聊聊量子论

物理学发展的历史大体分为三个时期。

一是17世纪以前的“经验物理”时期。这一时期使用的主要方法是直觉观察与总结归纳，中西方基本处于同一水平上，中国略微领先。

二是17-19世纪的“经典物理学”时期。都是西方的事，中国尚未启蒙。这一时期使用的主要方法是系统的观察实验和严密的数学推导。经典力学、热力学、统计物理学、经典电磁场理论等在这一时期都达到完美程度。西方的物理学家们认为一切都是确定的、可计算的。有“法国的牛顿”和“天体力学之父”之称的拉普拉斯说：“我们可以把宇宙现在的状态视为其过去的果以及未来的因。如果一个智者能知道某一刻所有自然运动的力和所有自然构成的物件的位置，假如他也能够对这些数据进行分析，那宇宙里最大的物体到最小的粒子的运动都会包含在一条简单公式中。对于这智者来说没有事物会是含糊的，而未来只会像过去般出现在他面前。”这个知晓一切的“智者”，又被称为“拉普拉斯妖”。

拉普拉斯

三是20世纪初直到今天的“现代物理学”时期。对于经典物理学无法解释、无法计算的宇宙大尺度和基本粒子微观领域的问题，爱因斯坦等物理学家们理论先行——先做假设和理论推导，再由后人有条件时予以实验予证实。这一时期，相对论与量子论横空出世，GPS导航、经典计算机、量子计算等都是现代物理学的实际应用。

前文我们聊了相对论，今天聊聊量子论。

量子论起源于对光的研究

麦克斯韦

19世纪的麦克斯韦提出变化的磁场能产生电场，变化的电场又能产生磁场——如果弄一个震荡的电流，产生一个周期变化的磁场，那么这个周期变化的磁场就能产生一个周期变化的电场，电场再生磁场，以此类推，这个电磁场就可以一直传播下去——这就是电磁波。

然后他算出电磁波传播的速度，与光速相等。

然后推断，光就是特定频率的电磁波。

普朗克

1900年12月，德国物理学家普朗克发表了“能量量子假说”，提出光是具有能量一个一个的粒子，光的能量是“不连续的量”，一定频率的光（电磁波）所具有的能量值，只能是震动频率乘以常数（普朗克常数）的整数倍。而在此之前，物理学家一直认为所有的物理量都是连续变化，并不存在“只取整数值”的“不连续变化”的量。

1905年，26岁的爱因斯坦提出“光量子假说”，认为光是具有能量的粒子的集合。

那么光到底是什么——光既是波（非物质）也是粒子（物质）。注意：一般的波不是物质，而是一种现象——通过某个介质（比如水、空气）传播。但光具有物质属性，所以光可以自己以某种独特的方式传播，不需要其他介质。

围绕原子中的电子的量子论

玻尔

1913年，27岁的丹麦物理学家玻尔提出了“玻尔原子模型”的假设——氢原子的原子核中有一个带正电的质子，原子核周围则有一个电子围绕其运动。电子存在多个轨道，这些轨道的半径只限于整数值。电子在同一轨道上运动时会保持一定的能量状态且不会放出光，电子从一条轨道向另一条轨道迁移时，电子的能量差会以电磁波的形势释放或吸收。

德布罗意

之后是法国物理学家德布罗意登场——爱因斯坦的光量子假说“把一直认为是波的光看作粒子”，德布罗意则展开相反的联想，提出一直以来被视为粒子的电子本质上是波。不仅如此，他还提出不限于电子，所有的物质本质上都是波。

薛定谔

然后是奥地利的天才物理学家薛定谔登场，他在1926年发表了用来计算物质具有何种形状的波，以及波在经过一段时间后如何进行传导的方程式——薛定谔方程式。他计算的氢原子中电子的能量，结果与玻尔预测的整数值一致。

