比相對論極簡史更通俗易懂的量子理論簡史
人類，作為一個奇妙的物種，伴隨著歷史的浩浩蕩蕩，悠然的生存到了19世紀，在這個偉大世紀，有一個姓牛的人，他叫牛逼，他有一個偉大的哥哥，叫牛頓。
牛頓，是一個偉大的人物，作為19世紀物理學大廈的奠基人，擁有不可撼動的歷史地位，牛頓的經典力學連同經典電動力學、經典熱力學，成為了這座物理學大廈的三大支柱。
這三大理論緊緊結合在一起，似乎已經宣告了物理學的終結。
然而，這個世界總是和大家想像的不太一樣。
在這座物理學大廈的頂端，還飄著兩朵烏雲，這兩朵烏雲分別指的是經典物理在光以太和麥克斯韋——玻爾茲曼能量均分學說上遇到的難題。確切的說，就是人們在邁克爾遜——莫雷實驗和黑體輻射研究中遇到的難題。
當然，這兩朵小烏雲貢獻還是很大的。第一朵烏雲即邁克爾遜——莫雷實驗導致了相對論的誕生，第二朵烏雲即黑體輻射問題導致了量子理論的爆發。
恩，歷史大概就是在這樣的機緣巧合中前進的。
1.
量子理論的誕生
關於黑體輻射問題，19世紀的物理學家對此產生了濃厚的興趣，於是分別誕生了維恩公式和瑞利——金斯公式，但是這兩個公式都有問題，維恩公式在長波內失效，而瑞利——金斯公式則在短波內毫無作用，這讓科學家非常的頭疼。
這個難題一直困擾著19世紀的物理學家們，直到新世紀的鐘聲已經敲響，一個德國人便登上了歷史的舞台。
現在擺在這個德國人面前有兩個不完美的公式，這個德國人也百思不得其解，於是，他決定不再做那些徒勞無功的假設和推導，他決定利用手上的這兩個公式湊出一個普適的公式來，他的運氣不錯，他真的湊出來了。
他剛湊出這個公式就迫不及待的把這個公式公之於眾，更可喜的是，這個公式和實驗結果符合的非常完美。是的，這個公式取得了徹底的成功。
當然，他非常明白，這個公式絕不僅僅是偶然，在這個公式背後一定隱藏著什麼秘密，這個秘密他決定找出來。
他並不知道他究竟會發現什麼，但是他的直覺告訴他：經典物理學是無法解決這個問題的。
為了解釋這個新公式，他決定拋棄過去的一切，哪怕是早已深入人心的經典理論。經過他一生中最忙碌的幾個星期，他終於看到了曙光，並且看到了意想不到的景象：能量在發射和接收的時候，不是連續的，而是分成一份一份的。
他給這每一份能量，起了一個名字叫「量子」，他告訴我們能量的傳遞是以量子為單位的，你可以傳遞2個量子、3個量子，但是不可以傳遞二分之一個量子。
而這個命名「量子」的德國人，叫馬克斯.普朗克。
2.
