文/陈利根
真正的量子力学历史，以及量子力学讲的究竟是什么，来了！一篇文章讲清楚量子力学的来龙去脉。
上次我写了一篇关于原子论历史的文章，在波尔的量子轨道理论和电子云理论中涉及到量子理论。
今天，笔者就真的和读者聊聊关于量子力学的历史。量子力学和化学有着密切的关系，它对揭示化学键的本质起到了关键作用。
别看量子力学十分的高大上，但只要你学过高中的数理化，阅读本文应该没问题。
首先解释一下“量子力学”这个名词。
量子，指的是微小的粒子。小到什么程度？比原子更小，我们称为亚原子粒子，如质子、中子、电子、光子，等等。量子的一个重要特性是，它在运动中所拥有的能量是一份一份的，我们称为“量子化”。后面我们还会讲到“量子化”。
量子力学，就是研究量子在力的作用下的运动状态。这里的力，主要是电磁力，电子、质子等都能产生电磁力。
在19世纪，科学家们在处理微观世界的问题时，发现许多实验现象用经典理论无法解释。1900年，普朗克率先提出了量子的概念，之后，在诸多科学家的努力下，逐渐建立起量子力学的大厦。
量子理论不但解释了经典理论无法解释的许多问题，并且不断地被新的实验所印证，为物理学、化学、生物学等诸多学科的发展提供了有力的支撑。
有意思的是，随着对量子力学研究的深入，出现了许多诡异的情况，比如：薛定谔的猫死活叠加的状态；人的意识介入后叠加状态的坍缩；量子纠缠中信息的超光速传播；等等。
今天，在以历史为主题的文史宴，我们就沿着科学家的历史足迹，来欣赏量子力学带给我们的璀璨的科学世界。
普朗克——能量是一份一份的
1900年，新世纪的开始，同时，也是量子论的纪元元年。这一年的12月，普朗克在德国物理学会所作的报告中，提出了电磁波的辐射能量不是连续的，而是一份一份的， 每一份能量不能再分割，其大小和电磁波的频率成正比，这个比例常数，就是大家熟知的普朗克常数。
必须强调的是，普朗克把这一份一份的能量，形象地称为能量子。从思想方法上和名称上，正式开启了量子论的航程。
量子化的概念是革命性的，因为在经典物理学中，对物理量变化的最小值没有限制，人们一直以为物理量是无限可分的，它们可以任意连续变化。
普朗克的理论，不断得到其他科学家的验证，其中就有伟大的爱因斯坦。由此，普朗克获得了1918年的诺贝尔物理学奖。
不过，普朗克提出了能量子，但能量子是什么，他没有回答。是爱因斯坦解决了这个问题。
爱因斯坦——光就像一颗颗子弹
现在有一个产业非常兴旺，就是光伏产业——太阳能发电。光伏产业的原理是“光电效应”：太阳光照在光伏材料上，产生光电子，形成电流。
光电效应在19世纪就已经被发现。当时人们已经了解到，光是一种电磁波，这种观点今天依然是正确的。但是，令人困惑的是，红光不能产生光电效应，紫光可以。有人就增大红光的强度，想通过增加能量来产生光电子，但没有成功。这种现象用电磁波理论无法解释。
爱因斯坦在1905年对光电效应做出了富有想象力的解释，他认为，光是由一颗颗光量子组成。不同波长的光，它的光量子的能量不同，红光的光量子能量较低，紫光的能量较高（这个借鉴了普朗克的理论，光量子的能量和频率成正比）。而增加光的强度，只能增加光量子的数量，并不能增加每一个光量子的能量。
这就解释了在许多实验中，红光不能产生光电效应的原因。就好比用许多乒乓球也不能打下一块木头，但用铅球，一个就可以了。在这里，乒乓球相当于红光的光量子；铅球则相当于紫光的光量子。
请注意，爱因斯坦在这里提出了“光量子”这个概念。
所以，在爱因斯坦的理论中，光，就像一颗颗射出的子弹。爱因斯坦因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。
需要注意的是，爱因斯坦在提出“光量子”概念的时候，并没有否认光是一种电磁波，也就是说，光具有波粒两象性。
德布罗意——物质也是波
爱因斯坦提出了电磁波有粒子的性质，那么反过来粒子是否会有波的性质呢？能想到这个问题的，一定是个天才，是吧？这位天才就是德布罗意，一位法国的科学家。
