读《上帝掷骰子吗》：世界的本质是不确定性

全书以精彩的故事和详实的科学内容展现了量子物理学从萌芽到发展壮大的历史脉络。首先，赫兹通过实验数据证实了电磁波的存在，并计算出其速度恰好等于光速，验证了麦克斯韦的预言——光是电磁波的一种表现形式。牛顿在光学领域的研究虽以粒子论为主导，但他对波动概念的吸收和改造为后来波动理论的发展提供了基础。接着，杨氏双缝实验揭示了光的波动性以及干涉现象的本质，而菲涅尔提出的横波理论成功解释了偏振现象，进一步确立了光的波动理论地位。然而，随着经典物理学体系在燃素说、光电效应等新现象面前遭受挑战，物理学的基础开始动摇。普朗克提出了能量量子化的假设，打破了连续能量传递的传统观念，为解决黑体辐射问题并建立量子理论奠定了基石。爱因斯坦在光电效应的研究中，将量子概念应用于实际现象，不仅证明了光的能量量子化，还提出光子具有粒子性和动量，这一工作对于量子力学的形成至关重要。康普顿散射实验证实了光子与物质相互作用时遵循粒子性规律，进一步强化了光的波粒二象性。原子结构模型经历了从玻尔的行星模型到德布罗意的物质波假设，再到海森堡不确定性原理、薛定谔波动力学及狄拉克引入的量子数等理论的发展，量子力学逐步走向成熟。

爱因斯坦认为世界是确定的、统一、因果的，自然界应当有一个深层次的实在结构来解释这些表面的随机性现象，而不是简单地归结为纯粹的概率事件。“上帝不会掷骰子”表达了他对量子力学中随机性和概率性本质的质疑。在量子力学中，物理系统的状态并非总是确定的，而是由波函数描述，并且在进行测量之前，粒子处于所有可能状态的叠加态。当测量发生时，波函数塌缩至一个具体的观测结果，而这个结果被认为是随机选择的，遵循一定的概率分布。

量子力学挑战并重塑了人类对自然界基本法则和现实本质的传统认知，揭示了微观世界的非决定性、概率性和波粒二象性等特征，动摇了经典物理学中的因果性和实在论基础。不确定性原理颠覆了精确预测与完全确定性的信念，而哥本哈根诠释则引发了关于观察者角色以及客观世界是否存在独立于观测的实在状态的深刻探讨。量子纠缠现象更是提出了超越时空联系的可能性，促使我们重新审视传统的空间、时间和实体概念。

