zhǎng)的過程半等，在開始這個(gè)過程之前，我要對(duì)這個(gè)過程本身做一些說明拾氓。
有時(shí)，我們想要解釋的事物 A底哥，需要事物 B 做背景知識(shí)咙鞍，但聽眾卻可能并不了解事物 B，于是我們不得不把事物 B 也介紹一下趾徽；理解事物 B 又需要事物 C 和事物 D 的知識(shí)续滋，于是我們又不得不把事物 C 和 D 也介紹一遍；理解事物 C 和 D 可能又需要其他的背景知識(shí)……如此一來孵奶，為了解釋事物 A疲酌，我們就不得不解釋一長(zhǎng)串的 B、C、D朗恳、E……這真是一件惱人的事情湿颅。
對(duì)于想要了解這事物的人，長(zhǎng)長(zhǎng)的鏈條也讓人喪氣粥诫，尤其在解釋問題的人水平不怎么高明的時(shí)候油航。讀這樣老長(zhǎng)的文字大概是好奇心與沒耐性之間的戰(zhàn)斗。然而怀浆，如果真的要給人家解釋某件事物谊囚，最好還是耐住性子，假裝自己的文字很生動(dòng)执赡，從背景知識(shí)開始一點(diǎn)點(diǎn)解釋把它描述出來镰踏。
1、從光說起
我們?cè)噲D理解這個(gè)世界——就像費(fèi)曼說的那樣——像是在觀看天神們所下的一盤象棋沙合，雖然我們不知道弈棋的規(guī)則奠伪，但觀看的時(shí)間長(zhǎng)了，總能總結(jié)出一些規(guī)律來灌诅。
任何我們總結(jié)出的關(guān)于這個(gè)世界的規(guī)則芳来，都要面臨一個(gè)問題：我們永遠(yuǎn)無法確知世界展現(xiàn)給我們的樣子，是否就是它本來的樣子猜拾。就像柏拉圖的洞穴比喻一樣：被綁縛于洞穴中的人即舌，只能看到火光把物體投在墻壁上的影子，以為那就是真實(shí)的世界挎袜。
然而科學(xué)必須放過這個(gè)問題顽聂，只關(guān)注我們所看到的世界，而不關(guān)注“本來”的世界盯仪。這是因?yàn)椋撼俏覀儞碛猩系垡暯俏商拢牢覀兯吹降氖澜缗c本來的世界并不相同，否則全景，“本來的世界”對(duì)我們來說便只是一個(gè)修辭的說法耀石，沒有任何實(shí)際意義。我們要把自己當(dāng)做柏拉圖比喻里的愚昧的人爸黄，把墻壁上的影子當(dāng)成真實(shí)的世界滞伟，從而避免陷入認(rèn)知論的難題。
人們觀察到物體通常由比它本身小的部分組成炕贵，小的部分又由更小的部分組成梆奈，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)下去称开，當(dāng)一個(gè)部分足夠小時(shí)亩钟，它便是組成物質(zhì)的一個(gè)基本單位乓梨。基本單位的種類是有限的清酥，它們通過不同的組合方式組成了各種不同的物體扶镀。
在古代，人們認(rèn)為這些基本單位是土总处、水狈惫、火、氣這些元素鹦马，現(xiàn)在胧谈，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)造了光荸频。事實(shí)上人類自有文明以來菱肖，就從未停止過對(duì)光的觀察和理解。光到底是什么呢旭从？
一種自然的觀點(diǎn)是：光和我們對(duì)其它物質(zhì)的理解一樣稳强，是由某種極其微小的微粒組成。另一種看法是：光是一種波和悦，就像水面上下振動(dòng)而擴(kuò)散開來那樣傳播退疫。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)代鸽素，微粒說的代表人物正是當(dāng)時(shí)物理學(xué)的代表人物牛頓褒繁，而波動(dòng)說的代表人物是胡克、惠更斯等人馍忽。限于當(dāng)時(shí)的觀測(cè)條件棒坏，雙方各有論據(jù)和實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持，并沒有確鑿的證據(jù)證明光是微粒還是波動(dòng)遭笋，但由于牛頓本人在科學(xué)界的地位坝冕，微粒說成為不可挑戰(zhàn)的權(quán)威。
2瓦呼、雙縫實(shí)驗(yàn)
當(dāng)我們描述粒子的時(shí)候喂窟，就像在描述一個(gè)球體，只不過比我們經(jīng)驗(yàn)中的球體小得多央串，但它依然應(yīng)該遵循牛頓的運(yùn)動(dòng)定律谎替。我們使用位置和動(dòng)量這些屬性來描述粒子的運(yùn)動(dòng)。
相反蹋辅，假如光是一種波，它應(yīng)該是在介質(zhì)中傳播的一種振動(dòng)挫掏，就像描述水波或者聲波一樣侦另，我們使用振幅來描述振動(dòng)的強(qiáng)弱，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)褒傅，如果障礙物上面有個(gè)小的縫隙弃锐，我們會(huì)觀察到水波可以從縫隙穿過，不但傳播到縫隙所正對(duì)的后方殿托，而且傳播到整個(gè)障礙物的后面霹菊。這是因?yàn)樗ǖ恼駝?dòng)在傳播到障礙物的小縫隙時(shí)，形成了一個(gè)點(diǎn)波源支竹，擴(kuò)散到障礙物后面旋廷，這種現(xiàn)象稱為衍射。
當(dāng)兩列波在同一個(gè)介質(zhì)上振動(dòng)的時(shí)候礼搁，如果兩列波的波峰相遇饶碘，則相遇處的振幅因?yàn)椴ǚ瀵B加而得到加強(qiáng)；相反如果一列波的波峰遇到另一列波的波谷馒吴，相遇處的振幅會(huì)因?yàn)橄嗷サ窒鴾p弱扎运。這叫作波的干涉。
衍射和干涉是波特有的現(xiàn)象饮戳，如果光是一束粒子流豪治，它將遵循類似小球的運(yùn)動(dòng)定律，不會(huì)出現(xiàn)衍射和干涉現(xiàn)象扯罐；如果光是一束波负拟，則它會(huì)出現(xiàn)衍射和干涉現(xiàn)象。
盡管遇到一些事實(shí)的挑戰(zhàn)篮赢，但微粒說一直作為光性質(zhì)的權(quán)威解釋齿椅，直到19世紀(jì)初，人們才開始發(fā)現(xiàn)光的波動(dòng)性質(zhì)启泣。
1801年涣脚，托馬斯·楊完成了雙縫實(shí)驗(yàn)，展示了光的干涉現(xiàn)象寥茫。
光源發(fā)出的光經(jīng)過一個(gè)不透明板上的兩個(gè)狹縫遣蚀，形成兩個(gè)新的點(diǎn)光源，兩個(gè)新的光源發(fā)出的光線相互干涉纱耻，在后面的探測(cè)屏上留下了明暗相間的條紋芭梯。楊通過實(shí)驗(yàn)還初步測(cè)定了空氣中不同顏色光的波長(zhǎng)。
隨后菲涅爾和泊松完善了光的波動(dòng)理論弄喘，并發(fā)現(xiàn)了泊松亮斑：當(dāng)光照射于一個(gè)圓盤時(shí)玖喘，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)亮斑蘑志。
這些事實(shí)使人們相信累奈，光是一種波贬派。
3、電磁理論
19世紀(jì)澎媒，電磁現(xiàn)象的研究在經(jīng)歷了安培搞乏、法拉第等人之后，終于在麥克斯韋這里集大成戒努。麥克斯韋提出了電磁場(chǎng)的方程組请敦，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)得的光速十分接近储玫，麥克斯韋大膽預(yù)言：光是一種電磁波侍筛。
1887年，赫茲通過實(shí)驗(yàn)成功證實(shí)了麥克斯韋所預(yù)言的電磁波的存在缘缚，并測(cè)得電磁波的速度等于光速勾笆。
