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量子力學奠基人波爾曾曰：“如果你第一次學量子力學認為自己懂了，那說明你還沒懂。 為了理解這個嘆為觀止的理論的偉大，我們就從他誕生前夜講起吧。 1、經理物理學最后的余暉 牛爵爺的《自然哲學的數學原理》系統地把數學工具引入到研究中，用數學來解釋實驗現象，這才使“哲學”和“科學”徹底分開，揭開了經典物理學的序幕。所以牛頓很偉大，堪稱“超一流偉大”！ 牛頓帶頭起了哄，往后數百年，各式牛人不斷用數學解釋這個世界的本質，逐漸構成了經典物理學的大廈。 宗教：世界是上帝創造的。
最終，“科學”摧枯拉朽般統一了人類的認知論，占據了絕對主流地位。如今，無數個科學公式和科學理論交織在一起，相互印證，相互利用，自洽的解釋這個世界。 同學們注意，重點來了，什么是“自洽”？舉個例子：
時間是怎么量的？--鐘表測量的。 鐘表準嗎？--使用原子鐘校準。 原子鐘如何定義1s? 氨分子震蕩240億次所需的時間 ....
這個問題是無限循環的，不同的科學理論相互印證，但人類永遠無法知道“小帥哥身高”這個真相。就如警察破案，100個證人和1000個證據，都完美無缺的相互解釋，那么警察就認為這就是真相。 人類這樣自洽的解釋世界，靠譜嗎？會不會出錯？幾十億人，成千上萬個理論，運行了三百年，從來沒有出現絲毫的錯誤！對統計學稍微有點常識的人都知道，這個理論出錯的概率實在太小太小太小了。
但再小的概率還是有可能。這個“可能”就是“量子力學”和“相對論”，這兩個超一流偉大的理論將原先構建了幾百年的經典物理學大廈徹底摧毀！ 2、黑云壓城城欲摧
故事從這里開始。 19世紀的最后一天，歐洲著名的科學家歡聚一堂。會上，英國著名物理學家威廉.湯姆生(即開爾文男爵)發表了新年祝詞。他在回顧物理學所取得的偉大成就時說，物理大廈已經落成，所剩只是一些敲敲打打的修飾工作了 這群自戀的科學家們開始感嘆，后來人真是太幸福了，所有的理論都如此的完善。 至于威廉.湯姆生在展望20世紀物理學前景時，若有所思地講道:'現在，它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩了，'當時的好多科學家卻視而不見。 他所說的第一朵烏云，主要是指邁克爾遜-莫雷實驗結果認為真空一篇虛無和之前的以太漂移說相矛盾; 他所說的第二朵烏云，主要是指熱學中的能量均分定則在氣體比熱以及熱輻射能譜的理論解釋中得出與實驗不等的結果 科學通常是：實驗-觀察-解釋-再實驗-再觀察-提理論，如此螺旋上升。物理學家烏云這種“怪胎”可謂百依百順，提出各種荒誕的理論來滿足他們的要求，其荒誕程度和我們現在以為的“玄學”相差無幾。 終于，在大家的精心照料下，第一個“怪胎”生出了相對論，第二個“怪胎”生出了量子力學。 今天我們講第二個“怪胎”。 量子力學幾乎都是用數學描述的，考物理研究生只考量子力學而不用考數學，可見其數學功底之深厚。 隨手截取一段物理論文，給你們留個印象什么叫物理中的數學： 現在，物理大咖們要粉末登場了。 19世紀末，不知是哪個手欠的科學家做了個“黑體輻射實驗”，發現無法用現有理論解釋。現有理論的解釋要么是在紫外區出了問題，稱之為“紫外災難”。要么在紅外區與實驗不符，反正是讓所有人瞬間懵逼了。 