物理學(xué)發(fā)展的歷史大體分為三個(gè)時(shí)期。

一是17世紀(jì)以前的“經(jīng)驗(yàn)物理”時(shí)期。這一時(shí)期使用的主要方法是直覺觀察與總結(jié)歸納，中西方基本處于同一水平上，中國(guó)略微領(lǐng)先。

二是17-19世紀(jì)的“經(jīng)典物理學(xué)”時(shí)期。都是西方的事，中國(guó)尚未啟蒙。這一時(shí)期使用的主要方法是系統(tǒng)的觀察實(shí)驗(yàn)和嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、經(jīng)典電磁場(chǎng)理論等在這一時(shí)期都達(dá)到完美程度。西方的物理學(xué)家們認(rèn)為一切都是確定的、可計(jì)算的。有“法國(guó)的牛頓”和“天體力學(xué)之父”之稱的拉普拉斯說(shuō)：“我們可以把宇宙現(xiàn)在的狀態(tài)視為其過(guò)去的果以及未來(lái)的因。如果一個(gè)智者能知道某一刻所有自然運(yùn)動(dòng)的力和所有自然構(gòu)成的物件的位置，假如他也能夠?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，那宇宙里最大的物體到最小的粒子的運(yùn)動(dòng)都會(huì)包含在一條簡(jiǎn)單公式中。對(duì)于這智者來(lái)說(shuō)沒有事物會(huì)是含糊的，而未來(lái)只會(huì)像過(guò)去般出現(xiàn)在他面前。”這個(gè)知曉一切的“智者”，又被稱為“拉普拉斯妖”。

拉普拉斯

三是20世紀(jì)初直到今天的“現(xiàn)代物理學(xué)”時(shí)期。對(duì)于經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋、無(wú)法計(jì)算的宇宙大尺度和基本粒子微觀領(lǐng)域的問(wèn)題，愛因斯坦等物理學(xué)家們理論先行——先做假設(shè)和理論推導(dǎo)，再由后人有條件時(shí)予以實(shí)驗(yàn)予證實(shí)。這一時(shí)期，相對(duì)論與量子論橫空出世，GPS導(dǎo)航、經(jīng)典計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算等都是現(xiàn)代物理學(xué)的實(shí)際應(yīng)用。

前文我們聊了相對(duì)論，今天聊聊量子論。

量子論起源于對(duì)光的研究

麥克斯韋

19世紀(jì)的麥克斯韋提出變化的磁場(chǎng)能產(chǎn)生電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)又能產(chǎn)生磁場(chǎng)——如果弄一個(gè)震蕩的電流，產(chǎn)生一個(gè)周期變化的磁場(chǎng)，那么這個(gè)周期變化的磁場(chǎng)就能產(chǎn)生一個(gè)周期變化的電場(chǎng)，電場(chǎng)再生磁場(chǎng)，以此類推，這個(gè)電磁場(chǎng)就可以一直傳播下去——這就是電磁波。

然后他算出電磁波傳播的速度，與光速相等。

然后推斷，光就是特定頻率的電磁波。

普朗克

1900年12月，德國(guó)物理學(xué)家普朗克發(fā)表了“能量量子假說(shuō)”，提出光是具有能量一個(gè)一個(gè)的粒子，光的能量是“不連續(xù)的量”，一定頻率的光（電磁波）所具有的能量值，只能是震動(dòng)頻率乘以常數(shù)（普朗克常數(shù)）的整數(shù)倍。而在此之前，物理學(xué)家一直認(rèn)為所有的物理量都是連續(xù)變化，并不存在“只取整數(shù)值”的“不連續(xù)變化”的量。

1905年，26歲的愛因斯坦提出“光量子假說(shuō)”，認(rèn)為光是具有能量的粒子的集合。

那么光到底是什么——光既是波（非物質(zhì)）也是粒子（物質(zhì)）。注意：一般的波不是物質(zhì)，而是一種現(xiàn)象——通過(guò)某個(gè)介質(zhì)（比如水、空氣）傳播。但光具有物質(zhì)屬性，所以光可以自己以某種獨(dú)特的方式傳播，不需要其他介質(zhì)。

圍繞原子中的電子的量子論

玻爾

1913年，27歲的丹麥物理學(xué)家玻爾提出了“玻爾原子模型”的假設(shè)——?dú)湓拥脑雍酥杏幸粋€(gè)帶正電的質(zhì)子，原子核周圍則有一個(gè)電子圍繞其運(yùn)動(dòng)。電子存在多個(gè)軌道，這些軌道的半徑只限于整數(shù)值。電子在同一軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)保持一定的能量狀態(tài)且不會(huì)放出光，電子從一條軌道向另一條軌道遷移時(shí)，電子的能量差會(huì)以電磁波的形勢(shì)釋放或吸收。

德布羅意

之后是法國(guó)物理學(xué)家德布羅意登場(chǎng)——愛因斯坦的光量子假說(shuō)“把一直認(rèn)為是波的光看作粒子”，德布羅意則展開相反的聯(lián)想，提出一直以來(lái)被視為粒子的電子本質(zhì)上是波。不僅如此，他還提出不限于電子，所有的物質(zhì)本質(zhì)上都是波。

薛定諤

然后是奧地利的天才物理學(xué)家薛定諤登場(chǎng)，他在1926年發(fā)表了用來(lái)計(jì)算物質(zhì)具有何種形狀的波，以及波在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后如何進(jìn)行傳導(dǎo)的方程式——薛定諤方程式。他計(jì)算的氫原子中電子的能量，結(jié)果與玻爾預(yù)測(cè)的整數(shù)值一致。