現(xiàn)在我們知道，可見光是頻率在特定范圍內(nèi)的電磁波桥滨。
至此窝爪，光的性質(zhì)似乎已經(jīng)定論了。
然而齐媒，正如一開始所說蒲每，我們通過觀察現(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)則喻括，都要經(jīng)受事實(shí)的檢驗(yàn)邀杏。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)則是正確的唬血。但終有一天望蜡，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)疑拷恨。
為了包含新的現(xiàn)象脖律，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)腕侄⌒∪科學(xué)正是通過這樣的不斷的自我否定發(fā)展而來。
4冕杠、量子理論和光量子
十九世紀(jì)末微姊，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，剩下的工作不過是小的修補(bǔ)而已分预。開爾文勛爵在1900年的演講中說：“動(dòng)力學(xué)理論認(rèn)為熱和光都是運(yùn)動(dòng)的方式兢交，現(xiàn)在這一理論的優(yōu)美和明晰，正被兩朵烏云籠罩著笼痹∨湓” （“兩朵烏云”指的是以太測(cè)量實(shí)驗(yàn)和黑體輻射問題飘诗。）
然而隨即人們便發(fā)現(xiàn)，舊的理論已經(jīng)無法解決這些“小”問題界逛，必須建立新的理論體系。兩朵烏云最終帶來一場(chǎng)風(fēng)暴纺座，迅速摧毀了舊的物理學(xué)大廈息拜，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【幌欤“兩朵烏云”的其中一個(gè)——邁克耳遜莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果少欺，促使愛因斯坦提出了相對(duì)論；另一個(gè)黑體輻射問題馋贤，使普朗克在解決過程中提出了能量量子化的假設(shè)赞别。
電磁波是能量傳遞的一種方式，物體都會(huì)以電磁波的方式輻射或者吸收能量配乓，這正是熱成像儀能夠“看到”物體的原因仿滔。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，理論研究和工業(yè)生產(chǎn)的需要犹芹，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)系崎页。
在普朗克之前，威廉·維恩已經(jīng)提出了一個(gè)公式腰埂，用來描述黑體輻射飒焦。但維恩公式只能對(duì)高頻電磁波（短波）給出近似解，而不能描述低頻電磁波（長(zhǎng)波）屿笼。普朗克便著手改進(jìn)維恩公式牺荠。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。
1901年驴一，普朗克發(fā)表了黑體輻射定律公式休雌。普朗克的黑體輻射定律能與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全吻合，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)射和吸收蛔趴，而只能以一個(gè)基本的最小單位的整數(shù)倍進(jìn)行發(fā)射和吸收挑辆，能量必須以離散的形式一份一份地被發(fā)射或者吸收，每份能量都是最小單位的整數(shù)倍孝情，這個(gè)最小的能量單位是不可分割的鱼蝉，普朗克稱這一份份的能量為諧振子。
假如電磁波在某個(gè)頻率下的最小份的能量為v箫荡，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)倍來進(jìn)行魁亦。任意時(shí)間內(nèi)物體輻射或吸收的能量可以是v、2v羔挡、3v……但絕對(duì)不會(huì)是0.5v洁奈、2.1v间唉，這便是能量的量子化。
好比我們正在看的手機(jī)上的文字利术，乍看這些文字似乎是連續(xù)的線條呈野，但細(xì)看之下，這些文字實(shí)際是由很多分離的像素點(diǎn)組成的印叁。一個(gè)字可能由50個(gè)或者100個(gè)像素組成被冒，但絕不可能由61.5個(gè)像素組成。
但是轮蜕，等等昨悼！能量輻射既然是電磁波，波一定是連續(xù)的跃洛，而這些離散的諧振子又是什么呢率触？普朗克并沒有為量子化假設(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)手段汇竭。量子的概念直到愛因斯坦解釋光電效應(yīng)時(shí)才提出葱蝗。
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)韩玩，這種現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)垒玲。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)射出電子找颓。電子吸收光線的能量獲得動(dòng)能合愈，因而逃逸出原子的控制。
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击狮，當(dāng)光的頻率超過極限頻率時(shí)佛析，便可發(fā)生光電效應(yīng)，反之如果光的頻率沒有達(dá)到金屬的極限頻率彪蓬，那么無論如何增加光的強(qiáng)度和照射時(shí)間寸莫，都無法使金屬發(fā)生光電效應(yīng)。
從舊有的經(jīng)驗(yàn)來看档冬，這種現(xiàn)象十分奇怪：如果光（電磁波）是一種連續(xù)能量膘茎，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)酷誓。
1905年披坏，愛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)盐数，而是由離散的光量子組成棒拂。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，光子的能量大小與光波的頻率有關(guān)帚屉，頻率越高光子的能量越大谜诫。
根據(jù)光量子理論，金屬電子只能吸收單個(gè)的光子攻旦，當(dāng)光的頻率超過了金屬的極限頻率時(shí)喻旷，光子的能量足夠大，可以使電子獲得足夠逃逸的動(dòng)能牢屋；而當(dāng)光的頻率較低時(shí)掰邢，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)光子的能量并沒有變化伟阔，因此金屬電子無法獲得足夠的逃脫能量。
隨后的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦的理論掰伸，愛因斯坦本人也因?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)皱炉、相對(duì)論、質(zhì)能方程等理論足夠使他配得上數(shù)個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)）狮鸭。
5合搅、波粒二象性
