量子论通识

1905年，爱因斯坦将光的粒子性赋予光波。从那以后，量子力学经过了100多年的发展。到今天，它已经重新解释了这个世界，改变了这个世界。目前除了广义相对论外科学家已经发现的全部知识，汇集在了量子力学这里。就是说在物质世界，你从任何一个自然现象出发，一定会到量子力学的领域来。量子力学已经解决了宇宙万物的绝大部分秘密。当然，量子力学没有回答全部的终极问题，比如时间和空间的本质是什么。不过，不管最后的答案是什么，这个世界的解释权，一定是由量子力学主导的。

说到量子力学，就不得不提到量子力学之父马克思.普朗克。大约1894年起他开始研究黑体辐射问题，发现普朗克辐射定律，并在论证过程中提出能量子概念和常数h（后称为普朗克常数），成为此后微观物理学中最基本的概念和极为重要的普适常量。1900年12月14日，普朗克在德国物理学会上报告这一结果，成为量子论诞生和新物理学革命宣告开始的伟大时刻。普朗克也并非第一个提出能量子概念的人，第一个是玻尔兹曼。但不得不说量子概念是一个启发的思想，它为接下来一百年的学术发展起到了先决的作用。但我们任要强调，量子不是一种粒子而具有波粒二象性的某种。此处无法定义，接下来我们将从波粒二象性入手介绍量子理论。

所谓二象性说的是一个东西同时拥有两种性质。那所有粒子，除了都具有点粒子的性质之外，还都同时具有波的性质，这就叫波粒二象性。当然针对这种性质也不止在于微观粒子，根据德布罗意的物质波理论，该性质同样适用于宏观物质，这一点得到了J.P.汤姆孙电子衍射实验的证明。言归正传，量子的意思是说，现在没有一堆物质，只有一个。你从这一个身上，也能看到一堆才有的那种波动性（此处物质运用稍有不妥）。中学课本中只强调粒子性是不太准确的，但波粒二象性无法用语言描述清楚，我们只需要记住以下几点：一，把粒子看成波；二，把波看成粒子；三，同时使用波和粒子的视角。把粒子看成波。这是说，你可以直接把波能做到的事情，套用在粒子上。比如，一束波可以同时处于好几个状态。你在听交响乐的时候，能够从一束声波里，同时听出好几种不同的乐器声，就是这个道理。这种状态叫叠加态。所以，粒子也可以处于一种量子的叠加态中。再说第二个步骤，把波看成粒子。就是直接把粒子能做到的事情，套用在波上。比如说，粒子是不连续的，一个一个的。我们玩的那个吃豆人游戏，要么吃掉一个豆，要么一个都不吃，没法半个半个地吃。电磁波也是这样，它平时是波，看不出来哪儿像粒子，但是当你要吸收它的时候就会发现，你只能在某个空间点上，一份一份地吸收它。现在我们知道，其中一份波就叫作光子。第三个步骤就是，同时用波和粒子的视角，定量地衡量同一个东西。具体到量子力学中，我说的两个角度，是指波和粒子这两个视角。有一个方程同时具有这两个视角，它就是薛定谔方程。薛定谔方程是波动力学来源于对于德布罗意物质波理论的继承。

量子力学领域有两大学派，一是以波尔为首的哥本哈根学派，二是以爱因斯坦为首的学派。说到哥本哈根学派就要说到薛定谔的猫这一著名的思想实验：薛定谔设想，把一只猫和一个量子装置关在盒子里。这个装置里有一个放射性原子和一个毒药瓶。如果原子发生衰变，就会把毒药瓶打破，把猫毒死。但如果它不衰变，毒药瓶就不会破，猫也就能继续活着。那猫到底是死是活呢？盒子里到底是什么情况，你必须打开盒子以后才能知道。如果我们弄一万个这样的盒子，把它们全部打开，那我们就会看到，大概有五千只猫活着，五千只猫死了。也就是说，我们看到两种情况的概率各占50%。这个概率分布是物理学家的共识，这就是水面上的那部分。但是，盒子打开之前，猫到底是什么情况呢？打开那一刹那到底发生了什么呢？这都是水面下的部分，实验看不到的地方，解释就出现了。我给你讲3种最常见的解释。第1种解释说，在你打开盒子之前，这只猫同时处于既死掉又活着的一种状态。注意，我说的是“既死掉又活着”，是一种状态，不是两种状态。这是因为原子处于既衰变又没衰变的状态，它连带着把猫也变成了既死又活的状态。不过，你一打开盒子，这个奇怪的壮态就消失了，变成了要么死、要么活。这种解释就是哥本哈根解释。而这两个学派的争论来源于海森堡到不确定性原理。在你测量之前，月亮既处于位置的叠加态当中，同时也处于速度的叠加态当中。当你测量月亮时，如果减小月亮位置的叠加程度，就是越来越确定地知道，月亮的位置在哪里的同时，会增加月亮速度的叠加程度，月亮会同时以更不确定的速度运动。

