前言:
著名的美国物理学家惠勒曾说过:量子力学告诉我们，我们的意识影响我们观察的现实。由此可见，在量子力学中，人们观测到的测量结果往往会因为人的意识而改变，那么量子力学究竟是什么呢，它是否真的有那么神奇吗？下面我们来一探究竟。
今天，在我们生活的世界，无时无刻不在享受量子力学的恩赐。在原子、原子核、基本粒子、半导体、激光、恒星、原初宇宙等领域无不涉及着量子力学。但量子论的真谛究竟是什么，到底还有多少未解的谜团，对人类来说可能永远得不到答案。
若探究量子学说的根本起源，需回溯至20世纪初，即1900年，标志着量子物理的诞生时期。在那一年伊始之际，享誉盛名的热力学先驱威廉·汤姆森，亦即开尔文勋爵，发表了一场意义非凡的演说。他在演说中指出：“物理学的雄伟构架似乎已趋于完善，未来的研究者大致只有承担一些轻微的保养和局部的修缮工作。但是，正当我们凝视着这座物理学的殿堂时，两块象征疑惑的暗影依然笼罩其上。”这“两块暗影”象征着物理领域中两个巨大未解之谜，其中涉及光速一致恒定的性质，且其不变的特性贯穿了所有方向。这个光速不变原理后来作为狭义相对论的基本假设。黑体辐射现象为量子理论的巨变累积了充分的铺垫。两朵乌云造就了20世纪最伟大的两个物理学理论。经典物理学大厦在两次革命中轰然倒塌。
基础预备:
我们首先应探求黑体的定义。简言之，黑体即指那些完完全全接纳所有入射其上的电磁波，而不予任何反射的物质；于是人们将其归类为绝对黑体。然而，这类物体仍旧能够释放出电磁波能量，这种特有的能量发射过程，便是所谓的黑体辐射。
常见物体在发出电磁辐射的过程中，其发出的能量会受对象的温度和外层材质所影响；相对而言，理想黑体在进行电磁辐射时，辐发的能量波长密度只与该黑体的热量有关。这一现象显露出潜在的物理学定律，激起无数物理学家开始深入研究。
物理学家们进行了很多尝试，在此期间分别有来自德国和英国的维恩和瑞利进行了尝试，不过最后都以失败告终。直至1900年底，普朗克想到了一个数学公式，他与黑体辐射的实验规律完美契合。然而，要对这个方程式进行演绎验证，就不得不提出一个创新的理念，即：构成黑体辐射源的振动电粒子所具有的能量仅限于基础能量单元ε的整数倍数，这暗示着能量呈现不连续性，呈现出量子化状态。
他把最小能量值ε称为能量子，在后来他发表的文章中，他又改名为量子。其表达式为:
ε＝hv
这里的v指带电粒子的振动频率，h为普朗克常数。
从此，物理学进入了一个新的纪元，量子的时代到来了。普朗克本人因此获得了1918年的诺贝尔物理学奖。
1925年夏天，在黑尔戈兰岛上，一位23岁的德国青年在那荒芜的“圣岛”上，一个人隐约窥见到了大自然最令人目眩神迷的秘密，激动与恐惧并存于脑中。爱因斯坦曾提出过激进的想法，当被证实时，举世震惊。爱因斯坦的成功证实，那些最根深蒂固，被人所深深坚信的东西有可能是错的，我们不能通过表象去认识这个世界，世界也不会由我们的意志去发展。因提出了阐释光电效应的“光量子理论”，爱因斯坦于1921年获颁了诺贝尔物理学奖。现在，海森堡不得不做出一个大胆的决策，探索一些激进的想法。后来，在那年夏天，海森堡重新描述了原子轨道中的电子运动情况，颠覆了卢瑟福的基本原子轨道，并与玻恩和约尔丹创立了矩阵力学，至此，量子力学正式开始了革命。
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注解：沃纳·卡尔·海森堡（德文原名：Werner Karl Heisenberg，1901年12月5日—1976年2月1日），是享誉全球的理论物理专家，担纲了量子力学的建立，并被视作哥本哈根解释派别的杰出代表，他的成就亦为他赢得了诺贝尔物理奖的殊荣。
(图源:百度）
现在，我们来粗略认识这个对现实的固有假设和偏见都会遭到挑战的世界。
双缝干涉——光的波粒二象性
