前言:
? ? 著名的美國物理學(xué)家惠勒曾說過:量子力學(xué)告訴我們，我們的意識(shí)影響我們觀察的現(xiàn)實(shí)。由此可見，在量子力學(xué)中，人們觀測到的測量結(jié)果往往會(huì)因?yàn)槿说囊庾R(shí)而改變，那么量子力學(xué)究竟是什么呢，它是否真的有那么神奇嗎？下面我們來一探究竟。
今天，在我們生活的世界，無時(shí)無刻不在享受量子力學(xué)的恩賜。在原子、原子核、基本粒子、半導(dǎo)體、激光、恒星、原初宇宙等領(lǐng)域無不涉及著量子力學(xué)。但量子論的真諦究竟是什么，到底還有多少未解的謎團(tuán)，對人類來說可能永遠(yuǎn)得不到答案。
? ? 若探究量子學(xué)說的根本起源，需回溯至20世紀(jì)初，即1900年，標(biāo)志著量子物理的誕生時(shí)期。在那一年伊始之際，享譽(yù)盛名的熱力學(xué)先驅(qū)威廉·湯姆森，亦即開爾文勛爵，發(fā)表了一場意義非凡的演說。他在演說中指出：“物理學(xué)的雄偉構(gòu)架似乎已趨于完善，未來的研究者大致只有承擔(dān)一些輕微的保養(yǎng)和局部的修繕工作。但是，正當(dāng)我們凝視著這座物理學(xué)的殿堂時(shí)，兩塊象征疑惑的暗影依然籠罩其上?！边@“兩塊暗影”象征著物理領(lǐng)域中兩個(gè)巨大未解之謎，其中涉及光速一致恒定的性質(zhì)，且其不變的特性貫穿了所有方向。這個(gè)光速不變原理后來作為狹義相對論的基本假設(shè)。黑體輻射現(xiàn)象為量子理論的巨變累積了充分的鋪墊。兩朵烏云造就了20世紀(jì)最偉大的兩個(gè)物理學(xué)理論。經(jīng)典物理學(xué)大廈在兩次革命中轟然倒塌。
基礎(chǔ)預(yù)備:
? ? 我們首先應(yīng)探求黑體的定義。簡言之，黑體即指那些完完全全接納所有入射其上的電磁波，而不予任何反射的物質(zhì)；于是人們將其歸類為絕對黑體。然而，這類物體仍舊能夠釋放出電磁波能量，這種特有的能量發(fā)射過程，便是所謂的黑體輻射。
? ? ? 常見物體在發(fā)出電磁輻射的過程中，其發(fā)出的能量會(huì)受對象的溫度和外層材質(zhì)所影響；相對而言，理想黑體在進(jìn)行電磁輻射時(shí)，輻發(fā)的能量波長密度只與該黑體的熱量有關(guān)。這一現(xiàn)象顯露出潛在的物理學(xué)定律，激起無數(shù)物理學(xué)家開始深入研究。
? ? 物理學(xué)家們進(jìn)行了很多嘗試，在此期間分別有來自德國和英國的維恩和瑞利進(jìn)行了嘗試，不過最后都以失敗告終。直至1900年底，普朗克想到了一個(gè)數(shù)學(xué)公式，他與黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律完美契合。然而，要對這個(gè)方程式進(jìn)行演繹驗(yàn)證，就不得不提出一個(gè)創(chuàng)新的理念，即：構(gòu)成黑體輻射源的振動(dòng)電粒子所具有的能量僅限于基礎(chǔ)能量單元ε的整數(shù)倍數(shù)，這暗示著能量呈現(xiàn)不連續(xù)性，呈現(xiàn)出量子化狀態(tài)。
他把最小能量值ε稱為能量子，在后來他發(fā)表的文章中，他又改名為量子。其表達(dá)式為:
? ? ? ? ? ? ? ? ε＝hv
這里的v指帶電粒子的振動(dòng)頻率，h為普朗克常數(shù)。
從此，物理學(xué)進(jìn)入了一個(gè)新的紀(jì)元，量子的時(shí)代到來了。普朗克本人因此獲得了1918年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
