量子物理是什么？——回答長期未決的問題（上）

阿特·霍布森1 著 龍桂魯2 譯

1. 阿肯色大學(xué); 2. 清華大學(xué)

一

引言

1900 年，許多物理學(xué)家認(rèn)為艾薩克·牛頓和詹姆斯·麥克斯韋已經(jīng)回答了所有重要的物理問題，剩下的幾乎沒有什么可以發(fā)現(xiàn)的了。剩下的少數(shù)幾個基本問題之一是理解物體被加熱到某個溫度時輻射的能量。

在苦苦思索這個問題的答案時，馬克斯·普朗克提出了一個新觀點：輻射能量并非連續(xù)釋放，而是以瞬時分離的能量包形式釋放。每個能量包的大小很小——2.85×10-19焦耳——相當(dāng)于你家灶臺上普通電熱灶輻射出的能量單位，也就是每個“量子”的能量。普朗克認(rèn)為這純屬數(shù)學(xué)假設(shè)，與實際物理現(xiàn)象關(guān)系不大。

今天，我們認(rèn)識到，普朗克的想法是理解微觀世界的關(guān)鍵。它適用于整個宇宙：每一種能量都以高度統(tǒng)一的包或“單元”的形式存在。我們稱這些包為“量子”。

普朗克的理論被忽視了五年，直到1905 年，一位名叫阿爾伯特·愛因斯坦的默默無名年輕專利審查員才證明，普朗克提出的量子理論能夠解釋“光電效應(yīng)”——即當(dāng)光束照射金屬表面時，金屬會釋放電子。1913 年，尼爾斯·玻爾基于普朗克的理論發(fā)表了著名的氫原子模型，這使得量子物理學(xué)真正引起學(xué)界的廣泛關(guān)注。

1925 至1927 年間，維爾納·海森堡、埃爾溫·薛定諤等科學(xué)家提出了量子理論的普適性框架。然而他們的研究成果過于抽象，數(shù)學(xué)推導(dǎo)復(fù)雜，難以用直觀的物理圖像來闡釋。盡管該理論能以驚人的精度預(yù)測原子光譜等物理現(xiàn)象，但學(xué)界卻就其在現(xiàn)實世界中的具體含義展開了激烈爭論，形成了相互矛盾的解讀觀點。

量子物理學(xué)已經(jīng)存在了125 年。它是有史以來最精確和最全面的科學(xué)理論。然而，它的基本思想仍然令人困惑。

專家們對一些簡單問題給出了截然不同的答案。這些問題包括：量子物理研究什么？電子或光子究竟是什么？電子、光子或原子的“量子態(tài)”究竟意味著什么？如果能直接觀測，電子會呈現(xiàn)怎樣的形態(tài)？原子是真實存在的實體，還是人類思維的產(chǎn)物？空間延展的“波函數(shù)”會瞬間坍縮嗎？如果是這樣，這是否違背了愛因斯坦關(guān)于“沒有任何東西能比光速更快”的結(jié)論？

每門科學(xué)都有正常的學(xué)術(shù)分歧，但很難理解為什么物理學(xué)家甚至在他們最基本的理論的一般性質(zhì)上也不能達(dá)成一致。

這并不健康。它讓那些想知道這個理論告訴了我們關(guān)于現(xiàn)實世界的何種圖景的普通人感到困惑。這種困惑導(dǎo)致物理學(xué)家們發(fā)明了大量令人尷尬的量子物理學(xué)“解釋”，其中許多接近偽科學(xué)(神秘或宗教思想被當(dāng)作科學(xué)來呈現(xiàn))。

是時候讓物理學(xué)家們就量子物理學(xué)的意義達(dá)成一致了。

這些問題自1935 年就存在。有爭議的話題包括波粒二象性、疊加、糾纏、波函數(shù)的坍縮、非局域性、薛定諤的貓、測量，以及“波函數(shù)”是否在物理上是真實的，或者僅僅是一種心理構(gòu)造。

如今這些“老問題”能夠得到解答，背后有幾個關(guān)鍵原因。首先，大部分困惑源于圍繞“非定域性”(愛因斯坦稱之為“遠(yuǎn)距離幽靈作用”)的長期爭論。但這一難題在2015 年通過三篇論文得以解決，該成果還被授予該領(lǐng)域三位物理學(xué)家的2022 年諾貝爾獎所認(rèn)可。如今科學(xué)界已達(dá)成共識：非定域作用確實真實存在。