光電效應與愛因斯坦
作為一手創立「量子」學說的普朗克仍然是一個傳統的科學家，他建立了量子的概念，卻始終無法接受這一切，因為接受這一切意味著必須拋棄他所信仰的傳統理論。
他內心充滿了恐懼，不願意相信這一切。於是，在接下來的十幾年裡，量子被自己的創立者拋棄了，變成了無人問津的孤兒。
與此同時，科學家們被一個叫做「光電效應」的問題難住了。什麼是「光電效應」呢？通俗一點說，就是：當光照射到金屬上的時候，會從他的表面打出電子來。
這個現象之所以怪異，是因為科學家們用經典理論得出的結論和實驗結果完全相反。
經過一系列實驗，人們發現，能否打出電子只和光的頻率有關，能打出多少電子，和光照強度有關。這令科學家們百思不得其解，因為按照經典理論，應該是光的強度決定不能否打出電子，而頻率決定打出電子的數量。
這些可憐的物理學家，對於這個結果，已經厭煩到了極點。於是，在瑞士專利局的一個叫做愛因斯坦的年輕人出現了。
他告訴他們，這個問題用普朗克的量子理論解釋不要太簡單。根據普朗克的公式E=hμ，提高頻率不正是提高單個量子的能量嗎？而更高能量的量子則能打出更高能量的電子。增加光照強度，不過是增加量子的個數，因此能打出更多數量的電子。
恩，這一切，看起來順理成章。
與此同時，他還給組成光的能量的最小基本單位起了一個名字叫「光量子」，後來正式更名為大家所熟悉的「光子」。
愛因斯坦，因為對於光電效應的貢獻，而獲得了諾貝爾獎，更重要的是，他讓「量子」成為了萬眾矚目的明星。
等等，現在擺在物理學界面前一個巨大的難題：如果接受了「量子」這個概念，就意味這要拋棄那近乎完美的經典理論，這對於那些科學家來說，簡直是充滿痛苦的。
當科學家們還沒從這種痛苦中解放出來的時候，一個叫做「玻爾」的年輕人又給了他們沉重的一擊。
3.
玻爾的原子模型
所謂名師出高徒，玻爾作為一個偉大的人物，他的老師也是一個偉大的人物：盧瑟福。什麼？不知道盧瑟福？沒關係，盧瑟福的老師大家一定知道，他叫：J.J.湯姆遜。什麼？還不認識？沒關係，因為我們只需要知道就是這個叫做湯姆遜的的人發現了電子。
這個叫做J.J.湯姆遜的人在發現了電子之後利用自己強大的腦洞勾勒出了原子內部的情形：原子核成球狀，帶正電，電子們則一粒粒的粘在原子核上，帶負電。這個模型，史稱「葡萄乾布丁」模型。
盧瑟福則覺得老師的這個模型有問題，大喊：「別鬧了，老師，原子內部怎麼可能是這個樣子的呢？」
盧瑟福本著「吾愛吾師，但吾更愛真理」的的精神開始了自己的實驗，發現，老師的模型確實像是個玩笑，於是提出了自己的「行星系統模型」。
盧瑟福告訴我們原子核在中間，電子圍繞著原子核運行。這一切就像一個行星系統，原子核就像太陽，電子就像行星。
玻爾看著自己老師盧瑟福的模型，笑而不語，因為根據盧瑟福的模型，電子最終會墜毀在原子核上，而整個過程，也就一眨眼的功夫。
玻爾大喊道：「老師，還是我來吧。原子內部只能釋放特定能量，說明電子只能只能在某些特定的軌道上運行，而這些軌道，必須符合一定的勢能條件，而不能是任意軌道。」
通俗一點，波爾告訴我們電子只能在某些特定的軌道運行，電子可以在相鄰軌道之間躍遷，從而吸收或釋放特定的能量，而電子不能出現在這些特定軌道之外的任何位置。因此，我們觀察到的原子的光譜線是量子化的而不是連續化的。
在玻爾的原子模型中，連續性被打破，量子化條件成為主宰。
4.
