一口气读懂量子力学，从一枚灯泡到贝尔不等式
薛定谔的猫咪
量子力学给我们人类的宇宙观带来了深刻的影响，它阐述的每一条理论都那么深刻且具有颠覆性，我们在宏观世界根深蒂固的确定性、空间的局域性和因果论均被打破，所以我们很难想象和理解亚原子世界到底发生着什么，本文从一枚灯泡触发量子世界开始到验证贝尔不等式不成立确立玻尔的胜利，简要回顾量子革命历史，让你一片文章了解量子力学说了什么？我们开始吧。
首先我们必须清楚一个概念，什么是量子物理学和量子力学
- 研究和解释发生在亚原子水平上的现象的科学被称为量子物理学。
在亚原子水平上，原子的原子核，基本粒子和所有用我们的眼睛无法看到的小的东西，即使我们使用显微镜，都需要量子物理学来解释。
- 解释亚原子领域运动和关系的基本数学理论被称为量子力学。
简而言之，量子物理负责亚原子层次的理论部分，量子力学负责亚原子层次的数学部分。既然我们知道量子物理不同于量子力学，我就可以自由地使用这些术语而不会有任何困惑。
一枚灯泡引发的量子革命
为什么当灯泡灯丝变热时，光的颜色会发生变化?
多年来，人类对知道事物的原因很感兴趣，人类天性好奇，内心无比的坚信因果论，知道如何解释某些现象从何而来以及它们的行为是怎样的，这就促使我们去调查并找到一个令人满意的答案。19世纪，科学家马克斯·普朗克问自己:为什么当灯泡灯丝变热时，光的颜色会发生变化?当时的人们根本不在乎电灯颜色为什么会改变，重要的是电的存在，它可以照亮家庭、企业、街道和我们想要的一切。
电灯的发明为量子力学的诞生打开了大门，马克斯·普朗克决定寻找颜色和温度之间的关系。为此，普朗克和他的同事决定进行一项实验来研究黑体的辐射，他们创造了一种特殊的管子，可以把它加热到非常精确的温度，从而能够测量产生的光的颜色或频率。
普朗克对黑体辐射的研究
黑体辐射源
普朗克得出了他自己的结论:能量以能量量子的形式被吸收和发射，与它所辐射的光的频率成正比，频率乘以普朗克常数，该常数的数值为6.63x10^-34 J.s，这个方程用E = hf表示。普朗克发明了一种想象能量的新方法，要么以能量包的形式，要么像他说的“一份一份的”，能量被谨慎地量化在能量包里。在亚原子世界中，能量是以量子化的方式来研究的，甚至，量子物理学来自于普朗克给他的发现起的名字:能量量子。至此量子化的概念就出现了，但离量子力学还需要一个重要的发现。
黑体是一种理论或理想的物体，它吸收所有的光和所有落在它上面的辐射能。没有任何入射辐射被反射或穿过黑体。
理想黑体源
赫兹发现光电效应和爱因斯坦的大胆解释
爱因斯坦对光电效应的解释，引发了第二次波粒战争
19世纪，海因里希赫兹意外发现了光电效应，赫兹经历了一种全新而令人不安的现象：“当其中一个金属球被紫外线照射时两个金属球之间的火花变亮，放电增加”。但不幸的是，赫兹36岁时去世，无法破解光电效应所发生的一切。
意外收获:指的是一个受试者认识到他已经做出了重要发现的能力，即使这与他正在寻找的东西没有关系，也就是说，偶然发现是指找到你没有在寻找的东西。
1905年，阿尔伯特·爱因斯坦创造了历史，他发明了一种新的理论来解释光电效应，他从本质上坚持认为:“我们必须忘记光是一种波的所有想法，而认为它是一股微小的粒子流。”爱因斯坦改变了我们把光看作波的方式，现在我们必须把它当作粒子来研究。为了描述它，他用了普朗克之前用过的术语:有多少，我们现在知道的光子，在那个时候他们叫它光量子。现在光不仅是波，而且是粒子，从这里波粒二象性诞生了。光是量子的观点，在当时似乎是完全疯狂的，然而，遵循爱因斯坦的思路和逻辑结论，用光一下子解决了所有问题。
波粒二象性
量子对偶源