1923年，德布罗意在他的博士论文中提出了他的观点，认为粒子有波的性质，并且指出了验证该理论的实验方向：把电子打在晶体的晶格上，如果产生衍射，说明电子有波的性质，因为衍射是波所特有的性质。
果然，在4年以后，有美国和英国的科学家分别通过德布罗意建议的方法验证了电子的衍射，证实电子确实具有波动性。这种波后来被称为德布罗意波，或者称为物质波。为此，德布罗意获得了1929年的诺贝尔物理学奖。
海森堡——测不准就对了
我们一般总希望测量更准确一点，因此发明了各种测量器具和高端的仪器。但德国科学家海森堡说：我们不能同时确定某一时间电子在空间的位置和速度。就是说，测不准是对的。这就是著名的测不准原理，现在一般称为“不确定性原理”。
我在上篇介绍原子论历史时提到波尔的量子轨道理论。丹麦科学家波尔在当时有很高的知名度，世界各地的学者都会来哥本哈根和波尔探讨新发现和新理论。
当时，海森堡刚获得德国大学的讲师资格，波尔对这位年轻人很看好，为他争取到资助，可以去哥本哈根和波尔一起工作。
由于海森堡提出测不准原理，也就是我们无法在轨道上跟踪电子，因而玻尔假定的量子化的行星轨道是不是真的存在还不能确定。海森堡直接质疑了波尔的量子化轨道理论。
像这类徒弟棒打师傅的例子在科学史上不胜枚举，令人钦佩的是，师徒们的合作往往依然融洽。波尔和海森堡也一样，后来，他们共同创立了推进量子力学发展的哥本哈根学派。
不确定原理的提出，让量子力学变得令人费解，甚至有点诡异。因为根据常理，电子打在荧光屏上的位置，应该是确定的，为什么在这之前就不确定了呢？但后来的实验证明，这是一个成功的理论。海森堡在1932年因其对量子力学的贡献，获得了诺贝尔物理学奖。
但是，也正是因为这个不确定，导致了后来一场量子力学的大论战。（本文第六部分将予以介绍）
薛定谔
——那只猫不是我的主要成就
薛定谔的猫也许比薛定谔本人更有名，我们待会儿再说说这只倒霉的猫。
前面我们提到，微观粒子具有波的性质——德布罗意波。作为一种理论，仅有定性的描述是不够的，还需要定量的计算，这样才能真正有效地解决问题。为此，奥地利科学家薛定谔于1926年提出了一个二阶偏微分方程，见下图。
薛定谔方程
各位看官别担心，这个方程是让你欣赏的，不是让你学习的；看不懂方程式没关系，不影响你欣赏多维的、多彩的科学世界。
不过我做一个小小的说明，你就知道这个方程的伟大意义：图片最后那个符号Ψ就是微观粒子的波函数（这个像三叉戟的Ψ是希腊字母，读作psai），方程中的m，就是微观粒子的质量，通过解方程，可以得到描述粒子状态的波函数Ψ。
各位看官，这是不是把波和粒这两种看似不相干的东西完美地统一在一个方程里面啦？这种描述可是定量的哦，很有价值。
解薛定谔方程得到的电子云状态
这些状态对化学键的成键机理很重要
为此，薛定谔于1933年获得了诺贝尔物理学奖。
所以，薛定谔的主要成就是他的薛定谔方程，他的墓碑上镌刻着他引以为傲的方程。至于那只著名又倒霉的猫，我们接下来聊。
薛定谔的猫
——一场震动科学界的大论战
上面我们说了，薛定谔把微观世界的波动性和粒子性完美地融合在一个方程中，解决了物质波的定量计算问题。
但诡异的海森堡测不准原理，搅得薛定谔心神不宁。因为根据该原理，粒子在被观测之前是“不确定的幽灵”，尽管这个“幽灵”现在可以用波函数来描述，但一旦这个粒子被观测到了——比如打在荧光屏上了，那么波函数就坍缩了，粒子将随机地，但确实地、实实在在地选择了一个确定的位置。
让波函数坍缩？这让波函数的“父亲”薛定谔不可接受。薛定谔决定对这个“幽灵”的始作俑者和支持者——以波尔等人为代表的哥本哈根学派进行回击。
让薛定谔深感欣慰的是，有一位超级大咖和他站在一起，这位大咖就是伟大的爱因斯坦。爱因斯坦对量子可以“随机”地“确定”位置予以质疑，发出了一句名言：“上帝不会掷骰子”，这让薛定谔信心大增，他在1935年发表的论文中提出了著名的思想实验——薛定谔的猫。
薛定谔的猫
这个实验在一个密闭的箱子里进行。用微观粒子的衰变作为触发器，控制一把宏观的榔头。如果粒子发生衰变，则榔头击碎瓶子放出氰化物毒死猫咪；反之，则猫咪无恙。