反过来也一样，我再说一遍反过来的情形。当你把速度的叠加程度减小，反而会增加月亮位置的叠加程度，月亮会同时处于更不确定的位置上。这就是量子力学的不确定性原理。哥本哈根学派认为不确定性原理是正确的，上帝就是再扔骰子。而爱因斯坦确认为上帝不扔骰子，所以不确定性原理是错的，这也成为物理界的世纪之真，他们基于概率性和实在性展开。例如薛定谔的猫，量子世界从来不直接向你展现它的样子，只有在测量时，它才会呈现一个样子给你看。你打开装着猫的盒子就是完成了一次测量，打开盒子后，呈现在你面前的，要么是一只活着的猫，要么是一只死掉的猫。量子世界只能通过概率呈现，这里说的呈现，是说测量量子世界的现象时，可能会产生各种结果，而这些结果会呈现出一定的概率分布。因为在量子世界里，物质总是同时处于很多种状态，好比交响乐里我们能同时听到很多频率的声波一样。当我们研究波粒二象性时，就得按照波的无限可分，把不可分的粒子进一步往下分。在测量发生的瞬间，量子世界到底发生了什么，才出现了概率呢？很可惜，这个问题目前还没有定论。这也是量子力学不同解释的分歧所在。比如，量子力学的哥本哈根解释认为，测量的时候，发生了波函数坍缩，量子概率在这个过程中自动出现了。这里的波函数，是量子力学描述粒子状态的一个数学公式。那“坍缩”又是什么呢？想象一下，有一个光子即将打在屏幕上。在测量前一刹那，波函数算出来说，光子出现在屏幕前的所有位置上，这个景象就像是一大片光子云。但测量发生时，光子只出现在了屏幕上的某一点上，这个时候，它的波函数就变成了那一点所对应的公式了。于是哥本哈根解释认为，是测量让前一个瞬间的那一大片光子云，坍塌收缩成了一个点，每次收缩的位置还都不一样。这就是波函数坍缩。，我们唯一能分的，就是粒子出现的概率。量子力学无法用理论推导只能由测量来研究。

爱因斯坦不同意波尔的解释，他不同意的是，在测量之前，“光子同时存在在屏幕前的所有位置上”。在测量以前，光子到底在哪儿，这事谁也看不见，这里就有两种不同的解释。刚才我说的“光子同时在屏幕前所有位置上”，属于哥本哈根解释，它的主心骨是玻尔。而爱因斯坦呢，就是要反对哥本哈根解释。爱因斯坦说，光子肯定在某一个确定的地方。只不过到底在哪儿，我不知道。这是因为，你测量以后看到一堆概率，其实只是表象，它的背后，一定隐藏着一个没有概率性的本质，光子的位置就是由这个本质决定的。而且，这个本质一定不会因为你的测量方式而变化。这就好比“不管你看不看月亮，月亮都存在”一样。这叫作实在性。爱因斯坦相信，不管你测不测量，实在性都必须成立。所以说“上帝不掷色子”。但玻尔认为，不对，爱因斯坦你不能拿平时的生活经验来指导上帝。光子还没到屏幕的时候，咱们谁也看不见，你凭什么说它一定待在一个确定的地方呢？你只能描述你看见的东西。当你没看到月亮的时候，你就没法描述月亮的位置，没法描述就是不存在。你说的那个本质既然看不见，那也是不存在的。所以玻尔的观点是，量子力学天生就有概率性，没有实在性。总之，他们的根本分歧，其实就转化成了，在你做实验看不见的地方，实在性到底还成不成立这个问题了。

最后我们来讲一讲量子纠缠的问题。量子纠缠最早是爱因斯坦提出来的。他把它称作“鬼魅般的超距作用”。是什么意思呢？有人说，量子纠缠就像心灵感应，你对一个粒子做测量，另一个粒子无论在哪里，都会瞬间响应，中间不需要任何时间，这是一种超光速的现象。这就奇怪了，“任何物体都不能超光速”，这是爱因斯坦自己在相对论里提出来的啊？怎么他把自己推翻了呢？量子纠缠到底超不超光速呢？量子纠缠就是“瞬间推断”我们先来说说量子纠缠到底是什么意思。假如两个粒子形成了量子纠缠，我只要测量其中一方的状态，就能瞬间推断另一方此刻的状态。其间的量子纠缠不涉及速度，而是信息生效问题，只是给观察者一个确定的结果，并不是已经发生的结果。所以测量的影响不会超光速，但关系可以此时相对论依然成立，只是局域性不在成立。

量子理论诞生已久，总结上文可以得出在普朗克，爱因斯坦等人对于量子的概念深化后，波尔提出能级的概念，而德布罗意提出来物质波的概念，薛定谔对于物质波继承与发展从而提出波动力学，海森堡等人对于波尔理论批判性的继承提出了矩阵力学。当然这两种学说在数学意义上是一致的，随着科学的进步相信量子力学会发展的更好。