原创｜苗正 编辑｜Cong

1925年7月，距离维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）给给沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）写了一封信信，上面写满了他的碎碎念。而时至今日，我们管这封信上所提及的东西叫做——量子力学。

一百年，在人类历史的长河中不算短暂，足以让一个呱呱坠地的婴儿走完一生，也足以让一门全新的物理学理论从萌芽走向成熟，并彻底改变我们对世界的认知。然而，有趣的是，对于这门被验证得最为精确、应用也最为广泛的理论，我们似乎依然处在一种“懂了，但没完全懂”的奇妙状态。

在今天这个信息爆炸的时代，当人们遇到难以解释的现象，或是想为自己的胡思乱想披上一件科学外衣时，一句“遇事不决，量子力学”便能轻松化解一切尴尬。这句网络戏言，与其说是一种调侃，不如说精准地捕捉到了量子力学在我们心目中的形象——深奥、诡异，仿佛是科学尽头的玄学。

这门“玄学”的诞生，并非源于某位物理学家的突发奇想，而是源于一场深刻的危机，一场经典物理学大厦上空挥之不去的“乌云”。

01

量子力学的前身是什么？

故事要从19世纪末说起。那时的物理学界一片祥和，牛顿的经典力学和麦克斯韦的电磁理论珠联璧合，几乎完美地解释了从天体运行到电闪雷鸣的一切宏观现象。许多物理学家甚至乐观地认为，物理学的大厦已经基本建成，后人只需做些修修补补的工作即可。然而，就在这片晴空万里之下，两朵小小的“乌云”悄然浮现，其中一朵，便是“黑体辐射”问题。

所谓的“黑体”，是一个理想化的物理模型，它可以吸收所有照射到它上面的电磁辐射，并且在特定温度下，自身也会向外辐射能量。这听起来很抽象，但你可以把它想象成一个只开了一个小孔的密闭空腔，光线从小孔进去后，在内壁上反复反射，几乎没有机会再出来，所以这个小孔就近似于一个完美的黑体。当我们把这个空腔加热到一定温度，它就会从小孔向外辐射电磁波，就像烧红的铁块会发光发热一样。

经典物理学理论对这个现象的解释却遇到了大麻烦。根据当时的理论计算，一个被加热的黑体，在辐射能量时，应该在短波长的紫外线波段释放出无穷大的能量。这意味着，你家里的烤箱只要一打开，就会瞬间变成一个致命的紫外线炸弹，把周围的一切都摧毁。这显然与事实严重不符，物理学家们将这个理论上的灾难称为“紫外灾变”。这朵小小的乌云，预示着一场颠覆性的风暴即将来临。

就在物理学界一筹莫展之际，1900年，一位名叫马克斯·普朗克（Max Planck）的德国物理学家，以一种近乎“作弊”的方式解决了这个问题。他提出了一个大胆到近乎疯狂的假设：能量的传递不是连续不断的，而是一份一份的，就像水流是由一个个水分子组成的一样。他将这每一份不可再分的最小能量单位，称为“能量子”（quantum），其大小与辐射的频率成正比，比例系数就是后来以他名字命名的普朗克常数（h）。

普朗克的这个假设，在当时看来是毫无道理的，他自己也觉得这只是一个为了凑出正确公式而使用的数学技巧。他本意是想在推导完成后，再让这个“能量子”的数值趋近于零，从而回归到经典物理的连续世界。然而，他失败了。只有当能量被假设为一份一份地发射和吸收时，计算结果才能与实验数据完美吻合，“紫外灾变”的噩梦也随之烟消云散。量子时代的大门，就这样被一位内心充满矛盾的物理学家，不情不愿地敲开了一道缝。

真正将这道缝隙猛然推开，让量子的幽灵从潘多拉魔盒中一跃而出的，是五年后的阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）。1905年，这个后来以相对论闻名于世的年轻人，发表了一篇关于光电效应的论文。光电效应是指用特定频率的光照射金属，会从金属表面打出电子的现象。经典电磁理论再次失灵，它无法解释为什么只有当光的频率高于某个阈值时才会发生光电效应，也无法解释为什么增加光的强度并不能让被打出的电子能量更高，而只能增加电子的数量。

爱因斯坦敏锐地抓住了普朗克的“能量子”概念，并将其推向了极致。他提出，光本身就是由一份一份的、不连续的“光量子”（后来被称为光子）组成的。每一份光子的能量，就等于普朗克常数乘以光的频率。这样一来，光电效应的谜团便迎刃而解：一个光子只能把能量交给一个电子，光子的能量足够大（即频率足够高），电子就能挣脱束缚跑出来；而光的强度，只代表光子的数量，数量越多，能打出的电子自然也就越多，但单个电子获得的能量并不会增加。

