著者：黄媂 / 黄姤

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宇宙究竟是由什么组成的呢？

• 牛顿对宇宙组成的认知是它由空间、时间和粒子组成。
• 法拉第和麦克斯韦的期间，宇宙认知体系里多了一个 「场」的观点，重要是指电磁场，天下不再只是由空间中的粒子构成，而是由空间中的粒子和场构成。
• 爱因斯坦·狭义相对论的期间，空间和时间归并到一路，宇宙由时空引力场，电磁力场和粒子组成。
• 爱因斯坦·广义相对论期间，我们对宇宙由什么组成的看法被再次革新，时空和场是一回事，宇宙的组成就只剩下两个工具——场和粒子。

探究宇宙的进程还远远没有完结，由于物理学中另有别的一个“怪兽”，它便是今日本文的仆人公——「量子力学」。

广义相对论与量子力学，二者有着很深的内部抵牾，20世纪物理学的两大支柱，广义相对论是一块坚固的宝石，它由爱因斯坦一小我私家综合过往的理论构想而成，是关于引力、空间和时间，简便而自洽的理论。 「量子力学」则恰好相反，是颠末几十年漫长的酝酿，有很多科学家做出奉献，举行了大量的试验才终极形成的。「量子力学」在试验上取得了非常大的乐成，带来了转变我们平常生存的应用，好比您此时现在正在利用的手机，但实在它已经诞生了一个多世纪，还仍旧由于它艰涩难明，而不被大众了解。

关于量子力学的科普文章有许多，我在这篇文章从3个方面只管即便给您简洁的讲清晰什么是「量子力学」，这3个方面分别是：分立性、不确定性和联系关系性。

【量子力学第1块基石·分立性】

「量子力学」诞生于1900年，一名叫做马克斯·普朗克的科学家产时实验盘算热均衡态的箱子里电磁波的数目，试验效果是出来了，但是他要设计出一个公式来切合这个试验效果，普朗克终极利用了一个看似没有多大意义的小本领，他假设电场的能量因此量子安排的，也便是“一小包的能量”，他假定每包能量的巨细取决于电磁波的频率，这个频率也便是光的颜色，对付频率V，V的波，每个量子大概是每个波包的能量是「E=H×V」，这个公式便是「量子力学」的出发点。H·是一个新的常数，今日我们称之为普朗克常数，它决定了频率为V的辐射每包有几多能量，常数H决定了统统量子征象的最小标准。

图解：量子力学的出发点·「E=H×V」

能量是一包一包的这个看法和其时人们的认知大相径庭，其时家人们都以为能量会以一连的方法改变，把能量看做一份一份的彷佛是毫无原理，对普朗克来说把能量看作有限巨细的波包只是一个数学上的本领，可巧了对盘算有效，也便是可以重实际验室的丈量效果，至于缘故原由他却完全不明确。

5年之后是爱因斯坦了解了普朗克的能量包现实上真的存在，这是他在1905年寄给《物理学年鉴》的三篇文章中，第三篇的主题便是量子理论真正的诞生之日。爱因斯坦说光的确是由小的颗粒，也便是光的粒子构成的，他研究了一个已经被观察过的征象，也便是光电效应，有些物质在被光照耀的时间，会孕育发生薄弱的电流，也便是说有光照耀它们的时间会放射出电子，由于光具有能量，它的能量让电子从原子里跳出去，是它推了电子一把，但是有一点很惊奇，按理说，假如光的强度很小，也便是光芒很弱，那么电子跳跃的征象就不会产生，假如光的强度够大，也便是光非常的亮，那么征象就会产生，这个听起来通情达理，可究竟上却不是如许。

观察的效果是——只有当光的频率很高的时间，征象才会显现，假如频率很低就不会，也便是说征象是否产生取决于光的颜色，也便是频率，而不是它的强度，用通常的物理学没有方法解说这一点。

爱因斯坦利用了普朗克“能量包”的观点，早先能量的巨细取决于频率，他还意识到假如这些能量包真的存在，就可以对光电效应做出解说，你可以想象一下，光以能量微粒的情势显现，假如击中电子的单一微粒具有很大的能量，电子就会被推出原子，依据普朗克的假说——假如每个微粒的能量由频率决定，那么只有频率充足高的时间征象才会显现，也便是说必要单个微粒的能量够大，而不是总的能量。

举例阐明：

就犹如下冰雹的时间，您的车是不是会被砸出凹痕，这不取决于冰雹的总量，而是由单个冰雹的巨细决定的，或许会有许多冰雹，但假如全部的冰雹都很小，也不会对车造成什么破坏。

