量子力學誕生後的120年，沒有人真正懂他

2020-12-22 中科院物理所

在1958年出版的《物理學與哲學 : 現代科學中的革命》一書中，維爾納·海森堡講述了他與尼爾斯·玻爾進行的那些徹夜長談後，他是如何不斷地對自己說：「自然真的有可能如此荒謬嗎？」

自馬克斯·普朗克在1900年12月14日創立量子理論以來，物理學家一直對量子力學中的種種發現感到困惑。因為量子世界看起來是如此的不合常理，以及如此的有違直覺，以至於半個多世紀後的1964年，理察·費曼說出了關於那句著名的：「沒有人真正理解量子力學。」

觸發量子革命的線索並非來自於對物質的研究，而是來自於輻射的一個問題。回到19世紀末，當時物理學家無法解釋從熱物體輻射出光的模式。我們都知道，熱物質會光，越熱就越亮。光的光譜很寬，隨著溫度的升高，其峰值會從紅色變成黃色，最後變成藍色。物理學家試圖通過結合熱力學和電磁理論的概念來理解光譜的形狀，但所有的嘗試都失敗了。然而，只要假設能量是量子化的，就會得到一個與實驗完美符合的表達式。

普朗克定律正確的描述了黑體輻射。

普朗克推導的結果表明，能量不可以取任何值，而只能是一個常數（即後來的普朗克常數）的倍數。然而，能量具有離散的值在當時是難以被接受的。甚至連普朗克自己對他的發現也表示不解。他用了多年時間，試圖將的這個常數應用到經典物理學中，但都沒能成功。儘管這個想法在當時很荒謬，但事實證明，來自其他研究的數據完美地與量子理論相符合。

愛因斯坦是最早領略到量子力學的奧妙的人之一。1905年，他寫了一篇論文，將普朗克的理論應用到光電效應中。光電效應是海因裡希·赫茲在1887年描述的一種光從金屬中剝離電子的現象，經典電磁學並不能解釋為什麼這種現象只發生在特定的頻率。愛因斯坦則選擇利用普朗克的「量子」視角來看待光，即光並不像一個連續的波，而是像一束粒子流，這些光的粒子——光子——有著離散的能量。

有意思的是，普朗克駁斥了愛因斯坦的假設。羅伯特·密立根也是如此，並且他開始試圖全力通過實驗來駁斥愛因斯坦的理論……但實驗結果卻意外地為這一理論提供了驗證。之後的故事相信很多人也都聽過了，當其他研究人員的工作將量子物理學帶入了一個更加「奇幻」的領域時，連愛因斯坦自己也開始對量子理論表示懷疑。

玻爾是首個用量子力學來描述原子的人。原子是由帶正電的原子核和帶負電的電子構成的。電荷相反的粒子會相互吸引。所以，根據電磁理論，電子會很快就陷入原子核中。然而，我們看到原子是穩定的。

為了解釋原子穩定性的問題，1913年，玻爾基於歐內斯特·盧瑟福在更早些時候的模型，提出了一個與之前完全不同的原子模型。在玻爾所提出的原子模型中，當電子在離散的圓形軌道之間躍遷時，原子會發射或吸收能量。1915年，阿諾爾德·索末菲用橢圓軌道取代了圓形軌道，使得玻爾模型得到了進一步推廣。

玻爾模型。

1925年，海森堡、馬克斯·玻恩和帕斯庫爾·約爾當，開始以玻爾和索末菲的工作為起點，用矩陣代數創建了量子力學的數學公式。沃爾夫岡·泡利將這種矩陣力學應用到玻爾的原子模型中。但在1926年，這種方法就被埃爾溫·薛丁格提出的波動方程所取代。在這一裡程碑式的進展中，路易斯·德布羅意也做出了基礎性的貢獻，從某種意義上看，是德布羅意扭轉了我們看待量子世界的方式：如果光能表現出粒子的行為，那麼電子也能表現出波的行為。後來，保羅·狄拉克展示了海森堡和薛丁格的圖景看起來不同，其實是等價的（擴展閱讀：《如何成為理論學家中的理論學家》）。

