為什么量子力學(xué)很重要？我們習(xí)慣于在宏觀層面看世界。我們的眼睛在其微觀層面上無法感知真正存在的東西，而且（也許）那樣會更好。我們需要顯微鏡或其他技術(shù)來檢測物質(zhì)最小部分——原子的行為。我們對構(gòu)成物質(zhì)的粒子性質(zhì)的最好描述是用量子力學(xué)來描述的——亞原子粒子，例如電子、中子、質(zhì)子、夸克等等。我們是由物質(zhì)構(gòu)成的，因此也是由粒子構(gòu)成的。

每天，我們?nèi)祟惗继锢矶伤枋龅牧孔游瑁?20 世紀(jì)，海森堡、玻爾、泡利、愛因斯坦、薛定諤和德布羅意等科學(xué)家試圖通過他們的研究和實驗來解釋。海森堡在德國黑爾戈蘭島逗留期間奠定了基礎(chǔ)，在那里他能夠計算數(shù)字矩陣。起初，他甚至不知道這是什么意思。在 1920 年代中期，量子力學(xué)始于海森堡的不確定性和玻恩的波函數(shù)。

正如我們所見，量子理論是許多人的心血結(jié)晶，但玻爾是教父，是每個人都?xì)J佩的人。玻爾首先應(yīng)用了原子內(nèi)不連續(xù)性的概念。是玻爾解釋了最簡單的原子氫的行為。更重要的是，玻爾對量子理論的真理以及向年輕科學(xué)家傳播其基本原理有著近乎惡魔般的癡迷。他是那個告訴愛因斯坦的人，“嘿，阿爾伯特，看，上帝真的在擲骰子！” 無論如何，愛因斯坦仍然堅信，量子的奇異性遲早會被其他東西補(bǔ)償。他認(rèn)為，在量子理論之下存在一個確定性世界。另一方面，玻爾支持這樣一種觀點，即量子理論是完整的，并且量子世界無疑是概率性的。

是的，你沒有看錯。我們受“概率”支配。

現(xiàn)代物理學(xué)的基本定律提供了統(tǒng)計信息。海森堡指出，在給定時間，關(guān)于宇宙中物體狀態(tài)的精確信息不僅無法確定，而且如果可能的話，我們將無法準(zhǔn)確了解未來和過去，只有統(tǒng)計信息。

如果你想解釋電子如何通過計算機(jī)芯片，光的光子如何在太陽能電池板中轉(zhuǎn)化為電流，或者在光纖中的激光中放大自身，或者甚至只是太陽如何繼續(xù)燃燒，你將使用量子物理。電子學(xué)是一門研究電子運(yùn)動的物理學(xué)分支科學(xué)。工程師和科學(xué)家開發(fā)了一系列宏觀模型，例如 BJT 和 FET，以定義電子在某些狀態(tài)下的行進(jìn)行為。量子力學(xué)告訴我們，一個電子只能占據(jù)一定的能級。當(dāng)觀察一大群電子時，例如在半導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)的電子，這些能級是“能帶”，或允許的能量值范圍。當(dāng)半導(dǎo)體連接到能帶內(nèi)的電壓時，它就會導(dǎo)電。當(dāng)連接到允許能量帶之外的電壓時，設(shè)備不導(dǎo)電。它充當(dāng)絕緣體。這就是晶體管打開或關(guān)閉的方式，計算機(jī)將其讀取為 1 或 0 位。

量子物理學(xué)描述了簡單的事物，例如單個粒子或一組少數(shù)粒子的位置或動量隨時間變化的方式。在接近光速的高速情況下，需要支持，例如阿爾伯特愛因斯坦的相對論，我們稍后再討論。幾種量子場理論涉及物質(zhì)相互作用的基本力：電磁學(xué)，它解釋了原子如何結(jié)合在一起；強(qiáng)大的核力，這解釋了原子核在原子中心的穩(wěn)定性；和弱核力，這解釋了為什么一些原子會發(fā)生放射性衰變。放射性衰變是一系列過程，通過這些過程原子在一定時間后改變其狀態(tài)，從而達(dá)到較低的能量但更穩(wěn)定并發(fā)射各種粒子。該過程繼續(xù)進(jìn)行（稱為衰減鏈），直到達(dá)到最大穩(wěn)定性的條件。近年來，已經(jīng)有理論和實驗研究將所有這些力量結(jié)合起來得出上帝方程，這是一個可以描述自然的簡單方程。我說的是標(biāo)準(zhǔn)模型。一個例子是希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，這種粒子解釋了為什么其他粒子有質(zhì)量。

