量子力學(xué)給我們?nèi)祟惖?strong>宇宙觀帶來了深刻的影響，它闡述的每一條理論都那么深刻且具有顛覆性，我們?cè)诤暧^世界根深蒂固的確定性、空間的局域性和因果論均被打破，所以我們很難想象和理解亞原子世界到底發(fā)生著什么，本文從一枚燈泡觸發(fā)量子世界開始到驗(yàn)證貝爾不等式不成立確立玻爾的勝利，簡要回顧量子革命歷史，讓你一片文章了解量子力學(xué)說了什么？我們開始吧。

首先我們必須清楚一個(gè)概念，什么是量子物理學(xué)和量子力學(xué)

• 研究和解釋發(fā)生在亞原子水平上的現(xiàn)象的科學(xué)被稱為量子物理學(xué)。

在亞原子水平上，原子的原子核，基本粒子和所有用我們的眼睛無法看到的小的東西，即使我們使用顯微鏡，都需要量子物理學(xué)來解釋。

• 解釋亞原子領(lǐng)域運(yùn)動(dòng)和關(guān)系的基本數(shù)學(xué)理論被稱為量子力學(xué)。

簡而言之，量子物理負(fù)責(zé)亞原子層次的理論部分，量子力學(xué)負(fù)責(zé)亞原子層次的數(shù)學(xué)部分。既然我們知道量子物理不同于量子力學(xué)，我就可以自由地使用這些術(shù)語而不會(huì)有任何困惑。

一枚燈泡引發(fā)的量子革命

多年來，人類對(duì)知道事物的原因很感興趣，人類天性好奇，內(nèi)心無比的堅(jiān)信因果論，知道如何解釋某些現(xiàn)象從何而來以及它們的行為是怎樣的，這就促使我們?nèi)フ{(diào)查并找到一個(gè)令人滿意的答案。19世紀(jì)，科學(xué)家馬克斯·普朗克問自己:為什么當(dāng)燈泡燈絲變熱時(shí)，光的顏色會(huì)發(fā)生變化?當(dāng)時(shí)的人們根本不在乎電燈顏色為什么會(huì)改變，重要的是電的存在，它可以照亮家庭、企業(yè)、街道和我們想要的一切。

電燈的發(fā)明為量子力學(xué)的誕生打開了大門，馬克斯·普朗克決定尋找顏色和溫度之間的關(guān)系。為此，普朗克和他的同事決定進(jìn)行一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)來研究黑體的輻射，他們創(chuàng)造了一種特殊的管子，可以把它加熱到非常精確的溫度，從而能夠測量產(chǎn)生的光的顏色或頻率。

普朗克對(duì)黑體輻射的研究

普朗克得出了他自己的結(jié)論:能量以能量量子的形式被吸收和發(fā)射，與它所輻射的光的頻率成正比，頻率乘以普朗克常數(shù)，該常數(shù)的數(shù)值為6.63x10^-34 J.s，這個(gè)方程用E = hf表示。普朗克發(fā)明了一種想象能量的新方法，要么以能量包的形式，要么像他說的“一份一份的”，能量被謹(jǐn)慎地量化在能量包里。在亞原子世界中，能量是以量子化的方式來研究的，甚至，量子物理學(xué)來自于普朗克給他的發(fā)現(xiàn)起的名字:能量量子。至此量子化的概念就出現(xiàn)了，但離量子力學(xué)還需要一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)。

黑體是一種理論或理想的物體，它吸收所有的光和所有落在它上面的輻射能。沒有任何入射輻射被反射或穿過黑體。

赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)和愛因斯坦的大膽解釋

19世紀(jì)，海因里希赫茲意外發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，赫茲經(jīng)歷了一種全新而令人不安的現(xiàn)象：“當(dāng)其中一個(gè)金屬球被紫外線照射時(shí)兩個(gè)金屬球之間的火花變亮，放電增加”。但不幸的是，赫茲36歲時(shí)去世，無法破解光電效應(yīng)所發(fā)生的一切。

意外收獲:指的是一個(gè)受試者認(rèn)識(shí)到他已經(jīng)做出了重要發(fā)現(xiàn)的能力，即使這與他正在尋找的東西沒有關(guān)系，也就是說，偶然發(fā)現(xiàn)是指找到你沒有在尋找的東西。