曾經(jīng)，光的粒子理論因?yàn)榕ｎD的關(guān)系而成為正統(tǒng)歧蕉，使得胡克灾部、惠更斯等人的波動(dòng)理論漸漸為人淡忘。而后惯退，托馬斯·楊的雙縫實(shí)驗(yàn)和菲涅爾赌髓、泊松、麥克斯韋催跪、赫茲等人的發(fā)現(xiàn)給了粒子理論有力的回?fù)羲洌脽o可辯駁的事實(shí)證明了光是一種波動(dòng)。直到現(xiàn)在懊蒸，光量子理論又指出光是由粒子（光子）組成的荣倾，使得微粒說再次出現(xiàn)在人們面前。
然而波動(dòng)理論并沒有被完全擊敗骑丸，盡管不得不承認(rèn)光子的存在舌仍，但當(dāng)把光線通過雙縫時(shí)，干涉條紋還是像原來一樣出現(xiàn)在探測(cè)屏上通危，這是光是波的不可辯駁的證據(jù)铸豁。
人們不得不接受這樣的事實(shí)：光既有波動(dòng)性質(zhì)，也有粒子性質(zhì)黄鳍。這便是光的波粒二象性推姻。
光具有波粒二象性，然而波粒二象性的意義卻不止于此框沟。
就像一開始所說的藏古，我們?cè)噲D通過觀察現(xiàn)象找出世界運(yùn)行的規(guī)則增炭，但我們卻總是像盲人摸象一樣，看到的是這個(gè)世界的某個(gè)部分而非全部拧晕。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隙姿，導(dǎo)致對(duì)同一物質(zhì)得到了不同的圖景。
波粒二象性示意圖說明厂捞，從不同角度觀察同樣一件物體输玷，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)出了粒子性靡馁，反過來想：其它我們一直以來當(dāng)做粒子的物質(zhì)欲鹏，會(huì)不會(huì)也表現(xiàn)出波動(dòng)性呢？
1924年臭墨，德布羅意提出了物質(zhì)波的假說赔嚎，他認(rèn)為所有物質(zhì)都有波動(dòng)性質(zhì)。幾年后胧弛，人們得到了電子束的干涉和衍射現(xiàn)象尤误，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)相悖结缚，這是因?yàn)槿粘Ｋ娢矬w的動(dòng)量遠(yuǎn)大于光子损晤，因而很難觀察到其波動(dòng)性質(zhì)。）
在雙縫實(shí)驗(yàn)里红竭，通過兩條狹縫尤勋，抵達(dá)偵測(cè)屏障的電子，一顆顆地累積茵宪，顯示出干涉圖樣
物質(zhì)都具有波粒二象性斥黑，這是我們觀察世界所得到的規(guī)則，然而我們僅僅知道了“規(guī)則”眉厨，卻不知其中的“奧秘”锌奴。就好像我們看到天神走出一步棋，我們知道這步棋符合我們觀察許久總結(jié)出的規(guī)律憾股，卻不懂天神為何要這樣走棋鹿蜀。
6、不確定性原理
時(shí)間已經(jīng)來到1925年左右服球，人們對(duì)原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了更深刻的了解茴恰。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，但對(duì)電子在原子中究竟如何分布卻并不清楚斩熊。
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往枣，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。”
隨后盧瑟福在散射實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)分冈，原子應(yīng)該具有一個(gè)帶正電的核心圾另，集中了原子絕大部分質(zhì)量并占據(jù)很小的區(qū)域，電子則包圍在區(qū)域的外面雕沉。因此盧瑟福提出的原子結(jié)構(gòu)模型“大多數(shù)的質(zhì)量和正電荷集乔，都集中于一個(gè)很小的區(qū)域（原子核）；電子則環(huán)繞在原子核的外面坡椒，像行星的環(huán)繞著太陽(yáng)進(jìn)行公轉(zhuǎn)扰路。”
但是盧瑟福模型中的電子環(huán)繞原子核做加速運(yùn)動(dòng)倔叼，根據(jù)電磁理論加速運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)發(fā)出輻射而失去能量汗唱，因此這樣的原子結(jié)構(gòu)是無法穩(wěn)定存在的。
量子理論提出之后丈攒，玻爾提出新的量子化的原子模型渡嚣，指明原子的能量狀態(tài)并不是連續(xù)的，而是處在一系列離散的狀態(tài)中肥印。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)的軌道上绝葡。當(dāng)原子的能量狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)深碱，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)射或吸收能量藏畅。
玻爾模型的固定軌道，可以很好的解釋為何原子總是釋放特定頻率的光譜愉阎，以及元素周期表不同位置元素的化學(xué)性質(zhì)為何相似或者不同绞蹦。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)，從而放射出特定頻率的電磁波榜旦，而元素的化學(xué)性質(zhì)取決于原子中電子的排布幽七。
玻爾模型里的躍遷，是一個(gè)量子過程溅呢，電子從一個(gè)軌道到另一個(gè)軌道時(shí)澡屡，并不存在一個(gè)中間狀態(tài)，這導(dǎo)致模型無法清楚地描寫“躍遷”的過程咐旧。因此驶鹉，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迄汛，許多基本問題還有待解決航揉。”
1799年次舌，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)姚淆，問拉普拉斯孕蝉，為何他在書中一句也不提及上帝，拉普拉斯回答道：“陛下肉盹，我不需要那個(gè)假設(shè)”昔驱。
很多時(shí)候，我們基于某個(gè)假設(shè)解釋某些事情上忍，但總有一天我們發(fā)現(xiàn)骤肛，如果解釋這些事情可以有別的途徑而從前的假設(shè)從來沒有被證實(shí)過的時(shí)候，這個(gè)假設(shè)并不必要存在窍蓝。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)它們腋颠。
電子的軌道也是這樣一個(gè)假設(shè)。與行星運(yùn)行的軌道不同吓笙，人們并沒有在原子尺度上實(shí)際觀察到電子的運(yùn)動(dòng)軌道淑玫。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，玻爾指明的原子處在不同的能量狀態(tài)面睛，這些都不表示原子中一定要存在這樣的軌道絮蒿。
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，才可以用理論描述其物理行為叁鉴。海森堡放棄了用經(jīng)典物理的運(yùn)動(dòng)軌道描述電子土涝，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)。如果不能設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來準(zhǔn)確觀測(cè)電子的位置或動(dòng)量幌墓，則談?wù)撘粋€(gè)電子運(yùn)動(dòng)的位置或動(dòng)量是沒有意義的但壮。