我們所熟知的第一個量子是光子（太陽的粒子），它是量子力學(xué)的基本成分，是簡單的無質(zhì)量粒子，每天都在轟擊和加熱我們，通過它我們還能夠利用光電效應(yīng)產(chǎn)生電流與光伏板。光電效應(yīng)解釋了電子在被光子流淹沒后從金屬表面射出的特性。光子的能量被轉(zhuǎn)移給電子，電子獲得動能以改變軌道，變成光電子，并為電路傳輸電力做好準(zhǔn)備。

“量子”一詞來自拉丁語“quanto”，反映了這樣一個事實，即量子模型總是暗示一些以離散量出現(xiàn)的東西。所以它不僅是概率的，而且是離散的。量子場中包含的能量是某個基本能量的整數(shù)倍。對于光，這與頻率和波長有關(guān)。

普朗克為熱體發(fā)出的光能頻率創(chuàng)建了一個數(shù)學(xué)公式。它表明熱物體會發(fā)出“紅色”頻率。最熱的物體會發(fā)出所有可見顏色的頻率，使它們看起來是白色的。普朗克的公式奏效了，這要?dú)w功于一個關(guān)鍵的想法。在普朗克之前，科學(xué)家們認(rèn)為能量是連續(xù)的。他們認(rèn)為一個物體有可能具有那個尺度的能量值。普朗克的激進(jìn)假設(shè)是，在亞原子水平上，熱物體只能以小單位或“包”的形式發(fā)射能量。他稱這些量子包。普朗克說，量子中的能量隨頻率的增加而增加。較低頻率（例如紅光）比較高頻率（例如白光中的頻率）具有更少的能量。然而，普朗克找不到解釋能量以這種方式量化的原因。在給朋友的一封信中，他寫道，他公式中的這個數(shù)學(xué)假設(shè)是“絕望的行為”。

幾年后，尼爾斯·玻爾給出了答案。

玻爾徹底改變了軌道模型。他說電子必須在一系列特定的路徑上。這些路徑就像行星圍繞太陽運(yùn)行的軌道。他稱它們?yōu)殡娮榆壍馈Ｃ總€軌道都有一個相關(guān)的能級。當(dāng)電子吸收足夠的能量時，它會從一個軌道“跳躍”到下一個更大的軌道。當(dāng)一個電子從一個軌道“下落”到一個較小的軌道時，它會釋放能量。發(fā)射的能量正好是兩個軌道之間的能量差。這就是為什么能量以離散值存在的原因，如“量子”，而不是連續(xù)的。

玻爾原子（來源：Britannica）

地球隨著它的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動圍繞太陽旋轉(zhuǎn)。和其他行星一樣。牛頓展示了什么力量在起作用——即萬有引力。愛因斯坦通過引入時空告訴了我們更多的東西。微觀層面，即物質(zhì)的最小部分，實際上是相同的。有一個類似于我們太陽的原子核，然后有位于軌道上的電子。每個軌道都有數(shù)量有限的電子，它們在自旋方面具有非常特殊的特性。嗯，用類似的比喻，軌道是我們的行星，電子是它的居民。

當(dāng)我們觀察世界時，在宏觀或微觀層面上，實質(zhì)結(jié)構(gòu)是相同的。有些東西控制著一切（太陽），有些東西跟隨運(yùn)動并使原子保持活力。沒有什么特別的原因嗎？我們顯然不知道。電子可以從一個軌道跳到另一個軌道，我們將其視為“觀察”。理論上，我們?nèi)祟愐部梢詮囊粋€星球跳到另一個星球，但需要消耗大量能量。我們可能已經(jīng)這樣做了；我們不知道。唯一的問題是它需要更大數(shù)量級的能量。請記住，當(dāng)電子從一個軌道跳到另一個軌道時，我們通過適當(dāng)發(fā)射或吸收的光子來觀察它——即進(jìn)入或離開物質(zhì)的光線。在第一種情況下，我想到了一顆以力量進(jìn)入地球的隕石，從而改變了演化，迫使他們離開房子到其他地方避難，在另一個軌道上。我們知道同一類型的電子不能存在于軌道內(nèi)，技術(shù)上具有相同的自旋。無需贅述，自旋與電子的電磁行為有關(guān)。軌道上的兩個電子必須具有相反的自旋；也就是說，兩個平等的人在同一個房間里打架，最好避免！

