為什么量子力學很重要？我們習慣于在宏觀層面看世界。我們的眼睛在其微觀層面上無法感知真正存在的東西，而且（也許）那樣會更好。我們需要顯微鏡或其他技術來檢測物質最小部分——原子的行為。我們對構成物質的粒子性質的最好描述是用量子力學來描述的——亞原子粒子，例如電子、中子、質子、夸克等等。我們是由物質構成的，因此也是由粒子構成的。

每天，我們人類都跳著物理定律所描述的量子舞，在 20 世紀，海森堡、玻爾、泡利、愛因斯坦、薛定諤和德布羅意等科學家試圖通過他們的研究和實驗來解釋。海森堡在德國黑爾戈蘭島逗留期間奠定了基礎，在那里他能夠計算數字矩陣。起初，他甚至不知道這是什么意思。在 1920 年代中期，量子力學始于海森堡的不確定性和玻恩的波函數。

正如我們所見，量子理論是許多人的心血結晶，但玻爾是教父，是每個人都欽佩的人。玻爾首先應用了原子內不連續性的概念。是玻爾解釋了最簡單的原子氫的行為。更重要的是，玻爾對量子理論的真理以及向年輕科學家傳播其基本原理有著近乎惡魔般的癡迷。他是那個告訴愛因斯坦的人，“嘿，阿爾伯特，看，上帝真的在擲骰子！” 無論如何，愛因斯坦仍然堅信，量子的奇異性遲早會被其他東西補償。他認為，在量子理論之下存在一個確定性世界。另一方面，玻爾支持這樣一種觀點，即量子理論是完整的，并且量子世界無疑是概率性的。

是的，你沒有看錯。我們受“概率”支配。

現代物理學的基本定律提供了統計信息。海森堡指出，在給定時間，關于宇宙中物體狀態的精確信息不僅無法確定，而且如果可能的話，我們將無法準確了解未來和過去，只有統計信息。

如果你想解釋電子如何通過計算機芯片，光的光子如何在太陽能電池板中轉化為電流，或者在光纖中的激光中放大自身，或者甚至只是太陽如何繼續燃燒，你將使用量子物理。電子學是一門研究電子運動的物理學分支科學。工程師和科學家開發了一系列宏觀模型，例如 BJT 和 FET，以定義電子在某些狀態下的行進行為。量子力學告訴我們，一個電子只能占據一定的能級。當觀察一大群電子時，例如在半導體中發現的電子，這些能級是“能帶”，或允許的能量值范圍。當半導體連接到能帶內的電壓時，它就會導電。當連接到允許能量帶之外的電壓時，設備不導電。它充當絕緣體。這就是晶體管打開或關閉的方式，計算機將其讀取為 1 或 0 位。

量子物理學描述了簡單的事物，例如單個粒子或一組少數粒子的位置或動量隨時間變化的方式。在接近光速的高速情況下，需要支持，例如阿爾伯特愛因斯坦的相對論，我們稍后再討論。幾種量子場理論涉及物質相互作用的基本力：電磁學，它解釋了原子如何結合在一起；強大的核力，這解釋了原子核在原子中心的穩定性；和弱核力，這解釋了為什么一些原子會發生放射性衰變。放射性衰變是一系列過程，通過這些過程原子在一定時間后改變其狀態，從而達到較低的能量但更穩定并發射各種粒子。該過程繼續進行（稱為衰減鏈），直到達到最大穩定性的條件。近年來，已經有理論和實驗研究將所有這些力量結合起來得出上帝方程，這是一個可以描述自然的簡單方程。我說的是標準模型。一個例子是希格斯玻色子的發現，這種粒子解釋了為什么其他粒子有質量。

我們所熟知的第一個量子是光子（太陽的粒子），它是量子力學的基本成分，是簡單的無質量粒子，每天都在轟擊和加熱我們，通過它我們還能夠利用光電效應產生電流與光伏板。光電效應解釋了電子在被光子流淹沒后從金屬表面射出的特性。光子的能量被轉移給電子，電子獲得動能以改變軌道，變成光電子，并為電路傳輸電力做好準備。

“量子”一詞來自拉丁語“quanto”，反映了這樣一個事實，即量子模型總是暗示一些以離散量出現的東西。所以它不僅是概率的，而且是離散的。量子場中包含的能量是某個基本能量的整數倍。對于光，這與頻率和波長有關。

普朗克為熱體發出的光能頻率創建了一個數學公式。它表明熱物體會發出“紅色”頻率。最熱的物體會發出所有可見顏色的頻率，使它們看起來是白色的。普朗克的公式奏效了，這要歸功于一個關鍵的想法。在普朗克之前，科學家們認為能量是連續的。他們認為一個物體有可能具有那個尺度的能量值。普朗克的激進假設是，在亞原子水平上，熱物體只能以小單位或“包”的形式發射能量。他稱這些量子包。普朗克說，量子中的能量隨頻率的增加而增加。較低頻率（例如紅光）比較高頻率（例如白光中的頻率）具有更少的能量。然而，普朗克找不到解釋能量以這種方式量化的原因。在給朋友的一封信中，他寫道，他公式中的這個數學假設是“絕望的行為”。

