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2024-08-27 阅读量：534 留美汇
为什么我们用不确定性、分裂的特性和奇异的行为取代了我们对坚实宇宙的看法。让我们以波粒二象性这一量子现象为例。这表明，每个粒子不仅可以部分地用粒子行为来描述，还可以部分地用波的行为来描述。能够将电子描述为波使我们能够理解硅的电学性质。将这种硅堆叠起来可以制造出纳米级的晶体管。将数百万个这样的晶体管组装在一起就构成了为你的手机和笔记本电脑提供动力的计算机芯片。
类似地，将光描述为不是熟悉的波而是粒子
是通过光纤电缆发送信息的光源。没有激光就没有互联网，也没有全球电信。但是波粒二象性意味着什么呢?像电子这样的基本粒子真的也是波吗?反之亦然吗?如果你依据几十年的实验结果，答案通常是量子力学式的:既是又不是。最清晰的证据来自经典的双缝实验。-、双缝实验
在 19 世纪早期，托马斯·杨进行了这个实验的前身。这是第一个证明光是一种波的证据。这个实验包括向一个有两条狭缝的屏幕发射光。在屏幕后面有另一个屏幕，可以检测穿过狭缝的光最终到达哪里当你这样做时，从狭缝中射出的光会扩散。扩散的光在撞击第二个屏幕之前相互混合。在后面的屏幕上产生的条纹图案很能说明问题。这是一个干涉图案 -- 一个明确的标志表明光是一种波。如果你用电子或任何其他一次发射一个的粒子代替恒定的光束，你不会期望得到相同的图案。如果有什么的话，它们应该只是在后面的屏幕上形成两条狭缝形状的线。但它们没有。单个粒子如预期的那样-次一个地撞击后面的屏幕。然而，作为一个整体，它们具有波的特征，形成了一个干涉图案。不知何故，每个粒子都在为整体的波状行为贡献自己的一部分。它们表现出波粒二象性。事情变得更加奇怪。为了找出单个粒子通过哪个狭缝，你可以在狭缝出口处设置一个粒子探测器来进行这个实验。当你这样做时，所有的波状行为都消失了。在后面的屏幕上形成两条狭缝形状的线，这是粒子的特征。观察的行为 -- 或者更准确地说，测量并因此干扰系统的行为 -- 确保电子像行为良好的粒子一样运动。
、普朗克和爱因斯坦
这样的结果凸显了量子世界与我们的日常经验有多么不同。但是量子现实的证据是压倒性的1900 年，德国物理学家马克斯·普朗克开启了这一进程。他对加热表面的令人困惑的结果很感兴趣这些表面吸收所有照射在它们上面的光的频率，也就是所谓的黑体。普朗克通过说能量不是均匀流动的，而是以他称为量子的离散小数据包的形式释放出来，解决了这个问题。这些量子有一个相关的频率。而两者之间的关系需要一个微小的新的自然常数:普朗克常数。他发现了量子力学的第一个线索能量不是连续的。
普朗克本人认为这些能量量子只是一个有用的数学技巧，以使方程成立。但五年后，阿尔伯特·爱因斯坦表明量子是真实的。爱因斯坦通过解决另一个让物理学家困惑的现象 -- 光电效应，做到了这一点。
实验表明，如果你将光照射在金属表面上，它会发射出电子。但是这些电子的能量只随光的频率变化而不随其强度变化。这在当时毫无意义。强烈的辐射应该更多地激发电子，并以更多的能量将它们发射出去。
爱因斯坦表明光本身的能量等于其频率乘以普朗克常数。光被量子化了。如果光以数据包的形式出现那么在某些方面它表现得像一个粒子。后来，法国物理学家路易·德布罗意证明了相反的情况:粒子可以具有波的特性。
三、让位于概率!
在解开时间、空间和引力之谜的间隙，爱因斯坦引入了波粒二象性背后的思想。并且他在这个领域做出了其他几个重要贡献。但到了 20 世纪 20 年代中期，他开始与量子理论的发展保持距离。这是因为量子力学没有提供精确的测量。它只给出了计算概率的规则。爱因斯坦根本无法接受机会在宇宙结构中起作用。
在许多人中，埃尔温·薛定谔特别突出，他表明机会是宇宙运作方式的核心。在这个过程中，他对微观世界产生了一种全新的看法。为了解决原子结构理论中的问题，薛定谔写了一个方程，该方程决定了-个被称为波函数的概率波如何随时间演变，
这听起来相当枯燥，但却是一大步。这意味着对于给定时间的给定电子，它在你想要的位置 -- 或者实际上在任何位置 -- 的概率可以精确计算。
薛定谔方程在双缝实验中也有一个深远的结果。根据你的观点，它可以有几种含义。但有两种流行的解释。
要么一个粒子以某种方式选择许多可能的路径中的哪一条来最终到达它在后面屏幕上的落点。要么它走所有可能的路径，但在我们的宇宙中只实现一条，其余的在不断扩大的平行宇宙中实现。即使在今天，物理学家也不确定这些解释中的哪一个(如果有的话)是正确的。
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