科普笔记有趣又神奇的量子论

　　《图说量子论》读书随笔
　　当我们没有观测电子的时候，电子以波的状态出现，但是当我们想要观测电子的时候，波就会消失。
　　微观物质的本质：在没有进行观测的时候，电子是波。在有人观察的时候，波会消失，电子会变成粒子。
　　物质是由分子、离子、原子构成。分子是原子通过共价键结合而形成的；离子是原子通过离子键结合而形成的。所以归根结底，物质是由原子构成的。而原子又由原子核和核外电子构成的，除氢（氕）原子的原子核是由一个质子构成，其它原子的原子核都是由质子和中子构成，中子、质子这一类强子是由更基本的单元夸克组成的。
　　常见的物质存在状态有六种：固态、液态、气态、等离子态、超固态、中子态。
　　自然的本质是不确定的吗？
　　在微观世界中，未来不只是唯一不变的，就像这一秒存在于这里的电子，下一秒究竟存在于何处，只能进行概率上的判断。也就是说，电子在一秒之后极有可能在这里，也有可能在那里。实际上电子究竟会出现在哪里，只能像掷骰子那样被决定。
　　自然界没有绝对的法则，也并非井井有条地运转，而是一种模棱两可、不确定的存在。
　　微观物质的未来没有绝对，未来只能进行概率上的预测。
　　巴赫的《无伴奏小提琴奏鸣曲与组曲》（SonatasandPartitasforSoloViolin，J。S。BACH）是小提琴独奏中首屈一指的名曲，它采用复调音乐的作曲手法作成。因此，单独的一把小提琴演奏，听起来却有二重奏、三重奏甚至管弦乐团的表演效果。这是由于不同的声部相互独立，用不同的方式演奏后再组合起来同时进行的缘故。
　　闭上眼睛的时候，感觉在听管弦乐团演奏，而睁开眼睛的时候，却发现只有一把小提琴在演奏，这感觉就像量子论中描述的微观物质只有在闭上眼睛的时候才是波一样。）思考：难道在闭上眼睛的时候，有好几个我同时存在吗？
　　在《福尔摩斯》中，莫利亚蒂教授发表了《小行星力学》的论文，有些狂热小说迷甚至相信，在真实的历史的影子中，正是莫利亚蒂教授提出了原子的真实构造，衍生出了后来的相对论。
　　量子论的创立历史，就像推理小说一样，众多科学家经过了不断的推理，最终才逐渐接近真实。
　　量子论的革命性和实用性可以超过相对论。
　　微观世界不可思议的规律
　　量子论是解释微观世界不可思议规律的理论。揭示了在微观世界有一套和我们的常识认识不同的规律。
　　微观世界指的是1厘米的一千万分之一大小的世界。这是比构成物质的原子更小的世界。
　　日常生活中的物质成为宏观世界的物质。微观世界的物质，具体来说就是电子等被称为基本粒子的物质。
　　谁创立的量子论
　　量子论是由若干名天才物理学家共同提出并创建的。
　　1900年，普朗克（MaxPlanck）提出量子的概念。
　　1924年，路易斯德布罗意（LouisdeBroglie）提出光的粒子行为与粒子的波动行为应该是对应存在的。
　　1924年，玻色（S。N。Bose）提出光遵循一种建立在粒子不可区分的性质（全同性）上的一种新的统计理论。
　　1925年海森堡（WernerKarlHeisenberg）、波恩（MaxBorn）和约尔当（PascualJordan）提出了量子力学的第一个版本。
　　1925年，泡利（WolfgangErnstPauli）提出了不相容原理。
　　1926年，薛定谔（ErwinSchrodinger）提出了量子力学的第二种形式，波动力学。
　　1927年，丹麦物理学家的尼尔斯波尔（NielsBohr）提出了互补原理，试图解释量子理论中一些明显的矛盾，特别是波粒二象性。
　　1927年，海森堡阐明测不准原理。
　　1928年，狄拉克（PaulDirac）提出了相对论性的波动方程用来描述电子，揭示了电子的自旋并且预测了反物质。
　　但如果非要举出一个名字的话，首先应该想到的是波尔，当然，量子论的完成过程还凝聚了波尔众多的弟子的力量。
