据国外媒体报道,面对现实吧,量子力学真的很让人困惑。我们所熟知的所有物理定律在量子领域中都被打破了,物理学家仍在努力调和量子和宏观这两个不同的世界。

想象把一个粒子放在盒子里,根据经典物理学(和常识),这个粒子应该永远呆在盒子里。但在量子力学中,这个粒子可能在你下次观察它的时候跳出盒子。在经典思维中,我们可以精确地测量任意物体的动量和位置,但在量子世界里却不是这样,你对一个物体了解得越多,对另一个物体就了解得越少。某个物体是波还是粒子?根据经典观点,你可以也只能二选一;但如果是量子力学,那两者都有可能。

量子世界很难理解,但在某种程度上,亚原子规则会让位于宏观规则。发生了什么呢?我们不确定,寻找这个问题的答案是一个漫长而奇怪的旅程。

第一个给量子世界贴上有用标签的人是物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)。20世纪初,世界各地的科学家开始意识到原子和亚原子系统的奇怪和意外行为。经过几十年艰苦的工作,他们发现,某些属性,比如能量,是以被称为“量子”(quanta)的能级离散包形式出现的。物理学家开始尝试用数学基础来解释这些实验,但没有人能发展出一个完整的、一致的框架。波尔是第一个尝试这样做的人。尽管他没有提供完整的量子力学理论,但确实奠定了一些重要的基础,他还提出了一些后来成为现代量子理论基石的理论。

第一个理论来自他早期建立原子模型的尝试。在20世纪20年代,物理学家已经通过各种实验知道,原子是由一个沉重、致密、带正电荷的原子核,周围环绕着一群微小、轻、带负电荷的电子构成的。我们也知道,原子只能吸收或发射特定能量的辐射。

但是,原子是什么样子的呢?

玻尔把电子放在围绕原子核的“轨道上”,围绕着大密度的原子核跳着华尔兹舞,就像太阳系的行星一样。在真实的太阳系中,行星可以存在于不同的轨道上,但在波尔的原子中,电子被卡在很窄的轨道上——它们只具有预先定义的轨道距离。

通过电子从一个轨道跳到另一个轨道,原子可以接收或发射特定能量的辐射,它的量子本质就这样被编码了。

量子力学与经典物理的连接

在此基础上,玻尔又增加了一个有趣的转折。有很多可能的方法来构建原子的量子模型,那他为什么要这么做呢?玻尔发现,当电子在离原子核很远的轨道上运行时,它们的量子性质就消失了,此时经典的电磁学就可以完美地描述原子——就是两个带电粒子。

这被称为对应原理(Correspondence Principle),也是玻尔用来支持自己原子模型的依据。你可以提出任何想要的量子理论,但正确的理论是那些在某些限制下让位于经典物理学的理论,在玻尔的原子模型中,这种限制就是电子必须远离原子核。

玻尔的原子模型是不完整的,后来被沿用至今的价电子层模型所取代,但是,玻尔的对应原理依然发挥着,并成为后来所有量子理论的基石——它是一盏指路明灯,让物理学家能够构建和选择正确的数学方法来描述亚原子世界。

玻尔并没有就此止步。他认为,尽管这种对应原理允许量子世界和经典世界之间建立联系,但这两个世界并不相同。

就在玻尔对这一切感到困惑的同时,他的好朋友维尔纳·海森堡提出了他那即将成名的测不准原理。当你尝试测量一个微小粒子的位置时,你会失去它的动量信息,相反地,当你试图确定它的动量时,你又会对它的位置一无所知。

波尔采纳了这个想法并付诸实践。他把海森堡的测不准原理看作是量子世界更大层面的一部分,即一切都是成对的。想想量子世界中最著名的一对:波和粒子。在经典系统中,一个物体要么是纯粹的波,要么是纯粹的粒子,你可以二选一,来对某些行为进行分类,但在量子力学中,这两个性质是成对存在的:所有物体同时既是粒子又是波,并且总是同时表现出这两者的某些性质。

另外,从本质上讲,量子规则依赖于概率——平均而言,量子力学只能再现经典物理学。基于这两个观点,玻尔认为量子理论永远无法解释经典物理学,换句话说,原子及其他粒子在一套规则下运行,而火车和人在另一套规则下运行。它们可以而且必须通过对应原则联系起来,但除此之外,它们又过着各自独立的平行生活。

波尔说对了吗?一些物理学家认为,我们从根本上生活在一个量子世界中,只是还没有完全了解其中的原理,而且我们可以从纯粹的量子规则中重现经典物理学,另一些物理学家则认为,玻尔已经解决了这个问题,我们不需要再进行讨论。当然,大多数人只是埋头于数学模型,对此并没有过多关注。但是,这仍然是很值得思考的问题。(任天)