1905年，阿爾伯特·愛因斯坦創(chuàng)造了歷史，他發(fā)明了一種新的理論來解釋光電效應(yīng)，他從本質(zhì)上堅(jiān)持認(rèn)為:“我們必須忘記光是一種波的所有想法，而認(rèn)為它是一股微小的粒子流。”愛因斯坦改變了我們把光看作波的方式，現(xiàn)在我們必須把它當(dāng)作粒子來研究。為了描述它，他用了普朗克之前用過的術(shù)語:有多少，我們現(xiàn)在知道的光子，在那個(gè)時(shí)候他們叫它光量子?，F(xiàn)在光不僅是波，而且是粒子，從這里波粒二象性誕生了。光是量子的觀點(diǎn)，在當(dāng)時(shí)似乎是完全瘋狂的，然而，遵循愛因斯坦的思路和邏輯結(jié)論，用光一下子解決了所有問題。

波粒二象性

光是一種粒子，可以解釋紫外線災(zāi)難和光電效應(yīng)，但它也是一種波，能夠解釋陰影和肥皂泡色彩。然后，在愛因斯坦那聰明而瘋狂的想法出現(xiàn)幾年后，這個(gè)悖論變得更加深?yuàn)W。因?yàn)檫@似乎是一個(gè)奇怪的光的神秘，即將成為一場關(guān)于現(xiàn)實(shí)本質(zhì)本身的戰(zhàn)爭。一方面，由杰出的丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾領(lǐng)導(dǎo)的新一波革命性的科學(xué)家，另一方面，理性的聲音……阿爾伯特·愛因斯坦，在他的威望之巔，現(xiàn)在舉世聞名，毫無疑問，他是一個(gè)強(qiáng)大的對(duì)手。

這場戰(zhàn)爭始于一個(gè)看似簡單的實(shí)驗(yàn)，并持續(xù)了數(shù)十年。奇怪的是，這個(gè)實(shí)驗(yàn)甚至不是關(guān)于光，而是關(guān)于組成電的粒子——電子。在20世紀(jì)20年代中期，一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)揭示了關(guān)于電子的一些完全出乎意料的事情，應(yīng)該注意的是，那時(shí)人們已經(jīng)接受了電子是能量的小塊，是小而固體的粒子。

雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，被認(rèn)為是粒子的電子表現(xiàn)得像波

在實(shí)驗(yàn)中，他們?cè)诰w中發(fā)射一束電子束，觀察粒子是如何分散的，這完全等同于向一個(gè)有兩個(gè)狹縫的屏幕發(fā)射一束電子束，使電子穿過狹縫，擊中另一個(gè)屏幕?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)了不尋常的現(xiàn)象,電子束擊中的屏幕時(shí),一系列的特征條紋出現(xiàn),引起一波又一波干涉圖樣,這些特征線的光和暗色調(diào),每次這種模式似乎是因?yàn)橛幸徊ㄐ袨椤?/p>

首先，很長一段時(shí)間被認(rèn)為是波的光，有時(shí)表現(xiàn)得像粒子，現(xiàn)在電子，很長一段時(shí)間被認(rèn)為是小粒子，現(xiàn)在表現(xiàn)得像波。光可以同時(shí)是波和粒子，或者不一定必須同時(shí)是波和粒子，這太瘋狂了，但是可以隨意地說它是疊加態(tài)的，它可以改變它的形態(tài)“從一個(gè)形態(tài)到另一個(gè)形態(tài)，這使得量子物理學(xué)變得瘋狂，同時(shí)也非常有趣。

單個(gè)電子也可以形成干涉條紋

以電子為主角的雙縫實(shí)驗(yàn)，還有一個(gè)比以前更不尋常的秘密。這個(gè)實(shí)驗(yàn)在世界各地的不同實(shí)驗(yàn)室重復(fù)了幾次，甚至向兩個(gè)狹縫發(fā)射一個(gè)電子，觀察到每個(gè)單獨(dú)通過狹縫的電子都有助于波干涉圖案，這導(dǎo)致我們得出一個(gè)單一的結(jié)論:電子的行為必須像波一樣，因此，它同時(shí)通過兩個(gè)狹縫。但是我們仔細(xì)考慮到下這個(gè)問題，一個(gè)電子發(fā)射同時(shí)穿過兩個(gè)狹縫，擊中后屏，留下可見的干涉圖案。這怎么可能？太瘋狂了。

