讓我們以波粒二象性這一量子現(xiàn)象為例。這表明，每個(gè)粒子不僅可以部分地用粒子行為來描述，還可以部分地用波的行為來描述。能夠?qū)㈦娮用枋鰹椴ㄊ刮覀兡軌蚶斫夤璧碾妼W(xué)性質(zhì)。將這種硅堆疊起來可以制造出納米級(jí)的晶體管。將數(shù)百萬個(gè)這樣的晶體管組裝在一起就構(gòu)成了為你的手機(jī)和筆記本電腦提供動(dòng)力的計(jì)算機(jī)芯片。

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類似地，將光描述為不是熟悉的波而是粒子 —— 光子 —— 給了我們激光。在許多其他用途中，激光是通過光纖電纜發(fā)送信息的光源。沒有激光就沒有互聯(lián)網(wǎng)，也沒有全球電信。

但是波粒二象性意味著什么呢?像電子這樣的基本粒子真的也是波嗎?反之亦然嗎?如果你依據(jù)幾十年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，答案通常是量子力學(xué)式的：既是又不是。最清晰的證據(jù)來自經(jīng)典的雙縫實(shí)驗(yàn)。

一、雙縫實(shí)驗(yàn)

在 19 世紀(jì)早期，托馬斯?楊進(jìn)行了這個(gè)實(shí)驗(yàn)的前身。這是第一個(gè)證明光是一種波的證據(jù)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)包括向一個(gè)有兩條狹縫的屏幕發(fā)射光。在屏幕后面有另一個(gè)屏幕，可以檢測(cè)穿過狹縫的光最終到達(dá)哪里。當(dāng)你這樣做時(shí)，從狹縫中射出的光會(huì)擴(kuò)散。擴(kuò)散的光在撞擊第二個(gè)屏幕之前相互混合。在后面的屏幕上產(chǎn)生的條紋圖案很能說明問題。這是一個(gè)干涉圖案 —— 一個(gè)明確的標(biāo)志表明光是一種波。

如果你用電子或任何其他一次發(fā)射一個(gè)的粒子代替恒定的光束，你不會(huì)期望得到相同的圖案。如果有什么的話，它們應(yīng)該只是在后面的屏幕上形成兩條狹縫形狀的線。但它們沒有。單個(gè)粒子如預(yù)期的那樣一次一個(gè)地撞擊后面的屏幕。然而，作為一個(gè)整體，它們具有波的特征，形成了一個(gè)干涉圖案。不知何故，每個(gè)粒子都在為整體的波狀行為貢獻(xiàn)自己的一部分。它們表現(xiàn)出波粒二象性。

事情變得更加奇怪。為了找出單個(gè)粒子通過哪個(gè)狹縫，你可以在狹縫出口處設(shè)置一個(gè)粒子探測(cè)器來進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)你這樣做時(shí)，所有的波狀行為都消失了。在后面的屏幕上形成兩條狹縫形狀的線，這是粒子的特征。觀察的行為 —— 或者更準(zhǔn)確地說，測(cè)量并因此干擾系統(tǒng)的行為 —— 確保電子像行為良好的粒子一樣運(yùn)動(dòng)。

二、普朗克和愛因斯坦

這樣的結(jié)果凸顯了量子世界與我們的日常經(jīng)驗(yàn)有多么不同。但是量子現(xiàn)實(shí)的證據(jù)是壓倒性的。

1900 年，德國(guó)物理學(xué)家馬克斯?普朗克開啟了這一進(jìn)程。他對(duì)加熱表面的令人困惑的結(jié)果很感興趣，這些表面吸收所有照射在它們上面的光的頻率，也就是所謂的黑體。普朗克通過說能量不是均勻流動(dòng)的，而是以他稱為量子的離散小數(shù)據(jù)包的形式釋放出來，解決了這個(gè)問題。這些量子有一個(gè)相關(guān)的頻率。而兩者之間的關(guān)系需要一個(gè)微小的新的自然常數(shù)：普朗克常數(shù)。他發(fā)現(xiàn)了量子力學(xué)的第一個(gè)線索 —— 能量不是連續(xù)的。

普朗克本人認(rèn)為這些能量量子只是一個(gè)有用的數(shù)學(xué)技巧，以使方程成立。但五年后，阿爾伯特?愛因斯坦表明量子是真實(shí)的。愛因斯坦通過解決另一個(gè)讓物理學(xué)家困惑的現(xiàn)象 —— 光電效應(yīng)，做到了這一點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)表明，如果你將光照射在金屬表面上，它會(huì)發(fā)射出電子。但是這些電子的能量只隨光的頻率變化，而不隨其強(qiáng)度變化。這在當(dāng)時(shí)毫無意義。強(qiáng)烈的輻射應(yīng)該更多地激發(fā)電子，并以更多的能量將它們發(fā)射出去。

愛因斯坦表明光本身的能量等于其頻率乘以普朗克常數(shù)。光被量子化了。如果光以數(shù)據(jù)包的形式出現(xiàn)，那么在某些方面它表現(xiàn)得像一個(gè)粒子。后來，法國(guó)物理學(xué)家路易?德布羅意證明了相反的情況：粒子可以具有波的特性。

三、讓位于概率

在解開時(shí)間、空間和引力之謎的間隙，愛因斯坦引入了波粒二象性背后的思想。并且他在這個(gè)領(lǐng)域做出了其他幾個(gè)重要貢獻(xiàn)。但到了 20 世紀(jì) 20 年代中期，他開始與量子理論的發(fā)展保持距離。這是因?yàn)榱孔恿W(xué)沒有提供精確的測(cè)量。它只給出了計(jì)算概率的規(guī)則。愛因斯坦根本無法接受機(jī)會(huì)在宇宙結(jié)構(gòu)中起作用。

在許多人中，埃爾溫?薛定諤特別突出，他表明機(jī)會(huì)是宇宙運(yùn)作方式的核心。在這個(gè)過程中，他對(duì)微觀世界產(chǎn)生了一種全新的看法。為了解決原子結(jié)構(gòu)理論中的問題，薛定諤寫了一個(gè)方程，該方程決定了一個(gè)被稱為波函數(shù)的概率波如何隨時(shí)間演變。

這聽起來相當(dāng)枯燥，但卻是一大步。這意味著對(duì)于給定時(shí)間的給定電子，它在你想要的位置 —— 或者實(shí)際上在任何位置 —— 的概率可以精確計(jì)算。

薛定諤方程在雙縫實(shí)驗(yàn)中也有一個(gè)深遠(yuǎn)的結(jié)果。根據(jù)你的觀點(diǎn)，它可以有幾種含義。但有兩種流行的解釋。

要么一個(gè)粒子以某種方式選擇許多可能的路徑中的哪一條來最終到達(dá)它在后面屏幕上的落點(diǎn)。要么它走所有可能的路徑，但在我們的宇宙中只實(shí)現(xiàn)一條，其余的在不斷擴(kuò)大的平行宇宙中實(shí)現(xiàn)。

即使在今天，物理學(xué)家也不確定這些解釋中的哪一個(gè)(如果有的話)是正確的。

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