提起量子力學(xué)，大家往往首先想到的是薛定諤的那只關(guān)在毒氣室生死不明的可憐的貓咪，從而覺(jué)得量子力學(xué)太高深而充滿玄學(xué)的味道。其實(shí)我們大可不必對(duì)量子力學(xué)抱有那么大的敬畏之心，量子力學(xué)只不過(guò)是一門經(jīng)過(guò)嚴(yán)格證明的學(xué)科。
自20世紀(jì)20年代被創(chuàng)立以來(lái)發(fā)展到今天其實(shí)已經(jīng)有近100年的歷史了，沒(méi)想到吧？并且我們的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的電腦、手機(jī)，還有醫(yī)院用的核磁共振，我們做檢測(cè)的電子顯微鏡等，其實(shí)都是以量子理論為基礎(chǔ)的。之所以量子力學(xué)被夸大和神話，一方面主要是人們沒(méi)有去了解這門學(xué)科，另一方面是因?yàn)橐恍┤嗽噲D以我們宏觀世界的經(jīng)驗(yàn)主義來(lái)解釋量子力學(xué)所支配的微觀世界行為的物理意義，從而產(chǎn)生了一些與我們?nèi)粘Ｉ罱?jīng)驗(yàn)所沖突的現(xiàn)象，使量子力學(xué)充滿了不可思議的玄學(xué)色彩。
20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家：其中多位為量子力學(xué)的建立做出了突出貢獻(xiàn)
其實(shí)想要正確的了解量子力學(xué)，并不難，只需要沿著兩個(gè)角度去看待它。
首先，也是最重要的一個(gè)角度是先認(rèn)識(shí)量子力學(xué)所研究的內(nèi)容，量子力學(xué)其實(shí)和我們學(xué)過(guò)的物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科一樣，只不過(guò)量子力學(xué)所用到的數(shù)學(xué)知識(shí)比我們學(xué)習(xí)物理時(shí)所用到的數(shù)學(xué)知識(shí)更深入更難一些。就像牛頓力學(xué)運(yùn)用代數(shù)微積分來(lái)描述我們所處宏觀世界的物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律一樣，量子力學(xué)其實(shí)是用薛定諤方程或海森堡矩陣來(lái)描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
薛定諤方程
不一樣的地方是對(duì)于我們宏觀世界物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，計(jì)算出來(lái)的是確定的運(yùn)動(dòng)軌道，因而可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)物體的路徑和位置。但對(duì)于微觀領(lǐng)域，首先能量不是連續(xù)的，而是有最小能量單位一份一份的組成，打個(gè)比方，如果把宏觀的能量比作用槍射出去的一條連續(xù)的線，那么在量子力學(xué)微觀角度去看，就像是槍連續(xù)射出去的子彈，雖然這些連續(xù)射出去的子彈看上去也像一條線，但子彈和子彈之間并不是連續(xù)的。而光，在微觀角度，就可以看做是由一個(gè)個(gè)光量子（光子）組成的。當(dāng)然，宏觀來(lái)看它仍然可以看做連續(xù)的電磁波，而這種粒子性和波動(dòng)性并沒(méi)有一個(gè)清晰的界限，而是同時(shí)具有粒子性和波動(dòng)性（其實(shí)任何物質(zhì)都同時(shí)具有波動(dòng)性和粒子性，只不過(guò)越微觀波動(dòng)性越明顯而越宏觀粒子性越明顯），因此，對(duì)于微觀量子，無(wú)法再用牛頓力學(xué)來(lái)準(zhǔn)確描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，只能用薛定諤方程或海森堡矩陣來(lái)描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但是由于微觀粒子的波動(dòng)性比較明顯，這種描述方法得到結(jié)果并不是像宏觀粒子那樣具體確定的運(yùn)動(dòng)軌跡，而是以微觀粒子出現(xiàn)在不同位置的概率大小來(lái)表示的。我們?cè)倥e個(gè)例子，就拿氫原子為例，我們知道氫原子外面具有一個(gè)電子，如果運(yùn)用牛頓力學(xué)去描述這個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，那么就是圍繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)，因此這個(gè)電子就有確定的軌道，后來(lái)隨著人們對(duì)于微觀領(lǐng)域的研究越來(lái)越深入，發(fā)現(xiàn)電子的實(shí)際運(yùn)動(dòng)并不是這么回事，而是以電子云的形式顯示。
