一个世纪的量子力学质疑现实的基本性质

科学家就像探矿者，挖掘自然世界，寻找关于物理现实的知识宝藏。在刚刚过去的一个世纪里，科学家们进行了足够深入的挖掘，发现现实的基础并不反映日常生活中的世界。从根本上说，现实是由一组被称为量子力学的神秘数学规则来描述的。

量子力学构想于20世纪之交，然后在20年代中期以其完整形式出现，是解释物质的数学。这是描述微观世界物理学的理论，原子和分子在微观世界中相互作用以产生人类体验的世界。它是使刚刚过去的世纪与之前的世纪截然不同的一切事物的核心。从手机到超级计算机，从DVD到pdf，量子物理学推动了当今以电子为基础的经济，改变了商业、通信和娱乐。

但是量子理论教给科学家的远不止如何制造计算机芯片。它告诉我们现实并不像看起来那样。

“现实的基本性质可能与我们熟悉的物体在太空中移动并相互作用的世界截然不同，”物理学家肖恩卡罗尔在最近的一条推文中表示。“我们不应该自欺欺人地把我们所经历的世界误认为是世界的真实面目。”

在一篇支持他的推文的技术论文中，卡罗尔指出，量子理论由描述数学实体漫游于可能自然事件的抽象领域的方程式组成。卡罗尔认为，这种数学可能性的量子领域代表了现实的真实、基本性质，这似乎是合理的。如果是这样，那么我们感知到的所有物理现象都只是对真实情况的“更高层次的涌现描述”。

Carroll承认，普通空间中的“紧急”事件以它们自己的方式是真实的，只是不是根本性的。他说，相信“空间领域”是基本的“更多的是方便和惯例问题，而不是原则问题”。

Carroll承认，他的观点并不是看待量子数学意义的唯一方式，而且大多数物理学家并不完全认同。但每个人都同意量子物理学彻底改变了人类对自然的理解。事实上，对历史的公正解读表明，自从古希腊人摒弃了对自然现象的神话解释，转而支持逻辑和理性以来，量子理论是科学现实概念中最引人注目的转变。毕竟，量子物理学本身似乎违背了逻辑和理性。

事实证明，在微观世界中——在感官无法触及的地方——现象以奇幻的规则在玩游戏。物质的基本粒子不是微小的岩石，而更像是幽灵般的波浪，它们维持着多种可能的未来，直到被迫假设物质的亚原子等价物。因此，量子数学并不像牛顿科学所坚持的那样描述事件的无情因果序列。相反，科学从独裁者转变为奇数制造者;量子数学只给出不同可能结果的概率。一些不确定性总是存在的。

量子不确定性的发现首先让世界对量子革命的深度印象深刻。1927年，德国物理学家维尔纳·海森堡(WernerHeisenberg)震惊科学界，发现确定性因果物理学在应用于原子时失败了。海森堡推断，同时测量亚原子粒子的位置和速度是不可能的。如果你精确地测量了一个，那么另一个就仍然存在一些不确定性。

正如《科学新闻》的前身《科学新闻快报》在1929年报道的那样，“一个粒子可能有一个确切的位置或一个确切的速度，但它不能同时拥有这两者。”“粗略地说，新理论认为机会主宰着物理世界。”海森堡的不确定性原理“注定要在比爱因斯坦的相对论更大的程度上彻底改变科学家和外行持有的宇宙观念。”

海森堡的突破是一系列量子惊喜的结晶。首先是德国物理学家马克斯·普朗克(MaxPlanck)于1900年发现，光和其他形式的辐射只能以离散的数据包形式被吸收或发射，普朗克称之为量子。几年后，阿尔伯特·爱因斯坦争辩说，光也以数据包或粒子(后来称为光子)的形式在空间中传播。许多物理学家认为这种早期的量子线索无关紧要而不予考虑。但在1913年，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔用量子理论解释了原子的结构。很快，世界意识到现实需要重新审视。

到1921年，对量子革命的认识已经开始扩展到物理学会议之外。在那一年，科学新闻公报(科学新闻的第一版)发布了美国物理化学家威廉·D·哈金斯(WilliamD.Harkins)对辐射量子理论的“被认为是第一个流行的解释”。他宣称量子理论比相对论“具有更实际的重要性”。

“由于它关注物质与辐射之间的关系，”哈金斯写道，量子理论“对于我们所知的几乎所有过程都具有根本意义。”电、化学反应以及物质对热的反应都需要量子理论的解释。

至于原子，传统物理学断言原子及其组成部分可以“以多种不同的方式”移动，哈金斯说。但量子理论认为，“在旧理论规定的所有运动状态(或运动方式)中，只有一定数量的确实发生了。”因此，以前认为“作为连续过程发生的事件，实际上确实是分步发生的”。

量子理论“对我们所知的几乎所有过程都具有根本意义”。

威廉·哈金斯

但在1921年，量子物理学仍处于萌芽状态。它的一些含义已经被辨别出来，但它的完整形式在细节上仍然没有得到发展。1925年，海森堡首先将令人费解的混乱线索转化为连贯的数学图画。他的决定性进步是开发了一种使用矩阵代数表示原子中电子能量的方法。在德国物理学家MaxBorn和PascualJordan的帮助下，海森堡的数学被称为矩阵力学。此后不久，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔开发了一个电子能量的竞争方程，将假定的粒子视为由数学波函数描述的波。薛定谔的“波力学”在数学上等同于海森堡基于粒子的方法，

尽管如此，还是有些混乱。目前尚不清楚将电子描绘​​成粒子的方法如何等同于假设电子是波。玻尔当时被认为是世界上最重要的原子物理学家，他深入思考了这个问题，并在1927年得出了一个他称之为互补性的新观点。

玻尔认为粒子和波的观点是互补的。两者对于完整描述亚原子现象都是必要的。一个“粒子”——比如一个电子——是否表现出波或粒子性质取决于观察它的实验装置。设计用于寻找粒子的设备会找到粒子;用于检测波浪行为的设备会发现波浪。

大约在同一时间，海森堡推导出了他的测不准原理。正如不能在同一个实验中观察到波和粒子一样，位置和速度也不能同时精确测量。正如物理学家WolfgangPauli评论的那样，“现在它成为了量子理论的新时代。”