Day145 :《 上帝掷骰子吗？》
一气呵成看完这本量子力学的史话，写得真的有趣，但是看到最后真的就是感觉不可思议。
20世纪刚开始的几十年还是能理解物理学家的思路的，越到近代越不可思议。这种感觉就像费曼在超弦理论出来的时候说，他年轻时注意到许多老人迂腐地抵制新思想（比如爱因斯坦抵制量子论），但当他自己也称为老人时，也身不由己地做起同样的事情，因为一些新思想确实古怪！（比如说弦理论）。
确定这些个想法真的不是脑洞吗？
我觉得只把自己能看懂的写一些。后面的弦理论，M理论和退相干的历史等理论，就放一放。量子力学的历史真的是太跌宕起伏了，只能选一些比较重大有影响力的罗列一下。一本书都写不完，浓缩成一篇简直就只能算是挠痒痒了。
黑体辐射
还记得开尔文的两朵乌云吗？其中的一朵就是19世纪末未曾解决的黑体辐射实验和理论不一致的现象。一个物体如果是黑色的，是因为它吸收了全部外来辐射。人们发现基于热力学的黑体模型的辐射能量，频率和温度之间有一些函数关系，想通过实验认证出来。当时物理学家们发现：从粒子的角度出发去推导，得到适用于短波的能量公式；从经典的麦克斯韦电磁波角度去推导，得到适用长波的公式。无法两全，颇有点黑色幽默的意思。
解决这个问题的就是量子之父：普朗克。他将两种公式分析以后，灵光乍现，无意中拼凑出来一个数学公式，看上去正好可以两种情况都能解决，就是著名的普朗克黑体公式。
这个事它听起来简直就像牛顿被苹果砸中一样诡异。普朗克全凭运气弄出来个数学公式，但他完全是知其然，不知其所以然。好在普朗克是个聪明的家伙，他很快提出了对这个公式的解释：他认为能量传输是一份一份的，而不是传统力学理论中连续的。并且这个能量只能以一个单位为基础一份份地发出，不可无限分割。这个能量基本单位，就是我们的主角了：量子。黑体公式里的量子常数，就是我们熟悉的普朗克常量。
1900年的12月14日，量子诞生了。自此，量子的幽灵从黑体公式里脱胎出来，开始在欧洲上空游荡。彼时的物理界还不知道这个幽灵具有多么大的革命性和冲击性，传统的经典物理学系统将被量子砸成废铁。
（我也脑洞一下：这种所谓的黑体模型，跟天体物理里黑洞的概念有点相似。黑洞也是无限吸收外来辐射，黑洞中心有着极强的引力，可不可以理解为黑洞就是黑体的一种？）
波粒大战
光到底是波还是粒子？这场物理学界的大战连绵不断了几百年。早在古希腊时期就有粒子论这么一说，从17世纪开始，牛顿由色散实验开始形成自己的粒子说，他的死对头胡克，还有数学天才惠更斯都拥护光波论，而麦克斯韦直接预言了光是电磁波。
1905年，爱因斯坦发表了关于光电效应的论文（对，就是一年发了6篇论文中的其中一篇），他受普朗克量子能量的启发（E=hV h为普朗克常量），提高频率就是提高单个量子的能量，这样可以打击出更高能量的电子。而提高光的强度，只能增加打击出来电子的数量。爱因斯坦还给这种光能量的最小单位叫光量子，后来被改称为光子。这篇关于光电效应的论文为爱因斯坦赢得了唯一的诺贝尔奖。
这里提一下，伟大的爱因斯坦，光电效应这篇论文可能是他一辈子最拥抱量子理论的时刻，仅仅是在量子理论出现的早期。崇尚经典和因果关系的物理学信仰，使后来的爱因斯坦面对极其不确定的量子论都是保守的态度。
波粒大战的两大阵营的一方为以尼尔斯玻尔为首的哥本哈根系，也是量子力学的领军人物们，包括海森堡，波恩，泡利，狄拉克，古兹密特，约尔当等等著名的物理学家组成的学术中心。哥本哈根系统治量子力学长达几十年，他们的主要量子理论包括了：海森堡的矩阵力学、不确定性理论，波恩的概率性原理，玻尔最开始的电子轨道能级和后来的波粒二象性，测量和波函数坍塌，哥本哈根系主要支持粒子论。
另外一方就是爱因斯坦（主要是对经典的执着，并不是坚定支持波动说），薛定谔，老汤姆逊等等对光波论的支持。
当然中间还有像德步罗意这种虽然自己提出了“相波”，但是采取中立态度的物理学家。这个“相波”还是个超光速的东东，当然不携带信息和实际的能量，所以并不违反相对论。
最后大家都知道了，双方阵营斗了这么久，诺贝尔奖都拿到手软，不管是波还是粒，都是对的，被“波粒二象性”一统天下。
双缝实验
说起波粒大战不得不提的就是著名的托马斯杨双缝实验。这应该排在近代物理史上最著名的物理实验之一。
我在网上看到一个关于对双缝实验分别从波和粒的角度解读，非常形象
最初的双缝实验，我们让光源先通过第一个圆孔变成相干光源(频率相同，振动方向相同)，再让相干光通过两条细缝的纸板，最后用一块屏幕承接光源，屏幕上出现了明暗相间的条纹。这是非常符合光波理论的，波峰叠加变成亮纹，波峰波谷抵消为暗纹。
