科学认识君的《通俗物理100课》系列

【第三课：上帝掷骰子吗？】

或许你听过这样的话“如果初学者第一次接触量子力学，却没有感到困惑，那么他一定是没搞懂”。这是玻尔的名言，当然原话并不是这样，但意思完全相同。

量子力学中有太多违背常识的地方。在昨天的第二课中，我已经讲述了波粒二象性，在我上专业课时，第一次听到教授讲解那既是波又是粒子的光子，我深深感受到量子力学满满的恶意。毕竟这种思维太“邪乎”了。随着学习地深入，我慢慢地将这种反常识的思维当做了量子力学的常态。

喜欢科普读物的读者一定知道《上帝掷骰子吗》这本书？从字面上看，中心思想指的是微观世界那“飘忽不定”的粒子运动。

在中学物理中，我们学习过质点的概念。人们研究一个与自身状态无关的物体运动时，可以将其视为质点以便模型化理解。中学时代的你学习了速度，加速度，质量，力的知识点。我们用这些知识做题，比如测量运动车辆的速度，计算弹簧的拉力，自由落体的时间等等。这些题目再熟悉不过了，好像生活中大部分的物理现象都可以用牛顿力学来解决。

中学物理必修课不涉及相对论和量子力学，我们习以为常的物理知识其实就是经典物理。因为经典力学是生活在近代时期的牛顿建立起来的，有时也称近代物理。

经典物理告诉我们，研究一个物体的运动，首先要知道这个物体的基本量纲信息。比如物体运动的时间，长度（空间）和质量。速度，加速度，动量，力，能量等物理量都是在时间，空间和质量的基础上导出而来的。比如速度=空间÷时间，力=质量×空间÷时间²....

在我们生活的宏观世界，我们能用这些物理量几乎描述了大部分自然现象。

可是好景不长，从牛顿力学到量子力学的建立也就200余年。在牛顿力学统治时代，人们没有高精度显微镜，顶多就看个细胞啥的。随着科技水平的提高，人能感知到的物质尺度越来越小。比如英国物理学家汤姆逊在19世纪末通过稀薄气体放电发现了电子的存在，接着到了20世纪初，卢瑟福通过散射实验发现了原子中心居然有个核，这就是原子核的发现。

特别是从19世纪末到20世纪初这段时间，科学家们有了更多的工具和手段探测原子级别的物质规律。起初物理学家还幻想用牛顿力学解释次原子级别粒子的运动。但事与愿违，微观粒子的运动完全不符牛顿力学的预测。在昨天的文章中，笔者讲到了电子的运动。我们知道原子核带正电，电子带负电。如果按照牛顿力学的预言，电子要么在库仑力的作用下绕原子核做圆周运动，要么就落到原子核上与其电荷中和。但真实的情况远非如此，电子不仅在原子核外活波蹦跶，而且还不是圆周运动，你说气人不？

最后玻尔结合爱因斯坦的光量子概念提出了电子能级跃迁的概念来解释核外电子的运动。玻尔认为核外电子会吸收和放出光子，而光子就是光量子，是电磁波能量的基本单位。也就是说光子是不可再分的能量，就相当建筑中的砖瓦，充当电磁波能量组成的单元。电子会吸收外来的光子，也就是吸收了一份能量，导致其跃迁到更高能级轨道上。如果电子释放了光子，其能量就是减少，并跃迁到低能级上了。玻尔的诠释在当时看来很符合实验，但却不能解释电子云现象。

玻尔

在1927年的电子双缝干涉实验中，人们发现了一个异常的现象。实验操作就是：电子发射器依次发出的电子经过双缝的栅栏并抵达后面的光屏。这次实验中，物理学家发现只要不去观测电子，那么它就是同时经过两个细缝。这太不可思议，一个电子怎么会同时处于两个位置呢？尽管把电子的双缝干涉实验进行了无数遍，实验结论依旧如初。