第二节量子力学的形成

一、泡利原理

泡利是美籍奥地利科学家，自小天赋异禀。足美国科学发展协会的创造人之一，因发现“不相容”原理而获得诺贝尔物理学奖。

上中学时，泡利就对当时鲜为人知的爱因斯坦的广义相对论产生了浓厚兴趣，经常埋首研读，提出了许多独到的见解。泡利在学生时代就已展露了不同凡响的科学才华，曾在学生时代完成过一部著作。

1925年，泡利在玻尔理论的基础上重新解释了卢瑟福的原子模型。

我们知道，在经典力学中，每个粒子的位置和动量，全部是完全可知的，它们的轨迹也可以被测量，通过测量，可以确定每一个粒子的位置和动量。在量子力学中，每个粒子的位置和动量是由波函数表达，是不确定的，无法测量。因此，当几个粒子的波函数互相重叠时，给每个粒子“挂上一个标签”的做法失去了其意义。

泡利认为，在电场中，没有两个电子能够享有同样的位置，只能单独的存在于一个独立的空间位置上，也就是说电子填满了一个轨道以后，其他电子便无法加入到这个轨道中来，这就是电子不会坠毁在原子核上的原因。一个原子中不可能有电子层、电子亚层、电子云伸展方向和自旋方向完全相同的两个电子。如氦原子的两个电子，都在第一层（K层），电子云形状是球形对称、只有一种完全相同伸展的方向，自旋方向必然相反。每一轨道中只能容纳自旋相反的两个电子，每个电子层中可能容纳轨道数是n个，因此每层最多容纳电子数是2n个。后来这个理论被叫做泡利不相容原理。

就这样，物理学家们开始接受波尔电子模型，但是不得不说就玻尔理论而言，很多地方是模糊不清的，准确判断一个电子在何时何地，发生自动跃迁是不可能的，他更像一个随机的过程，一会儿在这里出现，一会儿在那里出现，把电子这种物质赋予了某种意义上的自由意志，这显然有些说不过去，因为任何物理过程都应该是能够确定并且可以预期的，不应该有主观意识的概念，这和人们传统观念相违背。所以玻尔理论没有充分的说服力导致他非常迅速的被海森堡和薛定谔所终结。

二、德布罗意波

尽管玻尔理论已经被大众所接受，但也存在着很大的问题，显露出很多缺点。

首先发现问题的是法国科学家德布罗意，他认为波尔的理论很荒谬，电子怎么会有意志？一会儿出现在这里，一会儿出现在那里，这是没有事实根据的，是绝不可能发生的事情，必须找到电子运动的基本规律才是可靠的理论，于是德布罗意投入到了对电子运动现象的研究中。

德布罗意是法国著名理论物理学家，因提出了著名的“物质波”获1929年诺贝尔物理学奖，他是波动力学的创始人，物质波理论的创立者，量子力学的奠基人之一。

在19世纪之前，人们对自然界的认识，只局限于两种基本的物质类型：客观物质和场。客观物质主要是指看得见摸得着的实体物质，由原子、分子等粒子构成；光子、电荷等组成的形式称为场。但是人们根据这两种定义在解释很多实验现象的时候遇到了很多困难，一种理解成立的时候，另一种理解就会不成立，两种定义相互之间存在着矛盾的一面，物质和场不能相互融合在一起。物理学家们相信，一定存在着一种能解决这些矛盾的理论，于是大多数科学家都开始着手这一理论方面的研究。

1923年，德布罗意最早想到了这个问题，光具有粒子性。这一观点早在十几年前由普朗克提出，而后被爱因斯坦用来成功解释了光电效应，但即便如此，也非常不见得会容于物理学界各大门派，反而受到各个物理学派的排挤，他们并不认可光具有粒子性这样的特点。

德布罗意对这一观点有着另外的理解，他认为波就是粒子，粒子就是波，波和粒子是相通的。或许是一时冲动，他大胆地设想，人们对于用光子建立起来的两个关系式会不会也适用于实物粒子。如果成立的话，实物粒子也同样具有波动性。为了证实这一设想，1923年，德布罗意又提出了作电子衍射实验的设想。1924年，又提出用电子在晶体上作衍射实验的想法。