1925年夏天，在黑爾戈蘭島上，一位23歲的德國青年在那荒蕪的“圣島”上，一個(gè)人隱約窺見到了大自然最令人目眩神迷的秘密，激動(dòng)與恐懼并存于腦中。愛因斯坦曾提出過激進(jìn)的想法，當(dāng)被證實(shí)時(shí)，舉世震驚。愛因斯坦的成功證實(shí)，那些最根深蒂固，被人所深深堅(jiān)信的東西有可能是錯(cuò)的，我們不能通過表象去認(rèn)識(shí)這個(gè)世界，世界也不會(huì)由我們的意志去發(fā)展。因提出了闡釋光電效應(yīng)的“光量子理論”，愛因斯坦于1921年獲頒了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?，F(xiàn)在，海森堡不得不做出一個(gè)大膽的決策，探索一些激進(jìn)的想法。后來，在那年夏天，海森堡重新描述了原子軌道中的電子運(yùn)動(dòng)情況，顛覆了盧瑟福的基本原子軌道，并與玻恩和約爾丹創(chuàng)立了矩陣力學(xué)，至此，量子力學(xué)正式開始了革命。
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注解：沃納·卡爾·海森堡（德文原名：Werner Karl Heisenberg，1901年12月5日—1976年2月1日），是享譽(yù)全球的理論物理專家，擔(dān)綱了量子力學(xué)的建立，并被視作哥本哈根解釋派別的杰出代表，他的成就亦為他贏得了諾貝爾物理獎(jiǎng)的殊榮。
(圖源:百度）
? 現(xiàn)在，我們來粗略認(rèn)識(shí)這個(gè)對現(xiàn)實(shí)的固有假設(shè)和偏見都會(huì)遭到挑戰(zhàn)的世界。
雙縫干涉——光的波粒二象性
? ? ? ?
? 早在17世紀(jì)，牛頓絕對時(shí)空觀的時(shí)代，人們就為光是粒子還是波而經(jīng)常產(chǎn)生激烈的爭論。光是粒子的這一陣營的代表人物是艾薩克·牛頓，光是波的這一陣營代表人物是荷蘭物理學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯。無奈當(dāng)時(shí)牛頓的名氣太大，以惠更斯為首的波動(dòng)學(xué)派漸漸落入下風(fēng)，人們開始習(xí)慣光子以一種粒子存在。
? ? 直到1807年，34歲的英國物理學(xué)家托馬斯·楊做了一個(gè)足以改變量子物理學(xué)乃至人類發(fā)展的實(shí)驗(yàn)——雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。簡單來說，這個(gè)實(shí)驗(yàn)由三個(gè)部分組成。一個(gè)光源、一個(gè)刻有兩條縫的硬紙板，一個(gè)光屏。如果光為粒子，那么它會(huì)一個(gè)個(gè)隨機(jī)的通過雙縫中的一個(gè)，在光屏下留下光斑。如果光為波，那么它就會(huì)像泛起的水波一樣，同時(shí)通過雙縫，互相干涉，并在光屏上留下明暗相間的條紋。結(jié)果是，條紋出現(xiàn)了，光被確認(rèn)是一種波，一百多年后，人們竟然發(fā)現(xiàn)惠更斯是對的，而牛頓是錯(cuò)的！那事實(shí)真的如此嗎？
? ? ? 后來，在愛因斯坦于1921年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的光電效應(yīng)理論中，愛因斯坦將光理解為一種光量子，這說明光又具有粒子性了。隨后，又開始了眾說紛紜的時(shí)代。物理學(xué)家們根據(jù)托馬斯·楊最初的實(shí)驗(yàn)不斷改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)又一個(gè)的更具說服力，更有準(zhǔn)確性的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。
