你知道量子力学吗？

它的名字绝对如雷贯耳，少有人没听说过它的大名。好像著名的薛定谔的猫讲的就是量子力学，那只可怜的猫不是活着也不是死了，而是处于两者叠加的状态。

然后量子力学应该讲的是微观世界里各种粒子的运动规律，它们和宏观世界的规律完全不同。

再然后，可能就不太清楚了。

没错，这些都属于量子力学。可你了解量子力学吗？

如果不是专门研究量子物理的，或是对它有兴趣的朋友，很少会真正了解量子力学。但都知道它的大名，可见它是多么的著名。不信，其他任何一个领域你不了解它还能知道名字的也是屈指可数的。

其实量子力学与我们的生活息息相关，从电脑到激光，从核能到生物技术，几乎没有哪个领域不涉及量子力学。它诞辰距今已经超过100年了，但仍然是当今物理界最前沿的学科，谁能再往前探索一小步，也绝对是人类史上的一大步。

但奇怪的是，直到今天，量子力学的一些基本思想和内容仍然不被大众所熟知。它很有名，也很重要，但没有多少人了解它。

其中很重要的原因，就是量子力学实在是太难懂了。它究竟讲的是什么，这个问题至今也很难回答。它的出现直接冲垮了整个物理学的基本思想，导致对我们整个世界的认知也产生了天翻地覆的变化，甚至在自然哲学观上，量子力学也带给人类前所未有的冲击和震撼。它的观念是如此革命，连最前卫的科学的潜意识里也对它有深深的惧意。量子力学的旗手、奠基人，伟大的玻尔都要说：“如果谁不为量子力学感到困惑，那他就没有理解量子力学。”

就拿那只著名的薛定谔的猫来说。什么？一只猫，在没有观察它的时候，没有活也没有死，而是半死不活。天呐，生活中从来没有见过这样的猫啊!这个时候量子力学说话了：“只要一观察它，本来两种状态叠加的猫就坍塌到一种状态，在生活中我们只要能看到猫，就是在观察它，那么猫的状态也就坍塌成了要么是活的要么是死的，而看不到理论中非死非活的情况。”

这个时候也许你会问：“什么叫观察呢？难道只有人去看它才叫观察吗？另一只猫看它，或照相机拍摄算不算观察呢？”

量子力学又说：“很好，你已经接触到了我最神秘的部分，那就是人的意识会影响客观世界。的确只有人类观察才会让猫的状态改变，因为只有人类才有意识。”

“等一下等一下。”你迫不及待地打断它的话，“意识？物理的世界难道不是客观的吗？意识这种唯心的东西居然也能混进物理的殿堂里来。”

量子力学哈哈大笑，“这正是我令人不解的地方，别说是你了，100年之前，我被物理学家们发现的时候，包括爱因斯坦、玻尔、海森堡这些最有名的科学家，也都大惑不解。他们每个人只在我身上挖掘一点东西，诺贝奖的奖章就会挂在他们身上，每向前走一步，整个世界都会为之惊叹。”

你一定会问：“究竟是什么回事呢？量子力学到底在讲什么？”

《量子物理史话——上帝掷骰子吗？》这本书就来解答这些疑团，作者是曹天元,一位不愿透露过多个人信息的科学爱好者，据说他的足迹遍布中国和美国，涉猎甚广。我想他一定拥有一个有趣的灵魂，否则怎么能把科普也描写得跌宕起伏、引人入胜。这本书带我们回到100余年前量子力学初生的年代，重温那段波澜壮阔的历史，那段人类的智慧天才交相辉映的历史。在全世界最瞩目的舞台上，最天才、最聪明的科学家们共同出演了一幕幕惊心动魄的科学戏剧。普朗克、爱因斯坦、玻尔、薛定谔、波恩、泡利、德布罗意、海森堡......

好，演员到齐，好戏就要开始了。

                                                                                 一

就像在武侠世界里每一个门派都有第一代掌门一样，量子力学的开山鼻祖是德国物理学家马克思普朗克。

是他把量子这个幽灵从深深的沉睡中唤醒，以至于后来把整个经典物理构建的大厦彻底颠覆。是他亲手打开了量子世界的大门，却被门外的世界吓得目瞪口呆。这个新兴的门派，绝不仅仅是普朗克最初想象的把物理学进行小修小补，而是整个摧毁和重建。

但在量子初生的那个年代，一切都还风平浪静，经典物理的末日余晖还未散尽，人们甚至认为物理的世界已经基本建成，剩下的不过是查缺补漏。在1900年，英国的开尔文公爵乐观的表示，物理已经实现了大一统，只是还有两朵小的乌云还未解决。第一朵是迈克尔逊-莫雷实验令人吃惊的结果，第二朵是黑体辐射中的难题。但不要紧，应该很快就会解决的。