海森堡試圖只使用可觀察量來描述原子系統(tǒng)，最終他意識(shí)到解決這個(gè)問題需要引入不可對(duì)易的可觀察量常侣。所謂“對(duì)易”蜡饵，是指滿足某種“交換律”，即“改變順序而不影響結(jié)果”胳施。比如在四則運(yùn)算的加法運(yùn)算中溯祸，改變兩個(gè)加數(shù)的順序，并不影響結(jié)果舞肆。
而不對(duì)易則表示交換順序會(huì)影響最終的結(jié)果您没，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)果胆绊。
海森堡基于只采用可觀察量的原則氨鹏，推導(dǎo)出一種利用不對(duì)易變量的“二維數(shù)集”形式來描述量子系統(tǒng)的公式，后來玻恩發(fā)現(xiàn)公式中的二維數(shù)集就是數(shù)學(xué)當(dāng)中的矩陣压状，于是和助手約爾當(dāng)完善了理論的數(shù)學(xué)形式仆抵，這個(gè)理論把粒子的物理量闡釋為隨時(shí)間演化的矩陣跟继，因此稱作矩陣力學(xué)。矩陣力學(xué)中的位置和動(dòng)量不再是經(jīng)典力學(xué)中的定義镣丑。
在矩陣力學(xué)中舔糖，電子的位置和動(dòng)量是不對(duì)易的，而是“共軛對(duì)易”的莺匠。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金吗，“共軛”表示兩個(gè)事物存在某種內(nèi)在關(guān)聯(lián)），當(dāng)一個(gè)被測(cè)量得越精確時(shí)趣竣，另一個(gè)就變得越不精確摇庙。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遥缕。
在經(jīng)典力學(xué)中卫袒，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)物體单匣，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)量物體的位置夕凝，得到的結(jié)果是一樣的。
但在量子尺度下户秤，無法做到在不影響物體狀態(tài)的情況下對(duì)其進(jìn)行測(cè)量码秉，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)量鸡号。換言之转砖，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)無法同時(shí)測(cè)得兩個(gè)物理量的精確值膜蠢。
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)，波長(zhǎng)越短則精度越高莉兰，亦即能夠更加精確地測(cè)量物體的位置挑围。當(dāng)測(cè)量一個(gè)電子的位置和動(dòng)量時(shí)，顯微鏡發(fā)射的光線波長(zhǎng)越短糖荒，就更能準(zhǔn)確測(cè)量電子的位置杉辙。
但正如解釋光電效應(yīng)的時(shí)候說的，波長(zhǎng)越短的光頻率越高捶朵，單個(gè)光子的動(dòng)量越大蜘矢。光子碰撞電子會(huì)并被隨機(jī)散射，會(huì)傳遞一個(gè)動(dòng)量給電子综看，光子的動(dòng)量越大品腹，電子的動(dòng)量被改變得越大，因此測(cè)得的電子的動(dòng)量越不準(zhǔn)確红碑。反之如果使用動(dòng)量較小的光子舞吭，電子的動(dòng)量被擾動(dòng)得很小泡垃，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)確羡鸥。
需要明確的是蔑穴，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。在量子尺度上惧浴，測(cè)量行為必然對(duì)物體產(chǎn)生擾動(dòng)存和，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)衷旅，攪擾可以被消減得越小越好捐腿，但即便在經(jīng)典力學(xué)中，測(cè)量精度也是無法無限提高的芜茵，正如費(fèi)曼所指出的那樣：我們無法絕對(duì)精確地知道物體的運(yùn)動(dòng)——“從實(shí)際的觀點(diǎn)來說叙量，經(jīng)典力學(xué)中早已存在著不可確定性了”。）
7九串、互補(bǔ)原理
不確定性原理意味著量子系統(tǒng)的觀察者無法確知當(dāng)前系統(tǒng)的全部信息绞佩。對(duì)一個(gè)電子來說，對(duì)它的位置信息了解得越準(zhǔn)確猪钮，則對(duì)它的動(dòng)量了解得越不準(zhǔn)確品山，反之亦然。
這種事實(shí)使得玻爾相信：不確定性原理所昭示的含義烤低，并不像海森堡顯微鏡實(shí)驗(yàn)所展示的那樣肘交，僅僅是無法準(zhǔn)確測(cè)量一個(gè)電子的位置和動(dòng)量，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”扑馁。
玻爾于1927年提出了互補(bǔ)原理涯呻。物體具有波動(dòng)性和粒子性，有時(shí)會(huì)表現(xiàn)出波動(dòng)性腻要，有時(shí)會(huì)表現(xiàn)出粒子性复罐。物體的波動(dòng)性和粒子性是互補(bǔ)的，即物體可以表現(xiàn)出波動(dòng)性或者粒子性雄家，但不能同時(shí)既表現(xiàn)出波動(dòng)性又表現(xiàn)出粒子性效诅。在雙縫實(shí)驗(yàn)中，光表現(xiàn)出波動(dòng)性而出現(xiàn)干涉條紋趟济；在光電效應(yīng)中乱投，光則表現(xiàn)出粒子性。
一對(duì)互補(bǔ)的性質(zhì)就像一個(gè)硬幣的正面和反面顷编，它們互為一體又相互排斥戚炫。
就像這張著名的鴨兔錯(cuò)覺圖片，把它看成一只鴨子的時(shí)候媳纬，兔子的形象便消失了嘹悼；而把它看成一只兔子的時(shí)候叛甫，鴨子的形象便消失了。
微觀粒子的位置和動(dòng)量杨伙，也是一對(duì)互補(bǔ)的可觀測(cè)量其监，位置的不確定性越小，動(dòng)量的不確定性就越大限匣，反之亦然抖苦。
海森堡在不確定性原理的論文里提到：“玻爾提醒我注意到，觀測(cè)的不確定性并不只是從不連續(xù)性事件出現(xiàn)米死，而是直接捆綁于某種要求锌历，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)中峦筒，有些演示了微粒說究西，而又有些演示了波動(dòng)說∥锱纾”
互補(bǔ)原理表明在測(cè)量物體某種性質(zhì)的時(shí)候卤材，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)峦失∩却裕“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)果無法收集于單獨(dú)一種物理圖景中”尉辑。