其中費(fèi)曼提出的思想實(shí)驗(yàn)是在雙縫干涉的實(shí)驗(yàn)中擺上一個(gè)觀測器，例如攝像機(jī)，來觀察光子發(fā)出的過程，最后結(jié)果是光屏上的干涉條紋徹底消失，只留下了兩道光斑，這又說明了光是粒子，事情開始向玄學(xué)的方向發(fā)展了。為什么不觀測的時(shí)候光是波，觀測的時(shí)候光又是粒子呢？物理學(xué)家們得出一個(gè)結(jié)論，人為的觀察可以影響客觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)我們不觀察時(shí)，光子是一個(gè)光波，當(dāng)我們觀察時(shí)，光子就成為一種粒子。不過根據(jù)玻恩給出的概率解釋，雙縫干涉中光子呈現(xiàn)的波性其實(shí)并不是什么物理意義上的波，而是數(shù)學(xué)上的概率波。玻恩認(rèn)為薛定諤的波函數(shù)Ψ代表了電子在某個(gè)特定的方位被觀測到的概率。雖然在數(shù)學(xué)上這種方法是行的通的，但是在現(xiàn)實(shí)世界中，光子切切實(shí)實(shí)是出現(xiàn)了干涉現(xiàn)象的條紋，這說明光子必須要像波一樣，同時(shí)分布在空間的各種位置。所以，我們不得不得到最后的這樣一個(gè)結(jié)論:我們不觀測光子時(shí)，它不存在于任何地方，又存在于任何地方，它將作為一種既是波又是粒子的疊加態(tài)。換句話說，粒子選擇了所有路徑，也就是它同時(shí)穿過了兩條縫。僅當(dāng)我們對其進(jìn)行觀測，該粒子的波函數(shù)才會(huì)坍塌并按照概率波進(jìn)行分布，在此過程中，波函數(shù)的關(guān)聯(lián)性消失，出現(xiàn)了眾所周知的退相干現(xiàn)象。最終，科學(xué)家們一致認(rèn)為，光既呈現(xiàn)粒子的特性，又呈現(xiàn)波的特性，簡稱光的波粒二象性。繼而，在1924年，德布羅意提出了一種觀點(diǎn)，即:不論體積大小，所有運(yùn)動(dòng)物體均具有一種獨(dú)特的波動(dòng)形式，稱作物質(zhì)波，這揭示了自然界中粒子的波粒二象性。講到這里，我們的頭腦已經(jīng)被多次的轉(zhuǎn)折而搞得頭暈?zāi)垦?，并且我相信大家一定看到了量子力學(xué)的詭異一面，難怪當(dāng)年愛因斯坦作為量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一卻到生命的盡頭也不完全相信量子論，但我們剛才介紹的只是量子論詭異一面的冰山一角而已，讓我們來進(jìn)入下一個(gè)話題吧。
量子疊加態(tài)——上帝的抉擇
? ? 在玻恩眼中，波函數(shù)是概率，并非實(shí)際存在，它的意義在于告訴我們觀測到物體呈現(xiàn)某種狀態(tài)的概率，它只是一個(gè)能計(jì)算出存在的實(shí)體可能出現(xiàn)的概率的工具，屬于數(shù)學(xué)領(lǐng)域。而在薛定諤的貓中，波函數(shù)被認(rèn)為是實(shí)在物，那下面就讓我們來了解一下這個(gè)量子物理學(xué)中赫赫有名的思想實(shí)驗(yàn)。