幾年后，尼爾斯·玻爾給出了答案。

玻爾徹底改變了軌道模型。他說電子必須在一系列特定的路徑上。這些路徑就像行星圍繞太陽運行的軌道。他稱它們為電子軌道。每個軌道都有一個相關的能級。當電子吸收足夠的能量時，它會從一個軌道“跳躍”到下一個更大的軌道。當一個電子從一個軌道“下落”到一個較小的軌道時，它會釋放能量。發射的能量正好是兩個軌道之間的能量差。這就是為什么能量以離散值存在的原因，如“量子”，而不是連續的。

玻爾原子（來源：Britannica）

地球隨著它的自轉和公轉運動圍繞太陽旋轉。和其他行星一樣。牛頓展示了什么力量在起作用——即萬有引力。愛因斯坦通過引入時空告訴了我們更多的東西。微觀層面，即物質的最小部分，實際上是相同的。有一個類似于我們太陽的原子核，然后有位于軌道上的電子。每個軌道都有數量有限的電子，它們在自旋方面具有非常特殊的特性。嗯，用類似的比喻，軌道是我們的行星，電子是它的居民。

當我們觀察世界時，在宏觀或微觀層面上，實質結構是相同的。有些東西控制著一切（太陽），有些東西跟隨運動并使原子保持活力。沒有什么特別的原因嗎？我們顯然不知道。電子可以從一個軌道跳到另一個軌道，我們將其視為“觀察”。理論上，我們人類也可以從一個星球跳到另一個星球，但需要消耗大量能量。我們可能已經這樣做了；我們不知道。唯一的問題是它需要更大數量級的能量。請記住，當電子從一個軌道跳到另一個軌道時，我們通過適當發射或吸收的光子來觀察它——即進入或離開物質的光線。在第一種情況下，我想到了一顆以力量進入地球的隕石，從而改變了演化，迫使他們離開房子到其他地方避難，在另一個軌道上。我們知道同一類型的電子不能存在于軌道內，技術上具有相同的自旋。無需贅述，自旋與電子的電磁行為有關。軌道上的兩個電子必須具有相反的自旋；也就是說，兩個平等的人在同一個房間里打架，最好避免！

泡利將這一原則正式化。

通過量子望遠鏡看到的氫原子圖像。（來源：APS 物理）

量子系統的數學描述通常采用“波函數”的形式，在方程式中由希臘字母 psi：Ψ 表示。關于這個波函數究竟代表什么存在很多爭論：有些人認為波函數是真實的物理事物，有些人認為波函數只是表達我們對底層的知識（或缺乏知識）的表達。特定量子對象的狀態。量子物理學以奇怪著稱，因為它的預測與我們的日常經驗截然不同（至少對人類而言）。發生這種情況是因為隨著物體變大，所涉及的影響會變小：如果你想看到量子行為，你基本上想看到粒子表現得像波，并且波長隨著動量的增加而減小。

量子力學不是局部的。這意味著什么？在特定位置進行的測量結果可能取決于遠處物體的屬性，并且以無法“正常”解釋的方式。然而，這在技術上不允許信息以超過光速的速度發送，盡管已經有幾次嘗試找到使用量子非定域性的方法。量子力學是我們描述亞原子粒子世界的最佳理論。或許最著名的奧秘在于，量子實驗的結果可能會根據我們是否選擇測量所涉及粒子的某些特性而改變。當注意到這一點時，科學家們深感不安。它似乎破壞了實踐中的許多概念，存在一個獨立于我們的世界。如果方式取決于我們如何——或者是否——我們看待它，那么“現實”究竟意味著什么？我們可以將其解釋為平行世界。

多世界解釋的主要優點是現實的解釋。它通常會受到難以置信的歡迎，因為它暗示著人（連同其他物體）不斷地分支出無數的副本，但這本身并不是反對它的論據。每天，我們都會冒險接觸行為不同的人。然而，人的分支導致關于身份和概率的哲學難題。除了平行世界之外，隱藏變量中還包含另一種解釋。這是什么意思？概率性質的量子力學理論本質上是由于尚不清楚或仍然不完整的物理機制。無論如何，這個理論與貝爾進行的一些實驗是不相容的。

根據一些研究，宇宙可以用一個包含所有可能現實的巨大波函數來描述。這種“通用波函數”是其組成粒子的所有可能狀態的組合或疊加。隨著它的發展，其中一些重疊會破裂，使一些現實彼此不同和孤立。從這個意義上說，世界并不是完全由度量“創造”的。他們只是分開的。這就是為什么我們不應該嚴格地說世界的“分裂”，好像兩個是由一個產生的。相反，我們應該談論兩個現實的解體，這些現實以前只是一個現實的未來愿景。

在本專欄的開頭，我說過我們是由粒子組成的。我們有我們美麗的波函數，它與其他波函數相交，進而產生許多子函數。在我們生命周期的盡頭，粒子與宇宙重新結合，產生其他波函數，其他分子作為一組粒子賦予新生命生命，不一定是我們的意思，人類。

審核編輯：湯梓紅