我們是否生活在一個量子世界中？

據(jù)國外媒體報道，面對現(xiàn)實吧，量子力學真的很讓人困惑。我們所熟知的所有物理定律在量子領域中都被打破了，物理學家仍在努力調和量子和宏觀這兩個不同的世界。

想象把一個粒子放在盒子里，根據(jù)經典物理學(和常識)，這個粒子應該永遠呆在盒子里。但在量子力學中，這個粒子可能在你下次觀察它的時候跳出盒子。在經典思維中，我們可以精確地測量任意物體的動量和位置，但在量子世界里卻不是這樣，你對一個物體了解得越多，對另一個物體就了解得越少。某個物體是波還是粒子?根據(jù)經典觀點，你可以也只能二選一;但如果是量子力學，那兩者都有可能。

量子世界很難理解，但在某種程度上，亞原子規(guī)則會讓位于宏觀規(guī)則。發(fā)生了什么呢?我們不確定，尋找這個問題的答案是一個漫長而奇怪的旅程。

第一個給量子世界貼上有用標簽的人是物理學家尼爾斯·玻爾(Niels Bohr)。20世紀初，世界各地的科學家開始意識到原子和亞原子系統(tǒng)的奇怪和意外行為。經過幾十年艱苦的工作，他們發(fā)現(xiàn)，某些屬性，比如能量，是以被稱為“量子”(quanta)的能級離散包形式出現(xiàn)的。物理學家開始嘗試用數(shù)學基礎來解釋這些實驗，但沒有人能發(fā)展出一個完整的、一致的框架。波爾是第一個嘗試這樣做的人。盡管他沒有提供完整的量子力學理論，但確實奠定了一些重要的基礎，他還提出了一些后來成為現(xiàn)代量子理論基石的理論。

第一個理論來自他早期建立原子模型的嘗試。在20世紀20年代，物理學家已經通過各種實驗知道，原子是由一個沉重、致密、帶正電荷的原子核，周圍環(huán)繞著一群微小、輕、帶負電荷的電子構成的。我們也知道，原子只能吸收或發(fā)射特定能量的輻射。

　但是，原子是什么樣子的呢?

玻爾把電子放在圍繞原子核的“軌道上”，圍繞著大密度的原子核跳著華爾茲舞，就像太陽系的行星一樣。在真實的太陽系中，行星可以存在于不同的軌道上，但在波爾的原子中，電子被卡在很窄的軌道上——它們只具有預先定義的軌道距離。

通過電子從一個軌道跳到另一個軌道，原子可以接收或發(fā)射特定能量的輻射，它的量子本質就這樣被編碼了。

量子力學與經典物理的連接

在此基礎上，玻爾又增加了一個有趣的轉折。有很多可能的方法來構建原子的量子模型，那他為什么要這么做呢?玻爾發(fā)現(xiàn)，當電子在離原子核很遠的軌道上運行時，它們的量子性質就消失了，此時經典的電磁學就可以完美地描述原子——就是兩個帶電粒子。

這被稱為對應原理(Correspondence Principle)，也是玻爾用來支持自己原子模型的依據(jù)。你可以提出任何想要的量子理論，但正確的理論是那些在某些限制下讓位于經典物理學的理論，在玻爾的原子模型中，這種限制就是電子必須遠離原子核。

玻爾的原子模型是不完整的，后來被沿用至今的價電子層模型所取代，但是，玻爾的對應原理依然發(fā)揮著，并成為后來所有量子理論的基石——它是一盞指路明燈，讓物理學家能夠構建和選擇正確的數(shù)學方法來描述亞原子世界。

玻爾并沒有就此止步。他認為，盡管這種對應原理允許量子世界和經典世界之間建立聯(lián)系，但這兩個世界并不相同。

就在玻爾對這一切感到困惑的同時，他的好朋友維爾納·海森堡提出了他那即將成名的測不準原理。當你嘗試測量一個微小粒子的位置時，你會失去它的動量信息，相反地，當你試圖確定它的動量時，你又會對它的位置一無所知。

波爾采納了這個想法并付諸實踐。他把海森堡的測不準原理看作是量子世界更大層面的一部分，即一切都是成對的。想想量子世界中最著名的一對：波和粒子。在經典系統(tǒng)中，一個物體要么是純粹的波，要么是純粹的粒子，你可以二選一，來對某些行為進行分類，但在量子力學中，這兩個性質是成對存在的：所有物體同時既是粒子又是波，并且總是同時表現(xiàn)出這兩者的某些性質。

另外，從本質上講，量子規(guī)則依賴于概率——平均而言，量子力學只能再現(xiàn)經典物理學。基于這兩個觀點，玻爾認為量子理論永遠無法解釋經典物理學，換句話說，原子及其他粒子在一套規(guī)則下運行，而火車和人在另一套規(guī)則下運行。它們可以而且必須通過對應原則聯(lián)系起來，但除此之外，它們又過著各自獨立的平行生活。

波爾說對了嗎?一些物理學家認為，我們從根本上生活在一個量子世界中，只是還沒有完全了解其中的原理，而且我們可以從純粹的量子規(guī)則中重現(xiàn)經典物理學，另一些物理學家則認為，玻爾已經解決了這個問題，我們不需要再進行討論。當然，大多數(shù)人只是埋頭于數(shù)學模型，對此并沒有過多關注。但是，這仍然是很值得思考的問題。(任天)

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