? ? 實(shí)驗(yàn)大體是這樣的:一只貓被關(guān)在一個(gè)裝有毒氣瓶的盒子里，有一半的概率這個(gè)毒氣瓶會(huì)自動(dòng)打開。如果毒氣瓶打開了，那貓會(huì)被釋放出的氣體毒死，如果毒氣瓶沒有打開，那貓咪會(huì)完好無損的活著。在量子理論中，在我們觀測這個(gè)貓之前，貓的波函數(shù)Ψ都會(huì)處在生與死的量子疊加態(tài)。如果我們實(shí)際觀察貓，就會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，貓就會(huì)從生與死的疊加態(tài)中坍縮，發(fā)生波函數(shù)坍縮，使貓呈現(xiàn)出生或死的其中一種確切的形態(tài)，這里的坍縮表示了從量子領(lǐng)域到經(jīng)典領(lǐng)域的轉(zhuǎn)變（經(jīng)典力學(xué)不同于量子力學(xué)，只允許生或死的一種情況出現(xiàn)）。薛定諤認(rèn)為波函數(shù)是具有物理意義的實(shí)體。但如果按照玻恩的想法，波函數(shù)作為一種數(shù)學(xué)意義上的概率云而分布，那貓?jiān)谖覀冇^察前只是處于生或死的一種狀態(tài)，當(dāng)我們觀察的時(shí)候，貓會(huì)按照其自身波函數(shù)的概率云分布，呈現(xiàn)出我們看到的結(jié)果，這就變成了概率問題。而薛定諤的那個(gè)，多少有點(diǎn)讓人難以置信。不過經(jīng)過這么多年的物理學(xué)家檢驗(yàn)，量子理論中那些鬼魅般的現(xiàn)象卻很少被證明過出錯(cuò)，微觀世界自從20世紀(jì)30年代開始漸漸被量子的理論統(tǒng)治了。連愛因斯坦也覺得不可思議，他說出了一句將會(huì)流傳物理學(xué)界千古的話:上帝擲骰子嗎？
? ? ? 現(xiàn)在，量子理論的新奇之處被運(yùn)用到各種領(lǐng)域，不止在物理學(xué)界，還在人們的小說故事中。在中國的著名科幻小說家劉慈欣的長篇小說《球狀閃電》中，有很多內(nèi)容涉及到量子理論。例如，被球狀閃電擊中的物體會(huì)變成量子疊加態(tài)，主人公陳博士的父母就是在自己家被球狀閃電所害，當(dāng)陳博士時(shí)隔多年后再次回到童年時(shí)自己父母遇害的房子時(shí)，發(fā)現(xiàn)書架上凌亂的書卻被整理齊了，房間也像被打掃過的，不像一座空了十幾年的房子。在夜晚的羊棚外，陳博士也能聽到白天被球狀閃電殺害的羊的叫聲，進(jìn)到羊棚里，卻發(fā)現(xiàn)空無一物，這里可見發(fā)生了波函數(shù)坍縮，羊群從既生又死的量子疊加態(tài)坍縮為死了的坍縮態(tài)。除此之外，還有很多例子。當(dāng)然，這些事情都是作者根據(jù)自己所相信的量子論的一部分說法所想象創(chuàng)作出來的。
? ? 研究量子的領(lǐng)域里，總是眾說紛紜。時(shí)間來到上世紀(jì)70年代，有些物理學(xué)家們?yōu)榱俗叱隽孔永碚摰拿造F，不惜假設(shè)有無窮無盡個(gè)我們自己的副本真實(shí)存在，并且都存在于碩大無朋的宇宙波函數(shù)Ψ中，我們無法預(yù)測。這一想法卻更加的瘋狂，沒錯(cuò)，這就是MWI，多世界詮釋(也稱多世界理論)。它是與哥本哈根詮釋（指用波函數(shù)描述量子系統(tǒng)的量子態(tài)，上面介紹的所有觀點(diǎn)皆為哥本哈根詮釋）相競爭的科學(xué)范式，相較于哥本哈根詮釋，它更注重于維護(hù)了哲學(xué)上的理性爭辯的范圍。
多世界詮釋的形式體系與哲學(xué)思辨的對抗
? ? 和平行宇宙有點(diǎn)類似，多世界詮釋認(rèn)為，雙縫實(shí)驗(yàn)中光子的軌跡及其歷史的疊加態(tài)并不會(huì)像哥本哈根詮釋中描述為坍縮為一點(diǎn)，匯合到觀測者所在的單一時(shí)間線中。相反，光子通過雙縫中其中哪條縫的概率和在光屏上呈現(xiàn)出光斑或條紋的歷史軌跡都會(huì)分裂成一個(gè)個(gè)宇宙，這些多重宇宙各自發(fā)展，我們處于其中一條時(shí)間線上，并看到我們所觀測到的結(jié)果。在另外的時(shí)間線上，也有被分裂的別的我們看到的不一樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。意思是:每次量子狀態(tài)呈現(xiàn)不同時(shí)，現(xiàn)實(shí)都會(huì)分裂出不同的分支。這將會(huì)導(dǎo)致分裂出的平行宇宙無限多，這包含了大爆炸開始以來的所有可能宇宙。
