七、量子力学正传

上回讲到光既是一种微粒，又是一种波，它具备波粒二象性。

这就好比形容一个人，既是男的，又是女的。

更可怕的是，这个结论不是瞎想，而是经过科学家的精密实验，亲测有效的。

既然光有波粒二象性，有一名科学家就在这个基础上进一步推测，提出了一个更大胆的猜想。

这个人就是法国贵族德布罗意。

话说德亲王的脑瓜子离谱到啥程度呢？在他看来，波粒二象性，并不是光的独门秘籍。

像原子啊、电子啊，甚至世间万物，都有波粒二象性!

也就是说，你以为的实物粒子，其实都有波动性。这种波被称为物质波，也叫德布罗意波。

虽然德亲王最初只是不负责任地瞎猜，但谁知后来科学家们竟然真用实验证实了，许多微观粒子都具有波的性质。

这也坐实了德布罗意的猜想。

所有微观粒子，都具备波粒二象性!

于是，后来的科学家们针对微观粒子的运动状态进行了研究。

这就衍生出了一个全新的学说，这个学说就是传说中的——

量子力学

量子论建立之后，一时成为热门学科，许多人蹭上了热度，开始了量子力学的研究。

其中有个特别厉害的学派，叫作哥本哈根学派。

好了，言归正传。量子论要研究微观粒子的运动状态，那就得选个研究对象。

可这次科学家们不研究光了，而是把目光投向了一个新对象——电子。

针对电子的运动，哥本哈根学派里的两位大神，先后提出了令人怀疑人生的两大观点。

咱们一个个来说。

1. 不确定性原理

话说很久以前，有个叫卢瑟福的大爷，他曾经给原子画过画像。

在他看来，世间万物都是共通的，比如原子核和电子的关系，应该跟太阳和地球的关系差不多。

这就是卢瑟福提出的“原子的太阳系模型”，电子绕着原子核转。

后来，他的徒弟在这个模型的基础上，做了点补充。

这个徒弟就是哥本哈根学派的带头大哥——玻尔。

没错，就是前面提过的那个。

在玻尔看来，世间万物也是共通的，比如原子，其实就跟北京的环路差不多。本书首发自公众号阿蒙书影，关注公众号回复半小时漫画获取这个系列的所有图书。

原子核外有固定的轨道，电子会在不同的轨道里绕着原子核跑圈。

那电子的运动，真是这样的吗？

后来，科学家们通过实验发现，玻尔的原子模型也不太靠谱。

于是有一名科学家站了出来。

他认为，轨道这玩意儿看不见摸不着，会不会是玻尔空想出来的，其实压根不存在？

这就是哥本哈根学派的海森堡。

他提出了矩阵力学，奠定了他“量子力学之父”的地位。

那在海爸爸眼里，电子是怎么运动的呢？

话说，当时有一些科学家通过实验分别观测到了电子的位置和速度。基于这些数据，海森堡总结了一套理论。

他觉得，电子这个玩意儿，跑位非常风骚，到什么程度呢？

它就像一个社恐的忍者。

电子并没有老老实实按照轨道绕原子核跑圈，而是极度自嗨，在原子核外面随机蹦跶。你根本摸不清它的套路。

更神奇的是，当我们想知道它的确切位置好观测它的时候，它就突然消停下来，一脸蒙。

所以我们永远无法同时知道不观测时电子的位置和动量……这就是不确定性原理。

虽然很难理解，但科学家们已经通过实验验证了不确定性原理是靠谱的。

其中最著名的，就是参照杨氏双缝干涉实验设计的电子双缝干涉实验。

我们朝一块有两条缝的挡板，射出电子。

因为电子有波动性，所以它会发生衍射，并最终在屏上呈现明暗相间的条纹。

可一旦我们想观测电子是怎么穿过这两个孔的时候，实验结果居然发生了变化!

这时它就不像波一样传播了，而是像粒子一样穿过。

屏上只有两条亮纹。

是不是很神奇!

同时，电子双缝干涉实验也进一步验证了微观粒子的波粒二象性。也就是说，微观粒子的状态既有波动性，也有粒子性。

既然电子的运动这么神奇，那它真的是那么随心所欲吗？

1. 概率解释

话说和海森堡同时期，还有一名科学家，从另外一个角度也得出了上面类似的结论。

他就是浪量子力学的奠基人之一——薛定谔。

此人性别男，爱好女，物理界里独一档的渣男，人送外号：渣渣薛，具体多渣就不让播了。

渣渣薛提出的理论叫波函数，我们就不展开讲了。为啥不展开呢？因为连他本人都是一头雾水，说不出个所以然来。

好在哥本哈根学派的另一位大牛——玻恩，站出来替他解了围。

玻恩是这么解释波函数的：其实电子的位置吧，它就是一团概率，随机起来不是人。

不过，虽然我们没法确定它的走位，但电子在每个位置出现的概率，却是可以计算出来的。

这就是玻恩提出的概率解释。

综上所述，不确定性原理和概率解释，共同构成了量子力学的核心——哥本哈根学派解释的主要内容。

虽然这个解释完美解决了很多问题，可大家的三观着实被碾得稀碎。

所以质疑也随之而来，很多人表示，说微观粒子的运动是随机的，这事儿也太扯淡了!

于是，支持方和反对方，就借几次团建，来了几场争斗。我们挑几次重点的来看。

一、第五届索尔维会议

首先出场的是，由玻尔领头的哥本哈根学派。

另一方在爱因斯坦带领下，质疑哥本哈根学派的研究，我们叫他们斩草除根派。

还有一拨围观群众，也个个大牌。

好了，对话开始。

双方就微观粒子的运动到底是否随机这个问题，进行了激烈的讨论。

反正扯了半天也没啥结果，谁也说服不了谁。

插一嘴。大家一顿争吵之后，没有结论，觉得反正闲着也是闲着，加上难得聚一回，于是就一起排排坐，来了一张合影。

没错，就是这张著名的照片。

后来，爱神和玻神又吵了好几架，依然没啥结果。当然，不仅带头大哥们使劲掐，小弟们也没闲着。

二、薛定谔虐的猫

作为爱因斯坦的小弟，薛定谔也站出来，怒喷哥本哈根学派。他提出了一个丧心病狂的思想实验—— 薛定谔的猫

简单解释一下。

可一旦它们发生衰变，就会触发锤子，敲碎毒药瓶，释放毒气，把猫毒死。

所以薛定谔认为，根据哥本哈根学派的解释，如果原子是叠加态，那猫也应该处于——

既死又活的叠加态。

对地球人来说，一只猫既死又活，根本无法理解。所以薛定谔认为哥本哈根学派非常荒谬，就是在瞎扯淡。

当然，后来人们发现，这个实验并不严谨，有很多问题，所以没法参考。

聊了这么多，其实关于量子力学的争论，直到今天都没有结束。

但是依照后来的一些实验来看，哥本哈根学派的理论，目前更加站得住脚。

和相对论相比，量子力学的发展，在这一百年内，让人类文明发生了翻天覆地的变化。

比如芯片、核磁共振、超导、激光等技术，都是在量子力学的基础上发展起来的。

不过，科学也是一把双刃剑，利用量子力学人类也造出了一些奇怪的东西，比如：

好了，量子力学的故事就先聊到这里，而我们科学史的正片部分，也在这里告一段落了。

最后，我们用一张图，总结一下整个科学史的发展结构。

至于后面的故事，混子哥下次再跟大家聊。