　　月亮。根据量子论的内容，类似电子这样微观的物质，在我们不对其进行观测的时候，并不确定地位于某一位置，而呈现出位于各种位置的状态。按照这种想法，月亮也是微观物质的集合体。因此在没有任何人对其进行观测的时候，也不应该断定月亮就处于某一确定的位置。
　　爱因斯坦不接受以上这个观点，他说不管有没有人观测，月亮也好，电子也好，都应该遵循物理学的法则，处于确定的位置。但是，在现在物理界的主流想法却不赞成爱因斯坦的观点，而更加倾向于量子论的内容。
　　微观物质具有波的性质
　　为什么微观物质在没有人进行观测的时候，会处于位置不确定的状态呢？
　　大：微观物质具有波的性质。例如电子，是像粒子一样微小的物质，在量子论出现前，的确也认为电子是微小粒子。但是量子论出现后，确认为电子是波。更加严格地说，量子论认为电子既是粒子也是波，同时具有两种相互矛盾的性质。
　　1个电子也具有波的性质
　　波和水面上的水波有着本质区别。水波是无数的水分子集合在一起运动的现象，但电子即使是一个，也具有波的性质，不是或能像波一样运动，而是一个电子本身就是波，具有波所具有的性质。
　　波不是一种现象，而是电子本身这一物质。
　　没人观测的时候，物质变为波
　　波并不存在于某一确定的位置，而具有一定的广度。根据量子论的内容，当没有任何人进行观测的时候，微观位置就会变成为波。
　　弥散状态吗？不是，电子并不像云那样弥散。而是处于既在这里，又在那里，即占据复述位置的状态。
　　不仅如此，除了微观物质之外，量子论认为宏观物质也具有波的性质。
　　人呢？
　　像我们人类这样大的物质，尽管会变成波，但是波的广度却极小。因此不会呈现出波那样弥散的状态，而几乎只能处于某一个位置。换一个说法，即宏观物质作为波呈现出的性质非常微小。
　　与此不同，微观物质作为波的性质却十分强烈，波会具有大幅度的广度，所以，它便处于某一具体确定的位置，而是呈现出位置不明确的状态。
　　波无法窥探，但可以用方程式验证
　　在没有人观测的时候，微观物质呈现出波的性质。这个观点无法验证。
　　但可以用方程式来表现，在没有人进行观测的时候，微观物质的运动方式。如果我们假设微观物质不是波的话，这个方程式就不能成立。而这个方程式的正确性，已经得到了爱因斯坦等物理学家的认可。
　　二元论。世界本源是意识和物质两个实体。
　　二元论这种思维方式，是近代科学的根基。
　　量子论认为，人不可能观测原本的大自然，我所观测到的结果是由于我的观测所产生的。这便是将作为观测者和被观测者整合起来考虑的一元论观点。
　　一元论：世界只有一个本原。
　　除了所在的位置外，微观物质的所有状态，例如运动的方向和速度等，也都无法确定。所有因素都无法确定。
　　量子论的产生（三个阶段）
　　第一阶段。20世纪第一个十年，量子一词首先出现在物理学界。是英文Quantum的翻译，意思是极小的集群或整数的量。也就是说，量子不是粒子，而是表示量的概念。是有研究光的性质的过程中产生的。德国物理学家普朗克突出，爱因斯坦也用过量子这个概念。
　　第二阶段。20世纪的第二个十年。丹麦物理学家波尔在解释原子内部电子性质的过程中，使用量子（整数量）的概念。年仅27岁。提出了划时代的理论。
　　第三阶段。20世纪20年代左右。物理学家们提出了微观物质具有波的性质，并完成了作为波的电子的运动方式极其能量的方程式。法国物理学家德布罗意、奥地利物理学家薛定谔、德国物理学家波恩和海森堡等众多天才的物理学家陆续登上历史舞台。经过众多物理学家的努力，量子论最终得以完成。
　　薛定谔为量子论的成立做出了巨大的贡献。薛定谔与波尔率领的主流量子论学派不同，他更多偏向于批判波尔等人的观点。他提出了著名的悖论，即薛定谔的猫，到现在，还是没有人能够提出令人信服的答案。
　　1900年12月，普朗克发表了能量量子假说理论，指出光所具有能量称为量子，是整数的存在。
　　能量量子假说：光的能量是连续变化的，所有的物理量也应该是连续变化的。
　　光的能量并不是连续的，而是以某一单位作为基准，只能是整数倍的数值。