? ? 這項(xiàng)理論拒絕了波函數(shù)坍縮的隨機(jī)性和量子疊加態(tài)，具有確定性，某種程度上更好接受，但對大部分人來說提出近乎無數(shù)個(gè)平行宇宙的概念，有點(diǎn)再瘋狂不過了。因?yàn)?，這導(dǎo)致了一個(gè)哲學(xué)問題，我們還有自由意志嗎？多世界本體論帶來的一個(gè)困境是主體性原則的消解。既然有那么多平行宇宙，那么對除我們所在宇宙之外的其他宇宙分支有一種“怎么說都行”的詭辯偏向。量子多宇宙假說通過“關(guān)聯(lián)態(tài)”概念排除了波函數(shù)的“塌陷”，將看似獨(dú)立實(shí)際上卻相互關(guān)聯(lián)的波函數(shù)狀態(tài)擴(kuò)散到各個(gè)平行的宇宙，形成了波函數(shù)的全宇宙態(tài)描述。在這樣的框架下，測量設(shè)備、量子實(shí)體與觀察者三者從最初就緊密相連。因此，所有事物的因果邏輯都被其“關(guān)聯(lián)態(tài)”所涵蓋，系統(tǒng)遵循決定性規(guī)律進(jìn)化，而非無序地塌縮。這又會(huì)導(dǎo)致一個(gè)恐怖的推理，那就是我們的一生都是既定的，從出生開始，我們每個(gè)人的命運(yùn)就被安排好了，宇宙的命運(yùn)也從大爆炸開始就已經(jīng)被確定下來?，F(xiàn)在發(fā)生的一切只是在按照決定論演化下去，我們無法改變自己的命運(yùn)。量子力學(xué)再次被推向瘋狂與詭異的巔峰。如果按照哥本哈根詮釋，那可能會(huì)違反因果律。如果按照多世界詮釋，那會(huì)滿足因果聯(lián)系，但是又引入了不可抗拒的決定論，讓人們感到自己的命運(yùn)被“束縛”起來?？傊?jīng)歷了一世紀(jì)的爭論，還是沒有得出結(jié)果，或許量子論就是那么的詭異神奇，讓人永遠(yuǎn)無法琢磨，但辯護(hù)和審視永遠(yuǎn)是科學(xué)歷程中的主題。
量子糾纏——幽靈般的超距作用
經(jīng)過上面的探討，我們發(fā)現(xiàn)量子力學(xué)中對一個(gè)物理量的測量會(huì)影響另一個(gè)物理量的狀態(tài)，為了更深一步研究量子力學(xué)中的奧妙，科學(xué)家們提出了一個(gè)新的觀點(diǎn):將一個(gè)電子分裂為兩半，由于動(dòng)量守恒定律，電子的其中一半會(huì)呈現(xiàn)出上自旋的狀態(tài)，另一半會(huì)呈現(xiàn)出下自旋的狀態(tài)，你可以理解為一個(gè)正(+)，一個(gè)負(fù)(-)，合在一起便抵消了。我們前面說過，在量子力學(xué)中，被測物體在測量前將會(huì)處于一種疊加態(tài)，而不是確切的以一種方式存在。所以量子糾纏里被分開的兩個(gè)電子都處于上自旋與下自旋的疊加態(tài)，并不是一個(gè)必定是上自旋，另一個(gè)必定是下自旋。只是在我們測量的那一瞬間，測量到了那半個(gè)電子的狀態(tài)，另半個(gè)電子瞬間坍縮為與之相對應(yīng)的一種狀態(tài)。也就是當(dāng)我們測量到其中半個(gè)電子是上自旋時(shí)，另一個(gè)電子立馬在瞬時(shí)內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)橄伦孕?注意:這個(gè)瞬時(shí)指的是基本沒有時(shí)間跨度，幾乎是同一時(shí)間發(fā)生的)。