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第19章 万物密码（第1页）

如果有人能把相对论和量子力学这两种物理学理论模型给统一了，那么他就是可以在物理学界横着走的人，成为超越牛顿、爱因斯坦的神。具有无限潜能的你，敢来挑战吗？

实际上大部分人对相对论的了解程度远高于对量子力学的了解。那么量子力学到底是什么？量子力学归根结底讲了个啥？我们还得从一篇神奇的论文说起。

时间来到1900年，德国柏林大学教授马克斯·普朗克在柏林的物理学会上发表了题为《论正常光谱的能量分布定律的理论》的论文。自此，潘多拉魔盒被打开，释放出“量子”这个“妖精”。由此，一个难倒物理学一众大咖的问题诞生了，这个问题就是“上帝掷骰子吗”。

而此时的爱因斯坦也才21岁，刚从瑞士的苏黎世工业大学毕业，正在为了找一份工作而焦头烂额。彼时的玻尔也才是一个15岁的中学生而已。谁也没有想到，这两个并不起眼的青年人，会在十几年后成为物理学的两大领军人物，并且两人在量子理论的基础思想方面开启了巅峰对决。一场一直延续到他们去世的旷世之争就这样悄无声息地拉开了帷幕。

爱因斯坦率先对“上帝是否掷骰子”的问题给出了结论：上帝不掷骰子。理由是他认为宇宙应当是一个确定性的、可以预测的系统，也就是世界的本质不是随机的。这也是他对量子力学随机性的反对。

丹麦物理学家、哥本哈根学派代表玻尔的观点恰恰与爱因斯坦相悖，他甚至嘲笑爱因斯坦在无理取闹。玻尔认为上帝肯定掷骰子，理由是微观世界的随机性是内在的、本质的，并没有什么隐藏得更深的隐变量，有的只是波函数坍塌到某个本征态的概率。也就是说，微观世界是一个充满不确定性的世界，即混沌体系。什么是波函数坍塌后面我会专门讲到。

霍金则结合爱因斯坦和玻尔的观点给出了一个让人意想不到的结论：他认为上帝将骰子掷到了人们看不见的地方。

在这场关于“上帝是否掷骰子”的论战中，各方都没有成功地说服对方，原因在于没有人能够通过实验验证得出具有具体实际价值的结论。然而量子力学争议的重要性却是不容忽视的，正如德布罗意所言：物理学的前半生犹如在黑暗中摸索前行，而如今终于睁开了双眼，迎来了新的曙光。这个曙光则是一只“神兽”。

时间来到1935年，获得物理学界“杠精之星”的奥地利着名物理学家埃尔温·薛定谔，原本为了质疑和讽刺以玻尔为首的哥本哈根学派关于量子力学的不确定性，凭借思想实验释放出了一只“超能量”的猫，这只猫被称为薛定谔的猫。它在科学圈影响极大，存在了几十年。出人意料的是，这只猫没成为讽刺量子力学的工具，反而成了量子力学极具代表性的象征，薛定谔也从反对量子力学的关键人物，转变为量子力学的奠基人之一。科学家们将芝诺的乌龟、拉普拉斯兽、麦克斯韦妖和薛定谔的猫统称为科学界的四大神兽。

实际上，薛定谔的猫是基于双缝干涉实验的诡异现象提出的。要弄清楚它的来龙去脉，得从一场持续了三百多年的争论说起。我们知道世界上的物质由原子构成，除原子外，光也是常见的存在。光到底是什么，成了众多科学家思考的问题。

1675年，现代科学之父艾萨克·牛顿在光的色散实验中发现了光的偏振现象，即一束光通过介质时震动方向会改变，该特性在通信领域有应用。基于此，牛顿认为光是一种微粒流，从光源飞出后在均匀介质中做匀速直线运动，这就是着名的微粒说。

荷兰物理学家惠更斯却对牛顿的微粒说不屑一顾，他认为微粒说无法解释光的干涉、衍射及折射等问题。于是惠更斯展开对光本质的研究，1690年，他在《光论》一书中明确指出光是一种机械波，成功解释了微粒说难以解释的现象，波动说由此诞生。