同样，纵然光的总强度很强，但是单个光微粒太小，也便是光的频率太低的话，电子也不会从原子中被引发出来，这就解说了为什么是颜色，而不是强度决定了光电效应是否会产生，只要有一小我私家想通了这一点其他人了解起来就不难了，难的是第1个想通这点的人，今日我们把这些能量包称为光子，它是光的微粒、也是光的量子。

爱因斯坦他在文章中如许说——假如我们假设光的能量在空间中的漫衍是不一连的，我们就能更好地了解关于黑体辐射、荧光、紫外线孕育发生阴极射线以及其他一些有关光的孕育发生和转化的征象。依据这个假说，从点光源放射出的一束光芒的能量，并不会在越来越广的空间中一连漫衍，而是由有限数量的能量量子构成，它们在空间中呈点状的漫衍作为能量放射和汲取的最小单位，能量的量子不行以再分。

爱因斯坦在1905年完成了关于普朗克活动的事情，他先是找到了原子假说的实例，也便是物质的分立布局，接着他把这个假说运用到了光学，光也必然存在分立布局，一开始爱因斯坦提出的这个看法被他的同事视为年轻人的任性，大家都赞扬他的相对论，但以为光子的观点旷古怪了，当时候的科学家才刚被说服，光是电磁场中的波，它怎么大概是由微粒组成的呢？其时最良好的物理学家们给德国当局写信推举爱因斯坦，以为他应该在柏林得到传授的席位，信中写到这个年轻人极其的睿智，即便他犯了点错误，好比说光子的观点，也是可以被包涵的，但是几年之后照旧这些同事为他发表了诺贝尔奖，恰好是由于他们了解了光子的存在。

但是更大的题目相继而来了，要了解光为什么同时是电磁波同时又是一群光子，就必要构建全部的量子力学，但这个理论的第1块基石已经被奠基了，在统统物体包罗光之中存在着根本的分立性，不外接下来的事情根本上就不属于爱因斯坦了，下一个要登场的人叫做尼尔斯·波尔。

波尔在20世纪的前10年他引领了理论的进展，波尔研究了活着纪之交的时间，人们开始探究的原子布局，试验评释了原子就像一个小型的太阳系，质量都会合在中间很重的原子核上，很轻的电子围围着原子核活动，就像行星围围着太阳转，然而这个模子却没有方法解说一个简洁的究竟——物质为什么会有颜色呢？面粉是白色的，菜是绿色的，这是为什么呢？

研究原子放射的光，很显着物质都有特定的颜色，由于颜色是光的频率，光由物质以特定的频率放射，刻画特定物质频率的聚集，被称为这种物质的光谱，光谱便是差别颜色光芒的聚集，当时候许多试验研究了很多物质的光谱并举行分类，但是没有人能解说为什么差别物质会有如许大概那样的光谱，是什么决定了这些线条的颜色呢？

颜色被光的频率所决定，也便是放射光的电荷的振动所决定，这些电荷便是原子内活动的电子，以是通过研究光谱，可以搞清晰电子是如何围着原子核活动的，反过来，通过盘算让原子核活动电子的频率，也可以预言每种原子的光谱，这个提及来简洁，但是操纵上却没有人能做得到，现实上整件事变看起来都非常的不行思议，由于在牛顿的力学中，电子可以或许以任何速率围着原子核活动，是以可以放射任何频率的光，那为什么原子放射的光不包罗全部的颜色，而只包罗特定的几种颜色呢？为什么原子的光谱不是一个一连谱而是几条分散的线呢？用专业术语来说，为什么是分立的而不是一连的。

几十年来物理学家彷佛都没有方法找到答案，波尔通过一个惊奇的假设找到了一种办理方法，他发觉假如假定原子内电子的能量只能是特定的量子化的值，就犹如普朗克和爱因斯坦假设光量子的能量是特定的值一样，那么统统就可以解说得通了，要害之处又是分立性，但是此次不是光的能量，而是原子中电子的能量，不止光子有分立性，电子也有分立性。

【量子力学第第2块基石·不确定性】

波尔假设电子只能在离原子核特定的间隔处存在，也便是说只能在特定的轨道上，这个标准由普朗克常数·H决定，电子可以在能量许可的情形下，从一个轨道跳跃到别的一个轨道，这个便是闻名的量子跃迁，电子在这些轨道活动的频率决定了发出的光的频率，由于电子只能处于特定的轨道，以是只能放射特定频率的光。通过这些假设，波尔盘算了全部原子的光谱，乃至正确预言了还没有被观察到的光谱。但是为什么只能有特定的轨道呢？说电子跃迁又是什么意思呢！