其次，其中一些問題可以通過采用更精確、更包容的理論——“量子場論”——作為對整體現(xiàn)實的描述而得到解決。量子場論支撐著高能物理領(lǐng)域的諸多成就。標(biāo)準(zhǔn)量子物理僅僅是該理論在低能極限下的表現(xiàn)形式。

第三，由于物理學(xué)家對當(dāng)前量子物理解釋的不滿，以及關(guān)于非局域性的突破，今天科學(xué)界的氛圍更歡迎大家提出新的解決方案。

二

沒有粒子，只有量子化的場

物理“場”(例如電磁場)是一種在空間區(qū)域內(nèi)每個點都具有特定數(shù)值的實體。理解量子物理學(xué)的關(guān)鍵在于認(rèn)識到：宇宙本質(zhì)上是由一系列量子化的物理場構(gòu)成。

在日內(nèi)瓦歐洲核子研究中心(CERN)的大型強(qiáng)子對撞機(jī)等實驗室工作的物理學(xué)家們，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了25 種不同的量子場。這些場都具有“量子化”特性，意味著它們的能量以統(tǒng)稱為“量子”的能量包形式存在。舉個例子，電磁場就是其中一種，其對應(yīng)的量子就是光子。

電磁場和另外24 個基本場遍布整個宇宙。這25 個量子場的理論被稱為“量子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型”，對于人類最基礎(chǔ)的宇宙理論來說，這個標(biāo)題太乏味了。

簡而言之，這25 個基本場包括6 種“夸克”場、6種“輕子”場、8 種“膠子”場、4 種“電弱場”以及希格斯場。我們熟悉的宏觀世界僅由其中4 種場構(gòu)成：兩種被稱為“上夸克”和“下夸克”的夸克場、一種稱為“電子場”的輕子場，以及一種名為“電磁場(EM場)”的電弱場。希格斯場對理解宏觀世界同樣至關(guān)重要——若沒有希格斯場，上夸克、下夸克和電子場將失去質(zhì)量，生命便無法存在！所有這些場都處于“量子化”狀態(tài)，即它們都以被稱為“量子”的能量包形式存在。例如，電磁場的量子被稱為“光子”。我們熟悉的原子、分子、蘋果和桌子的世界，僅由這四種場構(gòu)成：電磁場、電子場以及上夸克和下夸克場。其余21 種場則活躍于大爆炸、活動星系核和恒星超新星爆發(fā)等高能現(xiàn)象中。

眾所周知，標(biāo)準(zhǔn)模型并不完整。首先，它無法解釋在許多星系中觀測到的“暗物質(zhì)”。其次，它也無法解釋導(dǎo)致宇宙加速膨脹的“暗能量”。最重要的是，標(biāo)準(zhǔn)模型沒有解釋引力的作用。

包括我在內(nèi)的大多數(shù)物理學(xué)家都認(rèn)為，只有當(dāng)我們建立起量子引力理論時，所謂的“萬物理論”才能真正完善。我們這些研究者普遍認(rèn)為，未來任何完整的理論體系，最終都將基于一個統(tǒng)一的量子場論——這個理論需要囊括整個標(biāo)準(zhǔn)模型、暗物質(zhì)、暗能量、引力，以及未來可能發(fā)現(xiàn)的所有新現(xiàn)象。

三

雙縫實驗

電子、光子和原子這些量子現(xiàn)象，究竟是某種宇宙“介質(zhì)”中的波動，還是漂浮在虛無空間的微小粒子？要理解這個困惑，不妨看看著名的“雙縫實驗”(圖1)。托馬斯·楊于1801 年首次開展這項實驗，它讓科學(xué)界確信光是由波構(gòu)成的，而非像艾薩克·牛頓所認(rèn)為的那樣由粒子組成。