此后，科学界形成了以牛顿为首的微粒派和以惠更斯为代表的波动派，两大学派就光到底是微粒还是波争论了百年，却一直没有定论。而接下来的实验，让这场持续百年的争论出现了新的变化。

时间来到1807年，英国物理学家托马斯·杨设计了一个旨在证明光到底是波还是粒子的实验。他把一支蜡烛放在开有一个小孔的纸前，形成点光源，在这张纸后面再放一张开有两道平行狭缝的纸，让光从小孔射出穿过狭缝投到屏幕上。按照理论，如果光是粒子，射向屏幕的光子会直接通过狭缝，在屏幕上留下两条垂直光斑；要是光是波，受狭缝影响，光会形成新波源，新波源相互震荡交汇，波峰与波峰叠加、波峰与波谷抵消，最终屏幕上会出现斑马线状的干涉条纹。托马斯·杨通过实验证明了光是波。

然而，一百年后，英国物理学家泰勒爵士再次进行杨氏双缝干涉实验时，出现了诡异的情况。泰勒降低了实验光源强度，每次仅释放一个光子，任何时刻双狭缝最多只能通过一个光子，实验进展缓慢。但一段时间后，探测板上依然出现了波状的干涉条纹，这表明光子能自己与自己发生干涉，即一个光子有可能同时穿过两条缝。

为弄清楚原因，科学家们想在双缝板与探测板之间加观测仪器，观察光子到底从哪条缝通过。结果令人震惊：开启观测装置时，光表现出粒子性质，观测板上显现两条竖直线；关闭观测装置，光又展现出波动特性，干涉条纹再次清晰可见，也就是说光的性质取决于观测装置是否开启。

科学家们还改变了开启观测仪器的步骤，在光子释放后再随机决定是否开启观测仪器，多次尝试后，光依然有时表现出波状，有时表现出粒子状。这种波状和粒子状都存在的现象被称为波粒二象性。截至目前，光到底是什么仍没有准确答案，直到一位重要人物出现，人们才开始重新定义光。

1905年，26岁的爱因斯坦有三项重大发现：狭义相对论、布朗运动和光电效应。他认为光至关重要且光速恒定，提出质能方程E=mc2，表明光、能量和质量可相互转换，还提出光速不变原理。同时，他发现了光电效应，并因此在1921年获诺贝尔物理学奖。

光电效应指在光照射下，某些物质内部电子被光子激发形成电流的现象。其发生机制受光线频率影响，特定频率以上的光照射金属能打出电子，低于该频率的光无论照射多久都不行。按照经典物理学牛顿定律，能量应是连续的，但光电效应并非如此。

爱因斯坦解释说光具有粒子性，是以光速运动的粒子流，光的本质不连续，光子能量取决于光线频率，频率越高，光子能量越大，传递给电子的能量也越大；若光子能量无法满足电子逃离金属的最低要求，电子就会被束缚在金属内，如蓝光频率比红光高，蓝光光子能量更大。

光电效应表明宏观物质世界是非线性的，微观领域的粒子等不遵循经典物理学牛顿力学定律，背后是神秘的微观量子世界。这一效应引发了物理学界的变革，促使人们从宏观世界迈向微观量子世界，而薛定谔的猫也将在后续的量子理论探索中“登场”。

法国天文学家西蒙·拉普拉斯曾预言，若知晓所有物体在某一特定时间点的运动轨迹，就能据此预测未来现象。比如抛石子，掌握抛出瞬间的高度、速度和动量，就能算出其落点。

德国物理学家、量子力学主要创始人卡尔·海森堡在微观世界发现了与拉普拉斯预言相悖的现象。在微观世界里，无法同时测准物体的位置和动量。若要精准测定原子大小石子的位置，其动量就难以捕捉；若要确切测算石子动量，其位置又难以确定，这就是量子力学的核心原理——海森堡不确定性原理。

科学家测量微观粒子的位置和动量不能依靠显微镜，测量微观粒子动量适合用波长较长的光，但测不准其位置；测量微观粒子位置则需用波长较短的光。由于无法同时精准测量微观实体的位置与速度，也就无法精确预知其未来运动状况。