......不管量子物理現(xiàn)象怎樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越經(jīng)典物理解釋的范疇帆精，所有證據(jù)的說明必須用經(jīng)典術(shù)語來表達(dá)。理由很簡(jiǎn)單隧魄，提到"實(shí)驗(yàn)"這術(shù)語卓练，我們指的是一種狀況，我們可以告訴其他人购啄，我們到底從這種狀況中學(xué)到了些什么襟企，因此，關(guān)于實(shí)驗(yàn)裝置與觀察結(jié)果的說明闸溃，必須通過恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用經(jīng)典物理術(shù)語整吆，以無歧義的語言表達(dá)拱撵。
這極為重要的一點(diǎn)......意味著辉川，原子物體的行為、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）拴测，這兩者之間不可能存在有任何明顯的分割......因此乓旗，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)足集索，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屿愚。
——玻爾
8汇跨、薛定諤方程
矩陣力學(xué)從粒子角度描述物體的行為，把粒子的物理量闡釋為隨時(shí)間演化的矩陣妆距，放棄了不可觀察的”軌道“假設(shè)穷遂，能夠解釋玻爾模型中無法解釋的“躍遷”行為。
物質(zhì)具有波粒二象性娱据，既然把微觀物體當(dāng)成粒子可以描述量子理論蚪黑，那么把它們當(dāng)做波動(dòng)應(yīng)該也可以做出同樣的描述。應(yīng)該可以找到這樣一個(gè)理論中剩，使用包含頻率忌穿、波幅等屬于波的物理量的波動(dòng)方程來描述量子理論。這個(gè)方程應(yīng)該具備和矩陣力學(xué)一樣的完備性结啼，同樣能夠解釋波爾模型的“躍遷”等量子行為掠剑。
薛定諤在接觸了波粒二象性理論之后，開始著手尋找能夠正確描述量子性質(zhì)的波動(dòng)方程郊愧。1926年朴译，薛定諤正式發(fā)布了他的論文。他推導(dǎo)出一個(gè)方程糕珊，用來描述原子中電子的波函數(shù)动分，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)間變化的演化红选。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)性澜公。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)喇肋，因此相比矩陣力學(xué)坟乾，薛定諤方程更容易學(xué)習(xí)和理解。
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蝶防，對(duì)應(yīng)的是現(xiàn)實(shí)世界中的物理量甚侣，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)间学，我們觀察到物體下落的距離與下落時(shí)間的平方成正比殷费，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)間低葫，另一個(gè)變量代表下落距離详羡，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)速度變化得有多快嘿悬。這個(gè)二次函數(shù)的物理意義便是自由落體運(yùn)動(dòng)实柠。
有時(shí)，我們根據(jù)許多已觀察到的事實(shí)善涨，總結(jié)出某些物理量之間的關(guān)系窒盐，從而得到一條經(jīng)驗(yàn)公式草则，公式使用的變量都是我們已知其意義的物理量，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)的描述蟹漓。我們可以通過實(shí)驗(yàn)不斷驗(yàn)證這條公式炕横。——我們即總結(jié)出了“規(guī)律”葡粒，也猜到了“奧秘”看锉。
而有時(shí)候，我們通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)手段得到一個(gè)新的公式塔鳍，這并不是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式伯铣，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，或者這個(gè)公式所表達(dá)的物理意義我們尚不得而知轮纫。盡管我們依然可以通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這條公式腔寡，但這條公式背后一定隱藏著我們尚未知曉的物理事實(shí)≌仆伲——我們總結(jié)出了“規(guī)律”放前，卻猜不出“奧秘”。
一個(gè)描述波的函數(shù)糯彬，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)間的變化凭语。對(duì)于水波來說，水面隨著水波的傳播而上下振動(dòng)撩扒，波函數(shù)描述的水面某點(diǎn)起伏的程度似扔。
物質(zhì)具有波粒二象性，即可以呈現(xiàn)出粒子性又可以呈現(xiàn)出波動(dòng)性搓谆。如果把一個(gè)電子當(dāng)做粒子炒辉，位置描述了電子的空間位置，動(dòng)量描述的是電子保持運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)泉手，而如果把電子當(dāng)成波黔寇，我們用以描述波的振幅、頻率等變量又有什么物理含義呢斩萌？ 換言之缝裤，薛定諤方程描述了物質(zhì)的波函數(shù)的行為，然而對(duì)一個(gè)電子或者其他物體來說颊郎，波函數(shù)的物理意義是什么呢憋飞？
9、概率
波動(dòng)力學(xué)（薛定諤方程）建立后袭艺，人們還一直不清楚波函數(shù)的物理意義搀崭。與海森堡一起發(fā)展了矩陣力學(xué)的玻恩叨粘，提出了一個(gè)對(duì)波函數(shù)的解釋猾编。
玻恩認(rèn)為瘤睹，波函數(shù)描述的是一種概率，它描述的是“在某時(shí)間答倡、某位置發(fā)生某個(gè)相互作用”的概率轰传，例如“在某時(shí)間、某位置探測(cè)到一個(gè)粒子”的概率瘪撇。
所謂概率获茬，指的是隨機(jī)事件發(fā)生的可能性的度量。以丟硬幣為例子倔既，我們預(yù)測(cè)硬幣丟出去之后恕曲，有一半的可能性正面朝上，一半的可能性反面朝上渤涌，因此正面和反面朝上的概率各是50%佩谣。
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)的位置和速度实蓬，根據(jù)自由落體的運(yùn)動(dòng)公式茸俭，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)的能力安皱。然而在量子力學(xué)中调鬓，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)位置酌伊、又有多大可能性出現(xiàn)在另一個(gè)位置腾窝。