光是一种粒子，可以解释紫外线灾难和光电效应，但它也是一种波，能够解释阴影和肥皂泡色彩。然后，在爱因斯坦那聪明而疯狂的想法出现几年后，这个悖论变得更加深奥。因为这似乎是一个奇怪的光的神秘，即将成为一场关于现实本质本身的战争。一方面，由杰出的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔领导的新一波革命性的科学家，另一方面，理性的声音……阿尔伯特·爱因斯坦，在他的威望之巅，现在举世闻名，毫无疑问，他是一个强大的对手。
这场战争始于一个看似简单的实验，并持续了数十年。奇怪的是，这个实验甚至不是关于光，而是关于组成电的粒子——电子。在20世纪20年代中期，一项实验揭示了关于电子的一些完全出乎意料的事情，应该注意的是，那时人们已经接受了电子是能量的小块，是小而固体的粒子。
双缝干涉实验，被认为是粒子的电子表现得像波
微粒行为|波动行为
在实验中，他们在晶体中发射一束电子束，观察粒子是如何分散的，这完全等同于向一个有两个狭缝的屏幕发射一束电子束，使电子穿过狭缝，击中另一个屏幕。科学家们发现了不寻常的现象,电子束击中的屏幕时,一系列的特征条纹出现,引起一波又一波干涉图样,这些特征线的光和暗色调,每次这种模式似乎是因为有一波行为。
首先，很长一段时间被认为是波的光，有时表现得像粒子，现在电子，很长一段时间被认为是小粒子，现在表现得像波。光可以同时是波和粒子，或者不一定必须同时是波和粒子，这太疯狂了，但是可以随意地说它是叠加态的，它可以改变它的形态“从一个形态到另一个形态，这使得量子物理学变得疯狂，同时也非常有趣。
单个电子也可以形成干涉条纹
每个电子都是波源
以电子为主角的双缝实验，还有一个比以前更不寻常的秘密。这个实验在世界各地的不同实验室重复了几次，甚至向两个狭缝发射一个电子，观察到每个单独通过狭缝的电子都有助于波干涉图案，这导致我们得出一个单一的结论:电子的行为必须像波一样，因此，它同时通过两个狭缝。但是我们仔细考虑到下这个问题，一个电子发射同时穿过两个狭缝，击中后屏，留下可见的干涉图案。这怎么可能？太疯狂了。
尼尔斯·玻尔：“对量子理论不感到震惊的人，是因为他没有理解”。
玻尔和同事创立“量子力学”，解释电子的行为
为了解释实验的奇怪结果，尼尔斯·玻尔和他的同事创造了我们现在所知的“量子力学”，记住量子物理不同于量子力学。量子力学告诉我们这样的事情:我们不能把电子描述为一个物理物体，我们唯一能描述的是可能性，电子可能在哪里。有那么一会儿，我们忘记了电子是一个粒子，也是一个波，让我们把这些术语从我们的脑海中抹去，现在我们必须用量子力学的方式思考，从概率的角度思考，不知何故，一个“概率波”正穿过两个缝隙，就像一个波一样产生干扰，然后当它到达屏幕时，可能性波几乎像幽灵一样变得真实，也就是说，电子离开概率状态，变成一个粒子。
为了理解这有多奇怪，让我们做个小小的类比:如果我旋转一枚硬币，它看起来模糊不清，我们无法分辨它是正面还是反面，此时我们可以说它是两者的结合，但是会发生什么呢？如果我让硬币停下来？，我迫使货币保持单一状态，要么正面，要么反面。以前人们不知道硬币处于什么状态，因为这是正面和反面的结合，但我一停止，硬币就做出了决定。
这就是尼尔斯·玻尔和他的同事所说的电子正在发生的事情，当硬币转动时，它可能是正面和反面，因为一个状态还没有被定义，同样地，电子的概率波同时通过狭缝。然后概率波到达屏幕，这时电子做出决定，变成一个粒子。玻尔声称，直到观察到电子，人们才能知道它真正在哪里，不仅电子的位置是未知的，而且奇怪的是，它好像在同一时间无处不在。
哥本哈根诠释打破了人们的现实性
尼尔斯·玻尔和阿尔伯特·爱因斯坦
请记住，电子是现实中最常见和最基本的组成部分之一，然而，玻尔说，只有当我们观察它时，我们才能把它的位置变为现实，这就好像我们和世界量子之间有一道屏障，在它后面没有确定的现实，只有潜在的现实。只有当我们冲破障碍观察时，事情才会变得确定；这种观点对他来说是再清楚不过的哥本哈根诠释。阿尔伯特·爱因斯坦和其他人一样讨厌这种解释，甚至说了一句科学界非常著名的话:当我看不见月亮时，它就不存在吗？。这位德国物理学家非常不同意，因为玻尔限制知识，甚至认为量子力学还够完善，应该有更好的理论。几年来，这些物理巨人一直在争论量子力学是否包括放弃现实。