我们不必知道这两多在当时看来微不足道的乌云具体是什么，只要知道这两朵乌云后来给整个世界带来了怎样惊心动魄的变化。

第一朵乌云，最终导致了相对论的爆发。

第二朵乌云，最终导致了量子力学的爆发。

开尔文的演讲如同末日的谶语，物理世界在新的世纪注定要爆发出洪水和大火，将旧世界涤荡和燃烧干净，曾经高枕无忧的人们不得不流落荒野，在痛苦的探索中度过未来30年颠沛流离的生活。最终这两朵乌云散尽，阳光倾洒大地，物理学迎来涅盘重生，建构了两幢更加坚固壮丽的城堡。

普朗克正是在研究第二朵乌云——黑体辐射时打开了量子这个潘多拉魔盒的。

普朗克经过几个星期忙碌的研究，终于看到了胜利的曙光，但呈现在他眼前的一个完全意想不到的景象：

能量在发射和吸收的时候，不是连续不断的，而是分成一份一份的。

就是这句话，让盛极一时的物理帝国开始土崩瓦解，最后倒塌得干干净净。

普朗克发现，能量在传递过程中，必须有一个最小的单位，不可以无限细分下去。他把这个最小的单位取名为“量子”。

那是1900年12月14日，普朗克在德国物理学会上宣读了他名留青史的《黑体光谱中的能量分布》的论文，这一天是量子的诞辰。从此，这个幽灵开始在欧洲的上空游荡。

                                                                                二

紧跟着，把量子发扬光大的是整个20世纪最重要的两位物理学家：爱因斯坦和玻尔。

1905年，爱因斯坦用“光量子假说”解释了光电效应，成为了量子论的奠基石之一，并在后来因此活得了诺贝尔奖。他指出光的传播也如能量一般，是有一个最小的单位。也就是说，光是由一个一个的光子组成的。

在那个时候关于光的本质,人们还是认为光是一种波动，而“粒子说”则被打压了近百年而没有出头之日。爱因斯坦的发现把关于光本质的“波粒之争”又一次推向了高潮，大战一触即发。

而稍晚一些，丹麦物理学家尼尔斯玻尔于1911年动身去英国学习，这次学习让他结识了他的恩师卢瑟福，从此，他仿佛手握能照亮混沌黑暗的宇宙的火炬，能避开满路荆棘的山路的利斧，天空闪耀起耀眼夺目的光芒，物理世界的前路已经开辟出了一条崭新的道路。

次年，玻尔完成学习回到祖国丹麦。临行前卢瑟福给于了他极大的鼓励，只是恐怕卢瑟福也没有想到这个害羞的青年会在很大程度上改变人们对世界的终极看法，他会成长为原子物理的泰山北斗，是整个量子物理学家们背后的精神领袖。

最终，玻尔发现了氢原子的电子的量子化轨道，解决了原子结构的稳定性问题。同样因为这个发现获得了诺贝尔奖。后来玻尔又提出了一系列假说来丰富量子力学，同时他还创立了哥本哈根学派，让丹麦成为了世界上研究量子物理的中心。后面将会陆续登场的重要人物要么都来自哥本哈根学派，要么也与其有很深的渊源。

                                                                              三

在玻尔之后的物理学界，充满了未知的不安。玻尔虽然用量子解释了电子的运动规律，但缺陷也同样明显。他后来陆续提出的修补也不能令人信服。整个世界都试图搞清楚光究竟是粒子还是波动，都翘首以盼着一个更伟大的理论的降临。

大风起兮，雾雨皆散，原来人们已经站在了山巅之上。极目望去，满眼风光。

这个带领我们走出迷雾的人，是海森堡。

他运用数学里的矩阵，给量子力学创造了一个新的形式，而且还包含了牛顿的经典力学，可以说是一种适用范围更广的公式。海森堡创立的新体系超越了他的导师玻尔的旧体系，将量子的领域扩大到未知的地带。

而同时，奥地利人薛定谔决定用更简洁的的方式描绘原子里电子的不连续的能量。他吸取德布罗意研究的成果，只用一个波动方程就可以。这就是名动整个20世纪物理史的薛定谔波动方程。

但海森堡和薛定谔都互相不认可对方的工作。矩阵力学，还是波动方程？全新的量子论诞生还不足一年，就已经面临着内战了。

前面已经讲到关于光的本质，是粒子，还是波？一直没有定论。仿佛它一会表现为粒子，一会又表现为波。矩阵力学和波动方程，都在宣称自己才是自然界的主宰，对光、电，一切物理现象都拥有绝对主权，根本容纳不下对方。

光的本质，到底是粒子还是波？这个长达300余年的战役，其间参战的都是物理史上伟大的人物：牛顿、胡可、惠更斯、杨、菲涅耳、麦克斯韦、赫兹、爱因斯坦......终于，现在到了最后一战。

