让人困惑的量子力学

首先要说的，量子力学为什么存在？就像牛顿为什么发现万有引力呢？量子力学的起源。源于我们很熟悉的一个物理问题---光是波，还是粒子。这个问题断断续续的持续了几百年的纷争。

最早的科学家。可能要追述到亚里士多德的年代。那时的人们认为，能看见东西是因为眼睛发出了光，才能看见。但是人们很快发现。为什么。晚上看不见呢？后来才慢慢意识到，是光线进入了眼睛，才让人们能看得到物体。那么光究竟是粒子？还是波呢？赫兹做的实验。证明了电磁波的存在，证明了麦克斯韦的正确与伟大。似乎证明了光其实是一种电磁波的存在。具体的实验似乎是赫兹在房间的一角制造了电磁波。然后在另一角的实验仪器上面检测到了电火花。

然而。光电效应的现象。却又让人们只能把光当成一种粒子来对待：光电效应指的是，光照在金属上面，会打出电子。然而人们发现奇怪的是，光打出的电子的能量高低，和光的强度无关，而与光的频率有关。而打出电子数目的多少，与光的强度有关，而与能量无关。我们来设想一下。如果是一个连续的现象。即光是一个波打在金属上。那么波的振幅，即强度，无疑决定了打出电子的强度，而波的频率应当决定了打出的电子的数目。然而恰恰相反的现象发生了。

后来爱因斯坦看到普朗克的公式，ε=hν时，其中v是辐射电磁波的频率，h=6.62559*10^-34Js，即普朗克常数。猛然发现，如果把光当做粒子来看待，这个现象就完美的解释了。当做为粒子的光的频率高时。其能量也高。从而打出更高能量的电子。当打向金属的光子数目多。即光的强度高时。能够打出更多数目的光子。而证明光究竟是粒子。还是波的争论从牛顿和胡适。一直延续了几百年。渐渐地人们把目光转移到另一种微粒上面----电子

电子

首先介绍一下发现电子的人---J·J·汤姆森。提出了电子是分布在正电的海中的“葡萄干布丁”原子模型，即原子核像一个大蛋糕，电子就像葡萄干镶嵌在这个蛋糕上。后来卢瑟福提出了行星模型，即很多人认为的，原子核像一个太阳，核外电子像行星一样。依据自身不同的能量，在不同的轨道上面绕着原子核旋转。然而，满足行星模型的前提条件是--电子，真的是一个像行星一样的粒子才行。然而电子的双缝干涉实验似乎告诉我们电子其实是一个波，因为只有一个波才能产生干涉条纹。然而α粒子散射实验似乎又告诉我们其实电子是一个粒子。

再后来，出现了无数的科学家。德布罗意，海森堡，冯诺依曼，薛定谔，玻尔，玻恩，等等。他们最后得出的结论是---电子当你不去观测他的时候，他是以概率云的形式，出现在一个原子核的周围。而当你观测他的时候。电子迅速坍缩成为一个粒子。观测，就是量子力学的一种解释的主题。

测不准原理

这一段跟大家讲一下所谓的测不准原理，最有名的是动量和位置方差之间的关系，当然还有很多组，比如能量和时间等等，这个都不提了。动量和方差的测不准原理的公式：△x△p≥ħ/2（ħ=h/2π），△x、△p分别指测量位置与测量动量的标准差，h指的是普朗克常数。也就是说，如果你想准确的测量一个东西，比如我想把位置的概率精确到1.那么此时位置的方差为0，那么根据公式，此时动量的方差趋近于无穷大。也就是说，此时无论怎样，你都测不出来他的动量，误差永远是无穷大。换一句话说，当你把他的位置精确到一个点，那么一个电子的动量就不再有意义。也就是说。此时这个电子，不再具有动量这个属性。这就是，很多人听说过的，一个粒子，你永远要么知道他的位置，要么知道他的速度，永远不可能二者都知道。

电子的双缝干涉实验

在高中大家都可能做过双缝干涉的实验。不仅仅是光能够做，其实一个电子，说的是单独的一个电子，他也可以做双缝干涉实验，也会产生干涉条纹。之所以说电子是一个波，就是因为，如果只有一个电子，他要么经过左边的缝，要么经过右边的缝，怎么可能产生干涉呢？然而事实，一个电子依然会产生干涉条纹，这也从侧面说明了物质的波粒二象性。