他的假说提出后在1923年9月—10月间，德布罗意连续在《法国科学院通报》上发表了三篇介绍有关波和电子的论文，他始终坚信电子、光子等实物粒子也是一种波。

当他以论文发表后，人们认为他的想法太过于玄妙，只是理论中的概念，没有认真地加以理会。这段时间正是人们对光的波与粒子关系互相斗争而僵持不下的白热化阶段，当爱因斯坦看到德布罗意的论文后，却对德布罗意的理念大加赞赏，爱因斯坦没有想到，自己创立的有关光的波粒二象性观念，在德布罗意手里发展成如此丰富的内容，竟扩展到了运动的实物粒子上，真是太不可思议了。当时爱因斯坦正在撰写有关量子统计方面的论文，于是就在其中加了一段介绍德布罗意工作的内容。他写道：“一个物质粒子或物质粒子系可以怎样用一个波场相对应，德布罗意先生已在一篇很值得注意的论文中指出了。”在得到爱因斯坦的肯定后，人们相信实物粒子也是一种波，于是人们开始寻找电子是波的证据。

1925年，美国纽约贝尔电话实验室的戴维孙和革末用大量实验证实了电子具有波动性。不久，G.P.汤姆孙与戴维孙完成了电子在晶体上的衍射实验，进一步证实了电子具有波动性。他们用实验数据算出的电子行为和德布罗意所预算的现象吻合得天衣无缝，电子竟然是一个波。G.P.汤姆孙与戴维孙也因此分享了1937年的诺贝尔奖金。此后，人们相继证实了原子、分子、中子等都具有波动性。德布罗意的设想最终都得到了完全的证实。这些实物所具有的波动现象称为德布罗意波，即物质波。

德布罗意也因此获得了诺贝尔物理学奖。于是人们开始承认德布罗意的理论，德布罗意取得了成功，人们在对量子领域的探索又前进了一步。

三、电子的波粒二象性。

在量子力学发展的进程中，玻尔的思想占据着重要的地位。玻尔对原子中电子运动轨迹的认识仍然是不准确的。尽管玻尔认识到电子的运动轨道是量子化的，即电子在原子中远离或者靠近原子核时的真实情况应该是呈阶梯状变化的，而不是连续变化，但他并没有完全摆脱经典物理学概念的束缚，把电子与宏观世界中的物体等同看待，认为它们在运动中有完全确定的轨道，而这与实际情况并不相符，玻尔理论认为电子运动是随机的，不可能准确测量出在在何时何地发生跃迁现象，后来人们通过实验，证实电子居然是一个波。

电子怎么可能是一个波呢？如果电子是波，那宏观物体到底是粒子还是波？整个宇宙到底是粒子还是波？整个物理体系陷入争论中，被逼着走到了一个十字路口，站在十字路口给物理学界指明方向的人来自德国，他就是年轻的海森堡，量子力学的主角，他在量子力学的基础上发展出了矩阵力学，是量子力学的奠基人之一。

海森堡坚定的认为物理学应当有一个坚固的基础，只能够从一些可被实验观察和检验的东西出发，一个物理学家不应该把一些想象的东西拿出来，作为理论的基础，比如波尔理论中提到一个电子轨道。

这轨道究竟是怎么来的？有任何实验能够让我们看到电子是在真正的轨道上运转吗？有任何实验可以确定的出轨道的距离吗？没有，也不可能有，这些概念。都不是在实验室里能够看得到的，那么在此基础上建立的原子模型是怎么能够正确的呢？

要知道数学解释一切，我们的想象是靠不住的。1925年海森堡发表了论文《论量子力学Ⅱ》，第一次提出了系统的量子理论，在这个理论中，经典力学方程被矩阵形式的量子方程所代替，后来人们把这个理论称为矩阵力学。《论量子力学Ⅱ》的发表，标志着矩阵力学的问世。

在矩阵力学方程的计算中，电子是没有轨道概念的，这让人感到无法理解，特别是当时的科学实验已经看到云室中的电子径迹了。连科学泰斗爱因斯坦都向海森堡发问：“你假定原子中有电子，这当然是对的。但你又不谈原子中的电子轨道，这是为什么？要知道，电子轨道明明在云雾室和仪器里看得见，但你却要忽视它，请问，你能解释这其中的奥妙吗？”

