我們是否生活在一個量子世界中？
2019-12-02 13:23:12 新浪科技
量子世界很難理解，但在某種程度上，亞原子規則會讓位于宏觀規則。發生了什么呢？我們不確定，尋找這個問題的答案是一個漫長而奇怪的旅程。
第一個給量子世界貼上有用標簽的人是物理學家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）。20世紀初，世界各地的科學家開始意識到原子和亞原子系統的奇怪和意外行為。經過幾十年艱苦的工作，他們發現，某些屬性，比如能量，是以被稱為“量子”（quanta）的能級離散包形式出現的。物理學家開始嘗試用數學基礎來解釋這些實驗，但沒有人能發展出一個完整的、一致的框架。波爾是第一個嘗試這樣做的人。盡管他沒有提供完整的量子力學理論，但確實奠定了一些重要的基礎，他還提出了一些后來成為現代量子理論基石的理論。
第一個理論來自他早期建立原子模型的嘗試。在20世紀20年代，物理學家已經通過各種實驗知道，原子是由一個沉重、致密、帶正電荷的原子核，周圍環繞著一群微小、輕、帶負電荷的電子構成的。我們也知道，原子只能吸收或發射特定能量的輻射。
但是，原子是什么樣子的呢？
玻爾把電子放在圍繞原子核的“軌道上”，圍繞著大密度的原子核跳著華爾茲舞，就像太陽系的行星一樣。在真實的太陽系中，行星可以存在于不同的軌道上，但在波爾的原子中，電子被卡在很窄的軌道上——它們只具有預先定義的軌道距離。
通過電子從一個軌道跳到另一個軌道，原子可以接收或發射特定能量的輻射，它的量子本質就這樣被編碼了。
量子力學與經典物理的連接
在此基礎上，玻爾又增加了一個有趣的轉折。有很多可能的方法來構建原子的量子模型，那他為什么要這么做呢？玻爾發現，當電子在離原子核很遠的軌道上運行時，它們的量子性質就消失了，此時經典的電磁學就可以完美地描述原子——就是兩個帶電粒子。
這被稱為對應原理（Correspondence Principle），也是玻爾用來支持自己原子模型的依據。你可以提出任何想要的量子理論，但正確的理論是那些在某些限制下讓位于經典物理學的理論，在玻爾的原子模型中，這種限制就是電子必須遠離原子核。
玻爾的原子模型是不完整的，后來被沿用至今的價電子層模型所取代，但是，玻爾的對應原理依然發揮著，并成為后來所有量子理論的基石——它是一盞指路明燈，讓物理學家能夠構建和選擇正確的數學方法來描述亞原子世界。
玻爾并沒有就此止步。他認為，盡管這種對應原理允許量子世界和經典世界之間建立聯系，但這兩個世界并不相同。
就在玻爾對這一切感到困惑的同時，他的好朋友維爾納·海森堡提出了他那即將成名的測不準原理。當你嘗試測量一個微小粒子的位置時，你會失去它的動量信息，相反地，當你試圖確定它的動量時，你又會對它的位置一無所知。
波爾采納了這個想法并付諸實踐。他把海森堡的測不準原理看作是量子世界更大層面的一部分，即一切都是成對的。想想量子世界中最著名的一對：波和粒子。在經典系統中，一個物體要么是純粹的波，要么是純粹的粒子，你可以二選一，來對某些行為進行分類，但在量子力學中，這兩個性質是成對存在的：所有物體同時既是粒子又是波，并且總是同時表現出這兩者的某些性質。
另外，從本質上講，量子規則依賴于概率——平均而言，量子力學只能再現經典物理學。基于這兩個觀點，玻爾認為量子理論永遠無法解釋經典物理學，換句話說，原子及其他粒子在一套規則下運行，而火車和人在另一套規則下運行。它們可以而且必須通過對應原則聯系起來，但除此之外，它們又過著各自獨立的平行生活。
波爾說對了嗎？一些物理學家認為，我們從根本上生活在一個量子世界中，只是還沒有完全了解其中的原理，而且我們可以從純粹的量子規則中重現經典物理學，另一些物理學家則認為，玻爾已經解決了這個問題，我們不需要再進行討論。當然，大多數人只是埋頭于數學模型，對此并沒有過多關注。但是，這仍然是很值得思考的問題。
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關鍵詞： 量子
