量子力学可信吗？ - 知乎
2024-05-04T00:00:00Z | 10分钟阅读 | 更新于 2024-05-04T00:00:00Z
量子力学可信吗？
量子力学的出现，和许多江湖门派的成立一样，看似悄无声息，实则刀光剑影，充满了混战和统一。
纷争的源头，要追溯到一个古老的问题——光的本质是什么？
几百年来，关于这个问题的答案，有两个主流的看法，因此产生了两个水火不容的门派——两个门派的战斗过程跌宕起伏，有碾压有逆袭有反转。
简单说起来可以分为三个阶段。
第一阶段：微粒派好牛波动派和微粒派互相抬杠好多年，一开始谁都没说服谁，直到一对死对头的出现，才暂时分出了个高低。
他们就是结下了万年梁子的：如果说胡克站队，是出于纯粹地科学推测；那么牛顿的站队，则出于纯粹地恶心胡克。
这本是一场势均力敌的对抗，可是后来牛顿站到物理江湖的顶点，成为一方霸主。
他背后的微粒派也跟着沾了光，波动派也就此被按在地上摩擦了一百年。
据说，牛顿甚至特意在胡克去世后写了本畅销书，来宣传自己的光学研究成果。
此时的波动派群龙无首，一个能打的都没有，这就导致他们毫无还手之力。
那微粒说真的无法撼动吗？
第二阶段：波动派逆袭风水轮流转，一百多年后，波动派出现了一名英国的眼科医生，单枪匹马挑战权威。
这个人就是托马斯·杨。
话说杨少侠，也是个天才，两岁读书，四岁背诗，六岁刷完两遍《圣经》，十四岁精通多国语言。
原以为一代文豪就此诞生，可谁知杨少侠路子跑偏了，任性地选择转专业，开始研究起光学。
然后他随随便便做了个实验，一不小心就青史留名。
这就是著名的杨氏双缝干涉实验。
实验其实很简单，只需要：如果牛顿说得对，光真的是粒子，就算它笔直地通过了第一扇门……也会因为自个儿太耿直，而撞上第二堵墙。
所以理论上来说，最后的屏幕上应该是一片漆黑。
可实际上呢？
最终在屏幕上出现的，却是明暗相间的条纹。
这就说明，光根本不是粒子，而是一种波！小杨小眼一眯，不得了！这不正是支持波动派的证据吗？
果然，实验结果一出，铁证如山，打得微粒派猝不及防，波动派就此崛起。
后来大家都知道，麦克斯韦预言了光是一种电磁波，赫兹又用实验证明了这事儿，微粒派这下算是心服口服了。
是不是看上去，光是一种波这件事，已经板上钉钉、毋庸置疑了？
第三阶段：波粒统—关于光的本质之争，并没有就此完结，托马斯·杨肯定想不到，又过了百来年，自己这个杨少侠的名头快要顶不起了。
针对波动说，有几个大爷，站出来表示不服。
这下，不仅解释了光的本质，还搞出了一个令物理学界震三震的新学说——量子论。
具体怎么一回事呢？
咱们把镜头往前推一推。
话说当年，赫兹除了验证了电磁波之外，还瞄到了一个神奇的现象。
这种见光跑的现象，就是光电效应。
补充一点，准确来说，赫兹做实验的时候，还没有发现电子。
他只是看到金属板被光照了以后，会带正电。
这个现象迅速霸占了头条，科学家们扎堆来凑热闹，但是大家很快发现，经典物理在这里根本说不通！根据经典物理理论：如果光是一种波，高能的光照在原子上，电子就会跑得飞快！如果是低能的光，那也没关系！波的特点，是能量连续不断。
光波会对电子产生持续性的刺激，能量可以累积，所以只要熬得久，电子就能攒够能量跑路。
可理论归理论，实验结果却不是这样！从实验结果来看，甭管低能的光照多久，电子就像个钉子户，不跑就是不跑！这该如何解释呢？
爱蹭热点的爱因斯坦，陷入了沉思。
正当他百思不得其解，突然大眼睛一瞟，瞟到了一个靓仔：量子祖师爷·马克斯·普朗克普朗克，德国人，会弹会唱会作曲，平平无奇的大帅哥。
原本靠颜值就能当个人生赢家，走向人生巅峰，可普帅很任性，偏要靠才华，死磕物理学。
在他刚准备闯荡物理江湖的时候，有一名物理老师曾劝他：开个玩笑，其实是当时的物理学家们认为，物理界差不多被研究秃了，仅剩的几根毛也是可有可无。
可普朗克偏偏不信这个邪。
别看普帅的颜值一路跌停，人家的学术成就却是高歌猛进。
而他研究的课题，就是两朵乌云之一的——具体啥是黑体辐射，解释起来太过复杂，混子哥就不在这里展开了，有兴趣的可以自行了解。
