我們是否生活在一個(gè)量子世界中？

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，面對(duì)現(xiàn)實(shí)吧，量子力學(xué)真的很讓人困惑。我們所熟知的所有物理定律在量子領(lǐng)域中都被打破了，物理學(xué)家仍在努力調(diào)和量子和宏觀這兩個(gè)不同的世界。

想象把一個(gè)粒子放在盒子里，根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)(和常識(shí))，這個(gè)粒子應(yīng)該永遠(yuǎn)呆在盒子里。但在量子力學(xué)中，這個(gè)粒子可能在你下次觀察它的時(shí)候跳出盒子。在經(jīng)典思維中，我們可以精確地測(cè)量任意物體的動(dòng)量和位置，但在量子世界里卻不是這樣，你對(duì)一個(gè)物體了解得越多，對(duì)另一個(gè)物體就了解得越少。某個(gè)物體是波還是粒子?根據(jù)經(jīng)典觀點(diǎn)，你可以也只能二選一;但如果是量子力學(xué)，那兩者都有可能。

量子世界很難理解，但在某種程度上，亞原子規(guī)則會(huì)讓位于宏觀規(guī)則。發(fā)生了什么呢?我們不確定，尋找這個(gè)問(wèn)題的答案是一個(gè)漫長(zhǎng)而奇怪的旅程。

第一個(gè)給量子世界貼上有用標(biāo)簽的人是物理學(xué)家尼爾斯·玻爾(Niels Bohr)。20世紀(jì)初，世界各地的科學(xué)家開(kāi)始意識(shí)到原子和亞原子系統(tǒng)的奇怪和意外行為。經(jīng)過(guò)幾十年艱苦的工作，他們發(fā)現(xiàn)，某些屬性，比如能量，是以被稱為“量子”(quanta)的能級(jí)離散包形式出現(xiàn)的。物理學(xué)家開(kāi)始嘗試用數(shù)學(xué)基礎(chǔ)來(lái)解釋這些實(shí)驗(yàn)，但沒(méi)有人能發(fā)展出一個(gè)完整的、一致的框架。波爾是第一個(gè)嘗試這樣做的人。盡管他沒(méi)有提供完整的量子力學(xué)理論，但確實(shí)奠定了一些重要的基礎(chǔ)，他還提出了一些后來(lái)成為現(xiàn)代量子理論基石的理論。

第一個(gè)理論來(lái)自他早期建立原子模型的嘗試。在20世紀(jì)20年代，物理學(xué)家已經(jīng)通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)知道，原子是由一個(gè)沉重、致密、帶正電荷的原子核，周圍環(huán)繞著一群微小、輕、帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成的。我們也知道，原子只能吸收或發(fā)射特定能量的輻射。

　但是，原子是什么樣子的呢?

玻爾把電子放在圍繞原子核的“軌道上”，圍繞著大密度的原子核跳著華爾茲舞，就像太陽(yáng)系的行星一樣。在真實(shí)的太陽(yáng)系中，行星可以存在于不同的軌道上，但在波爾的原子中，電子被卡在很窄的軌道上——它們只具有預(yù)先定義的軌道距離。

通過(guò)電子從一個(gè)軌道跳到另一個(gè)軌道，原子可以接收或發(fā)射特定能量的輻射，它的量子本質(zhì)就這樣被編碼了。

量子力學(xué)與經(jīng)典物理的連接

在此基礎(chǔ)上，玻爾又增加了一個(gè)有趣的轉(zhuǎn)折。有很多可能的方法來(lái)構(gòu)建原子的量子模型，那他為什么要這么做呢?玻爾發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電子在離原子核很遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)行時(shí)，它們的量子性質(zhì)就消失了，此時(shí)經(jīng)典的電磁學(xué)就可以完美地描述原子——就是兩個(gè)帶電粒子。

這被稱為對(duì)應(yīng)原理(Correspondence Principle)，也是玻爾用來(lái)支持自己原子模型的依據(jù)。你可以提出任何想要的量子理論，但正確的理論是那些在某些限制下讓位于經(jīng)典物理學(xué)的理論，在玻爾的原子模型中，這種限制就是電子必須遠(yuǎn)離原子核。

玻爾的原子模型是不完整的，后來(lái)被沿用至今的價(jià)電子層模型所取代，但是，玻爾的對(duì)應(yīng)原理依然發(fā)揮著，并成為后來(lái)所有量子理論的基石——它是一盞指路明燈，讓物理學(xué)家能夠構(gòu)建和選擇正確的數(shù)學(xué)方法來(lái)描述亞原子世界。

玻爾并沒(méi)有就此止步。他認(rèn)為，盡管這種對(duì)應(yīng)原理允許量子世界和經(jīng)典世界之間建立聯(lián)系，但這兩個(gè)世界并不相同。

就在玻爾對(duì)這一切感到困惑的同時(shí)，他的好朋友維爾納·海森堡提出了他那即將成名的測(cè)不準(zhǔn)原理。當(dāng)你嘗試測(cè)量一個(gè)微小粒子的位置時(shí)，你會(huì)失去它的動(dòng)量信息，相反地，當(dāng)你試圖確定它的動(dòng)量時(shí)，你又會(huì)對(duì)它的位置一無(wú)所知。

波爾采納了這個(gè)想法并付諸實(shí)踐。他把海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理看作是量子世界更大層面的一部分，即一切都是成對(duì)的。想想量子世界中最著名的一對(duì)：波和粒子。在經(jīng)典系統(tǒng)中，一個(gè)物體要么是純粹的波，要么是純粹的粒子，你可以二選一，來(lái)對(duì)某些行為進(jìn)行分類，但在量子力學(xué)中，這兩個(gè)性質(zhì)是成對(duì)存在的：所有物體同時(shí)既是粒子又是波，并且總是同時(shí)表現(xiàn)出這兩者的某些性質(zhì)。

另外，從本質(zhì)上講，量子規(guī)則依賴于概率——平均而言，量子力學(xué)只能再現(xiàn)經(jīng)典物理學(xué)?；谶@兩個(gè)觀點(diǎn)，玻爾認(rèn)為量子理論永遠(yuǎn)無(wú)法解釋經(jīng)典物理學(xué)，換句話說(shuō)，原子及其他粒子在一套規(guī)則下運(yùn)行，而火車和人在另一套規(guī)則下運(yùn)行。它們可以而且必須通過(guò)對(duì)應(yīng)原則聯(lián)系起來(lái)，但除此之外，它們又過(guò)著各自獨(dú)立的平行生活。

波爾說(shuō)對(duì)了嗎?一些物理學(xué)家認(rèn)為，我們從根本上生活在一個(gè)量子世界中，只是還沒(méi)有完全了解其中的原理，而且我們可以從純粹的量子規(guī)則中重現(xiàn)經(jīng)典物理學(xué)，另一些物理學(xué)家則認(rèn)為，玻爾已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題，我們不需要再進(jìn)行討論。當(dāng)然，大多數(shù)人只是埋頭于數(shù)學(xué)模型，對(duì)此并沒(méi)有過(guò)多關(guān)注。但是，這仍然是很值得思考的問(wèn)題。(任天)

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