　　光的能量虽然以整数值进行变化，但这一变化的幅度之后10的负20次幂，所以一直以来，科学家们都认为光的能量是连续变化的，可即便数值再小，它也是不连续的变化，不能忽视。
　　这也是为什么人们将普朗克称为量子之父。但是普朗克本人却不满，一直致力于将传统的物理学和全新的物理学实现融合。
　　爱因斯坦帮了忙，他虽然反对月亮是由于我们观测才存在，但他却支持物质量并非连续存在，而是呈整数值以及微观物质具有波的性质等观点。
　　并于1905年发表了光量子假说理论，时间是在他提出狭义相对论之前三个月左右的事情，是受普朗克光量子假说的启发。
　　光量子：光的本质是具有能量的粒子的集合。当时科学家们认为光的本质是波，爱因斯坦却认为光的本质是微小粒子的集合，并将这些粒子命名为光量子。
　　爱因斯坦凭借光量子假说正确解释了光电效应这一现象，并且获得了诺贝尔物理学奖。（理由：理论物理学领域的诸多研究，尤其是发现光电效应法则。）
　　光电效应：光照在金属表面的时候，金属表面会迸发出电子的现象，并具有一定的特征，如果使用紫外线等波长短的光，电子会强势迸发，如果使用红外线波长长的光，则不会迸发出电子。
　　如果认为光的本质是波的话，就无法正确地解释这一现象。他认为，由于光的本质是具有能量的例子的集合，隐私波长较短的光的一个光量子所具有的能量，就要比波长长得光更大，这一理论合理的解释了光电效应。
　　那光的本质是波还是粒子呢？
　　答：由于光具有波长，如果不将光看作波的话，有很多情况也不能很好地解释。因此，光的本质既是波又是粒子，光具有类似双重人格的性质。
　　10年之后，波尔开始对原子中的电子的性质进行研究，并由此奠定了量子论的基础。
　　随着对物质的不断细分
　　1911年，英国物理学家卢瑟福通过实验提出了突破性的观点，认为原子的中心部分有一个巨大的硬核，即原子核带有正电，而带负电的电子则围绕它在四周转动。
　　电子是波
　　波尔认为，原子内部电子运行的轨道是整数值。（凭借直接这样认为）
　　发过物理学家德布罗意，发现了这一理由，于1924年发表了一个大胆的假设，认为电子运行轨道之所以是整数，是由于电子的本质是波。
　　德布罗意还认为，不仅限于电子，所有的物质本质上都是波，他将这种波命名为物质波。这时，堪称量子论本质的物质是波这一思想正式出现。
　　作为波的电子的方程式
　　薛定谔方程式的诞生
　　德布罗意认为，电子的本质是波，但看上去具有粒子的性质。他希望从这个角度创建自己理论，但不顺利。
　　后来，薛定谔出现了，发表了用来计算物质波传导的方程式，计算氢原子和电子的能量。计算结果和波尔预测的整数值一模一样。
　　被命名为薛定谔方程式，成为了量子论中最基本的方程式。
　　这种波具有复素数的高度
　　普通的波的高度，可以用米等长度单位来表示，但是复素数的波的高度则需要用平方米等面积单位来表示。
　　物质波不好理解，于是有一个全新假说的天才科学家出现了，德国物理学家波恩。提出物质波的本质是一种概率的波。
　　无法确定电子一定出现在某一位置，只能用概率来预测电子可能出现的区域。
　　由于我们想要观测的物质波广泛扩散在不同的位置，观测的时候物质波会收缩到某一个点上。
　　究竟会收缩到哪一个点上，根据收缩之前波的高度，可以确定其出现的概率。
　　虽然不明白具体收缩的原因，但是可以假定它是成立的，因为使用薛定谔方程式的确可以正确地计算出电子的能量和运动方式。
　　整理一下
　　20世纪20年代，说明原子中电子的奇异现象的理论，即量子论正式完成。量子论告诉我们，电子等微观世界的物质，具有和我们已知的物理法则截然不同的规律。
　　第一条全新的规则就是：微观世界物质的行为，可以用其本质是波来解释。使用表示波的传导方式的薛定谔方程式，可以计算出电子的运动和能量等。
　　第二条全新的规则是：微观物质的行为只能进行概率上的预测。电子可能出现的位置，就像掷骰子一样，只能从概率上确定。
　　人类也是波