这个解释是如此的简洁和优美，但它所揭示的图景却令人不安。光，这个在麦克斯韦理论中被完美描述为电磁波的东西，现在居然又表现出了粒子的特性。波和粒子，这两个在经典物理中水火不容的概念，在光的身上奇迹般地统一了。这种“波粒二象性”，成为了量子世界的第一条基本法则，也为后来的物理学家们挖下了第一个深不见底的“大坑”。

在接下来的十几年里，量子理论在丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）的带领下，取得了进一步的发展。玻尔将量子的概念引入了原子结构，提出了一个类似于太阳系的原子模型。在这个模型中，电子像行星一样，围绕着原子核在特定的“轨道”上运行。与经典行星不同的是，这些轨道不是任意的，而是量子化的，电子只能在这些特定的轨道上待着，在轨道之间跃迁时，就会吸收或辐射出特定能量的光子。

玻尔的模型成功地解释了氢原子光谱的规律，取得了巨大的成功。然而，这个模型本身却充满了内在的矛盾。它像一个“缝合怪”，一半是经典物理的轨道概念，一半是量子化的能量假设。它规定电子在特定轨道上不辐射能量，这完全违反了麦克斯韦的电磁理论（一个做加速运动的电荷必然会辐射电磁波，从而失去能量，最终螺旋式地坠入原子核）。

它就像在说：“电子在这里必须遵守量子法则，但在那里又要听从经典安排。”这种解释显然不能让追求和谐与统一的物理学家们满意。更重要的是，当试图将这个模型应用于更复杂的原子时，它就彻底失效了。

02

矩阵力学的诞生

经典物理的大厦已经摇摇欲坠，一个新的、自洽的理论框架亟待建立。而完成这一历史使命的，正是一位年仅23岁的德国青年——维尔纳·海森堡。

时间回到1925年的夏天。饱受花粉热折磨的海森堡，来到了一座名为赫尔戈兰岛（Helgoland）的北海小岛上疗养。在这里，远离了城市的喧嚣和学术的纷扰，他终于可以静下心来，直面那个困扰物理学界的核心问题。他意识到，玻尔模型的根本问题在于，它试图去描述一些我们根本无法直接观察到的东西——比如电子的“轨道”。谁真正见过电子在原子里绕圈跑？我们能观察到的，只是原子吸收和辐射出来的光谱线，这些光谱线的频率和强度，才是实验给出的真实数据。

这个想法如同一道闪电，照亮了前路。海森堡决定，必须彻底抛弃那些源于经典物理的、先入为主的直观图像，比如“轨道”、“位置”、“速度”等，转而寻找一种新的数学语言，只用来描述那些真正可以被测量到的物理量，比如光谱线的频率和强度。他在一封写给好友兼学术对手沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）的信中，毫不掩饰自己的雄心壮志：“我所有的可怜努力，都旨在彻底扼杀‘轨道’这个概念——毕竟它无法被观察到——并用更合适的东西取而代之。”

在赫尔戈兰岛的那些日子里，海森堡发展出了一套全新的、极其抽象的数学方案。他发现，描述原子中电子状态的物理量，其乘法运算不满足交换律，也就是说 A x B ≠ B x A。这在我们的日常经验中是不可思议的（3 x 5 当然等于 5 x 3），但在数学中，有一种工具恰好具有这种性质——矩阵。

海森堡自己当时对矩阵理论并不熟悉，但他的想法，经过马克斯·玻恩（Max Born）、帕斯库尔·约尔当（Pascual Jordan）以及泡利本人的完善，最终发展成了量子力学的第一个成熟版本——矩阵力学。

矩阵力学的诞生，标志着现代量子力学的正式确立。它彻底告别了对经典图像的依赖，用纯粹的、抽象的数学构建了一个全新的物理世界。在这个世界里，物理系统的状态不再由确定的位置和动量来描述，而是由一个名为“波函数”的数学对象来描述。这个波函数包含了系统所有可能状态的信息。

当我们进行一次测量时，比如说测量一个电子的位置，波函数就会“坍缩”，从包含无数可能性的叠加状态，随机地选择一个确定的结果呈现给我们。

这就引出了量子力学最令人费解的几个核心特征。

首先是“叠加态”（Superposition）。在测量之前，一个量子系统可以同时处于多种可能的状态的叠加之中。最著名的思想实验莫过于“薛定谔的猫”：一只猫被关在一个盒子里，盒子里有一个放射性原子、一个盖革计数器和一个毒气装置。原子在未来一小时内有50%的概率衰变，如果衰变，就会触发计数器，打碎毒气瓶，猫就会被毒死。