量子力学发展历程：

1.第一次波粒大战与波动说兴起：

1.17世纪末至18世纪，科学家们对光的本质进行探讨。胡克提出了“光是以太中的纵波”假说，并初步支持波动说。

2.19世纪初，托马斯·杨通过双缝干涉实验揭示了光的波动性，随后菲涅尔进一步发展波动光学理论，成功解释衍射、干涉现象，并通过泊松亮斑实验为波动说赢得了关键证据。

2.麦克斯韦电磁理论与光的电磁波性质确认：

1.19世纪中叶，麦克斯韦建立了电磁场理论，预言了电磁波的存在，并计算出其速度与已知的光速相同，从而得出结论——光是一种电磁波。

3.微粒说与波动说融合及量子概念的引入：

1.20世纪初，光电效应实验揭示了光的粒子性，爱因斯坦在此基础上提出了光量子假说（光子），并以此成功解释光电效应。

2.康普顿效应进一步证实了光的粒子特性，而德布罗意则提出了物质波假说，认为不仅光具有波粒二象性，一切微观粒子如电子也同时表现出波动性和粒子性。

4.量子力学早期的发展：

1.普朗克在研究黑体辐射时提出能量量子化的假设，奠定了量子论的基础。

2.海森堡提出矩阵力学，强调测量的不精确性和物理量之间的不确定性关系（即著名的海森堡不确定性原理）。

3.薛定谔创立波动力学，用波动方程描述微观粒子的行为。

4.矩阵力学与波动力学被证明是等价的，这使得量子力学成为统一的理论框架。

5.波恩的概率诠释指出波函数并非代表粒子的具体位置和动量，而是代表粒子出现在某处的概率密度。

5.哥本哈根诠释

量子系统的状态可以由波函数（通常用希腊字母Ψ表示）来描述，这是一个复数函数，通过薛定谔方程演化。波函数包含了关于系统所有可能状态的信息。波函数的模平方给出了粒子出现在特定位置或具有特定动量的概率分布。也就是说，波函数并不直接代表粒子的具体位置或状态，而是提供了一种概率幅，根据这些幅值计算出观察到不同结果的可能性。

当一个观测或测量被执行时，原本连续演化的波函数会“瞬间”塌缩成一个确定的状态，这个过程是非局部、非连续且不可逆的。具体而言，在未进行观测前，粒子处于多种可能性的叠加态；一旦测量发生，粒子的状态变得唯一且符合测量结果。

在哥本哈根诠释下，物理实在性不是预先存在的独立实体，而是在观察过程中被创造出来。这意味着客观世界的特性依赖于我们的观测行为，这也就是所谓的“观察者效应”。

回应ERP悖论：EPR悖论指出，在量子力学中，两个纠缠粒子的状态即使在空间上相隔很远也能瞬间相互影响，这似乎违反了局域性原理。哥本哈根诠释强调：波函数只能给出物理量的概率分布，并不涉及客观实在的具体状态。当对一个纠缠态进行测量时，另一个纠缠粒子的状态瞬间确定并非意味着有超光速的信息传递，而是整个系统的波函数已经包含了所有可能的结果，每个结果都有其对应的概率。测量一个粒子会使得系统整体波函数塌缩到一个确定的观测结果，但这并不需要任何实际的信息传递过程。

6.多宇宙理论

多宇宙理论是对量子力学解释中的一种尝试，尤其与哥本哈根诠释所面临的哲学困境相呼应，它试图解决波函数坍缩和观察者效应的假设性理论。

在量子力学的标准框架下，一个系统的状态由波函数描述，波函数在没有外部观测时按照薛定谔方程连续演化。这意味着系统处于所有可能状态的叠加态，例如电子可以同时位于多个位置或具有多种能量状态。多宇宙理论提出了一种对哥本哈根诠释的替代解释，即每次量子事件发生时，宇宙不是简单地选择一种可能性，而是分裂成多个平行宇宙，每个宇宙代表了一个可能结果的发生。这样，在每一个宇宙分支中，粒子都处在特定的位置或状态，而整体来看，所有的可能性都被包含在不同的宇宙分支中。

7.退相干理论

理论试图解决波函数坍缩与观察者问题的另一种方式。退相干理论并不否定量子力学的基本原理，而是提供了对量子系统如何从叠加态转变为经典世界的确定性状态的一种描述。当量子系统与环境发生相互作用时，其量子特性会逐渐丧失，即量子系统的叠加态受到环境的影响而失去相干性，从而表现为经典物理世界中的单一确定状态。这里的“相干性”是指量子态之间的相位关系，它是叠加态和干涉现象的基础。微观粒子如电子、光子等，它们的量子性质通常能够保持得较好，但一旦这些粒子与大量粒子组成的宏观环境发生耦合，它们的量子态就会迅速退相干。这种退相干过程使得量子叠加态无法在宏观尺度上表现出来，因为环境中无数粒子会以随机的方式影响到量子系统的状态。

在退相干过程中，量子系统原本具有的量子信息并没有真正消失，而是分散到了环境中。由于环境粒子数量巨大且难以追踪，这些信息变得无法提取和利用，因此呈现出类似于波函数坍缩的效果。这一过程是不可逆的，符合热力学第二定律关于熵增的原理。.退相干理论为理解观察者问题提供了一种新视角。在这一理论下，观察者不再扮演特殊角色，而是作为宇宙整体的一部分参与到退相干过程中。观察者所感受到的经典世界是量子系统经过退相干后呈现出来的结果。