　　可以通过一个实验来验证电子具有波的性质。1927年美国物理学家戴维孙和革末，像镍金属表面发射倾斜的电子书，并对其反射现象进行观察，发射的电子束变强或变弱，由于电子具有波的性质。
　　同样的，1927年，英国物理学家汤姆孙进行了一个实验，使用电子束照射金属的薄结晶膜，成功观测到了干涉条纹。
　　所有的物质都具有波的性质。
　　但周边宏观物质的尺寸较大，所以作为波的性质就比较弱。
　　棒球
　　电子的波具有广度，棒球的波几乎收缩在一个点上，隐私在考虑棒球运动的时候，可以使用传统物理学的规律。
　　在考虑电子运动和能量的时候，就不能忽视它作为波的性质。
　　波开辟的能量隧道
　　电子能够突破绝缘膜，因为电子具有波的性质。
　　电子的波的高度和我们观测电子的瞬间，表示发现电子位置的概率有关，所以大部分情况下，我们在绝缘膜以内发现电子的概率较大。
　　尽管在膜外发现的概率较小，但仍存在这一可能性。
　　也就是说，本应该被绝缘膜封闭在内部的电子，有可能在膜外被发现，即电子有可能穿透绝缘膜。
　　但是棒球只具有极弱的波的性质，那么棒球穿透墙壁的可能性在概率上存在吗？
　　存在，概率只有10的负24次幂，甚至更下，基本上可以说可能性为零。
　　隧道效应和纳米技术
　　隧道二极管，日本人江崎玲于奈先生发明的一种半导体元件。利用隧道效应发出电流，用这个技术的扫描电子显微镜，可以观测到单个电子的形态，也可以对单个电子进行提取或进行加工（即使纳米技术）。纳米技术是量子论的最顶尖技术。
　　不确定性原理
　　棒球穿透墙壁的可能性不为零。概率非常接近另，事实上也是零，但的确并不完全为零。
　　自然的本质就是如此，具有模糊不确定性。
　　德国物理学家海森堡在1927年是用一个公式，表现了自然所具有的不确定性。被称为不确定性原理。
　　不确定性原理具体指：当我们测定物质的位置和速度时，二者不能同时确定为唯一数值，不可避免地具有不确定性。比如某一电子的位置是特定的，那么其速度就是不确定的。
　　相反互补的世界
　　针对量子论揭示的自然观和物质观的特征，波尔使用了互补性来形容。
　　互补性。指的是性质相反的事物相互弥补，形成一个事物乃至全世界的思考方式。比如物质具有粒子和波这两种截然不同的性质。这就是互补性。
　　还有位置特定速度不确定、速度特定位置不确定即不确定性原理，也体现了互补性。
　　太极图
　　波尔为了表达互补性，使用了象征阴阳思想的太极图。在晚年，波尔还将太极图用在了自己的个人徽章设计之中。
　　阴阳思想指阴阳之气相互结合、相互作用，决定了所有的自然现象和人类活动。这和量子论所描述的世界如出一辙。
　　零也是不稳定，真空也是不稳定
　　量子论向我们阐明概念上、哲学上的零或无的状态，在物理上是不存在的。
　　在量子论中，真空并不是完全空白的空间，而是指粒子在短时间内申城、又在短时间内消失的状态。即是一种有粒子和无粒子之间得波动状态。
　　真空中的电子和正电子会成对出现。真空之所以呈现电为零的状态，是因为其中存在的电子和正电子成对作用的结果。
　　没有任何事物是确定不变的。
　　作为物质根源的基本粒子会随时生成、消失，或者变形为其他粒子的形态。
　　薛定谔的猫（1935年反对量子论的论文）
　　假设将放射性物质和一只活猫放入一个带盖子的铁箱中，如果放射性物质引起原子核崩塌，释放出放射线，产生毒气，就会毒死箱中的猫。
　　放射性物质是否引起原子核崩塌，是微观世界的现象，量子论中认为，在没有任何人观测的时候，微观物质会变成波。而其所在的位置也是不确定的。所以原子核是否崩塌属于模糊不确定的状态。
　　不是因为没看到所以不知道而是没看到的时候不能确定。
　　原子核崩塌可能发生也可能不发生。但在这个实验中，原子核是否崩塌，直接和猫的生死相关。也就是说，由于放射性物质是否引起原子核崩塌处于不确定的状态，所以猫的生死也处于不确定的状态。
　　可是，生死处于不确定的状态到底是什么状态呢？即便是濒死状态，也属于或者的状态，而不是既生又死的状态。