在不打开盒子观察的情况下，根据量子力学的描述，整个系统（原子+猫）就处于一种“衰变/未衰变”和“死/活”的叠加状态。也就是说，那只猫既是死的，又是活的。这听起来荒谬绝伦，但在微观世界里，无数实验已经证实了叠加态的真实存在。这就像一枚在空中旋转的硬币，在它落地之前，你不能说它是正面还是反面，它就是“正面+反面”的叠加状态，只有当你用手接住它（进行测量）的那一刻，它才会给你一个确定的答案。

其次是“测量问题”（Measurement Problem）。为什么我们的“观察”或“测量”这个行为，有如此大的魔力，能让一个飘忽不定的叠加态瞬间“坍缩”成一个确定的现实？“观察者”到底扮演了什么角色？难道宇宙的实在性，取决于我们是否在看它？这个问题至今仍在困扰着物理学家和哲学家。

爱因斯坦对此深恶痛绝，他曾经质问玻尔：“难道你真的相信，月亮只有在我们看着它的时候才存在吗？”玻尔的回应则充满了量子神韵：“你怎么能证明，在你没看它的时候它就在那里呢？”这场旷日持久的“玻爱之争”，本质上就是经典世界观与量子世界观的根本冲突。

然后是“不确定性原理”（Uncertainty Principle），也叫“测不准原理”，这是海森堡的另一个杰作。它指出，我们不可能同时精确地知道一个粒子的某些成对的物理量，比如位置和动量。你把它的位置测量得越精确，它的动量（可以理解为速度）就越不确定；反之亦然。这并非测量技术不够好，而是微观粒子内禀的、不可消除的属性。想象一下，你要看清一个微小的尘埃，你必须用光去照它。

但对于一个电子来说，哪怕是能量最小的一个光子，撞在它身上也像一颗炮弹打在一粒沙子上，瞬间就把它撞飞了，它的动量立刻就改变了。你看到了它这一刻的位置，却永远失去了它这一刻的动量信息。不确定性原理彻底粉碎了经典物理学中那种决定论的梦想。在经典世界里，只要你知道一个物体初始的位置和速度，以及它受到的力，你就能精确地计算出它未来任何时刻的状态。但在量子世界里，未来在本质上是不可预测的，我们最多只能谈论概率。上帝，似乎真的在掷骰子。

最后，也是最诡异的，是“量子纠缠”（Quantum Entanglement）。当两个或多个粒子以某种方式相互作用后，它们就可能形成一个纠缠系统。无论它们相隔多远，哪怕一个在地球，一个在宇宙的另一端，它们的状态都会瞬间相互关联。如果你测量其中一个粒子的状态，比如自旋是“上”，那么另一个粒子的自旋就会瞬间变成“下”，反之亦然。这种超距的、瞬时的关联，被爱因斯坦嘲讽为“鬼魅般的超距作用”（spooky action at a distance），因为它似乎违反了相对论中光速是信息传播速度上限的规定。

然而，大量的实验，尤其是贝尔不等式的检验，已经无可辩驳地证明了量子纠缠的真实存在。当然，纠缠本身并不能用来超光速传递信息，因为你无法控制测量的结果是“上”还是“下”，结果是随机的，你只有在事后通过经典信道（比如打电话）对比双方的测量结果，才能发现那种奇妙的关联性。尽管如此，这种非定域的实在性，依然是量子力学最深刻、最挑战我们直觉的谜题之一。

就这样，在海森堡、薛定谔、狄拉克等一代天才的努力下，到了20世纪30年代，量子力学的理论大厦基本建成。它以其怪异、抽象和反直觉的特性，让所有试图理解它的人都头疼不已。据说，连玻尔都曾说过：“如果谁不对量子力学感到困惑，那他就是没搞懂量子力学。”然而，就是这样一个令人困惑的理论，在接下来的几十年里，却以前所未有的精确度，解释和预测了无数的物理现象。

它与狭义相对论结合，诞生了量子场论，并最终发展成了粒子物理学的“标准模型”。这个模型以惊人的精度描述了构成我们世界的基本粒子（如夸克、轻子）以及它们之间的三种基本相互作用力（强核力、弱核力和电磁力）。

从原子弹的爆炸，到半导体晶体管的发明；从医院里的核磁共振成像，到我们每天都在使用的激光和计算机，几乎所有20世纪的重大技术发明，都深深植根于量子力学的土壤。可以说，我们生活在一个由量子力学支撑起来的现代文明之中，但我们对这个支撑的根基，却依然感到陌生和困惑。

03

我们仍未理解什么是量子力学

一百年过去了，我们对量子力学的理解取得进展了吗？答案是肯定的，但又是否定的。

从实践层面来看，我们对如何“使用”量子力学已经达到了炉火纯青的地步。我们能够精确地计算各种量子过程的概率，设计出能够操控单个原子的实验装置。

近年来兴起的量子计算和量子通信，更是将我们对量子世界的操控能力提升到了一个全新的高度。量子计算机利用叠加态和纠缠态，有望在处理某些特定问题上，实现对经典计算机的指数级超越。量子通信则利用纠缠的特性，可以实现理论上绝对安全的加密通讯。这些新兴的“量子技术”，正预示着第二次量子革命的到来。