這時，普朗克挺身而出，以他匪夷所思的數學天賦湊出了普朗克輻射公式：“大家別怕，能量這玩意兒本來就是一份一份傳播的。”普朗克稱之為能量子。這就是量子力學的起點。 這下大家都懵了，一直以來大家的觀念都是，1和2之間有無窮多個數的。現在，你突然告訴我，1、和2之間沒有別的數了，要么是1、要么是2。這對當時人的思想沖擊是巨大的。 愛因斯坦馬上回過味兒來，照這個套路，光也不不連續的，由一個個光子組成的。1905年，他巧妙利用光子的說法解釋了“光電效應”。雖然他的說法與實驗事實很好的符合，但是這種想法太過驚世駭俗，以至于很多人都不信。 1907年，美國有個叫密立根的物理學家靈光一閃，想到了一個反駁光子說的方法：如果光電效應方程中的普朗克常量與黑體輻射中的普朗克常量不同，不就說明了這兩個理論都是有問題的嗎？ ...... 然而，10 年之后，密立根卻在記錄中寫道：經過了十年之久的實驗……,與我自己預料的相反，這項工作居然成了愛因斯坦光電方程在很小誤差范圍內成立的直接實驗證據。
感謝密立根的神助攻，愛因斯坦在1921 年樂呵呵地拿了個諾貝爾獎。 光的量子說取得了勝利。 德布羅意一看，這還了得！光有干涉現象，早被證明是一種波了，怎么這會又有粒子性了？然后一拍腦袋：既然光能具波粒二象性，那么反過來，一粒一粒的實體微粒(如電子、原子等)會不也有粒波二象性？德布羅意嚇出一身冷汗，于是在1924年提出了“物質波”壓壓驚（也叫德布羅意物質波）。即：所有的粒子既具有粒子性也具有波動性。詭異的是，這居然又被實驗證明了！這和普通人看到鬼是差不多感覺的！ 事情發展成這樣，大家都覺得很棘手，你想想，如果所有的粒子都有波動性，那由這些粒子組成的人、房子、甚至地球……都不敢往下想了！更關鍵的是，粒子為什么會變成這樣！這和大家原先認識的電子、質子、原子完全不同，仿佛所有的物理學家一夜之間都失戀了，對著原本對自己暗送秋波、擁抱比心的女朋友說：你不是說只愛我一個嗎，你怎么心里面也愛著他，哼! 腳踏兩只船！ 沒錯，我想當時的物理學家一定是這種被欺騙的感覺！ 然而，鑒于世界上只能男人和女人兩種物種，物理學家們慢慢接受了女朋友“腳踏兩只船”的事實。只能想辦法解釋這個現象。
幾番買醉之后，一個叫波爾的人終于把白日夢一樣的理論“波爾模型”，成功解釋了氫原子的不連續光譜。即，電子軌道也是不連續的，也是一段一段的。（各位，對“量子”是不是有概念了？就是任何東西都是不連續的，一段一段的。） 大家一臉驚奇的看著波爾，發酒瘋講胡話，也能得走進妹子的心?。?/span> 現在，我們可以看到量子力學的輪廓了，能量是量子的，光是量子的，當然粒子也是量子的。而是量子的東西也有波動性，量子可以繞過障礙物傳播，最后連氫原子的軌道也是量子的。 如果你學高中物理，大概到這里，就可以算是了解量子力學了。 但是你如果是物理系的大學生，只知道前面的東西顯然不夠的，那我們接著說開去。 當波爾模型把魔爪伸向其他妹子的時候，突然不靈了！哪怕只是多了一個質子的氦原子。 既然這撩妹技巧也不是老少通吃，大家松了口氣，看別人來還有機會！其中，冷艷高貴的“反常塞曼效應”妹子始終不理睬玻爾模型，甚至連正眼都沒看一眼。其他物理學家各種獻殷勤，還是沒能博得美人一笑。