玻恩

之后是德国的玻恩出场，提出物质的波本质是一种“概率的波”，微观物质的行为只能进行概率上的预测。

海森堡

然后是德国的海森堡，他在1927年发表了一个公式，说明了微观世界具有不可避免的不确定性的“不确定性原理”：测定物质的位置和速度时，二者不能同时确定为唯一数值——如果某一电子的位置确定，速度就无法确定；当其速度确定时，位置则无法确定。

量子物理学家认为，物质和自然不是仅限于单一状态，而是具有极大的不确定性，这种不确定性正是自然的本质。

量子论否定了“客观存在”的事实，认为自然最初是由观测的状态决定的，如果没有人对其进行观测则不能确定，世界上不存在任何确定的事实。比如在量子论中，同一个电子可以有粒子和波双重性质，在我们没有观测时，电子像波一样存在，而在我们观测的瞬间，它就呈现出了粒子的特性。

量子物理学家将这种两个不相同的事物之间通过互补形成一个事物或世界的思考方式，称为“互补性原理”。与中国的太极思想相似，阴阳本是相互对立的，而二者结合在一起发生相互作用，决定了所有自然现象和人类的活动。量子论摒弃了将自然和观测者相互分开的二元论世界观，认为作为观测对象的自然和作为观测者的人类是一体的，体现了一元论的自然观。

微观与现实的假说

聊量子论，就不得不讲薛定谔的猫。

量子论的推演从来都不是一帆风顺的，物理学家们内部也有极大的争议。对于“微观物质行为只能进行概率上的预测”，爱因斯坦和薛定谔都对其进行了严厉批判。爱因斯坦说“上帝不喜欢掷骰子”，薛定谔也表示“真后悔自己和量子论有关系”，普朗克、德布罗意也是“不确定性”的反对者。（正方以玻尔、玻恩、海森堡为代表）

薛定谔1935年提出了一个假设来质疑量子论——薛定谔的猫。

量子论提出，微观的粒子可以处于一种“叠加态”，意思是它既可以在这里又可以在那里，既可以是这样也可以是那样。放射性物质的原子核就是处于衰变和不衰变的叠加态中。

薛定谔假定将放射性物质和一只猫放入一个秘箱，如果放射性物质的原子核衰变释放出射线，就会产生毒气把猫毒死，如果放射性物质的原子核没有衰变，就不会产生毒气，猫就不会死。从箱子外面无法看到内部的状况。那么，在打开箱子观察之前，猫是什么状态？

这个思想实验把微观世界的量子状态与现实世界连在一起了。量子的叠加态——原子核既衰变又不衰变，推导出现实世界的猫“既生又死”。

对这一问题的其中一种解释，是“平行宇宙”。

这一理论认为，即使在观察之前的微观物质的状态，也是唯一的、只是其所在的世界分支成为复数的世界。宏观世界随着微观发生分支——当薛定谔的猫箱子盖上时，我们的世界不知不觉就分为两个世界了，猫死了的世界和猫活着的世界，外边的观察者也不知不觉分成了两个人，其所在的两个世界并行存在。

提出量子计算机概念的英国物理学家大卫杜斯就认为：利用量子计算机能够进行并行计算的性能，可以对分支后的复数世界进行计算。在量子计算机真正制成后，就能够证明平行宇宙、多世界的正确性了。

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聊点自己的感悟。

1、我很喜欢量子论的“不确定性”、“互补性原理”和一元论。

量子论认为不确定性是自然的本质，而正是这种不确定性，在激励着人类不断探索。观测者、探索者可以对自然产生影响，使其从不确定态转变为确定态，人类的活动与自然现象相互作用，共同铸造了这个现实的世界——世界因我而存在。

2、平行宇宙的理论更是让人充满浪漫遐想。一切可能发生的，在无数个平行世界里必然已经发生。这也意味着，我们所有的付出，我们追求的各种可能性，无论在这个世界是否如愿，但在其他的平行世界里终会成功。