1925年，薛定谔提出波函数所满足的微分方程，即薛定谔方程，它代表了微观世界中物质运动的基本规律，如同经典物理学中的牛顿运动方程。该方程虽无法用实验证明具有波粒二象性的系统，但经受住了时间考验，薛定谔也因此获得1933年诺贝尔物理学奖。通过这个方程，科学家发现量子世界中粒子可同时存在于多个地方，“薛定谔的猫”处于50%生和50%死的叠加态就是基于此原理。

“薛定谔的猫”思想实验是把猫放进装有放射性物质、开关和毒气瓶的不透明箱子里。放射性物质的衰变与否控制开关，进而控制毒气瓶是否释放毒气。由于放射性物质衰变不确定，处于衰变与不衰变的叠加态，开关、毒气瓶和猫也分别处于相应的叠加态。当打开箱子观测时，猫只会呈现出活或死一种状态，而非既死又活。这一现象引发众多科学家思考，他们提出概率论、多世界存在平行宇宙学说等理论来解释。最后视频引出对波函数坍塌概念的探讨。

关于波函数坍塌的问题，需要从光子的本质说起。在三维宇宙中，单独的光子并非实体粒子，而是类似无形的电磁波形态，爱因斯坦将其看作是一种能量表现。光波与物体碰撞的结果源于光子撞击，人们通过观测碰撞痕迹推测光子特性，这也解释了光子释放产生双缝干涉现象的原因。光子频率代表能量波的强度，只有波撞上阻碍物或分光镜时才会留下痕迹，人们借此逆向推理光子的行进路径。

光子在更高维度空间遵循波函数规律运行，由于观察者处于三维空间，观察行为会使波函数坍塌，人们看到的是波函数在三维空间的部分表现。

从本质上讲，物质是一种概率波，其具体位置并非固定不变，而是具有随机性。人们所认知的实体粒子，是大脑感知的现象。在微观物理学领域，不存在独立的单个粒子，粒子是大量系统同时处于同一空间区域的可能性，物质的存在取决于特定时空区域内量子出现的概率，概率越高，人们越认为有粒子存在。粒子本身没有实际大小，人们所说的体积是基于粒子出现概率的推测，概率密度越大，粒子的物理尺寸越小。

当用一种特定的波与其他波相互作用时，观测工具（如分光镜、挡板等）也具有概率波特性。在观测过程中，原始波会消失，产生一种与原波类似但范围更小、概率更高、分布更集中的新波，这种新波展现出更明显的粒子性质，因此观测行为可以被理解为对波函数的一次坍塌。

目前，在量子力学领域，占据主导地位的理论之一是退相干理论。该理论表明，原本连续分布的波函数概率，在经历观测的瞬间，会转变为离散分布于某一特定点的德尔塔函数。例如，退相干效应体现为：当无人观测月亮时，月亮以一定概率存在于天上；而一旦有人观测，月亮原本不确定的状态，便会在观测的瞬间转变为确定的现实状态。

尽管我们观测到的真实世界中，实体是唯一的，但世界的演化过程却存在众多可能途径，主要可划分为粗糙历史和微观历史两大部分。粗糙历史可看作经典历史，能通过路径积分等手段计算概率；而微观历史属于量子历史范畴，其概率值难以精确获取。每一个粒子都处于所有微观历史的叠加状态，薛定谔猫实验中的放射性物质就是典型例证。

对于宏观物体，我们只能观测到部分粗糙历史。当打开装有薛定谔猫的盒子时，猫的状态受量子退相干效应影响，原本相互关联的多种可能状态最终会分离，仅留下我们能感知的单一状态。这就使得即使原本没有纠缠关系的粒子，在宏观层面也表现得如同经典世界中相互独立的个体。原本处于粒子叠加态的薛定谔猫，在箱子打开后，我们只能观察到它存活或者死亡这一种单一状态。所以，薛定谔曾提出，无论是否打开箱子，猫的生死状态早已确定，只是在未打开箱子之前，我们无法知晓。由此可见，猫的生死状态并非由打开箱子的瞬间决定。