量子恶魔——局域性的争论
爱因斯坦、波多尔斯基、罗森
然后，纳森·罗森和波里斯·波多尔斯基加入阿尔伯特·爱因斯坦的行列，在他们的争论中支持爱因斯坦，他们甚至认为他们已经找到了解决爱因斯坦-玻尔辩论的方法。这些物理学家确信，他们在哥本哈根解释中发现了一个致命的缺陷，他们声称现实在被观察时会改变。
- EPR佯谬
爱因斯坦争论的中心是量子力学的一个方面，叫做:量子纠缠。这种纠缠是一种有两个粒子的关系，当两个粒子同时被创造出来时，它们的许多性质就永远联系在一起，不管它们在哪里。
还记得货币变化的类比吗？让我们做同样的类比，但是这一次我们将使用两个硬币，当我们停止一个正在旋转的货币时，这个货币表现为正面，因为硬币通过纠缠连接，第二个硬币将自动变成于第一个货币相反的状态。这就好像硬币通过空间和时间秘密地交流，不管它们有多远，这个动作是瞬间发生的，也就是说，超过了光速，这被称为EPR悖论，与相对论相悖。爱因斯坦称这是“远距离的幽灵行为”，并声称这是哥本哈根解释的一个错误。
- 爱因斯坦对超距作用的解释
远处幽灵般的作用
爱因斯坦没有把量子粒子想象成一对旋转的硬币，它们更像是一副手套，左右分开，分别装在两个盒子中。我们不知道哪个盒子里装的是哪只手套，直到我们决定打开一只，就在我们知道盒子里装的是哪只手套的时候，例如，左边的那只，我们会自动知道另一个盒子里装的是右边的手套。
爱因斯坦基于现实性、局域性和因果论给出的这个类比并不需要任何“远处幽灵般的作用”，观察者没有改变任何手套，从一开始就左右两边都已经确当存在，这个类比改变的是我们的认识。所以有一些问题，比如:现实的真实描述是什么？，你如何不用看就能检查某样东西是否真实，某样东西是否存在？
贝尔不等式为爱因斯坦的现实性、局域性敲响了丧钟
约翰·贝尔在正确的时间回答了所有的问题，设计了一个伟大的方法来解决量子力学引起的所有问题，贝尔的想法是:每个粒子通过空间和时间向另一个粒子发送秘密信号，挑战我们所知道的一切，我们必须接受在量子世界中，现实是不可知的。贝尔把他的想法简化成一个数学方程。
∣Pxz-Pzy∣≤1+Pxy
这个方程必须通过实验来验证，甚至，每一个理论和每一个思想，都需要用真实的结果来验证，一个简化的数学方程是不够的，你需要计算来验证已经提出的一切。
终结世纪争论的测验
1972年，理论物理学家约翰·克劳萨做了量子力学的第一次真正的测试，它由一种晶体组成，这种晶体将激光转换成产生两条非常精确光线的光子，然后继续测量光子的性质，即偏振。一个监视器显示了获得的不同结果，并用贝尔方程代替它们，许多人获得了意想不到的结果，德国天才阿尔伯特·爱因斯坦错了，这给了尼尔斯·玻尔胜利的机会。这两个光子具有纠缠的性质，不可能从一开始就被选中，而是只有当我们观察或测量它们时，它们才开始存在。
约翰·克劳萨的第一个实验
一些奇怪的东西把光子通过空间和时间联系起来，一些我们无法解释的东西，更不用说想象了，我们拥有的唯一手段就是数学方程，最奇怪的是光子只有在我们观察它们时才是真实的。所以，我们可以回应爱因斯坦:当我们不观察月亮时，它就不存在。毫无疑问，这违背了常识，是不合逻辑和完全奇怪的事情，但是你必须有耐心，并且认识到这是量子力学，在亚原子层次上，事物的行为与宏观世界不同，它们是完全不同的尺度，由概率的法则控制。
贝尔不等式的不成立为量子力学提供了实验依据，接下来的问题就是，亚原子世界和我们宏观世界为何是两种不同的世界。我们宏观世界是否具有不确定性，这为我们引出了一个更加神秘的宇宙观：平行世界。