实验的妙处在于把可以用波函数描述的微观粒子和宏观的物体——猫——联系起来。如果粒子的衰变处于不确定的状态，那在我们开箱观察之前，猫咪应该是处于“既死又活”的不确定状态。
把粒子描述成不确定的幽灵还能让人接受，但一只可以看、可以摸的可爱的猫咪让它既死又活，终究让人匪夷所思。
薛定谔的猫确实让以波尔为代表的哥本哈根学派在辩论中难受了一阵子，但却激发了辩论双方以及学界深入的探索。渐渐地，哥本哈根学派的主要论点得到了学界的广泛支持，如：微观世界的不确定性、叠加态、非定域性等等。
不过，科学的论战没有输家，波函数尽管会坍缩，但丝毫不影响波函数在描述微观粒子时的伟大意义，薛定谔依然伟大；爱因斯坦依然是20世纪最伟大的科学家。
令人深思的是，辩论双方都是量子力学这座科学大厦的奠基人和建筑师，然而，他们对量子力学的理解竟然有如此的分歧。难怪波尔说：“谁不对量子力学感到困惑，那他肯定不懂量子力学。”
这也许是量子力学的诡异之处。
并且，量子力学的诡异之路仍在延伸。
量子纠缠
——诡异的传奇将更加诡异
我们已经了解了薛定谔的猫。一只猫居然有又死又活的叠加态，让学界大咖们也争得面红耳赤，我等凡夫俗子当然深感诡异。
如果更进一步，有两只乃至许多只猫同时处于叠加态，那画面是否更为诡异？是的，这就是如今仍在继续的传奇——量子纠缠，又称为多体叠加态。
量子纠缠的历史也有些年头了。1935年，爱因斯坦和另两位科学家提出了另一个思想实验，称为EPR悖论（EPR为三位科学家名字的首字母）。
他们通过分裂的粒子之间必然有固定的相关性（比如一个左旋，另一个必定右旋），从而对不确定原理提出质疑。他们的本意是想把不确定的幽灵打回确定的原形，没想到这下却像打开了潘多拉魔盒，放出了更多的相互纠缠的幽灵。
各位请仔细看：分裂的粒子之间必然有固定的相关性，这个没错，但分裂的粒子却各自有各自的波函数，有各自的不确定性。
请注意，如果是分裂成两个粒子，其中一个被观测了——也就是波函数坍缩了，状态确定了；那么，另一个粒子的波函数也必定坍缩，并确定状态，并且两个粒子的状态必定是相关的。
这个，就是后来名扬江湖的量子纠缠。
比如，有一副手套，被分开了，分别放入两个密封的盒子，一个留在上海，一个被送往纽约。当盒子没有被打开观测时，手套各自都处于不确定状态，处于左右手的叠加态。
其中一个盒子一旦被打开、被观测，手套的状态立刻确定，比如说是左手的；那么，在地球另一边的另一个手套不用打开盒子，其状态也立刻确定，是右手的。
有朋友也许会说，两只手套的状态在装盒时已经确定了，但是，微观世界就是这么诡异，或者说，就是这么奇妙：
两个纠缠的量子确实有各自的波函数，状态确实不确定，一旦其中一个被观测，波函数坍缩，状态确定；则另一个不用观测，波函数也会同时坍缩，状态也会同时确定，并且是完全相关的。
注意，是同时确定，也就是这种信息的传播是瞬时的，超光速的。
这个，已经被许多科学家的实验所证实。从1972年开始，陆续有科学家通过实验，验证了量子纠缠：从2个量子到多个量子的纠缠（中科大的潘建伟已经做到了8个量子）；纠缠距离从几米到我国墨子号量子卫星的1200千米。
量子纠缠在量子计算机和量子通信等方面，有着广阔的应用前景。
结语
量子力学的研究和应用正方兴未艾，诡异也好，奇妙也罢，传奇必将被续写，因为许多问题仍然像幽灵一样在诡异地游荡——
为什么在观测的同时，波函数会坍缩，这是人的意识在发生作用吗？
有科学家认为，波函数并未坍缩，而是产生了平行宇宙，就是说，薛定谔的猫在一个宇宙中是活的，在另一个平行宇宙中是死的。真的存在平行宇宙吗？
量子纠缠中信息的超光速传播，能否让我们回到过去？
等等，……
量子力学在它涉及的每一个领域都取得了巨大的成功，但它仍然有着诸多神秘的、难以捉摸的问题。这是以往各类学科所没有的。
各位看官，如果你是一位有志于此的年轻人，量子力学未来的传奇将在你的手里诞生。
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