圖1光的雙縫實驗概念圖。單頻光通過兩個狹縫時，并不會在屏幕上產(chǎn)生預(yù)期的兩條寬光帶，而是形成了明暗相間的條紋干涉圖案

如圖1 所示，當(dāng)單頻光通過隔板上的兩個窄縫時，會在隔板后方一定距離處的觀察屏上形成一系列明暗相間的條紋。標(biāo)準(zhǔn)解釋認(rèn)為，光是電磁場中的波動，當(dāng)兩束光線穿過狹縫后，在觀察屏上會發(fā)生“干涉”現(xiàn)象。具體來說，當(dāng)一個狹縫的波峰與另一個狹縫的波谷相遇時，兩者的波形會相互抵消，屏幕上不會出現(xiàn)任何光斑。而當(dāng)波峰相遇(或波谷相遇)時，兩者的波形會產(chǎn)生疊加效應(yīng)，屏幕上就會顯現(xiàn)明亮的條紋。如果通過狹縫的是粒子而非波，則不會發(fā)生這種干涉現(xiàn)象，所有粒子都會在屏幕后方的兩個狹縫處形成寬幅光帶。圖2 展示了干涉效應(yīng)的實驗驗證。

圖2光的雙縫實驗的實驗結(jié)果

但圖1 和圖2 似乎與我們之前學(xué)到的光由被稱為“光子”的小能量包構(gòu)成的觀點相矛盾。光子理論似乎支持牛頓關(guān)于光由粒子構(gòu)成的理論。為什么我們在圖1 和圖2 中看不到這種粒子的證據(jù)？圖3將幫助我們解答這個問題。

圖3展示了使用極微弱單色光進(jìn)行雙縫實驗的預(yù)測結(jié)果，這將直接證明量子化現(xiàn)象的存在。每個光點對應(yīng)一個光子，曝光時間從(a)到(e)逐步延長。通過增加曝光時長可以觀察到干涉圖案的形成過程

注：由于該實驗難度極高，至今無人成功完成

圖3 是用極其微弱的光想象中的雙縫實驗的示意圖，這種光非常微弱，每秒只有幾個光子通過縫隙。這個實驗非常微妙，從來沒有被做過，但它是我們期望看到的，如果實驗?zāi)軌蜻M(jìn)行的話。

圖3展示了當(dāng)僅有少量光子通過狹縫時，干涉條紋隨時間累積形成的漸變過程。在圖3(a)中，由于曝光時間過短，僅有少量光子撞擊屏幕；圖3(b)則通過延長曝光時間，使更多光子擊中屏幕；而圖3(c)、(d)、(e)則采用更長時間的曝光。圖1 和圖2 中呈現(xiàn)的條紋狀干涉圖案，正是大量光子分分秒秒撞擊屏幕所形成的結(jié)果。

圖3 也揭示了量子領(lǐng)域的“隨機(jī)性”或“不確定性”——正如你可能聽說過的那樣。任何特定光子的精確撞擊點都無法預(yù)測，只有其在不同位置發(fā)生碰撞的概率是可預(yù)見的。這種“不確定性原理”本質(zhì)上是自然界的客觀規(guī)律，量子理論必須充分考慮這一特性。圖3(a)和(b)圖直觀展現(xiàn)了這種量子隨機(jī)性：撞擊點看似隨機(jī)分布在區(qū)域各處。而圖3(c)、(d)、(e)圖中呈現(xiàn)的干涉圖案則表明，某些區(qū)域發(fā)生的概率明顯高于其他區(qū)域。

但若干涉圖樣確實是由大量微小光子撞擊屏幕形成的，那么我們又面臨新的難題：既然光由無數(shù)微小的點狀光子構(gòu)成，每個光子只能通過其中一條狹縫。這種情況下，干涉圖樣如何形成？每個微小光子又是如何“知道”自己必須參與條紋狀的干涉圖案呢？

四

理解雙縫實驗

為解答這個關(guān)鍵問題，我們將采用一個略有不同的實驗方案。參照圖1 設(shè)計的雙縫實驗，但這次改用電子流替代光子流進(jìn)行觀測。該實驗由克勞斯·瓊森于1961 年完成，其在顯示屏上呈現(xiàn)的干涉圖樣雖然尺寸更小，但與圖2 完全一致！這一發(fā)現(xiàn)印證了量子物理學(xué)最根本的原理之一：正如光子具有波動性，電子同樣展現(xiàn)出波動性特征。

這印證了路易·德布羅意在1924 年提出的經(jīng)典理論。當(dāng)時還是物理學(xué)博士生的他大膽提出：電子本質(zhì)上是某種場中具有空間延展性的波動，其動量p 對應(yīng)的波長等于h/p。在那個年代，人們難以想象這個被視作物質(zhì)微粒的單個電子，如何能同時具備場中波動的特性。但如今，單個電子的“波函數(shù)”概念已成為物理學(xué)界的常規(guī)認(rèn)知。