早在17世纪，牛顿绝对时空观的时代，人们就为光是粒子还是波而经常产生激烈的争论。光是粒子的这一阵营的代表人物是艾萨克·牛顿，光是波的这一阵营代表人物是荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯。无奈当时牛顿的名气太大，以惠更斯为首的波动学派渐渐落入下风，人们开始习惯光子以一种粒子存在。
直到1807年，34岁的英国物理学家托马斯·杨做了一个足以改变量子物理学乃至人类发展的实验——双缝干涉实验。简单来说，这个实验由三个部分组成。一个光源、一个刻有两条缝的硬纸板，一个光屏。如果光为粒子，那么它会一个个随机的通过双缝中的一个，在光屏下留下光斑。如果光为波，那么它就会像泛起的水波一样，同时通过双缝，互相干涉，并在光屏上留下明暗相间的条纹。结果是，条纹出现了，光被确认是一种波，一百多年后，人们竟然发现惠更斯是对的，而牛顿是错的！那事实真的如此吗？
后来，在爱因斯坦于1921年获得诺贝尔物理学奖的光电效应理论中，爱因斯坦将光理解为一种光量子，这说明光又具有粒子性了。随后，又开始了众说纷纭的时代。物理学家们根据托马斯·杨最初的实验不断改进，设计了一个又一个的更具说服力，更有准确性的改进实验。
其中费曼提出的思想实验是在双缝干涉的实验中摆上一个观测器，例如摄像机，来观察光子发出的过程，最后结果是光屏上的干涉条纹彻底消失，只留下了两道光斑，这又说明了光是粒子，事情开始向玄学的方向发展了。为什么不观测的时候光是波，观测的时候光又是粒子呢？物理学家们得出一个结论，人为的观察可以影响客观实验结果，当我们不观察时，光子是一个光波，当我们观察时，光子就成为一种粒子。不过根据玻恩给出的概率解释，双缝干涉中光子呈现的波性其实并不是什么物理意义上的波，而是数学上的概率波。玻恩认为薛定谔的波函数Ψ代表了电子在某个特定的方位被观测到的概率。虽然在数学上这种方法是行的通的，但是在现实世界中，光子切切实实是出现了干涉现象的条纹，这说明光子必须要像波一样，同时分布在空间的各种位置。所以，我们不得不得到最后的这样一个结论:我们不观测光子时，它不存在于任何地方，又存在于任何地方，它将作为一种既是波又是粒子的叠加态。换句话说，粒子选择了所有路径，也就是它同时穿过了两条缝。仅当我们对其进行观测，该粒子的波函数才会坍塌并按照概率波进行分布，在此过程中，波函数的关联性消失，出现了众所周知的退相干现象。最终，科学家们一致认为，光既呈现粒子的特性，又呈现波的特性，简称光的波粒二象性。继而，在1924年，德布罗意提出了一种观点，即:不论体积大小，所有运动物体均具有一种独特的波动形式，称作物质波，这揭示了自然界中粒子的波粒二象性。讲到这里，我们的头脑已经被多次的转折而搞得头晕目眩，并且我相信大家一定看到了量子力学的诡异一面，难怪当年爱因斯坦作为量子力学的创始人之一却到生命的尽头也不完全相信量子论，但我们刚才介绍的只是量子论诡异一面的冰山一角而已，让我们来进入下一个话题吧。
量子叠加态——上帝的抉择
在玻恩眼中，波函数是概率，并非实际存在，它的意义在于告诉我们观测到物体呈现某种状态的概率，它只是一个能计算出存在的实体可能出现的概率的工具，属于数学领域。而在薛定谔的猫中，波函数被认为是实在物，那下面就让我们来了解一下这个量子物理学中赫赫有名的思想实验。