但咱们要记住的，是普朗克为了解释这个问题，所得出的一个冲击三观的结论。
话说在经典物理的世界观里，大家觉得能量是可以无限分割的。
可为了解释黑体辐射，普朗克做了个大胆的假设：能量是不能无限分割的，切到最小要卡壳！这个不可再分的最小单位，普朗克叫它能量子，也就是量子的雏形。
用这个假设，就可以完美解释黑体辐射问题。
可那个年代还是经典物理的天下，普帅的理论，无疑被看作歪门邪道，他本人都不咋信。
甚至之后的许多年，他都在努力打自己脸，试图推翻自个儿。
但他万万没想到，自己顺口一提的玩意儿，居然还挺好使，一不留神给小爱提供了光电效应的解题思路。
咱们前面提过，光电效应中遗留了一个问题：为什么有些光波射得够久，能量累积得够多，也打不出电子呢？
看到了普帅的能量子假设，小爱灵光一闪：真相只有一个！光可能不是波，而是一种粒子！哈意思呢？
打个比方，如果光是一种波，那它会对电子施加连续不断的能量，能量不断累积，电子就会移动。
可如果光是一种粒子，那它产生的能量就不是连续的，而是一份一份的！要是光的能量不够强劲，那电子死都不会走。
而只要光的能量足够强，那就会让电子跑路！爱因斯坦把这种一份份的光，叫作光量子，简称光子。
爱因斯坦的这个假设完美解释了光电效应的问题。
不久后，美国科学家密立根，完成了验证光电效应的实验，和爱因斯坦的理论完全吻合。
爱因斯坦也因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。
爱酱也因为将量子理论发扬光大，被咱们称为——言归正传。
按照小爱的理论，光又从连续的波，变成了不连续的粒子，这岂不是证明牛顿还是对的吗？
既然杨氏双缝干涉实验验证了光的确有波动性，而光电效应实验也验证了光的确有粒子性。
爱因斯坦提出光电效应的光量子解释，使得当时的科学家逐渐意识到光同时具有波和粒子的双重性质。
这就是传说中的：波粒二象性。
这就好比形容一个人，既是男的，又是女的。
更可怕的是，这个结论不是瞎想，而是经过科学家的精密实验，亲测有效的。
既然光有波粒二象性，有一名科学家就在这个基础上进一步推测，提出了一个更大胆的猜想。
这个人就是法国贵族德布罗意。
话说德亲王的脑瓜子离谱到啥程度呢？
在他看来，波粒二象性，并不是光的独门秘籍。
像原子啊、电子啊，甚至世间万物，都有波粒二象性！也就是说，你以为的实物粒子，其实都有波动性。
这种波被称为物质波，也叫德布罗意波。
虽然德亲王最初只是不负责任地瞎猜，但谁知后来科学家们竟然真用实验证实了，许多微观粒子都具有波的性质。
这也坐实了德布罗意的猜想。
所有微观粒子，都具备波粒二象性！于是，后来的科学家们针对微观粒子的运动状态进行了研究。
这就衍生出了一个全新的学说，这个学说就是传说中的——量子力学量子论建立之后，一时成为热门学科，许多人蹭上了热度，开始了量子力学的研究。
其中有个特别厉害的学派，叫作哥本哈根学派。
好了，言归正传。
量子论要研究微观粒子的运动状态，那就得选个研究对象。
可这次科学家们不研究光了，而是把目光投向了一个新对象——电子。
针对电子的运动，哥本哈根学派里的两位大神，先后提出了令人怀疑人生的两大观点。
咱们一个个来说。
1.不确定性原理话说很久以前，有个叫卢瑟福的大爷，他曾经给原子画过画像。
在他看来，世间万物都是共通的，比如原子核和电子的关系，应该跟太阳和地球的关系差不多。
这就是卢瑟福提出的「原子的太阳系模型」，电子绕着原子核转。
后来，他的徒弟在这个模型的基础上，做了点补充。
这个徒弟就是哥本哈根学派的带头大哥——玻尔。
没错，就是前面提过的那个。
在玻尔看来，世间万物也是共通的，比如原子，其实就跟北京的环路差不多。
原子核外有固定的轨道，电子会在不同的轨道里绕着原子核跑圈。
那电子的运动，真是这样的吗？
后来，科学家们通过实验发现，玻尔的原子模型也不太靠谱。
于是有一名科学家站了出来。
他认为，轨道这玩意儿看不见摸不着，会不会是玻尔空想出来的，其实压根不存在？
这就是哥本哈根学派的海森堡。
他提出了矩阵力学，奠定了他「量子力学之父」的地位。
那在海爸爸眼里，电子是怎么运动的呢？
