为什么量子力学很重要

为什么量子力学很重要？我们习惯于在宏观层面看世界。我们的眼睛在其微观层面上无法感知真正存在的东西，而且（也许）那样会更好。我们需要显微镜或其他技术来检测物质最小部分——原子的行为。我们对构成物质的粒子性质的最好描述是用量子力学来描述的——亚原子粒子，例如电子、中子、质子、夸克等等。我们是由物质构成的，因此也是由粒子构成的。

每天，我们人类都跳着物理定律所描述的量子舞，在 20 世纪，海森堡、玻尔、泡利、 爱因斯坦、薛定谔和德布罗意等科学家试图通过他们的研究和实验来解释。海森堡在德国黑尔戈兰岛逗留期间奠定了基础，在那里他能够计算数字矩阵。起初，他甚至不知道这是什么意思。在 1920 年代中期，量子力学始于海森堡的不确定性和玻恩的波函数。

正如我们所见，量子理论是许多人的心血结晶，但玻尔是教父，是每个人都钦佩的人。玻尔首先应用了原子内不连续性的概念。是玻尔解释了最简单的原子氢的行为。更重要的是，玻尔对量子理论的真理以及向年轻科学家传播其基本原理有着近乎恶魔般的痴迷。他是那个告诉爱因斯坦的人，“嘿，阿尔伯特，看，上帝真的在掷骰子！” 无论如何，爱因斯坦仍然坚信，量子的奇异性迟早会被其他东西补偿。他认为，在量子理论之下存在一个确定性世界。另一方面，玻尔支持这样一种观点，即量子理论是完整的，并且量子世界无疑是概率性的。

是的，你没有看错。我们受“概率”支配。

现代物理学的基本定律提供了统计信息。海森堡指出，在给定时间，关于宇宙中物体状态的精确信息不仅无法确定，而且如果可能的话，我们将无法准确了解未来和过去，只有统计信息。

如果你想解释电子如何通过计算机芯片，光的光子如何在太阳能电池板中转化为电流，或者在光纤中的激光中放大自身，或者甚至只是太阳如何继续燃烧，你将使用量子物理。电子学是一门研究电子运动的物理学分支科学。工程师和科学家开发了一系列宏观模型，例如 BJT 和 FET，以定义电子在某些状态下的行进行为。量子力学告诉我们，一个电子只能占据一定的能级。当观察一大群电子时，例如在半导体中发现的电子，这些能级是“能带”，或允许的能量值范围。当半导体连接到能带内的电压时，它就会导电。当连接到允许能量带之外的电压时，设备不导电。它充当绝缘体。这就是晶体管打开或关闭的方式，计算机将其读取为 1 或 0 位。

量子物理学描述了简单的事物，例如单个粒子或一组少数粒子的位置或动量随时间变化的方式。在接近光速的高速情况下，需要支持，例如阿尔伯特爱因斯坦的相对论，我们稍后再讨论。几种量子场理论涉及物质相互作用的基本力：电磁学，它解释了原子如何结合在一起；强大的核力，这解释了原子核在原子中心的稳定性；和弱核力，这解释了为什么一些原子会发生放射性衰变。放射性衰变是一系列过程，通过这些过程原子在一定时间后改变其状态，从而达到较低的能量但更稳定并发射各种粒子。该过程继续进行（称为衰减链），直到达到最大稳定性的条件。近年来，已经有理论和实验研究将所有这些力量结合起来得出上帝方程，这是一个可以描述自然的简单方程。我说的是标准模型。一个例子是希格斯玻色子的发现，这种粒子解释了为什么其他粒子有质量。

我们所熟知的第一个量子是光子（太阳的粒子），它是量子力学的基本成分，是简单的无质量粒子，每天都在轰击和加热我们，通过它我们还能够利用光电效应产生电流与光伏板。光电效应解释了电子在被光子流淹没后从金属表面射出的特性。光子的能量被转移给电子，电子获得动能以改变轨道，变成光电子，并为电路传输电力做好准备。

“量子”一词来自拉丁语“quanto”，反映了这样一个事实，即量子模型总是暗示一些以离散量出现的东西。所以它不仅是概率的，而且是离散的。量子场中包含的能量是某个基本能量的整数倍。对于光，这与频率和波长有关。

普朗克为热体发出的光能频率创建了一个数学公式。它表明热物体会发出“红色”频率。最热的物体会发出所有可见颜色的频率，使它们看起来是白色的。普朗克的公式奏效了，这要归功于一个关键的想法。在普朗克之前，科学家们认为能量是连续的。他们认为一个物体有可能具有那个尺度的能量值。普朗克的激进假设是，在亚原子水平上，热物体只能以小单位或“包”的形式发射能量。他称这些量子包。普朗克说，量子中的能量随频率的增加而增加。较低频率（例如红光）比较高频率（例如白光中的频率）具有更少的能量。然而，普朗克找不到解释能量以这种方式量化的原因。在给朋友的一封信中，他写道，他公式中的这个数学假设是“绝望的行为”。