拉普拉斯曾經(jīng)說：“我們可以把宇宙現(xiàn)在的狀態(tài)視為其過去的果以及未來的因。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)自然的物體的位置居砖，假若他也能夠?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析燕锥，則在宇宙里，從最大的物體到最小的粒子悯蝉，它們的運(yùn)動(dòng)都包含在一條簡(jiǎn)單公式里归形。對(duì)于這位智者來說，沒有任何事物會(huì)是含糊的鼻由，并且未來只會(huì)像過去般出現(xiàn)在他眼前暇榴。” ——這就是著名的拉普拉斯妖蕉世，假若我們知道了某一時(shí)刻所有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)蔼紧，根據(jù)物理學(xué)公式便能推斷出后面1秒、1小時(shí)狠轻、乃至無限長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)某個(gè)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)奸例。
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），我們也無無法推斷出之后的準(zhǔn)確狀態(tài)查吊，我們所能推斷出的谐区，只不過是某個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生的可能性而已。
物理學(xué)家們就像一群探險(xiǎn)者逻卖，為了破解古老的謎題歷經(jīng)無數(shù)艱險(xiǎn)宋列，終于在幽暗的山洞里找到了藏著答案的寶箱。他們以為終于找到了上帝的秘密评也，滿懷期待地打開寶箱炼杖，卻發(fā)現(xiàn)里面放著一個(gè)……骰子。
波函數(shù)的概率解釋對(duì)篤信決定論的人來說是難以接受的盗迟，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)作出了開創(chuàng)性貢獻(xiàn)的愛因斯坦坤邪。愛因斯坦終其一生都無法接受非決定性的概率解釋，他與玻爾展開了關(guān)于量子力學(xué)的一系列意義深遠(yuǎn)的論戰(zhàn)罚缕，并提出了許多著名的思想實(shí)驗(yàn)罩扇。隨著技術(shù)進(jìn)步，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)怕磨，它們時(shí)至今日依然被用來驗(yàn)證量子力學(xué)的的基礎(chǔ)理論喂饥。
愛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〕辏可是有一種內(nèi)在的聲音告訴我员帮，它還不是那真實(shí)的東西。這個(gè)理論說得很多导饲，但是一點(diǎn)也沒有真正使我們更加接近于‘上帝’的秘密捞高。我無論如何深信上帝不是在擲骰子……”
10、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)的一種詮釋渣锦，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)硝岗。哥本哈根學(xué)派包括了玻爾、海森堡和玻恩等人袋毙，而哥本哈根詮釋的基礎(chǔ)正是玻爾的互補(bǔ)原理型檀、海森堡的不確定性原理和玻恩的波函數(shù)概率表述。
哥本哈根詮釋認(rèn)為：量子系統(tǒng)的狀態(tài)由波函數(shù)描述听盖，薛定諤方程即是波函數(shù)的演化方程胀溺。量子系統(tǒng)的表述是概率性的，事件的概率由波函數(shù)給出皆看。粒子的位置和動(dòng)量無法被同時(shí)確定仓坞。物質(zhì)的波粒二象性，會(huì)因具體的觀測(cè)行為而展現(xiàn)出粒子性或波動(dòng)性腰吟，但不能同時(shí)展示兩者无埃。
拋硬幣時(shí)，雖然我們預(yù)測(cè)出現(xiàn)正面或者反面的概率是50%，然而當(dāng)硬幣丟出之后嫉称，硬幣要么正面朝上侦镇，要么反面朝上。這時(shí)澎埠，硬幣的狀態(tài)是確定的，100%正面朝上或者100%反面朝上始藕，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)蒲稳。
單次的拋硬幣結(jié)果無法是反映出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)果伍派。只有在拋了足夠多次的硬幣之后江耀，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)越多诉植，統(tǒng)計(jì)的結(jié)果也越趨向于50%-50%祥国。因此，概率是一個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的預(yù)測(cè)晾腔，單次的觀察結(jié)果是無法反映系統(tǒng)的全部信息的舌稀。
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)灼擂，測(cè)量行為使概率轉(zhuǎn)變成了現(xiàn)實(shí)壁查，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)剔应，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)光斑睡腿，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)峻贮，哥本哈根詮釋把這個(gè)過程叫做波函數(shù)“坍縮”——由可能性“坍縮”為現(xiàn)實(shí)席怪。對(duì)我們來說，獲取量子系統(tǒng)的信息只有通過觀測(cè)纤控，因而只有“觀測(cè)”才會(huì)使波函數(shù)“坍縮”挂捻，使粒子的位置從概率變成現(xiàn)實(shí)，不進(jìn)行觀測(cè)船万，粒子便是一個(gè)彌漫整個(gè)空間的概率波而已细层，不存在于任何具體位置，這種狀態(tài)叫做“疊加態(tài)”唬涧。
哥本哈根詮釋跟日常經(jīng)驗(yàn)之間存在巨大的鴻溝疫赎。
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)碎节，它的位置并不確定捧搞，而是處于一個(gè)“疊加態(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。而一旦我們決定觀測(cè)這個(gè)粒子胎撇，粒子的位置便是確定的了介粘，波函數(shù)“坍縮”為一個(gè)確定的狀態(tài)。
然而晚树，日常經(jīng)驗(yàn)里的物體都是由微觀粒子組成的姻采，它們同樣應(yīng)該遵循量子力學(xué)描述的行為。我們“看到”爵憎、“摸到”慨亲、“聽別人說到”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)”宝鼓。如果一個(gè)物體沒有被“觀測(cè)”的話刑棵，它應(yīng)該處于“疊加態(tài)”。