如果將一對量子糾纏的電子分置于宇宙的兩極，彼此間相隔著無邊的空間，當(dāng)你對一端的電子進(jìn)行測量，對立的電子的量子態(tài)也會(huì)瞬間變化，并體現(xiàn)出相反的特性，這種情況將激發(fā)一種令人驚駭?shù)默F(xiàn)象：在特定條件下，量子糾纏的信息傳遞速度甚至可以超越光速。正是因?yàn)檫@種情況，愛因斯坦曾將之描述為鬼魅般的超距作用。提到愛因斯坦，有些人會(huì)想起他的相對論，由此產(chǎn)生疑問，量子糾纏是否違反了狹義相對論中的光速不變假設(shè)呢？其實(shí)這是不影響的，對于光速不變，愛因斯坦也有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x，即:任何具有靜質(zhì)量的物體，或者說任何信息的傳播速度都不可能超過光速。而量子糾纏現(xiàn)象中沒有傳遞實(shí)質(zhì)的信息，因此就不違反光速不變假設(shè)。
最后，我們再來聊一個(gè)有趣的話題。
量子隧穿效應(yīng)
量子隧穿效應(yīng)在科幻電影中經(jīng)常體現(xiàn)出來，俗話說，就是穿墻，就像著名的漫威電影《復(fù)仇者聯(lián)盟2·奧創(chuàng)紀(jì)元》中幻視所表現(xiàn)的那樣，這也是很多人從小就想擁有的超能力，這項(xiàng)能力在人們的普遍共識(shí)中都是科幻作家幻想出的小把戲，并不真實(shí)存在，但事實(shí)是，在量子力學(xué)中，它有一定概率存在。因?yàn)樵诹孔恿W(xué)中粒子同時(shí)具有波和粒子的特性，而絕大多數(shù)波都是可以穿墻（我們稱之為勢壘）的，所以在粒子遇到勢壘時(shí)，波函數(shù)會(huì)坍塌并以一定概率穿過勢壘。
注意，勢壘的高度和寬度會(huì)影響粒子發(fā)生量子隧穿效應(yīng)的概率。如果勢壘過寬或過高，那么粒子所蘊(yùn)含的能量可能會(huì)小于勢壘的能量，從而發(fā)生粒子被部分反彈或全部反彈而無法穿墻的情況。因此，我們能夠推論出所謂量子隧穿效應(yīng)是指像電子等微小顆粒能穿入或越過潛在障礙的一種量子物理現(xiàn)象。這種現(xiàn)象發(fā)生在微觀層面，在宏觀層面幾乎不可能發(fā)生。例如人體是由大量原子組成的，原子中都有電子繞其運(yùn)動(dòng)，所以當(dāng)人試圖穿過墻壁時(shí)，電子之間會(huì)相互排斥，從而無法穿墻。僅當(dāng)某一時(shí)刻，個(gè)體所有原子內(nèi)的電子均抵達(dá)其相應(yīng)位置時(shí)，量子隧穿效應(yīng)才可能出現(xiàn)。若面對一面厚度為一米的墻，一個(gè)50公斤體重之人通過量子隧穿效應(yīng)穿越該墻的概率極其微小，僅為10的負(fù)10的35次冪分之。這種概率低到幾乎不可能發(fā)生。
量子隧穿效應(yīng)在現(xiàn)在有了廣泛的應(yīng)用，例如現(xiàn)代科技的晶體管便是基于量子隧穿效應(yīng)而制成的。
量子的身影
直到現(xiàn)在，量子力學(xué)都在微觀世界發(fā)揮著不可磨滅的作用，在信息技術(shù)、半導(dǎo)體材料、生物學(xué)、人工智能等領(lǐng)域都可尋找到它的身影。以后，量子力學(xué)也會(huì)繼續(xù)統(tǒng)治著微觀世界。量子力學(xué)在一定程度上開啟了第三次工業(yè)革命，它也會(huì)在第四次工業(yè)革命中扮演重要的角色。在這個(gè)科技高速發(fā)展的時(shí)代，很多物理學(xué)中的理論都會(huì)具象化體現(xiàn)出來，隨著應(yīng)用物理學(xué)的發(fā)展，物理學(xué)將離人們的生活越來越近，因此，掌握一些基礎(chǔ)的物理知識(shí)，也是必不可少的。這樣我們也離真理更進(jìn)了一步。
參考文獻(xiàn)
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