正如楊氏在1801 年的實驗結(jié)果未能檢測到單個光子的蹤跡，瓊森1961 年的研究同樣未發(fā)現(xiàn)單個電子的存在。但1989 年，豐村明與四位同事通過實驗首次實現(xiàn)了波與單個電子之間關(guān)聯(lián)的驗證。他們采用低強(qiáng)度電子束，平均每個毫秒僅傳輸一個電子，確保電子在裝置中逐個移動。實驗結(jié)果與圖3所示光子現(xiàn)象的預(yù)期完全吻合：短暫曝光顯示雙縫圖案如何隨時間逐漸形成(圖4)。

圖4豐村明實驗：利用電子構(gòu)建雙縫干涉圖案。在極短曝光時間下(圖4(a)和4(b))，我們未觀察到任何波形特征。延長曝光時間后(圖4(c)、4(d)和4(e))，大量單次電子撞擊的統(tǒng)計效應(yīng)顯現(xiàn)出波干涉圖案。由于實驗條件限制，干涉圖中的節(jié)點(深色線條)并非完全暗淡

圖4(a)和4(b)所示的實驗結(jié)果看似表明電子是微小的點狀物體。但這個結(jié)論大錯特錯。正如我們將要看到的，當(dāng)電子(或光子)與屏幕相互作用時，就像一個大氣球落在密密麻麻釘成的釘床上——氣球會在單個釘子處發(fā)生劇烈碰撞(甚至爆炸)。而每個電子(或光子)都會像氣球一樣，瞬間“坍縮”到更小的尺度。

量子理論對圖4 給出了一個清晰透徹的解釋。根據(jù)該理論，每個電子都以宏觀物體的形式向兩個狹縫運(yùn)動，對稱穿過兩道狹縫后，在狹縫與屏幕之間的區(qū)域產(chǎn)生自干涉，隨后與整個屏幕發(fā)生“糾纏”(我們稍后將定義這個概念)！這種糾纏態(tài)具有“非局域性”特性(下文將詳細(xì)討論)，使得電子能夠?qū)⑷磕芰考性趩蝹€原子或分子這樣的微小區(qū)域，并在某一瞬間從屏幕的其他部分同時消失。

標(biāo)準(zhǔn)量子理論完美預(yù)測了這個實驗的結(jié)果(如圖4 所示)。只要接受兩個前提條件——單個電子具有足夠大的尺寸可以同時穿過兩個狹縫，且具備非定域性使得其能瞬間坍縮——這種現(xiàn)象在直覺上就“合乎邏輯”。在豐村明的實驗中，每個電子在通過兩個狹縫時，其寬度必須至少達(dá)到5 毫米——這正是該實驗中狹縫之間的間距。

五

量子物體是場中的波

19 世紀(jì)，歷史上最具洞察力的物理學(xué)家之一邁克爾·法拉第，預(yù)見了一個核心量子概念：場的物理實在性。場及其可能的構(gòu)型或“狀態(tài)”不僅是量子物理學(xué)的特征，也是經(jīng)典(前量子)電磁學(xué)的特征。法拉第等人用場的概念來闡釋電磁現(xiàn)象。在法拉第看來，場就像巖石或桌子一樣真實存在。如今，物理學(xué)家普遍認(rèn)為電磁場是真實存在的物理實體。

量子場論將法拉第的場概念擴(kuò)展到宇宙中的一切。萬物皆由場構(gòu)成；而且，所有這些場都是“量子化”的，這是法拉第所不知道的。這意味著這些場遵循的是量子物理而非經(jīng)典物理的原理。

與經(jīng)典電磁波類似，電子或光子這類基本量子粒子本質(zhì)上只是場中的波動，正如法拉第所言，它們本身就是“純粹空間”的屬性。對于任何物理場景(例如單個電子通過雙縫實驗，或是繞氫原子核運(yùn)動的電子)，量子物理方程都能預(yù)測這些波動。而像原子這類非基礎(chǔ)量子實體，則是由量子標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本場構(gòu)成的復(fù)合體。

量子態(tài)及其狀態(tài)之所以具有物理實在性，是因為它們蘊(yùn)含的能量能夠通過做功來重構(gòu)宇宙。能量——即做功的能力，也就是改變事物的能力——是“真實事物最普遍的屬性，甚至比其在時空中的位置更為普遍”。法拉第曾將經(jīng)典場構(gòu)型稱為“空間狀態(tài)”。這種對經(jīng)典電磁場的理解，完美適用于量子化電磁場中每個光子的狀態(tài)，并延伸至標(biāo)準(zhǔn)模型中的每個量子。