電子竟然是波？
當然，我們現在很清楚玻爾的原子模型也是不對的，因為麥克斯韋的方程可不管你是玻爾還是盧瑟福，只要電子圍著原子核轉，就一定會釋放電磁輻射，該墜毀的電子還是要墜毀的。
現在我們回到正軌上來。玻爾告訴我們軌道是不連續的，那麼問題來了，為什麼軌道是不連續的呢？
玻爾只是態度強硬的做了硬性規定，至於為什麼？他才不管。他不管，就有人會管。
這個人叫德布羅意——歷史上第一個憑藉博士論文拿諾貝爾獎的人。他將愛因斯坦的相對論引進量子理論，發現了一件有趣的事情：當電子前進的時候，必定伴隨著一個波。而且這個波速度比光速快。
因為這種波並不攜帶任何信息和能量，因此並不違反相對論，愛因斯坦對此也是睜一隻眼閉一隻眼。
德布羅意把這種波稱之為「相波」，後人為了紀念德布羅意，就把這種波稱為「德布羅意波」。德布羅意波也叫物質波，也許你對這個波不是很熟悉，但是你一定聽過這樣的說法：每一個物體身後都伴隨著一個波。這個波就是其實就是指的德布羅意波。
等等，好像哪裡出了問題。我們不是在談論電子嗎？為什麼會有波出現？難道說電子本身就是一種波？
很快，電子的衍射圖案就被做了出來，是的，現在可以千真萬確的說：電子，就是一種波。
但是，在威爾遜雲室中，我們又能清晰的看到電子的運行軌跡，千真萬確，電子確實是粒子。
現在，科學家的頭更加的大了，電子究竟是什麼？
當時有一個流行的笑話：物理學家們不得不在星期一三五把世界看成粒子，在二四六把世界看成波。到了星期天，他們乾脆就呆在家裡祈禱上帝保佑。
就在科學家們一籌莫展的時候，一個德國的年輕人，是的，又是德國人站了出來。他叫海森堡。
5.
海森堡與薛定諤
海森堡，作為一個活潑帥氣的陽光型男，面對物理學家們遇到的問題，依然是一籌莫展，於是，他決定另闢蹊徑，從電子的運動出發，於是新的量子力學很快就建立了起來，但是那是一種前所未有的形式——矩陣。
海森堡也不太清楚這些矩陣的具體含義，心裡充滿了迷惑，但是當他把這些告訴他的老師波恩之後，一切就不一樣了。波恩立刻和自己助教約爾當合作，並寫出了著名的論文《論量子力學》。
於是，一種新的力學——矩陣力學便建立了起來。
對於物理學來說，海森堡的新的力學體系無疑是一個怪物，更令物理學家討厭的是矩陣的計算相當的麻煩。不管怎麼樣，矩陣力學對於大部分人都太過於遙遠，而隱藏在矩陣背後的意義也還沒有被挖掘出來。
而與此同時，一個叫薛定諤的人出現了。
相比于海森堡的年少成名，薛定諤大概算是大器晚成。他和海森堡不同，他的靈感來源於德布羅意的工作，他利用經典力學的哈密頓——雅克比方程再結合德布羅意公式，得到了一個波函數。
這個波函數，就是聞名世界的薛定諤波動方程。
之後，薛定諤進行了不斷的研究，並建立了一種新的力學體系——波動力學。
矩陣力學還是波動力學？這是個問題。
其實，這根本不是個問題，因為很快，許多物理學家就得出：這兩種理論在數學上是等效的。
不過，這並沒有解決兩個學派之間的矛盾，因為波動力學的出發點是粒子性和不連續性，而波動力學則一直在談論波動性和連續性。
為了證明自己的學說是正確的，物理學家們開始了各種各樣的實驗，但是，誰也說服不了誰，怎麼看，電子都必須是粒子！怎麼看，電子都一定是波！
這可怎麼辦呢？
6.