面对大师的发问，海森堡陷入了长久的沉思。他把这个问题一直装在心里，直到一年后的一天夜晚，海森堡在宁静的月光下散步，忽然，一道明亮的光芒从他沉思的脑海里划过，他仿佛在朦胧中察觉到一个奇妙的现象，那就是电子的径迹。渐渐，这朦胧的思绪在捕捉过程中变得异常清晰、生动。啊，原来人们所观察到的电子在云室中的径迹并非电子的真正轨迹，人们实际观察到的，只是一系列电子运动形成的水滴形状！这水滴形状其实就是分立电子一系列不确定的位置。海森堡此时豁然开朗：一个电子的动量和位置是不能同时确定的。量子理论中最重要的原理——测不准原理诞生了。

海森堡认为，我们看到一个电子必须用一个光子去碰撞它，才能够根据返回的光子确定电子在哪里，但是电子如此的小而轻，以至于被光子砸得没影了。所以光子返回的时候，电子早已不在原先的位置；换句话说，也就是电子是没有位置的，它也没有具体的路径，我们所说的电子的位置只是一种随机的概率，代表了电子在某个地点出现的概率。这个概率把电子变得又像一个粒子又像一个波，有时在这里出现，有时在那里出现，完全不确定。

电子不确定这算什么？这已经不是推翻某个理论的问题，而是对整个科学系统的挑战，一直以来，科学都是确定的，可以计算的。

但是海森堡的理论却指出，动量和位置只要有一个量出现在宇宙中，另一个量就会神秘的消失。要不两个都以一种模糊不清的面目出现。包括能量和时间也是如此，只要能量被测定得越准确，时间就越模糊；反过来时间测得越准确，能量就开始大规模的起伏不定。

当海森堡完善了不确定性原理以后，立刻就发现电子不可能不是个粒子，也不可能不是个波，然后剩下的唯一的选择就是它是个粒子同时又是一个波。毫无疑问，一个电子必须由粒子和波两种角度去作出诠释，任何单方面的描述都是不完全的。

但是我们在任何时候去观察电子，它却只能表现出一种属性，要么是粒子，要么是波。作为电子这个整体的概念来说，它表现出一种波粒二象性，究竟是粒子还是波完全取决于我们如何去观察它，而电子本来的面目变得毫无意义。对于我们来说，唯一知道的就是我们每次看到的电子是什么，那它就会是什么。

这个说法很玄妙，就好比月亮不是月亮，它是什么，取决于我们用什么方式来看它。换句话说，想让它是什么它就是什么，至于它本身到底是什么并不重要。很多人对量子世界这种特有的不确定性感到不习惯，海森堡的学生韦斯科夫曾这样解释道：“我们当然不能到处追踪一个电子，按照传统观念去寻找它的下落，但这并不是说电子不存在，只是它的存在方式与我们司空见惯的物体存在方式不同罢了。”

电子也是一样，是粒子还是波要看我们怎么去观察它，它所有的属性是同观察联系在一起的，一旦观察方式确定了，电子就要选择一种表现形式，它必须作为一个波或者一个粒子出现，而不能既是数子又是波。也就是说，波和粒子在同一时刻是排斥的，但他们在更高的层次上却是统一在一起的，作为电子的两面被纳入到一个整体的概念中。量子力学来到这里开始变得有些不可捉摸，它更像是一种对于宏观和微观的哲学概念，让我们的理性一步一步陷入困境。总之普朗克常数和玻璃二象限构成了量子力学的关键性基础。

测不准原理的出现，把人们的思维带入了一个奇妙的境界中，从此量子力学变得不那么好懂了。

四、薛定谔的猫

现在我来说说薛定谔的猫是一个什么实验，薛定谔的猫是量子力学中最有代表性的实验，这是一个假想的试验。大致原理是：把一只猫放进一个密封好的盒子里，然后把这个盒子接到一个包含有原子核和毒气设施的装置上。原子核在一小时内有一半的几率可能发生衰变，衰变后所释放出来的粒子就会触发毒气设施，使毒气释放出来，毒气一触发就会杀死这只猫，原理大概是这样子的。