量子系統(tǒng)的“狀態(tài)”或“波函數(shù)”Ψ是其量子場能量的一種特定物理配置。由于能量是真實的，量子態(tài)也是真實的。

例如，在電子的雙縫實驗(第三節(jié))中，一個已經(jīng)通過了雙縫但還沒有撞擊屏幕的電子可以用波函數(shù)Ψ來表示，這個波函數(shù)基于玻恩規(guī)則預(yù)測了在屏幕上看到的雙縫干涉圖案中的撞擊統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

1926 年，奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤提出了一個著名方程，該方程使物理學(xué)家能夠預(yù)測波函數(shù)在任何“非相對論性”情境下的時間演變規(guī)律——即在物體運(yùn)動速度遠(yuǎn)低于光速的情況下。當(dāng)時已知氫原子核外單個電子的運(yùn)動屬于非相對論范疇，因此薛定諤運(yùn)用該方程預(yù)測了氫原子內(nèi)電子可能存在的“狀態(tài)”。這一預(yù)測在1926 年具有重大意義，使眾多物理學(xué)家確信海森堡與薛定諤于1925至1926 年間提出的奇異量子理論確實存在某種“正確性”。本文僅闡述薛定諤的主要研究成果(圖5)。

圖5電子的肖像

薛定諤發(fā)現(xiàn)，電子可以圍繞原子核在無限多的“束縛態(tài)”中的任何一個軌道上運(yùn)行。這些美麗的模式是電子可以在沒有外部干擾的情況下繼續(xù)運(yùn)行的無限多的“束縛態(tài)”中的一個。

圖5 中展示了九條這樣的軌道。每個示意圖都對應(yīng)著其中一條軌道的波函數(shù)Ψ分布。如果實驗室設(shè)備通過實驗手段探測到軌道中的電子，較深色區(qū)域表示檢測概率較高的位置，而白色區(qū)域則代表幾乎不可能被探測到的位置。第一行對應(yīng)能量最低的單態(tài)，第二行對應(yīng)能量略高的四個E2態(tài)(這四個態(tài)具有相同能量)，第三、四行則對應(yīng)能量更高的九個E3態(tài)。

具有負(fù)能量的軌道是“束縛態(tài)”，它們保持在離原子核有限的距離內(nèi)。具有正能的軌道則會逃逸出原子核。

薛定諤方程允許所有這些從第一原理計算出來。

你可以通過想象圖5 中9 個狀態(tài)圍繞向上箭頭所示軸線旋轉(zhuǎn)，來直觀理解這些軌道的三維形態(tài)。圖5(b)是一個實心球體被薄空心球?qū)影娮釉诖丝招那驅(qū)訁^(qū)域幾乎不可能存在；而更外圍的空心球?qū)又校娮哟嬖诘母怕蕜t較低。圖5(c)呈現(xiàn)的是“啞鈴”結(jié)構(gòu)，電子幾乎不可能出現(xiàn)在這個結(jié)構(gòu)之外。作為練習(xí)，請試著想象圖5(d)的三維形態(tài)？

這些能量圖描繪了整個電子的輪廓。它們顯示了能量在整個空間擴(kuò)展的電子中的分布方式。單個電子填滿了整個圖。電子并不是一個小點——就像物體一樣。事實上，量子先驅(qū)路易·德布羅意曾說過：“每個電子都填滿了整個空間。”

最低能量狀態(tài)，圖5(a)，被稱為氫的“基態(tài)”。它的平均半徑約為0.5 埃(0.5×10-10米)。換句話說，重復(fù)檢測會“發(fā)現(xiàn)”基態(tài)電子與中心質(zhì)子的平均距離為0.5 埃。

圖6原子氫的能量譜。能量以被稱為“電子伏特”(eV)的微觀單位測量

你不能把宇宙簡單地想象成“大部分是空無一物的空間”。宇宙中每個電子和其他物體的量子場，都會延伸(盡管概率極低)到整個宇宙。即使在星系之間的“空曠”區(qū)域，這些“束縛態(tài)的尾巴”依然存在，并且偶爾(概率很小)可以被探測到。（待續(xù)）

本文選自《現(xiàn)代物理知識》2026年1期YWA編輯