骰子與測不準原理
現在讓我們再次回到薛定諤的波動方程。
關於這個波動方程，薛定諤還不太清楚具體的含義，他經過一段時間的思考認為這個波動方程是一個空間分布函數，但是波恩卻告訴我們：不，不是這樣。
那這個方程究竟代表什麼？
答：骰子。
恩？什麼意思？
骰子才是薛定諤波動方程的真正含義。它代表一種隨機、一種概率，它代表電子出現在某個位置的「概率」，電子本身不會像波那樣擴散開來。
換句話說，我們只能知道電子有80%的概率出現在這裡，20%的概率出現在那裡，但是，我們並不能確定電子究竟會出現在哪裡。
這個想法是非常具有顛覆性的，因為過去的經典理論認為宇宙就是一台精密的裝置，嚴格按照物理法則運行，這叫「決定論」。現在，薛定諤的波動方程卻告訴我們：不，不是這樣的，電子的行為是隨機的，你無法知道它會出現在什麼位置，甚至連上帝都不知道。
現在海森堡終於長出了一口氣：「嗨，薛定諤，你那所謂的波函數僅僅是概率而已。」
然而，海森堡的好日子也不長了。
海森堡發現，如果我們把電子的位置測的越精確，電子的動量就變的搖擺不定，反過來，我們把電子的動量測的越精確，我們關於電子的位置就越不確定。
這個發現被稱為「測不準原理」，不過現在都叫它「不確定性原理」
海森堡把這個理論拿給玻爾看，玻爾卻連連搖頭，玻爾並不是說海森堡錯了，而是玻爾發現了更嚴重的問題。
玻爾意識到，海森堡的測不準原理，是建立在波和粒子的雙重基礎之上的，它其實是電子在波和粒子之間的一種搖擺，關於波的屬性了解的越多，粒子的屬性了解的就越少，反之亦然。
好了，薛定諤深陷在自己的概率中無法自拔，海森堡又發現自己的理論中出現了波動的姦細，大家也沒必要再吵下去了，是時候重歸於好了。
玻爾告訴他們：「電子，既是粒子，也是波。」
這樣，你們兩派就別吵了，一切都已經水落石出了。
7
上帝不擲骰子
好了，現在玻爾把兩派完美的統一了起來，儼然成為了量子理論的帶頭大哥，這時，新的敵人出現了，這個敵人叫愛因斯坦。
是的，這個牛人又出來了。他說：「上帝不擲骰子。」
愛因斯坦的話一石激起千層浪，但是愛因斯坦並沒有多少盟友，雖然量子理論怪誕不經，常與常識相違背，但是量子理論早已深入人心，無法撼動。
這時，這個偉大的老頭子竟然站出來反對，也早已無濟於事。
愛因斯坦還是不願意拋棄自己的連續性和因果性，但是，量子理論構建的新世界，沒有連續性，也沒有實在性，這一切是如此的大氣磅礴。
那麼，究竟是愛因斯坦是對的的，還是玻爾是正確的呢？
那就交給它來做審判吧。
8
不等式的判決
自從玻爾成為帶頭大哥之後，他率領著自己的弟子們不斷與愛因斯坦一派進行鬥爭，但是誰也說服不了誰，大概物理學家都是一群頑固的老頭子。
這個時候，一個叫做貝爾的人告訴他們：「你們別吵了，讓我來做出這最終的審判吧。」
貝爾並沒有說過多的廢話，並順手拋出了一個不等式：
這個不等式怎麼解釋，其實大家不需要知道，大家只需要知道這個不等式將決定愛因斯坦和玻爾究竟誰是正確的，更確切地說這個不等式將決定物理學的未來。
具體的說，如果這個世界同時滿足定域性（也就是說沒有超光速信號的傳播）和實在性（也就是說存在一個客觀世界），那貝爾不等式就是對這個世界的束縛，這將是愛因斯坦的勝利；如果量子理論正確，那這個不等式將被毫不留情的突破。
針對這個不等式，物理學家們又開始躁動了起來。
但是，即使是在那個實驗條件不是很具備的時代，實驗還是一個又一個的做了起來，結果，當然也是愛因斯坦不願意接受的：貝爾不等式被突破了。
這個結果，不止愛因斯坦不接受，作為普通人更不願意接受，當然，玻爾那一派則是樂開了花。
貝爾不等式被突破，意味著光速不可超越和存在一個客觀世界這兩個觀點中必須要拋棄一個，由於這時候愛因斯坦的相對論早已被深入人心，光速不可超越是無法拋棄的，那就只能拋棄這客觀的世界了。
9
最後的最後
其實，作為一個普通人，我更希望愛因斯坦是對的，因為量子理論太過於顛覆我們的常識。
當我們堅信「決定論」的時候，量子理論卻告訴我們世界是隨機的。
當我們堅信客觀世界的時候，它又告訴我們根本不存在一個客觀的世界，而且還告訴我們世界是怎樣的，取決於我們的觀測方式。
那麼量子理論究竟要將我們，要將這個世界帶向何方呢？
讓我們拭目以待!
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