電子云
電子云密的地方放就說(shuō)明電子在這出現(xiàn)的次數(shù)多，即出現(xiàn)在這的概率大，而通過(guò)量子力學(xué)的薛定諤方程或海森堡矩陣則能描述電子的這種存在狀態(tài)，并且能夠計(jì)算出這個(gè)電子出現(xiàn)在各個(gè)位置概率的具體值。這就是對(duì)量子力學(xué)最簡(jiǎn)單最沒(méi)有玄學(xué)色彩的科學(xué)解釋，也就是說(shuō)量子力學(xué)是一門需要深厚數(shù)學(xué)功底去計(jì)算的一門學(xué)科。
但是，對(duì)于物理現(xiàn)象，人們通常會(huì)去解釋原因，因此我們還要從另一個(gè)角度去理解量子力學(xué)。就是如何理解并解釋一些量子力學(xué)現(xiàn)象背后所蘊(yùn)含的物理意義。比如薛定諤的貓到底是怎么回事，雙縫干涉實(shí)驗(yàn)為什么讓人充滿疑惑，量子糾纏真的能夠?qū)崿F(xiàn)超距傳輸嗎等等。在理解這些問(wèn)題之前，首先我們要明確量子力學(xué)所研究的范疇是微觀世界，到底有多微觀呢？微觀到無(wú)法像看清所研究對(duì)象的具體樣子，我們只能通過(guò)想象來(lái)構(gòu)建它們的圖像。而圖像的構(gòu)建都是基于我們所熟知的宏觀世界為基礎(chǔ)的。但是微觀世界的樣子可能無(wú)法再宏觀世界找到與之對(duì)應(yīng)的圖形，從而就造成了種種我們認(rèn)為的不可思議的現(xiàn)象，因此，我們需要刨除宏觀世界的經(jīng)驗(yàn)，重新建立微觀世界的圖像。說(shuō)到這里可能會(huì)有同學(xué)反駁，你上面不是已經(jīng)描述了在微觀下電子、光子的形象了嗎？的確如此，但我們描述它的樣子時(shí)仍然是以我們宏觀的角度去描述的，因?yàn)槲覀儼阉枋龀闪瞬ɑ蛘唿c(diǎn)，而他們真實(shí)的樣子可能并不是這樣的，只是在莫方面顯現(xiàn)出這樣的特性。
下面簡(jiǎn)單的以雙縫干涉實(shí)驗(yàn)為例來(lái)說(shuō)，首先介紹下雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的奇妙之處在于一個(gè)光子一個(gè)光子（或者一個(gè)電子一個(gè)電子）的向雙縫發(fā)射，后面的接受屏則顯示出衍射條紋，這是波才具有的特性，證明了光或者電子具有波動(dòng)性，而如果遮擋住雙縫中的一個(gè)，則接收到的不是衍射條紋，有證明了他們的粒子性。也就是說(shuō)它們同時(shí)具有波動(dòng)性和粒子性，至此，我們都是以宏觀的概念來(lái)描述光和電子所具有的的特性，接下來(lái)我們要做的就是完全拋棄這些概念，通過(guò)大膽的想象重新構(gòu)造光子或電子的形象，就是在微觀下，他們是一種東西，但這種東西不知道長(zhǎng)什么樣，不過(guò)他們具有一些特性而表現(xiàn)出與宏觀世界不一樣的現(xiàn)象。這樣去看的話，量子力學(xué)是不是就沒(méi)那么神秘了。薛定諤的貓之所以不好被理解也是同樣的原因，就是它直接把微觀的衰變和宏觀貓的生死聯(lián)系起來(lái)。雖然宏觀是由微觀組成的，宏觀是大量微觀的體現(xiàn)，但微觀向宏觀的過(guò)渡沒(méi)有明顯界限。當(dāng)大量以概率的方式存在的不確定的微觀集合在一起時(shí)，受相互作用的影響，就慢慢過(guò)渡到了確定的宏觀世界。
雙縫干涉實(shí)驗(yàn)
當(dāng)然，以上內(nèi)容只是拋磚引玉，僅僅為大家提供了理性看待量子力學(xué)的思路，只要我們通過(guò)科學(xué)理性的方式去看待它，思考它，它也沒(méi)那么神秘。其實(shí)量子力學(xué)所涉及的內(nèi)容很龐大和復(fù)雜，一些現(xiàn)象確實(shí)很難理解，不過(guò)同時(shí)也充滿了趣味，同時(shí)也存在很多顛覆人類目前認(rèn)識(shí)水平的現(xiàn)象。但縱觀人類的發(fā)展史，不正是對(duì)當(dāng)時(shí)一系列人類無(wú)法理解的事物的追根刨底的探索而發(fā)展到今天的嗎？可以肯定將來(lái)的某一天，人類再回過(guò)頭來(lái)看待我們今天的文明，就像現(xiàn)在的我們審視古代人不能理解電腦飛機(jī)衛(wèi)星一樣。路漫漫其修遠(yuǎn)兮，人類在探索世界的腳步不曾停歇。
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