话说，当时有一些科学家通过实验分别观测到了电子的位置和速度。
基于这些数据，海森堡总结了一套理论。
他觉得，电子这个玩意儿，跑位非常风骚，到什么程度呢？
它就像一个社恐的忍者。
电子并没有老老实实按照轨道绕原子核跑圈，而是极度自嗨，在原子核外面随机蹦跶。
你根本摸不清它的套路。
更神奇的是，当我们想知道它的确切位置好观测它的时候，它就突然消停下来，一脸蒙。
所以我们永远无法同时知道不观测时电子的位置和动量……这就是不确定性原理。
虽然很难理解，但科学家们已经通过实验验证了不确定性原理是靠谱的。
其中最著名的，就是参照杨氏双缝干涉实验设计的电子双缝干涉实验。
我们朝一块有两条缝的挡板，射出电子。
因为电子有波动性，所以它会发生衍射，并最终在屏上呈现明暗相间的条纹。
可一旦我们想观测电子是怎么穿过这两个孔的时候，实验结果居然发生了变化！这时它就不像波一样传播了，而是像粒子一样穿过。
屏上只有两条亮纹。
是不是很神奇！同时，电子双缝干涉实验也进一步验证了微观粒子的波粒二象性。
也就是说，微观粒子的状态既有波动性，也有粒子性。
既然电子的运动这么神奇，那它真的是那么随心所欲吗？
2.概率解释话说和海森堡同时期，还有一名科学家，从另外一个角度也得出了上面类似的结论。
他就是浪量子力学的奠基人之一——薛定谔。
此人性别男，爱好女，物理界里独一档的渣男，人送外号：渣渣薛，具体多渣就不让播了。
渣渣薛提出的理论叫波函数，我们就不展开讲了。
为啥不展开呢？
因为连他本人都是一头雾水，说不出个所以然来。
好在哥本哈根学派的另一位大牛——玻恩，站出来替他解了围。
玻恩是这么解释波函数的：其实电子的位置吧，它就是一团概率，随机起来不是人。
不过，虽然我们没法确定它的走位，但电子在每个位置出现的概率，却是可以计算出来的。
这就是玻恩提出的概率解释。
综上所述，不确定性原理和概率解释，共同构成了量子力学的核心——哥本哈根学派解释的主要内容。
虽然这个解释完美解决了很多问题，可大家的三观着实被碾得稀碎。
所以质疑也随之而来，很多人表示，说微观粒子的运动是随机的，这事儿也太扯淡了！于是，支持方和反对方，就借几次团建，来了几场争斗。
我们挑几次重点的来看。
一、第五届索尔维会议首先出场的是，由玻尔领头的哥本哈根学派。
另一方在爱因斯坦带领下，质疑哥本哈根学派的研究，我们叫他们斩草除根派。
还有一拨围观群众，也个个大牌。
好了，对话开始。
双方就微观粒子的运动到底是否随机这个问题，进行了激烈的讨论。
反正扯了半天也没啥结果，谁也说服不了谁。
插一嘴。
大家一顿争吵之后，没有结论，觉得反正闲着也是闲着，加上难得聚一回，于是就一起排排坐，来了一张合影。
没错，就是这张著名的照片。
后来，爱神和玻神又吵了好几架，依然没啥结果。
当然，不仅带头大哥们使劲掐，小弟们也没闲着。
二、薛定谔虐的猫作为爱因斯坦的小弟，薛定谔也站出来，怒喷哥本哈根学派。
他提出了一个丧心病狂的思想实验——薛定谔的猫简单解释一下。
可一旦它们发生衰变，就会触发锤子，敲碎毒药瓶，释放毒气，把猫毒死。
所以薛定谔认为，根据哥本哈根学派的解释，如果原子是叠加态，那猫也应该处于——既死又活的叠加态。
对地球人来说，一只猫既死又活，根本无法理解。
所以薛定谔认为哥本哈根学派非常荒谬，就是在瞎扯淡。
当然，后来人们发现，这个实验并不严谨，有很多问题，所以没法参考。
聊了这么多，其实关于量子力学的争论，直到今天都没有结束。
但是依照后来的一些实验来看，哥本哈根学派的理论，目前更加站得住脚。
和相对论相比，量子力学的发展，在这一百年内，让人类文明发生了翻天覆地的变化。
比如芯片、核磁共振、超导、激光等技术，都是在量子力学的基础上发展起来的。
不过，科学也是一把双刃剑，利用量子力学人类也造出了一些奇怪的东西，比如：好了，量子力学的故事就先聊到这里，而我们科学史的正片部分，也在这里告一段落了。
最后，我们用一张图，总结一下整个科学史的发展结构。
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