但将光源换成电子枪用电子的双缝干涉实验时，出现了意想不到的状况。
首先大家都认为电子就是原子核外的电子，它是确定形态的微小粒子，但 用电子枪连续向双缝发射电子时，后面的屏幕上也出现了明暗相间的条纹！它不该是一粒一粒的斑点吗？难道它也是波？这就是所谓的“波粒二象性”，由玻尔提出的一种兼顾两边阵营的立场。
为了弄清电子穿过双缝时到底是粒子还是波的形态，科学家就在双缝后摆放了量子观察仪，当打开量子观察仪对电子进行观察时，后面屏幕上的干涉条纹消失了，屏幕上只出现了一个明亮的电子亮斑，仪器显示此时电子只经过了其中的一条缝隙;而当关闭观察仪时，干涉条纹又出现了。这个就是哥本哈根诠释里关于“测量”的概念。因为在微观量子力场里，“测试仪”也是由量子构成的。哥本哈根诠释认为，在测量介入之前，电子的状态是叠加的，它可能是从左边缝，也可能是右边缝穿过，但是当测量或者说人的意识介入之后，就发生了坍塌，电子只从一条缝隙中穿过。
听起来是不是很玄乎？人的意识介入测量了，就变成了形而上学的东西了。。。什么时候物理学这门硬科学变成了模棱两可的东东了？量子力学就这样？没错，后面的只会比这种说法更脑洞。。
双缝实验看起来简单，但是却解开了很多量子理论的奥秘。
在此基础上，狄拉克证明了电子自旋，薛定谔提出了波动方程（也是灵光乍现，知其然不知其所以然的产物），玻恩对薛定谔方程里的波函数的解释就是骰子，它的平方就是电子在某个地方出现的概率。天啊！概率和随机也出现了，能不能让物理学的因果关系落地呢？！而海森堡的矩阵力学同薛定谔的波动方程在数学上面本源相同都无比有说服力，以及他的不确定原理（在量子系统里，一个粒子的动量和位置不能同时确定，任何测量手段都不行）更是把量子理论推到了离经典物理越来越远的地方，可以说一去不复返！
爱因斯坦很生气，物理是确定的科学！怎么能搞出些神秘兮兮的玩意儿？
薛定谔的猫
这个是所有人都很熟悉的思维实验了，现代科学七大神兽之一。其实它就是关于叠加态的讨论。按照哥本哈根诠释来说，当测量者不介入查看猫是死是活的时候，猫处于一种叠加态，就跟双缝实验里面的电子一样。然而薛定谔的出发点是试图把宏观世界（猫）和微观世界（量子）联系起来。
多世界解释
有一种非常流行对双缝实验叠加态和坍塌现象的解释：并没有发现坍塌去随机的选择向左或者右。简单的说，我们生活在叠加的世界里面的。在某一个世界里面看到了电子从左缝过，另一个世界里面电子从右缝穿过，坍塌不存在。这种解释有着“相对论”的气质，我个人还是蛮喜欢的，感觉比那个意识介入导致坍塌来的靠谱一点。
其实后面还有历史叠加，隐函数，退相干理论等等，理解起来要发挥超强的想象力，我就省略了。
EPR佯谬 量子纠缠和贝尔不等式
在哥本哈根系统治量子力学的后来几十年，爱因斯坦还是没有完全放弃将量子理论引导回经典物理的尝试。在EPR佯谬这个思想实验里他和其他两位物理学家提出：两个粒子系统，各向相反方向离开，按照哥本哈根诠释，每个粒子在测量前都是“叠加态”，根据系统守恒，一个粒子一定是另外一个粒子的互补态，这等同于粒子直接可以瞬间知道天边另一个粒子的状态，就是所谓的超距感应，这是反定域性的。这个状态被薛定谔称之为“量子纠缠”。而人类在物质世界里的所有经验都没有违反过定域性，因此爱因斯坦认为粒子在没有测量之前应该属于本征态而不是叠加态。
后来约翰贝尔提出了贝尔不等式，本来是想支持爱因斯坦的理论的，结果阿斯派特在1982年的实验反证了贝尔不等式，也就是说量子论的预言是符合的，两个粒子之间真的有超距感应。紧接着更精密的实验都接连验证了量子论的正确预言。
这一次，爱因斯坦彻底输了。量子理论挣脱了顽固派的束缚，爱因斯坦最后一点侥幸能重回经典物理的心理也坍塌了。
既生玻，何生爱？
量子力学和广义相对论
虽然有很多新的量子理论不断地冒出来，但是量子场论和广义相对论还未能联合起来。从更深的角度来说，这可能是量子论和相对论的内在矛盾。有人提出了“引力子”的说法，不知道具体的描述是怎样的。这个大概是下面量子力学的发展走向吧。
如我开头所说，一篇文章写量子力学史肯定是不够的，还有很多最新的理论我还没吃透到底是怎么回事。对于科普书来说，能理解里面的基础知识对我来说就满足了。更何况量子力学完全不同于经典力学有一种简洁的气质，它被随机性和不确定性主宰，神秘却颠覆。
用威廉布莱克的小诗来结束这篇：
To see a world in a grain of sand
And a heaven in a wild flower
Hold infinity in the palm of your hand
And eternity in an hour