量子力學(xué)似乎在告訴我們愚铡，當(dāng)你看月亮?xí)r蛉签，它便在你看到的位置；當(dāng)你不再看它時(shí)沥寥，它便處于“疊加態(tài)”碍舍，變成了存在于每個(gè)位置的可能性。現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)中邑雅，我們很難相信宏觀物體處在這樣一種狀態(tài)乒验，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”）。
“你未看此花時(shí)蒂阱，此花與汝心同歸于寂锻全。你來看此花時(shí)，則此花顏色一時(shí)明白起來” ——明·王陽(yáng)明
11录煤、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)性鳄厌，現(xiàn)在我們知道光的波粒二象性，光是由光子組成的妈踊，那么雙縫實(shí)驗(yàn)中的光子是如何通過雙縫的呢了嚎？
初時(shí)人們考慮光子穿過了雙縫，認(rèn)為它應(yīng)該穿過了兩個(gè)縫隙的二者之一廊营。但如果是這樣的話歪泳，有個(gè)問題卻無法解釋：對(duì)于兩個(gè)縫隙中任意一個(gè)，假定另一縫隙不存在露筒，則光穿過的實(shí)際上是一個(gè)單縫呐伞，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，這個(gè)連續(xù)條紋的區(qū)域覆蓋了雙縫時(shí)本來是暗區(qū)的部分——有些光子到達(dá)了雙縫時(shí)不會(huì)到達(dá)的地方慎式。對(duì)于這部分光子來說伶氢，似乎它們?cè)诖┻^縫隙時(shí)趟径，必須要“知道”另一個(gè)縫隙是否存在，以此“決定”是否到達(dá)這部分區(qū)域癣防。根據(jù)定域性原理以及狹義相對(duì)論蜗巧，盡管兩個(gè)縫隙的距離很小，但信息的傳播速度卻是有上限的蕾盯，因此如果光子是通過了兩個(gè)縫隙之一的話幕屹，它應(yīng)該不能夠在通過一個(gè)縫隙的時(shí)候知道另一個(gè)縫隙的存在。
為了檢測(cè)光子是如何通過雙縫的级遭，人們?cè)O(shè)計(jì)了新的雙縫實(shí)驗(yàn)望拖，在雙縫處設(shè)置了探測(cè)器，以統(tǒng)計(jì)光子通過了哪個(gè)縫隙装畅。在實(shí)驗(yàn)中靠娱，檢測(cè)器記錄了兩個(gè)縫隙各自通過了多少光子沧烈，然而讓人驚奇的是掠兄，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)锌雀，就只能撤掉雙縫處的檢測(cè)器蚂夕，但這樣就無法知道光子分別通過了哪個(gè)縫隙；如果統(tǒng)計(jì)了光子通過了哪個(gè)縫隙腋逆，干涉條紋便不會(huì)出現(xiàn)了婿牍。
現(xiàn)在來看一下哥本哈根詮釋對(duì)雙縫實(shí)驗(yàn)的解釋：當(dāng)光子通過縫隙時(shí)，它有50%的概率出現(xiàn)在左縫惩歉，50%的概率出現(xiàn)在右縫等脂，光子處于“疊加態(tài)”。如果我們不“觀測(cè)”光子通過哪個(gè)縫隙撑蚌，則光子會(huì)保持這種“疊加態(tài)”上遥，我們可以認(rèn)為光子以這種狀態(tài)同時(shí)穿過了兩個(gè)縫隙，直到探測(cè)屏上重新發(fā)現(xiàn)光子的位置争涌，探測(cè)屏也是一種“觀測(cè)”方式粉楚，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)光子的位置亮垫，探測(cè)光子位置的“觀測(cè)”行為使得波函數(shù)“坍縮”模软，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”了一條路徑饮潦，光子就像普通的粒子穿過縫隙一樣燃异，不會(huì)表現(xiàn)出任何波的行為，干涉條紋不會(huì)再出現(xiàn)继蜡。
光同時(shí)具備波動(dòng)性和粒子性特铝，使用雙縫觀測(cè)光束暑中，這種觀測(cè)行為是我們“選擇”了觀察光的波動(dòng)性，光以波的形式通過雙縫鲫剿，因此探測(cè)屏上出現(xiàn)了干涉條紋展示光的波動(dòng)性鳄逾；當(dāng)我們使用探測(cè)器檢測(cè)光子穿過哪個(gè)縫隙，我們“選擇”了觀察光的粒子性灵莲，因此我們觀察到光子的確切位置（左縫或右縫）雕凹，光子以粒子的形式通過雙縫，干涉條紋不會(huì)出現(xiàn)政冻。
你看這個(gè)世界的方式枚抵，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》里表示明场，雙縫實(shí)驗(yàn)所展示出的量子現(xiàn)象不可能汽摹、絕對(duì)不可能以任何經(jīng)典方式來解釋，它包含了量子力學(xué)的核心思想。事實(shí)上讹挎，它包含了量子力學(xué)唯一的奧秘辅柴。透過雙縫實(shí)驗(yàn)，可以觀察到量子世界的奧秘拉庶。
—— 中文維基百科詞條：雙縫實(shí)驗(yàn)
12、薛定諤的貓
正如上面所說的秃励，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氏仗，人們難以認(rèn)同宏觀物體的“疊加態(tài)”。薛定諤因此提出了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)來說明這種矛盾夺鲜，這便是“薛定諤的貓”皆尔。
把一只貓、一個(gè)裝有氰化氫氣體的玻璃燒瓶和放射性物質(zhì)放進(jìn)封閉的盒子里币励。當(dāng)盒子內(nèi)的監(jiān)控器偵測(cè)到衰變粒子時(shí)慷蠕，就會(huì)打破燒瓶，殺死這只貓榄审。根據(jù)量子力學(xué)的哥本哈根詮釋砌们，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一段時(shí)間后，貓會(huì)處于又活又死的疊加態(tài)搁进±烁校可是，假若實(shí)驗(yàn)者觀察盒子內(nèi)部饼问，他會(huì)觀察到一只活貓或一只死貓影兽，而不是同時(shí)處于活狀態(tài)與死狀態(tài)的貓。這事實(shí)引起一個(gè)謎題：到底量子疊加是在什么時(shí)候終止莱革，并且坍縮成兩種可能狀態(tài)中的一種狀態(tài)峻堰？
實(shí)驗(yàn)者甚至可以設(shè)置出相當(dāng)荒謬的案例來讹开。把一只貓關(guān)在一個(gè)封閉的鐵容器里面，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)捐名，在一小時(shí)內(nèi)旦万，這個(gè)放射性物質(zhì)至少有一個(gè)原子衰變的概率為50%，它沒有任何原子衰變的概率也同樣為50%镶蹋；假若衰變事件發(fā)生了成艘，則蓋革計(jì)數(shù)管會(huì)放電，通過繼電器啟動(dòng)一個(gè)榔頭贺归，榔頭會(huì)打破裝有氰化氫的燒瓶淆两。經(jīng)過一小時(shí)以后，假若沒有發(fā)生衰變事件拂酣，則貓仍舊存活秋冰；否則發(fā)生衰變，這套機(jī)構(gòu)被觸發(fā)婶熬，氰化氫揮發(fā)剑勾，導(dǎo)致貓隨即死亡。用以描述整個(gè)事件的波函數(shù)竟然表達(dá)出了活貓與死貓各半糾合在一起的狀態(tài)尸诽。