然而，如果有人非要说这个电子究竟是通过了左边的缝隙还是右边的缝隙？那么很简单，我们可以在双缝上装一个仪器，完全可以检测这个电子从哪边通过。没错！就像你们猜测的那样，在双缝上面安装一个仪器可以显示电子从哪边经过时，干涉条纹消失了！此时只有荧光屏上面一个亮点的存在，这个现象说明，当你观测他的时候，他就不再是一个波，而坍缩成一个粒子了。看到这里对于怎么定义所谓的观测，完全理不出头绪，其实，这个在科学界真的没有定论！难道观测不需要人也可以导致粒子的坍缩？用仪器也可以导致粒子的坍缩？那么，人和机器的区别在哪里？

哥本哈根解释中（最主流的量子力学解释），告诉我们，仪器的确导致了粒子的坍缩。然而，如果仪器记录了电子通过的位置，此时电子不再是既通过左边，又通过右边的叠加态。

电子坍缩成了粒子，开始听了经典物理的话。然而，这种不确定性，转移给了这台仪器。也就是说，在人们观测这台仪器之前，这台仪器处于指向左边和指向右边的叠加态。知道有一个人去观测这台仪器。他才坍缩为一个具体的指向。这不是神学，如果你的头大了，那么说明，你真的读懂一部分了。好了，大家如果理解了观测和坍缩的关系，我们可以跳进一个神奇的盒子了---薛定谔的猫。

薛定谔的猫

这个实验大家应该已经很熟悉了，“薛定谔的猫”是由奥地利物理学家薛定谔于1935年提出的有关猫生死叠加的著名思想实验，我们把一只猫，放到一个盒子里面，盒子里面有一个装有***的瓶子，这个装有***的瓶子由一个任何时刻都有百分之五十概率衰变的粒子所控制，当原子衰变时，***瓶破裂，放出***，杀死这只猫。此时对于我们人类来说，在不打开这个盒子之前，整个系统则一直保持不确定性的波态，谁也不知道这只猫是死的还是活的，于是这只就猫处于生死之间，生与死的叠加态，直到有人打开这个盖子来看这只猫，（没错！这就是一个观测行为），这只猫再按概率，坍缩为一只活猫，或者一只死猫。

看到这里，有人会说这是一个悖论，其实这只猫要么是活着，要么是死了，只不过我们不知道而已，然而，事实并不是这样的，按照量子力学的规律，这只猫的确是处于生和死的叠加态，我们只有在揭开盖子的一瞬间，才能确切地知道猫是死是活，这正是这个实验的恐怖之处。

超距传输概念-量子纠缠

下面介绍一下量子中的超距传输概念，也就是所谓的，不遵循光速不可超越的一个概念，也就是击破了贝尔不等式，击碎了爱因斯坦的坚持的一个实验。我们假设，一个大的粒子，由两个小的粒子组成。在某时某刻，这个粒子突然分裂成两个小的粒子，根据动量守恒定律，这两个粒子，如果一个向左旋，那么另一个一定向右旋。然而在我们不去观测的时候，这两个粒子都处于向左旋和向右旋的叠加态。

这时，我们假设让这两个粒子慢慢飞行，一个飞行到宇宙这一头，一个飞行到宇宙的那一头。于是，这两个粒子渐渐地相距几十亿光年，上百亿光年，此时，如果我们突然观测其中一个粒子，假设得出的结果是向左旋。那么另一个粒子也会在同样的时刻，无需观测，自动坍缩，并且向右旋转。对，没错，不需要传播时间，是完全同时发生。正是这个情况证伪了贝尔不等式，从而证明了，量子的行为，是随机的，并不是存在一个扰动而我们观测不到导致量子产生了类似随机的情况。这就是量子中的超距情况。

所谓的哥本哈根解释。大家要明白的一个重点在于，量子论的中心在于叠加。电子，光子都是波和粒子的叠加态。薛定谔那只可怜的猫是生和死的叠加态。我们要抛弃的一个观念是，一个事物一定具有一个固定的状态，要么是这个要么是那个。这样的想法一定要抛弃，因为，这个世界，本身就是各态的叠加。只是宏观坍缩了而已。

最后给看过的人留一句玻尔（以上所有理论的创始人）的名言：“谁要是第一次听到量子理论时没有发火，那他一定没听懂。”