实验大体是这样的:一只猫被关在一个装有毒气瓶的盒子里，有一半的概率这个毒气瓶会自动打开。如果毒气瓶打开了，那猫会被释放出的气体毒死，如果毒气瓶没有打开，那猫咪会完好无损的活着。在量子理论中，在我们观测这个猫之前，猫的波函数Ψ都会处在生与死的量子叠加态。如果我们实际观察猫，就会发生干涉现象，猫就会从生与死的叠加态中坍缩，发生波函数坍缩，使猫呈现出生或死的其中一种确切的形态，这里的坍缩表示了从量子领域到经典领域的转变（经典力学不同于量子力学，只允许生或死的一种情况出现）。薛定谔认为波函数是具有物理意义的实体。但如果按照玻恩的想法，波函数作为一种数学意义上的概率云而分布，那猫在我们观察前只是处于生或死的一种状态，当我们观察的时候，猫会按照其自身波函数的概率云分布，呈现出我们看到的结果，这就变成了概率问题。而薛定谔的那个，多少有点让人难以置信。不过经过这么多年的物理学家检验，量子理论中那些鬼魅般的现象却很少被证明过出错，微观世界自从20世纪30年代开始渐渐被量子的理论统治了。连爱因斯坦也觉得不可思议，他说出了一句将会流传物理学界千古的话:上帝掷骰子吗？
现在，量子理论的新奇之处被运用到各种领域，不止在物理学界，还在人们的小说故事中。在中国的著名科幻小说家刘慈欣的长篇小说《球状闪电》中，有很多内容涉及到量子理论。例如，被球状闪电击中的物体会变成量子叠加态，主人公陈博士的父母就是在自己家被球状闪电所害，当陈博士时隔多年后再次回到童年时自己父母遇害的房子时，发现书架上凌乱的书却被整理齐了，房间也像被打扫过的，不像一座空了十几年的房子。在夜晚的羊棚外，陈博士也能听到白天被球状闪电杀害的羊的叫声，进到羊棚里，却发现空无一物，这里可见发生了波函数坍缩，羊群从既生又死的量子叠加态坍缩为死了的坍缩态。除此之外，还有很多例子。当然，这些事情都是作者根据自己所相信的量子论的一部分说法所想象创作出来的。
研究量子的领域里，总是众说纷纭。时间来到上世纪70年代，有些物理学家们为了走出量子理论的迷雾，不惜假设有无穷无尽个我们自己的副本真实存在，并且都存在于硕大无朋的宇宙波函数Ψ中，我们无法预测。这一想法却更加的疯狂，没错，这就是MWI，多世界诠释(也称多世界理论)。它是与哥本哈根诠释（指用波函数描述量子系统的量子态，上面介绍的所有观点皆为哥本哈根诠释）相竞争的科学范式，相较于哥本哈根诠释，它更注重于维护了哲学上的理性争辩的范围。
多世界诠释的形式体系与哲学思辨的对抗
和平行宇宙有点类似，多世界诠释认为，双缝实验中光子的轨迹及其历史的叠加态并不会像哥本哈根诠释中描述为坍缩为一点，汇合到观测者所在的单一时间线中。相反，光子通过双缝中其中哪条缝的概率和在光屏上呈现出光斑或条纹的历史轨迹都会分裂成一个个宇宙，这些多重宇宙各自发展，我们处于其中一条时间线上，并看到我们所观测到的结果。在另外的时间线上，也有被分裂的别的我们看到的不一样的实验结果。意思是:每次量子状态呈现不同时，现实都会分裂出不同的分支。这将会导致分裂出的平行宇宙无限多，这包含了大爆炸开始以来的所有可能宇宙。
这项理论拒绝了波函数坍缩的随机性和量子叠加态，具有确定性，某种程度上更好接受，但对大部分人来说提出近乎无数个平行宇宙的概念，有点再疯狂不过了。因为，这导致了一个哲学问题，我们还有自由意志吗？多世界本体论带来的一个困境是主体性原则的消解。既然有那么多平行宇宙，那么对除我们所在宇宙之外的其他宇宙分支有一种“怎么说都行”的诡辩偏向。量子多宇宙假说通过“关联态”概念排除了波函数的“塌陷”，将看似独立实际上却相互关联的波函数状态扩散到各个平行的宇宙，形成了波函数的全宇宙态描述。在这样的框架下，测量设备、量子实体与观察者三者从最初就紧密相连。因此，所有事物的因果逻辑都被其“关联态”所涵盖，系统遵循决定性规律进化，而非无序地塌缩。这又会导致一个恐怖的推理，那就是我们的一生都是既定的，从出生开始，我们每个人的命运就被安排好了，宇宙的命运也从大爆炸开始就已经被确定下来。现在发生的一切只是在按照决定论演化下去，我们无法改变自己的命运。量子力学再次被推向疯狂与诡异的巅峰。如果按照哥本哈根诠释，那可能会违反因果律。如果按照多世界诠释，那会满足因果联系，但是又引入了不可抗拒的决定论，让人们感到自己的命运被“束缚”起来。总之，经历了一世纪的争论，还是没有得出结果，或许量子论就是那么的诡异神奇，让人永远无法琢磨，但辩护和审视永远是科学历程中的主题。