類似這典型案例的眾多案例里甥材，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^不明確性盯另，只有通過打開這個(gè)箱子來直接觀察才能解除這樣的不明確性性含。它使得我們難以如此天真地接受采用這種籠統(tǒng)的模型來正確代表實(shí)體的量子特性。就其本身的意義而言鸳惯，它不會(huì)蘊(yùn)含任何不清楚或矛盾的涵義商蕴。但是，在一張搖晃或失焦的圖片與云堆霧層的快照之間芝发，實(shí)則有很大的不同之處绪商。
—— 埃爾溫·薛定諤
如實(shí)驗(yàn)中所描述的，貓的狀態(tài)決定于原子的衰變辅鲸。原子的衰變-不衰變處于50%-50%概率的疊加態(tài)格郁，貓也就處于死-活各有50%概率的疊加態(tài)，直到我們打開容器独悴，使這種疊加態(tài)“坍縮”例书，原子是否衰變才變成了是與否之一的現(xiàn)實(shí)，可憐的貓也才結(jié)束了疊加態(tài)的折磨刻炒，變成了死或者活的狀態(tài)决采。
我們?cè)谡f導(dǎo)致波函數(shù)“坍縮”的是觀察者的觀測(cè)行為，然而我們卻并未明確定義“觀察者”坟奥。雙縫實(shí)驗(yàn)里树瞭，我們使用探測(cè)器來觀測(cè)光子拇厢，然而探測(cè)器也是由微觀粒子組成的，這些粒子的狀態(tài)同樣遵守量子規(guī)律晒喷。
顯示探測(cè)器結(jié)果的粒子孝偎，在被觀測(cè)之前，也處于疊加態(tài)凉敲，只有被疊加態(tài)被打破邪媳，這些粒子才“坍縮”成經(jīng)典物理世界的狀態(tài)，顯示出一個(gè)結(jié)果荡陷，這意味著雨效，探測(cè)器的結(jié)果也需要被觀測(cè)才能確定。我們可以設(shè)置一個(gè)新的設(shè)備來檢測(cè)探測(cè)器的結(jié)果废赞，然而新的設(shè)備依然是由微觀粒子組成徽龟，和探測(cè)器一樣處于疊加態(tài)。再設(shè)置一個(gè)設(shè)備來探測(cè)新的設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果……如此我們陷入了一個(gè)無限循環(huán)——每個(gè)設(shè)備都是由微觀粒子組成——直到……人唉地。
只有“觀測(cè)者”是人的時(shí)候据悔，波函數(shù)才會(huì)“坍縮”，疊加態(tài)才會(huì)被打破耘沼，因?yàn)檎俏覀冏约河^測(cè)到了檢測(cè)器上的確切結(jié)果极颓、觀測(cè)到了探測(cè)屏上的干涉條紋、觀測(cè)到了量子系統(tǒng)的每個(gè)確切的行為群嗤。
可是……人是什么呢菠隆？我們的軀體依然是由微觀粒子組成，和那些探測(cè)設(shè)備沒有區(qū)別狂秘，但決定我們要觀測(cè)這個(gè)世界的骇径，并不是我們的身體，而是我們的……意識(shí)者春。這似乎是在說破衔，是我們的意識(shí)使得波函數(shù)發(fā)生了“坍縮”：正是因?yàn)槲覀円庾R(shí)到了某個(gè)電子，這個(gè)電子才從疊加態(tài)“坍縮”到了一個(gè)具體位置钱烟；正是因?yàn)槲覀円庾R(shí)到了這個(gè)世界晰筛，這個(gè)世界因此才存在——我們是在談?wù)撐锢韺W(xué)還是哲學(xué)？
關(guān)于“觀察者”和觀測(cè)行為拴袭，會(huì)引出許多困難的哲學(xué)問題读第，在這里我們還是先停一下，回頭看看這只可憐的貓稻扬。
如果人可以使波函數(shù)“坍縮”卦方，那么貓呢？貓的觀察行為可以使波函數(shù)“坍縮”泰佳，把自己從疊加態(tài)解救出來嗎盼砍？貓不是檢測(cè)器尘吗，而是和人一樣的動(dòng)物，貓有沒有像人那樣的“意識(shí)”呢浇坐？
……
13睬捶、量子力學(xué)的其它詮釋
哥本哈根詮釋是最為人廣泛接受的解釋，然而如“薛定諤的貓”所昭示的近刘，這個(gè)詮釋還存在著缺陷擒贸。事實(shí)上，哥本哈根詮釋自誕生起直至今日觉渴，也從來沒有停止過爭(zhēng)議介劫。
除了哥本哈根詮釋以外，對(duì)量子力學(xué)理論還有許多其他解釋案淋，最流行的是多世界詮釋座韵。
多世界詮釋認(rèn)為不存在波函數(shù)“坍縮”的行為，波函數(shù)所預(yù)言的各種可能性都會(huì)實(shí)現(xiàn)踢京，這些現(xiàn)實(shí)會(huì)成為彼此毫無關(guān)聯(lián)的平行世界誉碴。以薛定諤的貓為例，容器被打開時(shí)瓣距，世界出現(xiàn)兩個(gè)分支黔帕，在其中一個(gè)分支里，貓是活的蹈丸，而在另一個(gè)里面成黄，貓是死的。觀察者只能看到貓的一種狀態(tài)白华，是因?yàn)橛^察者到身處的分支中的世界慨默，而不能同時(shí)觀察到多個(gè)分支世界贩耐。
根據(jù)多世界理論弧腥，每一個(gè)事件都是分支點(diǎn)。不論盒子是封閉的還是敞開的潮太，貓是活的管搪，也是死的，但是铡买，活貓與死貓是處于宇宙的不同分支更鲁，這些分支都同樣的真實(shí)，但是彼此之間不能相互作用奇钞。
除了哥本哈根詮釋和多世界詮釋以外澡为，人們還提出了隱變量詮釋等等其他詮釋。
盡管量子力學(xué)的“規(guī)則”已經(jīng)被無數(shù)實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證景埃，而且量子力學(xué)已經(jīng)被應(yīng)用至核物理媒至、計(jì)算機(jī)顶别、通信等現(xiàn)代科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，但至今人們依然無法找到一個(gè)滿意的對(duì)量子力學(xué)基本概念的詮釋拒啰。
“我認(rèn)為我可以有把握地說驯绎，沒有人懂得量子力學(xué)！” ——理查德·費(fèi)曼
“依照我現(xiàn)在的看法谋旦，完全令人滿意的量子力學(xué)詮釋并不存在剩失。” ——史蒂文·溫伯格
14册着、最后
形而上學(xué)研究的是存在的本質(zhì)和性質(zhì)拴孤。亞里士多德的關(guān)于自然科學(xué)的著作《物理學(xué)》，拉丁文叫做“Physica”甲捏∑蚯桑“Physica”一詞也是英文“物理”（physics）的來源。亞里士多德關(guān)于本質(zhì)摊鸡、原因等抽象知識(shí)的討論被編排在《Physica》之后绽媒，稱作metaphysica。
英文單詞“metaphysics”初入我國(guó)時(shí)被譯為“玄學(xué)”免猾，如《道德經(jīng)》最后所說：“玄之又玄是辕，眾妙之門”。更加貼切的翻譯出自日本哲學(xué)家井上哲次郎猎提，取自《易經(jīng)?系辭上傳》“形而上者謂之道获三，形而下者謂之器”之語，譯為“形而上學(xué)”锨苏。
所謂“道”疙教，道家言：“道可道，非常道伞租。名可名贞谓，非常名。無名天地之始葵诈。有名萬物之母裸弦。” —— “道”既“無名”作喘，不可言說理疙。
儒家言：“道者，陰陽(yáng)變化之理也泞坦〗严停”是世間萬物和宇宙本身的“理”（規(guī)律）。
“道”，也是文首所言天神弈棋的“奧秘”赃梧，是上帝的秘密择吊。
上帝擲不擲骰子？人們還將繼續(xù)探索槽奕，薛定諤的小貓還要繼續(xù)遭受“虐待”几睛。
（END）