                                                                             四

首先是海森堡从他的矩阵中惊奇地发现了不确定性这一量子力学中最玄妙的东西。而玻尔——这位量子物理的泰斗——在参考了海森堡的研究后，最终得出了一个惊人的结论：光即是一种粒子，也是一种波动。

光子或电子，可以展示出粒子的一面，同样可以展示出波的一面，这完全取决于人们如何观察它。一旦观察方式确定了，电子就以其中一种形式出现，这就是著名的“互补原理”。

而“观察”，则会影响电子或光子的状态，也就是当你想确定它的位置，就无法得知它的动量，反之亦然。也就是粒子具有不确定性，这也是后来爱因斯坦和玻尔最大的分歧，爱因斯坦至死也不相信这个该死的不确定性，但玻尔以及身后的一大批物理学家已经把这个理论建立的恢弘无比。

玻尔的“互补原理”，和波恩的概率解释，海森堡的不确定性，三者共同构成了量子力学的“哥本哈根解释”的核心，至今仍影响着我们对宇宙的终极认识。

300年大战的硝烟散尽，结局竟然是这样，真是叫人意外。这种奇妙的结合，就是鼎鼎大名的“波粒二象性”。

                                                                               五

如同当年“量子”这个幽灵被放出来一样，“不确定性”的出现让物理界争吵不断。一方是以玻尔为代表的哥本哈根学派，坚信这个世界是不确定的；而另一派的实力也不逞多让，由爱因斯坦坐镇，主张世界是有规律的、可以被准确观测的。

在几次索尔维会议上的交锋之后，玻尔逐渐占据了上风，虽然爱因斯坦奋力反击，但他的阵地越来越少，身边支持的人都逐渐转向了对方，直到那个关于“量子纠缠”的实验结束后，爱因斯坦彻底输了。

但这是一个漫长的过程，就像一场战役，经历了几起几落，爱因斯坦阵营甚至一段时间内占据了优势。主力大将薛定谔提出他那个著名的“薛定谔的猫”就给玻尔他们带来了长久的困扰。

之前我们讨论的都是在量子层级上，没有什么概念，但现在把猫这种日常生活中的东西加进来，由微观变成宏观，就不太一样了。如果光是粒子又是波，那猫为什么不是既死又活呢，在现实中为什么没有叠加呢？

当然有那些不厌其烦的解释：猫的确既死又活，只不过在观察时坍塌成了其中一种状态；还有它们在一个宇宙中活着另一个宇宙里死了；还有猫从未死活，而是由看不见的隐变量决定的......诸如此类。但人们总有一种预感，一定有更好的、更可靠的答案，不需要什么意识就能解释的完美的答案。

再往后的解释令人炫目而多样。比如“退相干历史”，我们看到的一切都是所有的可能性的总和，在每一个方向上的干涉互相抵消，就是所谓的“退相干”。

很令人抓狂，但这只是众多解释中的其中一种。我们在经历了解释量子的众多条路而无功而返时，突然发现，自己已经站在一个巨大迷宫中央，每一条路都是一个未知的世界。在量子诞生近100年后，我们对身处的宇宙了解了更多，本以为从黑夜走到了认知的黎明，却发现我们不了解的其实更多。

                                                                                  六

量子力学的路仍未走到尽头，注定要继续影响物理学的未来。它无往而不利，在广阔的疆域里开疆拓土，意欲把一切都囊括在内。如今，只差最后的终极挑战，便能实现天下一统。但固守最后一座城池的是一个前所未有的强大的对手——广义相对论。

要知道，爱因斯坦最后几十年里做的最重要的工作，就是试图把广义相对论和量子力学结合起来，形成万能理论。但很可惜，他终其一生都未能做到。

后世的科学家们，一代又一代，试图把相对论囊括到量子力学里来，这其中最声名远扬、时髦无比的就是超弦理论。

弦理论认为世界上所有的光子、电子等这些粒子，并不是传统意义上的没有长宽高的点，而是有开放或闭合的一根根弦组成，弦的不同振动方式构成了自然界中不同的粒子。我们生活在一个十维空间里，但其中六维蜷缩起来，平时看不到。

而只超弦理论就有不同的五种，后来又提出了包含这物种理论的M理论......但不管是哪种理论，它们都还刚刚起步，仍有很长的路要走。

筚路蓝缕，方兴未艾。量子力学的百年探索，把我们的认知带去到了一个前所未有的高度，暮然回首，看着那些伟大的成就，想着那些伟大的名字，不觉喜上心头。但抬头望望前路，路漫漫其修远兮，谁知道今日建造的量子力学帝国大厦，不会像曾经的经典力学那样顷刻间灰飞烟灭、土崩瓦解呢?

俱往矣！前方有无数条路，同时前面已经没有了去路。一切，都需要人类的天才和勤奋去开拓创新。《量子物理史话》只能把我们送到这个地方，剩下的，让时间来告诉我们答案吧。