尼爾斯·玻爾：“對(duì)量子理論不感到震驚的人，是因?yàn)樗麤]有理解”。

玻爾和同事創(chuàng)立“量子力學(xué)”，解釋電子的行為

為了解釋實(shí)驗(yàn)的奇怪結(jié)果，尼爾斯·玻爾和他的同事創(chuàng)造了我們現(xiàn)在所知的“量子力學(xué)”，記住量子物理不同于量子力學(xué)。量子力學(xué)告訴我們這樣的事情:我們不能把電子描述為一個(gè)物理物體，我們唯一能描述的是可能性，電子可能在哪里。有那么一會(huì)兒，我們忘記了電子是一個(gè)粒子，也是一個(gè)波，讓我們把這些術(shù)語從我們的腦海中抹去，現(xiàn)在我們必須用量子力學(xué)的方式思考，從概率的角度思考，不知何故，一個(gè)“概率波”正穿過兩個(gè)縫隙，就像一個(gè)波一樣產(chǎn)生干擾，然后當(dāng)它到達(dá)屏幕時(shí)，可能性波幾乎像幽靈一樣變得真實(shí)，也就是說，電子離開概率狀態(tài)，變成一個(gè)粒子。

為了理解這有多奇怪，讓我們做個(gè)小小的類比:如果我旋轉(zhuǎn)一枚硬幣，它看起來模糊不清，我們無法分辨它是正面還是反面，此時(shí)我們可以說它是兩者的結(jié)合，但是會(huì)發(fā)生什么呢？如果我讓硬幣停下來？，我迫使貨幣保持單一狀態(tài)，要么正面，要么反面。以前人們不知道硬幣處于什么狀態(tài)，因?yàn)檫@是正面和反面的結(jié)合，但我一停止，硬幣就做出了決定。

?這就是尼爾斯·玻爾和他的同事所說的電子正在發(fā)生的事情，當(dāng)硬幣轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它可能是正面和反面，因?yàn)橐粋€(gè)狀態(tài)還沒有被定義，同樣地，電子的概率波同時(shí)通過狹縫。然后概率波到達(dá)屏幕，這時(shí)電子做出決定，變成一個(gè)粒子。玻爾聲稱，直到觀察到電子，人們才能知道它真正在哪里，不僅電子的位置是未知的，而且奇怪的是，它好像在同一時(shí)間無處不在。

哥本哈根詮釋打破了人們的現(xiàn)實(shí)性

請(qǐng)記住，電子是現(xiàn)實(shí)中最常見和最基本的組成部分之一，然而，玻爾說，只有當(dāng)我們觀察它時(shí)，我們才能把它的位置變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，這就好像我們和世界量子之間有一道屏障，在它后面沒有確定的現(xiàn)實(shí)，只有潛在的現(xiàn)實(shí)。只有當(dāng)我們沖破障礙觀察時(shí)，事情才會(huì)變得確定；這種觀點(diǎn)對(duì)他來說是再清楚不過的哥本哈根詮釋。阿爾伯特·愛因斯坦和其他人一樣討厭這種解釋，甚至說了一句科學(xué)界非常著名的話:當(dāng)我看不見月亮?xí)r，它就不存在嗎？。這位德國物理學(xué)家非常不同意，因?yàn)椴栂拗浦R(shí)，甚至認(rèn)為量子力學(xué)還夠完善，應(yīng)該有更好的理論。幾年來，這些物理巨人一直在爭論量子力學(xué)是否包括放棄現(xiàn)實(shí)。

量子惡魔——局域性的爭論

?然后，納森·羅森和波里斯·波多爾斯基加入阿爾伯特·愛因斯坦的行列，在他們的爭論中支持愛因斯坦，他們甚至認(rèn)為他們已經(jīng)找到了解決愛因斯坦-玻爾辯論的方法。這些物理學(xué)家確信，他們?cè)诟绫竟忉屩邪l(fā)現(xiàn)了一個(gè)致命的缺陷，他們聲稱現(xiàn)實(shí)在被觀察時(shí)會(huì)改變。

• EPR佯謬

愛因斯坦?fàn)幷摰闹行氖橇孔恿W(xué)的一個(gè)方面，叫做:量子糾纏。這種糾纏是一種有兩個(gè)粒子的關(guān)系，當(dāng)兩個(gè)粒子同時(shí)被創(chuàng)造出來時(shí)，它們的許多性質(zhì)就永遠(yuǎn)聯(lián)系在一起，不管它們?cè)谀睦铩?/p>