泡利茅塞頓開，說道：一山不容二虎，除非一公一母。這就是“泡利不相容原理”的精髓：同一電子軌道只能容納1個電子，除非電子自旋態是相反的，也就是說一個軌道最多只能容納2個電子。一個電子軌道憑啥只能放2個電子，沒道理啊！這居然也成了量子力學的重要理論！ 4、引入方程，量子力學光榮綻放。 這一堆荒誕的理論，把牛頓他們好不容易收拾的規規整整的經典力學又弄得面目全非。撩妹撩的這樣混亂，確實有傷風化！尤其是那個歷史專業出身的文科生德布羅意，提出物質波概念后，因為數學功底不足，寫的論文狗屁不通，差點畢不了業。 接著，這篇論文傳到了維也納大學，大神德拜眉頭一皺，這論文實在有辱撩妹界的斯文。于是找來了一個年近不惑卻還在講師職位上混著只顧著四處找情人的“薛定諤”： “小薛啊，你現在研究的問題不很重要，不如給我們講講德布羅意的論文吧”。為了避免氣氛太尷尬，德拜后來又補充道： “這個年輕人的觀點還是有些新穎的東西的，雖然顯得很孩子氣，當然也許他需要更深入一步，比如既然提到波的概念，那么總該有一個波動方程吧” 多年以后有人問德拜是否后悔自己當初作出的這一個評論，德拜自我解嘲的說“你不覺得這是一個很好的評論嗎？”
這個方程就是“薛定諤方程”！即粒子以概率的方式出現。這時上帝又開了個玩笑，誰也沒想到，瞎琢磨出的方程直接成了撩妹基本指南！薛定諤方程系統的闡述了微觀粒子運動狀態的基本規律，成為量子力學最重要的公式，沒有之一！ 看暈的同學快醒醒，咱還是說薛定諤撩妹指南吧。 問：妹子愛我嗎？ 答：從妹子的前期表現來看妹子不愛你。 這是經典物理。 問：妹子愛我嗎？ 答：妹子30%愛你，40%愛別人，30%不愛任何人。 再問：妹子到底愛我嗎？ 再答：妹子30%愛你，40%愛別人，30%不愛任何人。 再再問：難道妹子的心分成三份了？ 再再答：妹子的心還是一個啊，你可以問問她愛誰。但是多問幾遍結果肯定是30%愛你，40%愛別人，30%不愛任何人。 女人心，海底針啊 崩潰中…… 薛定諤方程牛逼到把薛定諤自己都整懵了，最后小當家波恩整明白了方程的意義，提出了“幾率波”的概念，即，粒子會隨機出現在任何地方，這個概率用“幾率波函數”計算。 如果放在宏觀世界看，大概就是：車庫的車有多少概率會瞬間出現在客廳？這個是量子力學的課后作業。當然，不用算也知道，這個概率肯定小到即便用宇宙時間來衡量都不一定會發生，但如果把車縮小到原子核那么大，波函數的計算結果就很不一樣了。 海森堡看了之后深以為然，認為撩妹就是靠運氣的，于是提出“不確定性原理”（也有人叫“測不準原理”）：粒子的動量和位置是無法同時測準的，兩者的乘永遠大于h/4π。注意，這不是技術上做不到，而是理論上做不到。 測量會不可避免地影響被測量者，這種原理造成的測不準叫“觀察者效應”。不確定性原理與觀察者效應是兩碼事，這是事物自身的屬性，也是量子力學的重要理論。 都說撩妹靠運氣，風流倜儻的愛因斯坦不干了，他認為撩妹當然靠實力，愛因斯坦說：“上帝不擲骰子?！辈栣樹h相對：“親愛的愛因斯坦不要指揮上帝做什么。” 隨后爆發了曠日持久的關于“隱變量”的著名爭論，以愛因斯坦為代表的經典物理學派認為，之所以有“不確定性”，是因為很多“隱變量”沒發現而已，咱姑且稱之為“決定論”。以玻爾為代表的哥本哈根學派，則堅持認為“不確定性”是事物的基本性質，姑且稱之為“隨機論”。 “決定論”和“隨機論”的爭論，使得“科學”和“哲學”有點合并的味道。話說，你們看出來“決定論”和“隨機論”背后所代表的毛骨悚然的意義了嗎？稍微起個頭哈：假設愛因斯坦的“決定論”成立，也就是說，一個系統的所有參數都確定的話，下一刻的狀態也是確定的。那么把全宇宙看作一個系統，宇宙這一刻的狀態是由上一刻的狀態決定的，繼續往前推，一直推到宇宙大爆炸的那一刻，或者再往后想想……明白了吧，既然這一切在大爆炸那一刻都已經確定了，還有你什么事兒？認命吧！ 當然了，“宿命論”無論如何無法符合人類的倫理道德，但這事就和“白馬非馬”一樣（白色的馬不是馬，著名的哲學思辨問題），沒辦法驗證，所以永遠不會有結論，于是兩派人吵得天昏地暗。 吵了幾十年后，吵出個牛人叫貝爾，提出了“貝爾不等式”，這估計是人類首次用定量化的實驗去驗證一個哲學思辨問題，不得不佩服這群異想天開的物理學家！最終的實驗結果表明，哥本哈根學派的“隨機論”擊敗“隱變量”獲勝！也就是說，這個世界是“隨機”的。提醒一下，愛因斯坦是失敗的一方，所以不能用“對錯”來衡量一個物理學家的意義。 有意思的是，愛因斯坦在反擊波爾時，提出了一個悖論：難道一個粒子態波函數的塌縮會導致與之處在糾纏態的另一個粒子態波函數塌縮嗎？別裝了，我知道你看不懂這句話，通俗一點講就是：多個量子系統之間存在某種聯系，這種聯系不受距離和時間的限制。比如，扇了雙胞胎哥哥一巴掌，天涯海角的弟弟瞬間就會疼，這種信息的傳遞是瞬間的，是超光速的，這和相對論嚴重不符。 “量子糾纏”的概念就這么被提出來了，愛因斯坦的本意是想用量子糾纏來證明波爾他們不靠譜。類似的場景大約是：愛因斯坦摟著自己的妹子質問波爾，難道她會喜歡上你嗎！悲催的是，妹子動心了??！居然真的觀察到了量子糾纏現象！這一局愛因斯坦算是徹底輸給了波爾。 但這事還沒完，在愛因斯坦100年誕辰的活動上，愛因斯坦的同事約翰·惠勒提出了“延遲實驗”的構想，再次對波爾為代表的哥本哈根學派發起了挑戰。大家做好心理準備，這又和見鬼差不多！ 如圖所示，當入射光子經過半透鏡的時候，要么向前走，要么90度反射，概率各50%。然后再放兩個反射鏡，把光子反射到一起，通過兩個探測器，就可以知道光子從哪一路過來。 比如，D1有信號而D2沒有信號，就說明光子從路徑1走。然后，改一下實驗裝置，在終點再加一塊半透鏡。根據量子力學概率波的描述，光子既走路徑1也走路徑2，那么通過第二塊半透鏡時就會產生干涉現象。 實驗結果顯示，沒有插入第二塊半透鏡時，光子只走一路；一旦插入半透鏡，就有干涉現象，也就是說光子同時走了兩條路。這已經很見鬼了，觀察者的觀察決定了實驗結果，馬上還要更見鬼！ 就此，惠勒提出了一個無比詭異的設想：先不插入第二塊半透鏡，當光子經過第一個半透鏡，已經決定只走一條路、還跑在半路上的時候，瞬間插入第二塊半透鏡，那么請問，這時已經選擇走一條路的光子難道還能返回去重新選擇走兩條路嗎？ 惠勒提出“延遲實驗”后，覺得應該能幫愛因斯坦掰回一局，這世界總不至于那么扯蛋吧！5年后，馬里蘭大學有個小組真的做成了“延遲實驗”，結果顯示，原本走一條路的光子就因為插入了半透鏡，又變成了走兩條路。 天哪！這個世界到底怎么了！已經發生的事情還能被改變回去嗎！ |
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