我们想象一下，在我们对猫进行观察之前，盒子里的猫究竟是死是活，我们不知道。换句话说，猫处于一种既死又活的迭加状态。

按照哥本哈根学派的理论来说，在打开盒子进行观察时，猫的生死就会是固定的，要么生，要么死，这个理论看起来并没有什么问题，我们是要在打开盒子之后才能确定猫是死是活。客观上，猫的死活，是不需要人们观察的！早在你观察之前，它的生死就是固定的！但是你没有观察它，猫的生死对我们来讲是毫无意义的，当我们观察它，才会变为我们思维感知的内涵，量子系统的叠加态会因由和外部世界的相互作用，或被外部世界测量时而变成一种固定态的理论，参照实验来说，即猫是在被外部世界所观察之后，它的生死才处于一种固定态。但按照客观来说，这个猫，不管你外部观察与否，它的生死早就固定了。

这个问题一提出来，物理学家一个个都惊呆了，原来以为只有微观世界才有这种状态叠加，就是状态不确定，既处于这个状态，又不处于这个状态，现在在宏观世界也适用了，猫不就是这样吗？有一只既死又活的猫。这与我们的经验严重违背。这个猫是死了还是活着？既死又活是同时存在的，量子力学认为两者同时存在。那么怎么可能既死又活同时存在呢？人不能想象这种状态，于是大家就把这个实验进一步讨论下去。

1963年获得诺贝尔物理学奖的维格纳在薛定谔的猫的基础上，又有了一个新的想法：我让个朋友戴着防毒面具也和猫一起呆在那个盒子里面去，我躲在门外，对我来说，这猫是死是活我不知道，猫可能是既死又活。事后我问在毒气室里戴防毒面具的朋友，猫是死是活？朋友肯定会回答，猫要么是死要么是活，不会说是半死不活的。他这个说法一出来大家就发现，问题在哪儿呢？一个人和猫一起呆在盒子里，人有意识，意识一旦包含到量子力学的系统中去，它的波函数就坍缩了，猫就变成要么是死，要么是活了。也就是说猫是死是活，只要一有人的意识参与，猫的生死状态就不再模糊，而变得确定。维格纳总结道，当朋友的意识被包含在整个系统中的时候，叠加态就不适用了，就变成一种确定的状态。

即使他本人在门外，箱子里的波函数还是因为朋友的观测而不断地被触动，因此只有活猫或者死猫两个纯态的可能。从这个实验可以看出，意识可以作用于外部世界，使波函数坍缩变成确定的状态。确实只能这样认为，人的观察会使波函数的量子状态坍塌。人们观察的结果会使物质的状态发生变化，可以从虚拟的叠加状态变为确定的实际状态。在我们没有观察之前物质世界是不确定的，当我们观察之后物质世界就会变成确定的状态。

意识是我们观察世界的主体，我们的世界随着意识的变化而变化，世界是什么样子的本身并不重要，这完全取决于我们的观察。

量子力学发展到这里似乎走上了歧途，于是乎让人感到越来越疑惑了，量子竟然和意识走在了一起，这条歧途将通向一个唯心主义的领域，顺着这条路走下去，将不可避免的陷入“多重宇宙”、“平行时空”、“无限分裂宇宙论”的泥潭。

从这条歧途返回来，我们再来看看量子力学在什么地方出现了问题？

必须承认量子理论是成功的理论。它能够完美的解释一些观测到的粒子的现象。但它不可预测的随机性又和我们的普通常识发生了冲突。难道量子论是一个不完美的理论，缺少一些造成随机性的隐含变量。

顺着这个思路，玻姆在1952年创立了一个完整的隐变量体系。他假设一个电子具有确定的轨迹，而又认为是隐变量在扰动了它，造成我们观察不到的情况。这个理论却遭到了爱因斯坦的强烈反对，存在却观察不到这和不存在又有什么分别呢？

世界本来就是实实在在存在的，而现在物理学不得不重新审视这个荒谬的问题，世界到底是客观还是主观？

+