我们是如何发现世界是如此奇怪的

1874年，17岁的科学天才马克斯·普朗克告诉他的大学教授，他想投身于物理学。这位长者建议：“在这个领域，几乎一切东西都已被发现，只剩下一些填补漏洞的工作了。”

结果证明，他说的不能算错，但这些漏洞是连刘易斯·卡罗尔[5]也会感到惊奇的兔子洞。数年间填补漏洞的尝试引出了一种对宇宙的新认识，它颇具革命性，但却离奇古怪、令人费解。第一个探入兔子洞的人便是普朗克，尽管他有些不情愿。

今天，量子力学是我们对世界最成功的描述。它可以解释从原子到天体的一切事物。它还教导我们，世界从根本上说是极其神秘的，甚至是我们无法理解的。

灵光闪现

恰当地说，这场革命始于电灯泡。1894年，时任柏林大学教授的普朗克被委派对爱迪生的新发明做一些技术研究。电力公司想知道如何用最少的能量发出最多的白光，于是普朗克开始研究灯丝温度与光的颜色之间的关系。

事实证明，这是对令人头痛的黑体辐射问题的重新表述，此问题描述了物体（比如一块金属）的温度与它发出的光的颜色之间的关系（黑体是一个理论上的东西，它既可以完全吸收电磁辐射，又可以发射电磁辐射）。实验测量已经发现，有一个重大的反常情况是物理学无法解决的：黑体无论多热，都几乎发射不出紫外光。这后来被称为紫外灾难。

1900年12月，42岁的普朗克面对德国物理学会的成员提出了一个解决方案：能量并不是一种能以任意大小的量存在的连续现象，而只能以离散的小块的形式存在。他将这些单元中的每一个称为一个量子。普朗克当时并没有意识到自己正在下到一个无法逃脱的洞里。但他的结论（他称其为“绝望之举”）却启发了渴望深入下去的年轻一代的物理学家。

其中一位就是阿尔伯特·爱因斯坦，当时他还是个25岁的无名小卒，正试图理解光电效应。所谓光电效应指的是这样一种现象：沐浴在特定频率的光之中，许多金属都会发射电子，无论光的强度如何。普朗克的量子正是他所需要的概念。爱因斯坦意识到，只有光也被量子化，光电效应才能得到解释。如果是这样，我们就不能再按照古典的思路把光看成在空间中传播的波。相反，光必须由一束粒子构成，每一个粒子都携带着单独的能量子。

非此非彼

物理学家很难接受这个观点，因为有清楚的证据表明光是一种波。特别是，光通过两个狭缝所产生的干涉图样就像水面上的一对涟漪。唯一的解决办法就是抛弃常规观念，接受光既是粒子又是波的想法。

到了20世纪20年代，波粒二象性已经被普遍接受。这让老派物理学家们满腔郁闷无处发泄。但更糟的还在后面。

箱子里的猫

20世纪20年代，量子力学的哥本哈根诠释成了应对离奇的量子世界的最流行的方式，但并非所有人都对它感到满意。薛定谔用了一个著名但备受误解的思想实验来提醒人们注意其荒谬之处。想象箱子里锁着一只猫和一瓶毒药，毒药瓶有一半的可能性碎掉。根据量子力学的说法，在箱子打开前，两种结果发生的概率相同。在被窥见之前，猫既是活的又是死的。

1927年，德国理论物理学家维尔纳·海森堡认识到，波粒二象性的结论从根本上限制了我们对世界的认识。例如，我们对一个粒子的位置测量得越准确，我们对它的动量知道得就越少。在量子世界中，粒子不像斯诺克台球；粒子并不拥有位置和动量这两种分离的性质，这二者在粒子这里无法强行分开。

海森堡的不确定性原理始终是量子理论最违反直觉的预测之一。他的思想后来变得越来越脱离日常世界。

荒诞戏剧

很多人认为，海森堡的奥地利竞争者埃尔温·薛定谔的工作更如人意。薛定谔同样认为，不可能把粒子描述成占据着空间中一个固定的点。相反，我们最多只能为它可能存在的所有位置指定一组概率。按照这个逻辑，一旦某人对粒子进行观测，这个粒子就只能处于一个特定的位置。叠加态只有在观测时才会坍缩，这种观念成了海森堡和尼尔斯·玻尔提出的量子力学哥本哈根诠释的一个重要信条。它还导致了另一个重要但又无比怪异的概念——量子纠缠，即两个相距遥远的粒子的叠加。

这些荒谬的想法使量子力学的先驱们心情沉重。正如玻尔所说：“初次碰到量子理论却不感到震惊的人不可能理解它。”

但这些想法被成功地证实了。新时代的实验甚至证实了最令人难以置信的预言。但是，虽然认识飞速提高，我们的困惑却和以前一样多。漏洞的确存在，可能永远也填不满。