在薛丁格的波動方程中，量子系統的狀態是由波函數描述的。在經典物理學中，牛頓力學可以精確地預測物體的位置和速度；但在量子物理學中，玻恩對波動方程的解釋卻將電子的軌道變成了一種難以想像的事物——概率密度雲。這意味著一個電子在同一時刻可佔據它的整個軌道。

由此，玻爾和海森堡提出了量子力學中的「哥本哈根詮釋」。根據這個詮釋，當對一個系統進行測量時，這種不確定性就消失了；只有這時，波函數才會坍縮，疊加的狀態才會變成粒子的一個位置。也就是說，是觀察者的觀測改變了這個系統。

進行觀測後，波函數會坍縮。

這種說法引發了薛丁格提出著名的思想實驗——薛丁格貓，這是一隻被藏匿於密閉盒子中、同時處於既死又活的狀態的貓，這種生與死的疊加狀態會一直持續，直到盒子被打開。在薛丁格方程中，粒子的位置和速度無法被同時精確地知道，這一點反映也在海森堡的不確定性原理中。

1928年，雖然量子力學的基礎已經基本完善，但辯論從未停止過，尤其是愛因斯坦與玻爾之間持續了一段長時間的論戰。爭論的一個中心問題是，波函數是否包含了關於一個系統的所有可能信息，或者說，是否有潛在的因素——隱變量——決定了一個特定測量的結果？

根據量子力學，對於兩個「糾纏」的全同粒子，觀察者對其中一個的影響可以瞬間傳遞到另一個粒子之上，即便這兩個粒子在空間上是彼此相距甚遠，愛因斯坦將其稱之為「鬼魅般的超距作用」。愛因斯坦認為，我們可以利用隱變量來解釋這種效應，而不必訴諸於概率——「上帝不擲骰子」，他在一封寫給玻恩的信中如是說道。

愛因斯坦在1935年提出的思想實驗如今被稱為「愛因斯坦-波多爾斯基-羅森佯謬」（EPR佯謬）。這個實驗產生了量子糾纏的概念，也就是我們今天所知道的鬼魅般的超距作用。

1964年，約翰·貝爾受到了另一個量子理論詮釋的啟發，這個詮釋是由大衛·玻姆在德布羅意的導波理論基礎上發展而成的，它驅散了哥本哈根詮釋中的概率性迷霧，支持獨立於觀測的確定性視角。貝爾證明，如果隱變量存在，實驗觀察到的概率就必須低於一定的極限，這被稱為「貝爾不等式」。之後的許多實驗都表明，不等式被違反了，這表明並不存在隱變量。

儘管量子力學已經一次又一次地證明了它的預測能力，但這並不能削弱這樣一個事實：這些自1900年由普朗克開啟的所有這些奇怪現象，已經累計成了對量子理論的諸多詮釋，比如多世界詮釋等（詳見：《量子力學的8種詮釋》）。

在上個世紀20年代中期的量子力學狂熱歲月裡，另一場革命正在進行中——量子場論正在奠定基礎。量子場論結合了量子力學、狹義相對論和經典場論，它有著曲折的歷史，其發展一直延續到今天。量子場論將基本粒子視作為更基本的場的激發態。擴展閱讀：《你是什麼粒子?》。

儘管量子力學是為了描述一個遠離日常經驗的抽象原子世界而創造的，但它對日常生活的影響體現在方方面面。如果沒有量子力學，那麼化學、生物學、醫學以及其他科學領域就不會取得驚人的進展。如果沒有量子力學，給我們帶來計算機時代的電子革命就不會發生。如果沒有量子力學，給我們帶來資訊時代的光子技術革命亦不會誕生。

從第一個電晶體到今天的科技社會，再到或許在不久的將來就能成為現實的量子計算機，我們的文明在很大程度上都要歸功於普朗克的開創性工作。我們不能完全理解它並不要緊，因為物理學家自己也不能完全理解它。我們能做的就是聽從費曼的建議，「放鬆心情，盡情享受」。

參考連結：

https://science.sciencemag.org/content/289/5481/893

https://space.mit.edu/home/tegmark/PDF/quantum.pdf

https://www.bbvaopenmind.com/en/science/physics/understand-quantum-physics/

來源：原理

原標題：120年了，它依舊神秘

編輯：dogcraft

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