然而，从理论和哲学的层面来看，那些困扰第一代量子先驱们的根本问题，至今仍然悬而未决。我们依然没有就量子理论的真正含义达成共识。

那个神秘的“波函数”，它到底是一个真实存在的物理实体，还是仅仅代表了我们对系统所掌握的知识？当我说“薛定谔的猫”处于死活叠加态时，是真的有一只既死又活的猫在盒子里，还是说这只是表达了“我不知道它是死是活”这个事实？

“测量”这个行为的本质到底是什么？为什么宏观的测量仪器一介入，微观的量子叠加态就消失了，世界就从模糊的概率云变成了确定的经典现实？这个宏观与微观的边界到底在哪里？我们这些由大量原子组成的“观察者”，本身不也是量子系统吗？用一个量子系统去测量另一个量子系统，为什么会产生如此戏剧性的“坍缩”？

为了回答这些问题，物理学家们提出了各种各样的“诠释”。

最“正统”的，是玻尔等人提出的“哥本哈根诠释”。它采取一种非常实用的态度，认为我们不应该去追问那些无法被实验验证的“实在”，物理学的任务就是描述和预测测量结果。波函数不是物理实在，只是一个计算工具。“坍缩”就是发生了，别问为什么。这种“闭嘴，计算！”的态度在很长一段时间里主导了物理学界，因为它确实非常有效。

但总有一些不甘心的人。休·埃弗雷特三世（Hugh Everett III）提出了一个更为大胆的“多世界诠释”。他认为，波函数永远不会“坍缩”。每次进行量子测量时，宇宙就会分裂成多个平行的分支，每个分支对应一个可能的结果。在你打开盒子的那一刻，宇宙分裂成了两个：一个宇宙里你看到了活猫，另一个宇宙里你看到了死猫。

这两个宇宙中的“你”，都认为自己所在的世界是唯一真实的。这个诠释避免了“坍缩”的难题，但代价是承认存在着无数个我们永远无法感知的平行宇宙。这个想法听起来像是科幻小说，但在逻辑上却是自洽的，并且得到了一些顶尖物理学家的支持。

此外，还有像德布罗意-玻姆理论这样的“隐变量理论”，它认为量子力学的不确定性只是表象，背后还存在着我们尚未发现的“隐变量”，是这些变量决定了粒子的确定性行为，就像掷骰子的结果虽然看起来随机，但实际上是由你出手时的力道、角度等一系列经典因素精确决定的。然而，贝尔不等式的实验结果，已经给大多数定域的隐变量理论判了死刑。

一百年过去了，我们就像一群盲人，摸到了一头名叫“量子”的大象。有人摸到了象腿，说它像柱子；有人摸到了象鼻，说它像管子；有人摸到了象身，说它像一堵墙。我们每个人都掌握了部分真理，我们能用这些零散的知识去预测大象的行为，甚至利用它来干活，但我们始终无法在脑海中拼凑出这头大象完整的、清晰的样貌。

海森堡在他那封具有历史意义的信件的结尾，谦虚而又充满希望地写道：“也许那些比我更有能力的人，能够赋予它（指他的理论）一些合理的意义。” 一个世纪过去了，一代又一代“更有能力的人”投身于这项事业，我们依然在努力实现他的梦想。

或许，问题的根源在于，我们总是试图用我们这颗在宏观经典世界里进化出来的大脑，去理解一个完全不符合宏观直觉的微观世界。我们的语言，我们的概念，我们的逻辑，都深深地烙上了经典世界的印记。我们试图用“粒子”、“波”、“轨道”这些词汇去描述一个既不是粒子也不是波，更没有轨道的东西。我们遇到的困难，可能不是物理本身的困难，而是我们思维和语言的局限。

但无论如何，正如欧洲核子研究中心（CERN）在纪念量子力学一百周年时所说的那样：“在赫尔戈兰岛上点燃的那场对话，远未结束。” 这场对话，在过去的一百年里，催生了人类历史上最成功的科学理论，重塑了我们的物质世界和生活方式。而在未来的岁月里，它无疑将继续带来新的谜题、新的思想和新的技术。

所以，下一次当你再听到“遇事不决，量子力学”时，除了会心一笑，或许还可以多一分敬畏。因为这句玩笑话的背后，是一百年间人类最智慧的头脑们所进行的艰苦卓绝的探索，是一场至今仍在继续的、关于世界最深层实在的伟大追问。我们或许永远无法用日常语言“搞懂”量子力学，但这并不妨碍我们去欣赏它的深邃、它的奇诡，以及它所带来的、超乎想象的力量。而这，本身就是科学最迷人的魅力所在。