在波尔的哥本哈根研究所，人们实验给原子天下中这种离奇的举动造成的杂乱给予秩序，并创建一个规律精密的理论，研究举行得非常的困难，旷日长期，直到一个年轻的德国人找到了要害的那把钥匙，他叫做维尔纳·海森堡。海森堡思索——电子凭什么必然要根据我们能了解的方法来运行呢？假如电子便是可以消逝，又忽然显现，又怎么样呢？再进一步，假如电子只有在相互举行作用的时间与其他物体碰撞的时间它才显现呢？假如说在两次相互作用之间，电子并没有确定的位置呢？依据这个假想，海森堡连忙投入的盘算，他得到了一个让人不安的理论，在对粒子活动举行根本形貌的时间，并不克不及形貌粒子在恣意时候的位置，而只能形貌它在某些刹时的位置，也便是粒子和其他物质相互作用的那些刹时，这便是——量子力学的第2块基石。

图解：电子跃迁

最难了解的要点是事物之间相干性的那一壁，电子不是始终存在，而是在产生相互作用的时间才存在，也便是和其他工具碰撞的时间才会显现，电子便是从一个相互作用到另一个相互作用跃迁的聚集，当没有工具扰动它的时间，电子不存在于任何地方，海森堡写出了一个数字的表格，也便是——「矩阵」。但是他的矩阵在盘算的时间比力难用，厥后又是一个20多岁的年轻人接棒了海森堡的事情，并创建了完备的情势和数学框架，这小我私家便是保罗·狄拉克，他被以为是继爱因斯坦之后20世纪最巨大的物理学家。

在狄拉克的手里，「量子力学」从混乱无章的灵感、不完备的盘算、含糊而玄学的商议、见效却让人费解的方程酿成了一个完善的体系，既优雅又简便。狄拉克的「量子力学」是全部工程师、化学家、分子生物学家都要利用的数学理论，此中的每个物体都由抽象的空间来界说，除了那些稳定量，好比质量之外，物体自身再没有其他的属性，位置啊、速率啊、角动量等等，只在碰撞，也便是和另一个物体相互作用的时间本领有着实性，就像海森堡意识到的那样，不但是位置无法被界说，在两次相互作用之间物体的任何变量都没有方法被界说，这便是「量子力学」的第2个方面——「相干性」。

但是，物理学和其他学科格外大的一个区别便是它不但是要能解说事变，还一定要能猜测事变，「量子力学」也提供了一个紧张的信息，它报告我们鄙人一次相互作用中我们会观察到什么样的数值，但是它不克不及给出一个确定的结论，而是只能以概率的情势，这就来到了「量子力学」的第3个特点——「不确定性」。

【第3块基石·不确定性】

我们没方法确切地知道电子会在那边显现，但是我们可以盘算它显现在这里大概那边的概率，这个和牛顿理论相比是一个基础性的改变，在牛顿的理论中，原则上我们可以正确地猜测将来，而「量子力学」把概率带入了事物演化的焦点，这种不确定性是「量子力学」的第3块基石。人们发觉概率在原子层面起作用，假如我们拥有关于初始数据的充实信息，牛顿的物理学就可以对将来举行精准的猜测，但是在「量子力学」里纵然我们可以或许举行盘算，也只能盘算出概率来，这种微小标准上决定论的缺失是大天然的素质，电子不是由大天然决定向左照旧向右活动，它是随机的，

宏观天下外貌上的决定论只是因为微观天下的随机性根本上会相互抵消，只剩下微小的涨落，我们在平常生存中基础没方法察觉到这个涨落，狄拉克的「量子力学」许可我们做两件事变：

• 第1件事：盘算一个物理量可以取哪些值，当一个物体和其他物体相互作用的时间，能盘算出的是在相互历程中物理量可以取得值。
• 第2件事：盘算一个物理量的某个值，鄙人一次相互作用中显现的概率，但是在两次相互作用之间产生了什么事，理论并没有提及，它基础不存在。

我们可以把某个位置找到电子或其他任何粒子的概率想象成一块弥散的云，这个云越厚发觉粒子的概率就越大，有那么几十年时间对物理学家来说就犹如每天都是过节一样，每一个新题目都可以通过「量子力学」的方程得到答案，并且答案总是精确的。