　　没错，通常会认为，在观察之前，猫已经处于了生或死的其中一个状态。
　　所以薛定谔认为，微观物质的位置和状态在我们观测之前一定已经处于可以确定的状态。（反对量子论的观点）
　　量子论的主流科学家们认为，猫的生死并不适用于量子论。一只猫是由无数的微观物质集合起来的复杂的存在，隐私不能和只考虑一个电子时一样，简单粗暴地使用量子论的理论。
　　有说服力，但是，如果按照这种说法，能够使用量子论的微观世界和不适用的宏观世界，怎么界定呢。
　　因此，薛定谔的猫这一问题到现在仍然悬而未决。
　　多世界（平行世界）
　　我们存在的世界可能分为了不同的多个世界。
　　薛定谔的猫的问题，当盖子合上并经过一段时间之后，我们所在的世界在不知不觉中分支成了两个世界。
　　当然，相信多世界诠释的科学家们数量很少。
　　量子计算机
　　量子计算机正在研发当中，说不定可以同时计算模拟分支后的世界。
　　现在的计算机连续工作一亿年也计算不出的数据，用量子计算机只需要几秒钟就可以完成。看成梦幻计算机。
　　现代的计算机将所有的信息都转换成成二进制编码，进行计算和处理。二进制编码是用0和1表示的数字，无论是0还是1，都是信息处理的单位，成为位（bit）；而量子计算机则使用了量子论中的既不是0也不是1的不确定状态原理，我们称为量子单位。
　　两个放电的小盒子。
　　现在计算机的原理，可以比喻成为电子位于左边盒子时的状态为0，电子位于右边盒子时的状态为1。
　　而量子论，在没有任何人进行观察的时候，电子所处的位置并不明确，可以看作既在左边也在右边，这种不确定的状态，就是量子单位。
　　每一个量子单位，可以同时既表示0又表示1，这样一来就可以同时进行00、01、10、11四个计算。如果有10个量子单位，就可以同时进行2的10次幂，即1024个计算。利用这样的技术，可以一次性处理大量的信息，进行超高速计算。
　　提出量子计算机的是英国物理学家大卫杜斯。
　　现如今，量子计算机已经达到了能够进行心算程度简单计算的阶段，但是，量子计算机的真正制作完成还需要经过漫长的过程。
　　量子宇宙论
　　大爆炸理论几乎获得了所有科学家的认可，想要研究初期宇宙，即微观宇宙的形态，就必须使用量子论的理论。
　　初期宇宙膨胀时所需的能量源，需要真空能量这一假定。真空并不是什么都没有，是有和无的摇摆状态，因此可以从中获取能量，让宇宙可以在瞬间发生急速的膨胀。
　　乌克兰物理学家维兰金提出了宇宙从无创造轮，他巧妙地利用了量子隧穿效应理论，认为最初的微观宇宙是从什么都没有的状态中诞生的。
　　此外，英国物理学家霍金提出，宇宙是从虚时间中诞生的，即无边界假说。虚时间是一种假设的时间。不过，霍金却坚信虚时间真实存在，并认为宇宙正是从虚时间中产生的，这一观点也是基于量子论的宇宙论观点。
　　基于量子论研究宇宙起源的理论，成为量子宇宙论。
　　量子论和相对论的矛盾
　　量子论中，物质状态不能确定为唯一，但概率守恒。但是用量子论的内容解释广义相对论的时候，尽管最初的概率之和为100，但经过一段时间，概率的总和就会变成60。为了避免这一情况，就需要引入负概率的概念。
　　量子重力理论是致力于将量子论和相对论融合的一种理论。即是大一统理论，如果可以完成，可以解释世间所有的现象。
　　膜理论。这种理论认为，想要找出超越相对论的终极理论，我们可以将我们所在的宇宙想象成为位于高次元空间中的像膜一样漂浮的存在。
　　膜理论是在探索大一统理论过程中，最有力的候补者超弦理论研究过程中产生的一种理论。
　　超弦理论认为，构成物质的最小构成单位是一种极小的弦。用这种探索微观世界的理论，来研究位于宇宙之外的高次元空间，这种理论却像格拉肖描绘的头尾相连的奥罗班若蛇那样，代表着融合相对论和量子理论的终极理论。
　　量子理论的应用
　　纳米技术
　　电路中的晶体管
　　二极管，LED
　　量子计算机、量子电运、量子通讯目前都是在理论阶段。