几年后，尼尔斯·玻尔给出了答案。

玻尔彻底改变了轨道模型。他说电子必须在一系列特定的路径上。这些路径就像行星围绕太阳运行的轨道。他称它们为电子轨道。每个轨道都有一个相关的能级。当电子吸收足够的能量时，它会从一个轨道“跳跃”到下一个更大的轨道。当一个电子从一个轨道“下落”到一个较小的轨道时，它会释放能量。发射的能量正好是两个轨道之间的能量差。这就是为什么能量以离散值存在的原因，如“量子”，而不是连续的。

玻尔原子（来源：Britannica）

地球随着它的自转和公转运动围绕太阳旋转。和其他行星一样。牛顿展示了什么力量在起作用——即万有引力。爱因斯坦通过引入时空告诉了我们更多的东西。微观层面，即物质的最小部分，实际上是相同的。有一个类似于我们太阳的原子核，然后有位于轨道上的电子。每个轨道都有数量有限的电子，它们在自旋方面具有非常特殊的特性。嗯，用类似的比喻，轨道是我们的行星，电子是它的居民。

当我们观察世界时，在宏观或微观层面上，实质结构是相同的。有些东西控制着一切（太阳），有些东西跟随运动并使原子保持活力。没有什么特别的原因吗？我们显然不知道。电子可以从一个轨道跳到另一个轨道，我们将其视为“观察”。理论上，我们人类也可以从一个星球跳到另一个星球，但需要消耗大量能量。我们可能已经这样做了；我们不知道。唯一的问题是它需要更大数量级的能量。请记住，当电子从一个轨道跳到另一个轨道时，我们通过适当发射或吸收的光子来观察它——即进入或离开物质的光线。在第一种情况下，我想到了一颗以力量进入地球的陨石，从而改变了演化，迫使他们离开房子到其他地方避难，在另一个轨道上。我们知道同一类型的电子不能存在于轨道内，技术上具有相同的自旋。无需赘述，自旋与电子的电磁行为有关。轨道上的两个电子必须具有相反的自旋；也就是说，两个平等的人在同一个房间里打架，最好避免！

泡利将这一原则正式化。

通过量子望远镜看到的氢原子图像。（来源：APS 物理）

量子系统的数学描述通常采用“波函数”的形式，在方程式中由希腊字母 psi：Ψ 表示。关于这个波函数究竟代表什么存在很多争论：有些人认为波函数是真实的物理事物，有些人认为波函数只是表达我们对底层的知识（或缺乏知识）的表达。特定量子对象的状态。量子物理学以奇怪着称，因为它的预测与我们的日常经验截然不同（至少对人类而言）。发生这种情况是因为随着物体变大，所涉及的影响会变小：如果你想看到量子行为，你基本上想看到粒子表现得像波，并且波长随着动量的增加而减小。

量子力学不是局部的。这意味着什么？在特定位置进行的测量结果可能取决于远处物体的属性，并且以无法“正常”解释的方式。然而，这在技术上不允许信息以超过光速的速度发送，尽管已经有几次尝试找到使用量子非定域性的方法。量子力学是我们描述亚原子粒子世界的最佳理论。或许最著名的奥秘在于，量子实验的结果可能会根据我们是否选择测量所涉及粒子的某些特性而改变。当注意到这一点时，科学家们深感不安。它似乎破坏了实践中的许多概念，存在一个独立于我们的世界。如果方式取决于我们如何——或者是否——我们看待它，那么“现实”究竟意味着什么？我们可以将其解释为平行世界。

多世界解释的主要优点是现实的解释。它通常会受到难以置信的欢迎，因为它暗示着人（连同其他物体）不断地分支出无数的副本，但这本身并不是反对它的论据。每天，我们都会冒险接触行为不同的人。然而，人的分支导致关于身份和概率的哲学难题。除了平行世界之外，隐藏变量中还包含另一种解释。这是什么意思？概率性质的量子力学理论本质上是由于尚不清楚或仍然不完整的物理机制。无论如何，这个理论与贝尔进行的一些实验是不相容的。

根据一些研究，宇宙可以用一个包含所有可能现实的巨大波函数来描述。这种“通用波函数”是其组成粒子的所有可能状态的组合或叠加。随着它的发展，其中一些重叠会破裂，使一些现实彼此不同和孤立。从这个意义上说，世界并不是完全由度量“创造”的。他们只是分开的。这就是为什么我们不应该严格地说世界的“分裂”，好像两个是由一个产生的。相反，我们应该谈论两个现实的解体，这些现实以前只是一个现实的未来愿景。

在本专栏的开头，我说过我们是由粒子组成的。我们有我们美丽的波函数，它与其他波函数相交，进而产生许多子函数。在我们生命周期的尽头，粒子与宇宙重新结合，产生其他波函数，其他分子作为一组粒子赋予新生命生命，不一定是我们的意思，人类。

审核编辑：汤梓红