举例阐明：

在19世纪到20世纪之间，化学家们明确了全部差别的物质都是由少量简洁的元素联合到一路形成的，好比说氢、氦、氧等等一向到铀，门捷列夫把这些元素根据次序分列在闻名的元素周期内外，这张表总结了构成天下的元素的属性，但是为什么是这些特定的元素呢？为什么每种元素都有特定的属性而不是其他的属性呢？为什么这些属性会产生周期性的改变呢？而当人们引入「量子力学」方程的时间，就发觉这个方程有必然的数目解，这些解恰好对应着氢、氦、氧和其他全部的元素，门捷列夫的元素周期表便是这些解的分列，每一种元素的属性都是方程的一个详细的解，「量子力学」完善破解了元素周期表布局的神秘，化学这个学科无穷的庞大性仅仅用一个方程的解就给出了全部的解说。

将「量子力学」表述为一个方程之后不久，狄拉克就意识到这个理论可以直策应用到「场」，好比电子场而且可以切合狭义相对论，狄拉克发觉对天然的形貌可以进一步深度地简化，将牛顿利用的粒子观点和法拉第引入的场的观点融合到一路，在两次相互作用之间陪同着电子的概率云，实在真的很像一个场。而法拉第和麦克斯韦的场恰好反过来是由粒子组成的，不但是粒子像场一样布满在空间里，场也像粒子一样举行相互的作用，这就犹如只有场没有电磁征象显现的时间，我们观看不到场的存在，但你不克不及说场就不是着实的，到此被法拉第和麦克斯韦支解开来的场和粒子的观点终极在「量子力学」中融合在一路。

狄拉克的方程决定了一个物理量可以取得值，把它应用到法拉第粒线的能量，就会得出这个能量只能取特定的值，不克不及取其他的值，因为电磁场的能量只能取特定的值，场就像是能量包的聚集，这个恰恰便是普朗克和爱因斯坦在30年前引入的能量量子化，一个理论的圆环就此闭合。

狄拉克写出的理论方程，解说了普朗克和爱因斯坦凭直觉意会到的“光的分立天性”，电子和其他组成天下的粒子都是场的量子化，与狭义相对论相容的量子理论普通被称为量子场论，它组成了今日粒子物理学的底子，不外量子场论和广义相对论的相容性到今日还没有被办理。

【量子场理论】

量子场论的尺度模子完成于20世纪70年月，也许有15种场，它们的量子是根本的粒子，也便是电子、夸克、介子、中子、希格斯粒子等等，它们可以形貌电磁力和其他在原子核标准运作的力，这个尺度模子终极没有被很专心地对待，它有点像是东拼西凑出来的一个工具，和广义相对论和麦克斯韦方程大概狄拉克方程的优雅简便大相径庭，不外让人不测的是，它的全部猜测都被证明了，到此为止关于宇宙由什么组成，我们的看法再一次被革新——宇宙并不是由粒子和场构成的，而是只有一种实体「量子场」。再也没有随着时间流逝在空间中活动的粒子了，存在的只有量量子场，全部的粒子便是量子场中产生的变乱，这些变乱产生在时空之中。

举例阐明：

假设你的桌子上的放着许多的线，这个线你就可以了解为场，如今你不要在上方俯视这个桌子，而是在桌子恰好的正侧面看这个桌面，由于线很细，你以为桌面上什么都没有，倘使有人略微动了一下这些线，让这个线略微兴起了一系列的小包，由于我们看不到那些线，而只能看到兴起来的小包，我们就以为桌子上有许多的“粒子”，这个粒子是打着引号的，而桌子上基础就没有什么粒子，我们看到的只是这些线产生了一系列改变的变乱。

【总结「量子力学」报告我们的事变！】

第1件事变：天然界中存在着根本的「分立性」，物质和光的分立性是量子理论的焦点。

举例阐明：

假设我们对一个物理体系举行丈量，好比丈量钟摆的振幅，发觉它有一个特定的值，好比在5厘米和6厘米之间，在量子力学之前，我们可以说因为在5厘米和6厘米之间存在无穷多的取值，好比5.01、5.001、5.000001，是以钟摆可以有无穷多的活动状态，然而量子力学报告我们在5厘米和6厘米之间振幅存在“有限多”的大概取值，是以关于钟摆我们所漏掉的信息是有限的。