量子纠缠——幽灵般的超距作用
经过上面的探讨，我们发现量子力学中对一个物理量的测量会影响另一个物理量的状态，为了更深一步研究量子力学中的奥妙，科学家们提出了一个新的观点:将一个电子分裂为两半，由于动量守恒定律，电子的其中一半会呈现出上自旋的状态，另一半会呈现出下自旋的状态，你可以理解为一个正(+)，一个负(-)，合在一起便抵消了。我们前面说过，在量子力学中，被测物体在测量前将会处于一种叠加态，而不是确切的以一种方式存在。所以量子纠缠里被分开的两个电子都处于上自旋与下自旋的叠加态，并不是一个必定是上自旋，另一个必定是下自旋。只是在我们测量的那一瞬间，测量到了那半个电子的状态，另半个电子瞬间坍缩为与之相对应的一种状态。也就是当我们测量到其中半个电子是上自旋时，另一个电子立马在瞬时内转变为下自旋(注意:这个瞬时指的是基本没有时间跨度，几乎是同一时间发生的)。如果将一对量子纠缠的电子分置于宇宙的两极，彼此间相隔着无边的空间，当你对一端的电子进行测量，对立的电子的量子态也会瞬间变化，并体现出相反的特性，这种情况将激发一种令人惊骇的现象：在特定条件下，量子纠缠的信息传递速度甚至可以超越光速。正是因为这种情况，爱因斯坦曾将之描述为鬼魅般的超距作用。提到爱因斯坦，有些人会想起他的相对论，由此产生疑问，量子纠缠是否违反了狭义相对论中的光速不变假设呢？其实这是不影响的，对于光速不变，爱因斯坦也有严谨的定义，即:任何具有静质量的物体，或者说任何信息的传播速度都不可能超过光速。而量子纠缠现象中没有传递实质的信息，因此就不违反光速不变假设。
最后，我们再来聊一个有趣的话题。
量子隧穿效应
量子隧穿效应在科幻电影中经常体现出来，俗话说，就是穿墙，就像著名的漫威电影《复仇者联盟2·奥创纪元》中幻视所表现的那样，这也是很多人从小就想拥有的超能力，这项能力在人们的普遍共识中都是科幻作家幻想出的小把戏，并不真实存在，但事实是，在量子力学中，它有一定概率存在。因为在量子力学中粒子同时具有波和粒子的特性，而绝大多数波都是可以穿墙（我们称之为势垒）的，所以在粒子遇到势垒时，波函数会坍塌并以一定概率穿过势垒。
注意，势垒的高度和宽度会影响粒子发生量子隧穿效应的概率。如果势垒过宽或过高，那么粒子所蕴含的能量可能会小于势垒的能量，从而发生粒子被部分反弹或全部反弹而无法穿墙的情况。因此，我们能够推论出所谓量子隧穿效应是指像电子等微小颗粒能穿入或越过潜在障碍的一种量子物理现象。这种现象发生在微观层面，在宏观层面几乎不可能发生。例如人体是由大量原子组成的，原子中都有电子绕其运动，所以当人试图穿过墙壁时，电子之间会相互排斥，从而无法穿墙。仅当某一时刻，个体所有原子内的电子均抵达其相应位置时，量子隧穿效应才可能出现。若面对一面厚度为一米的墙，一个50公斤体重之人通过量子隧穿效应穿越该墙的概率极其微小，仅为10的负10的35次幂分之。这种概率低到几乎不可能发生。
量子隧穿效应在现在有了广泛的应用，例如现代科技的晶体管便是基于量子隧穿效应而制成的。
量子的身影
直到现在，量子力学都在微观世界发挥着不可磨灭的作用，在信息技术、半导体材料、生物学、人工智能等领域都可寻找到它的身影。以后，量子力学也会继续统治着微观世界。量子力学在一定程度上开启了第三次工业革命，它也会在第四次工业革命中扮演重要的角色。在这个科技高速发展的时代，很多物理学中的理论都会具象化体现出来，随着应用物理学的发展，物理学将离人们的生活越来越近，因此，掌握一些基础的物理知识，也是必不可少的。这样我们也离真理更进了一步。
参考文献
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