科普 |《上帝掷骰子吗》

薛定谔的猫到底死了没？爱因斯坦究竟为何秃头？量子物理，上帝也搞不定的神奇世界。

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精华笔记 

《上帝掷骰子吗？量子物理史话》作者是曹天元。

一、光的本质

1）微粒说：光是由细小的微粒构成。

牛顿做了一个色散实验，一束白光通过一个三棱镜，折射到墙上，就变成了七彩光。牛顿认为白光是不同颜色的微粒混合在一起，通过三棱镜后这些微粒分开了。

2）波动说：光是由于介质的振动产生的波。

托马斯•杨做了一个双缝干涉实验，把一张纸放在光源和屏幕之间，这张纸上有两条平行的缝隙，光穿过缝隙投到屏幕上，出现了“干涉条纹”，这证明光是一种波动。

3）光的波粒二象性：把光看作波和粒子的混合体。

爱因斯坦用量子概念解释了光电效应，光能够从金属材料表面打出电子来，它要求光的能量必须被分成一份一份，这就是光子。同时，麦克斯韦电磁学方程依然有效，光也是依然是电磁波。

二、原子结构模型

1）玻尔原子模型

原子核外面有很多圈轨道，电子在轨道上运动，玻尔认为，电子在轨道上的能量具有某些特定的能级。电子在能级台阶之间的上下跃迁，就能发射或者吸收谱线。这个模型完美地解释了氢原子光谱，但也存在着局限。

2）矩阵力学

海森堡从可观测的谱线、原子运动出发，建立起来用数据表格进行计算的矩阵力学，从而得出量子化的能级和频率，尤其是可以计算有两个电子的氦原子的谱线。

3）波动力学

薛定谔看到德布罗意的物质波假设之后，很快用经典力学的微分方程写成了薛定谔波动方程。这个方程引入了波函数，把电子看成一种波的振动，这种波就像两端固定的琴弦一样，振动模式是量子化的，从而可以计算原子光谱。

三、量子状态本质

1）波恩提出的“概率解释”

波恩认为，薛定谔的波函数描述的是电子在各个位置出现的概率。电子本身不会像黄油一样扩展开来，但它出现的位置是随机的，总体上概率像一个波，按照波函数分布。

2）海森堡的“不确定性原理”

先观测粒子的位置，就会影响它的速度，反过来，测量速度又会影响到位置。因为任何的测量行为都需要用一个工具来进行，比如用光去照射粒子。用于探测的光子必须撞到这个粒子上，才能够知道这个粒子的状态；但是在撞到的同时，它也已经改变了粒子的状态。所以想要同时高精度地测量这两个物理量是办不到的，甚至绝对精确地测量某一个物理量也是办不到的。

3）玻尔的“互补原理”

玻尔在1928年提出了“互补原理”，讨论任何事物都要结合特定的观测手段才有意义。跟经典物理学、经典哲学不一样，量子世界里，没有独立存在的客观世界，主观和客观形成一个统一不可分割的整体。物质不同的形态既互斥又互补。

解读 | 孙正凡（松鼠老孙）  天体物理学博士、科学松鼠会创始会员、中国科普作家协会会员、曾任第六版《十万个为什么》编辑。

播音 | 张煜

策划编辑 | 陈艳

音频编辑 | 陈子夫