玻恩

之后是德國(guó)的玻恩出場(chǎng)，提出物質(zhì)的波本質(zhì)是一種“概率的波”，微觀物質(zhì)的行為只能進(jìn)行概率上的預(yù)測(cè)。

海森堡

然后是德國(guó)的海森堡，他在1927年發(fā)表了一個(gè)公式，說(shuō)明了微觀世界具有不可避免的不確定性的“不確定性原理”：測(cè)定物質(zhì)的位置和速度時(shí)，二者不能同時(shí)確定為唯一數(shù)值——如果某一電子的位置確定，速度就無(wú)法確定；當(dāng)其速度確定時(shí)，位置則無(wú)法確定。

量子物理學(xué)家認(rèn)為，物質(zhì)和自然不是僅限于單一狀態(tài)，而是具有極大的不確定性，這種不確定性正是自然的本質(zhì)。

量子論否定了“客觀存在”的事實(shí)，認(rèn)為自然最初是由觀測(cè)的狀態(tài)決定的，如果沒有人對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)則不能確定，世界上不存在任何確定的事實(shí)。比如在量子論中，同一個(gè)電子可以有粒子和波雙重性質(zhì)，在我們沒有觀測(cè)時(shí)，電子像波一樣存在，而在我們觀測(cè)的瞬間，它就呈現(xiàn)出了粒子的特性。

量子物理學(xué)家將這種兩個(gè)不相同的事物之間通過(guò)互補(bǔ)形成一個(gè)事物或世界的思考方式，稱為“互補(bǔ)性原理”。與中國(guó)的太極思想相似，陰陽(yáng)本是相互對(duì)立的，而二者結(jié)合在一起發(fā)生相互作用，決定了所有自然現(xiàn)象和人類的活動(dòng)。量子論摒棄了將自然和觀測(cè)者相互分開的二元論世界觀，認(rèn)為作為觀測(cè)對(duì)象的自然和作為觀測(cè)者的人類是一體的，體現(xiàn)了一元論的自然觀。

微觀與現(xiàn)實(shí)的假說(shuō)

聊量子論，就不得不講薛定諤的貓。

量子論的推演從來(lái)都不是一帆風(fēng)順的，物理學(xué)家們內(nèi)部也有極大的爭(zhēng)議。對(duì)于“微觀物質(zhì)行為只能進(jìn)行概率上的預(yù)測(cè)”，愛因斯坦和薛定諤都對(duì)其進(jìn)行了嚴(yán)厲批判。愛因斯坦說(shuō)“上帝不喜歡擲骰子”，薛定諤也表示“真后悔自己和量子論有關(guān)系”，普朗克、德布羅意也是“不確定性”的反對(duì)者。（正方以玻爾、玻恩、海森堡為代表）

薛定諤1935年提出了一個(gè)假設(shè)來(lái)質(zhì)疑量子論——薛定諤的貓。

量子論提出，微觀的粒子可以處于一種“疊加態(tài)”，意思是它既可以在這里又可以在那里，既可以是這樣也可以是那樣。放射性物質(zhì)的原子核就是處于衰變和不衰變的疊加態(tài)中。

薛定諤假定將放射性物質(zhì)和一只貓放入一個(gè)秘箱，如果放射性物質(zhì)的原子核衰變釋放出射線，就會(huì)產(chǎn)生毒氣把貓毒死，如果放射性物質(zhì)的原子核沒有衰變，就不會(huì)產(chǎn)生毒氣，貓就不會(huì)死。從箱子外面無(wú)法看到內(nèi)部的狀況。那么，在打開箱子觀察之前，貓是什么狀態(tài)？

這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)把微觀世界的量子狀態(tài)與現(xiàn)實(shí)世界連在一起了。量子的疊加態(tài)——原子核既衰變又不衰變，推導(dǎo)出現(xiàn)實(shí)世界的貓“既生又死”。

對(duì)這一問(wèn)題的其中一種解釋，是“平行宇宙”。

這一理論認(rèn)為，即使在觀察之前的微觀物質(zhì)的狀態(tài)，也是唯一的、只是其所在的世界分支成為復(fù)數(shù)的世界。宏觀世界隨著微觀發(fā)生分支——當(dāng)薛定諤的貓箱子蓋上時(shí)，我們的世界不知不覺就分為兩個(gè)世界了，貓死了的世界和貓活著的世界，外邊的觀察者也不知不覺分成了兩個(gè)人，其所在的兩個(gè)世界并行存在。

提出量子計(jì)算機(jī)概念的英國(guó)物理學(xué)家大衛(wèi)杜斯就認(rèn)為：利用量子計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行并行計(jì)算的性能，可以對(duì)分支后的復(fù)數(shù)世界進(jìn)行計(jì)算。在量子計(jì)算機(jī)真正制成后，就能夠證明平行宇宙、多世界的正確性了。

聊點(diǎn)自己的感悟。

1、我很喜歡量子論的“不確定性”、“互補(bǔ)性原理”和一元論。

量子論認(rèn)為不確定性是自然的本質(zhì)，而正是這種不確定性，在激勵(lì)著人類不斷探索。觀測(cè)者、探索者可以對(duì)自然產(chǎn)生影響，使其從不確定態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇_定態(tài)，人類的活動(dòng)與自然現(xiàn)象相互作用，共同鑄造了這個(gè)現(xiàn)實(shí)的世界——世界因我而存在。

2、平行宇宙的理論更是讓人充滿浪漫遐想。一切可能發(fā)生的，在無(wú)數(shù)個(gè)平行世界里必然已經(jīng)發(fā)生。這也意味著，我們所有的付出，我們追求的各種可能性，無(wú)論在這個(gè)世界是否如愿，但在其他的平行世界里終會(huì)成功。