還記得貨幣變化的類比嗎？讓我們做同樣的類比，但是這一次我們將使用兩個(gè)硬幣，當(dāng)我們停止一個(gè)正在旋轉(zhuǎn)的貨幣時(shí)，這個(gè)貨幣表現(xiàn)為正面，因?yàn)橛矌磐ㄟ^糾纏連接，第二個(gè)硬幣將自動(dòng)變成于第一個(gè)貨幣相反的狀態(tài)。這就好像硬幣通過空間和時(shí)間秘密地交流，不管它們有多遠(yuǎn)，這個(gè)動(dòng)作是瞬間發(fā)生的，也就是說，超過了光速，這被稱為EPR悖論，與相對(duì)論相悖。愛因斯坦稱這是“遠(yuǎn)距離的幽靈行為”，并聲稱這是哥本哈根解釋的一個(gè)錯(cuò)誤。

• 愛因斯坦對(duì)超距作用的解釋

愛因斯坦沒有把量子粒子想象成一對(duì)旋轉(zhuǎn)的硬幣，它們更像是一副手套，左右分開，分別裝在兩個(gè)盒子中。我們不知道哪個(gè)盒子里裝的是哪只手套，直到我們決定打開一只，就在我們知道盒子里裝的是哪只手套的時(shí)候，例如，左邊的那只，我們會(huì)自動(dòng)知道另一個(gè)盒子里裝的是右邊的手套。

愛因斯坦基于現(xiàn)實(shí)性、局域性和因果論給出的這個(gè)類比并不需要任何“遠(yuǎn)處幽靈般的作用”，觀察者沒有改變?nèi)魏问痔祝瑥囊婚_始就左右兩邊都已經(jīng)確當(dāng)存在，這個(gè)類比改變的是我們的認(rèn)識(shí)。所以有一些問題，比如:現(xiàn)實(shí)的真實(shí)描述是什么？，你如何不用看就能檢查某樣?xùn)|西是否真實(shí)，某樣?xùn)|西是否存在？

貝爾不等式為愛因斯坦的現(xiàn)實(shí)性、局域性敲響了喪鐘

約翰·貝爾在正確的時(shí)間回答了所有的問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)偉大的方法來解決量子力學(xué)引起的所有問題，貝爾的想法是:每個(gè)粒子通過空間和時(shí)間向另一個(gè)粒子發(fā)送秘密信號(hào)，挑戰(zhàn)我們所知道的一切，我們必須接受在量子世界中，現(xiàn)實(shí)是不可知的。貝爾把他的想法簡化成一個(gè)數(shù)學(xué)方程。

∣Pxz-Pzy∣≤1+Pxy

?這個(gè)方程必須通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，甚至，每一個(gè)理論和每一個(gè)思想，都需要用真實(shí)的結(jié)果來驗(yàn)證，一個(gè)簡化的數(shù)學(xué)方程是不夠的，你需要計(jì)算來驗(yàn)證已經(jīng)提出的一切。

終結(jié)世紀(jì)爭論的測驗(yàn)

1972年，理論物理學(xué)家約翰·克勞薩做了量子力學(xué)的第一次真正的測試，它由一種晶體組成，這種晶體將激光轉(zhuǎn)換成產(chǎn)生兩條非常精確光線的光子，然后繼續(xù)測量光子的性質(zhì)，即偏振。一個(gè)監(jiān)視器顯示了獲得的不同結(jié)果，并用貝爾方程代替它們，許多人獲得了意想不到的結(jié)果，德國天才阿爾伯特·愛因斯坦錯(cuò)了，這給了尼爾斯·玻爾勝利的機(jī)會(huì)。這兩個(gè)光子具有糾纏的性質(zhì)，不可能從一開始就被選中，而是只有當(dāng)我們觀察或測量它們時(shí)，它們才開始存在。

一些奇怪的東西把光子通過空間和時(shí)間聯(lián)系起來，一些我們無法解釋的東西，更不用說想象了，我們擁有的唯一手段就是數(shù)學(xué)方程，最奇怪的是光子只有在我們觀察它們時(shí)才是真實(shí)的。所以，我們可以回應(yīng)愛因斯坦:當(dāng)我們不觀察月亮?xí)r，它就不存在。毫無疑問，這違背了常識(shí)，是不合邏輯和完全奇怪的事情，但是你必須有耐心，并且認(rèn)識(shí)到這是量子力學(xué)，在亞原子層次上，事物的行為與宏觀世界不同，它們是完全不同的尺度，由概率的法則控制。

貝爾不等式的不成立為量子力學(xué)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，接下來的問題就是，亞原子世界和我們宏觀世界為何是兩種不同的世界。我們宏觀世界是否具有不確定性，這為我們引出了一個(gè)更加神秘的宇宙觀：平行世界。