泡利將這一原則正式化。

通過量子望遠(yuǎn)鏡看到的氫原子圖像。（來源：APS 物理）

量子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述通常采用“波函數(shù)”的形式，在方程式中由希臘字母 psi：Ψ 表示。關(guān)于這個波函數(shù)究竟代表什么存在很多爭論：有些人認(rèn)為波函數(shù)是真實的物理事物，有些人認(rèn)為波函數(shù)只是表達(dá)我們對底層的知識（或缺乏知識）的表達(dá)。特定量子對象的狀態(tài)。量子物理學(xué)以奇怪著稱，因為它的預(yù)測與我們的日常經(jīng)驗截然不同（至少對人類而言）。發(fā)生這種情況是因為隨著物體變大，所涉及的影響會變小：如果你想看到量子行為，你基本上想看到粒子表現(xiàn)得像波，并且波長隨著動量的增加而減小。

量子力學(xué)不是局部的。這意味著什么？在特定位置進(jìn)行的測量結(jié)果可能取決于遠(yuǎn)處物體的屬性，并且以無法“正常”解釋的方式。然而，這在技術(shù)上不允許信息以超過光速的速度發(fā)送，盡管已經(jīng)有幾次嘗試找到使用量子非定域性的方法。量子力學(xué)是我們描述亞原子粒子世界的最佳理論。或許最著名的奧秘在于，量子實驗的結(jié)果可能會根據(jù)我們是否選擇測量所涉及粒子的某些特性而改變。當(dāng)注意到這一點時，科學(xué)家們深感不安。它似乎破壞了實踐中的許多概念，存在一個獨(dú)立于我們的世界。如果方式取決于我們?nèi)绾巍蛘呤欠瘛覀兛创敲础艾F(xiàn)實”究竟意味著什么？我們可以將其解釋為平行世界。

多世界解釋的主要優(yōu)點是現(xiàn)實的解釋。它通常會受到難以置信的歡迎，因為它暗示著人（連同其他物體）不斷地分支出無數(shù)的副本，但這本身并不是反對它的論據(jù)。每天，我們都會冒險接觸行為不同的人。然而，人的分支導(dǎo)致關(guān)于身份和概率的哲學(xué)難題。除了平行世界之外，隱藏變量中還包含另一種解釋。這是什么意思？概率性質(zhì)的量子力學(xué)理論本質(zhì)上是由于尚不清楚或仍然不完整的物理機(jī)制。無論如何，這個理論與貝爾進(jìn)行的一些實驗是不相容的。

根據(jù)一些研究，宇宙可以用一個包含所有可能現(xiàn)實的巨大波函數(shù)來描述。這種“通用波函數(shù)”是其組成粒子的所有可能狀態(tài)的組合或疊加。隨著它的發(fā)展，其中一些重疊會破裂，使一些現(xiàn)實彼此不同和孤立。從這個意義上說，世界并不是完全由度量“創(chuàng)造”的。他們只是分開的。這就是為什么我們不應(yīng)該嚴(yán)格地說世界的“分裂”，好像兩個是由一個產(chǎn)生的。相反，我們應(yīng)該談?wù)搩蓚€現(xiàn)實的解體，這些現(xiàn)實以前只是一個現(xiàn)實的未來愿景。

在本專欄的開頭，我說過我們是由粒子組成的。我們有我們美麗的波函數(shù)，它與其他波函數(shù)相交，進(jìn)而產(chǎn)生許多子函數(shù)。在我們生命周期的盡頭，粒子與宇宙重新結(jié)合，產(chǎn)生其他波函數(shù)，其他分子作為一組粒子賦予新生命生命，不一定是我們的意思，人類。

審核編輯：湯梓紅