第2件事变：「不确定性」。

电子一个 场的量子大概一个光子并不会在空间中遵照某一条确定的轨迹，而是在和其他工具碰撞的时间显现在特定的位置和时间，它会在何时何地显现我们没方法确切地知道。量子力学把不确定性引入了天下的焦点，将来真的是没方法正确猜测，在量子力学所形貌的天下里，事物始终都在随机改变，全部变量都在连续地升沉。

第3件事变：量子力学关于天下的第3个发觉是最深奥和难明的，这个理论并没有形貌事物原来是什么模样的，它形貌的是事物怎样显现和事物之间怎样相互作用，它没有形貌那边会有一个粒子，而是形貌了粒子怎样向其他的粒子展示本身。

亚里士多德曾经说我们只能感知到相对的速率，好比在一艘船上，我们要谈的便是相对付船的速率，在岸上的便是相对付地面的速率，而量子力学以一种更狠的方法扩展了这个相对性，一个物体的全部变量都相对付其他物体而存在，天然只是在相互作用中刻画天下，这里并不是说某个事物进入了某种联系关系，而是说联系关系便是事物的素质。量子力学的天下不是物体的天下，它是实践的天下。

举例阐明：假设别人给你先容了一个相亲的工具

• 你想知道她长得悦目欠好看！先容人说：“这个我不知道，但是每个身边的人看到她都市停下脚步再转头看一眼。”
• 你想知道她的收入高不高！先容人说：“这个我也不知道，但是听说她每每收支高级的场合。”
• 你想知道她言语言论怎么样！先容人说：“照旧不知道，但是她家里的书橱摆满了书。”

颠末这些先容，你推测对方是一个长相不错、收入很高、言论优雅的人，但是认真想想你照旧不知道她素质上究竟长得是什么样！收入究竟是几多！言论究竟是什么模样的！并且在量子力学的天下里，你永久也没有方法真正地看到她。

【黄姤结语·量子力学的素质】

关于量子力学并不是由于我们的设置装备摆设还不敷周密，而是天然的一个根本属性，我们只能通过一个一个的变乱去推测微观天下究竟是什么样，电子是一个坚固的小球，这个是我们本身想象出来的，现实上没人能报告你电子素质上本相长得是什么模样，假如你照旧以为格外的别扭、以为电子它就应该有一个模样，你可以再想这么一件事——我们说一个工具究竟是什么模样的，它总得有一个根本的颜色，那它是黑的白的照旧红的蓝的，但是你想，光的颜色是由光的频率决定的，一个物体它一定连续性地向我们发出特定光谱的光，我们才气知道它的颜色，那电子固然不克不及做到这一点了，以是电子的素质上就没有颜色，那假如你能担当电子没有颜色，为什么不克不及担当电子没有其他那些我非常熟习的属性呢！

实在，我本人也是花了很长的时间才想清晰电子它不是一个我们能看得见、摸得着的工具，究竟上电子这个名字都是我们给它造出来的，我们现实看到的实在压根就不是一个工具，而是一系列试验出现出来的数据，我们为相识释这些数据发明白一个词，它叫做「电子」，而一旦我们发明白这个词，就要反过往复推测它素质上是什么模样的，但是就像我们发明白星期一这个词一样，那你说星期一素质上又是什么模样呢？

量子力学报告我们不要以处在某一状态的物体的角度来思索时间，而应该从历程这个角度来思索。历程便是从一次相互作用到别的一次相互作用的进程，物体的统统属性只有在相互作用的谁人刹时才以分立的方法出现出来，也便是只有在这些历程的边沿，只在于其他物体产生联系关系的时间才会显现，我们没法对其做出完全确定的猜测，只能举行概任性的猜测。

到了今日，很多的物理学家、工程师、化学家、生物学家每天都市用到量子力学的方程，它们仍旧非常神奇，它们并不形貌物理体系的自己，而只是形貌物理体系怎样相互作用和相互的影响，但是这又意味着什么呢？宇宙的素质究竟又是什么呢？物理学家和哲学家不绝地问本身，这个理论真正的寄义大概是什么？

在怎样思索量子力学所形貌的宇宙素质这件事上，人们并没有告竣同等，另有许多物理学家和哲学家商议过其他的要领，量子力学只是一种物理理论，或许来日诰日就会被另一种更深刻的了解天下的方法所修正，或许理论的艰涩难明并不是量子力学的不对，而是因为我们的想象本领有限，宇宙并没有任务必然成为我们人类能了解的模样，但是人类永久不会由于或许了解不了就制止实验了解它的步调，这种永恒的旨意正是科学的泉源。

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