第19章 万物密码 (第2/2页)

1905年，26岁的爱因斯坦有三项重大发现：狭义相对论、布朗运动和光电效应。他认为光至关重要且光速恒定，提出质能方程E=mc2，表明光、能量和质量可相互转换，还提出光速不变原理。同时，他发现了光电效应，并因此在1921年获诺贝尔物理学奖。

光电效应指在光照射下，某些物质内部电子被光子激发形成电流的现象。其发生机制受光线频率影响，特定频率以上的光照射金属能打出电子，低于该频率的光无论照射多久都不行。按照经典物理学牛顿定律，能量应是连续的，但光电效应并非如此。

爱因斯坦解释说光具有粒子性，是以光速运动的粒子流，光的本质不连续，光子能量取决于光线频率，频率越高，光子能量越大，传递给电子的能量也越大；若光子能量无法满足电子逃离金属的最低要求，电子就会被束缚在金属内，如蓝光频率比红光高，蓝光光子能量更大。

光电效应表明宏观物质世界是非线性的，微观领域的粒子等不遵循经典物理学牛顿力学定律，背后是神秘的微观量子世界。这一效应引发了物理学界的变革，促使人们从宏观世界迈向微观量子世界，而薛定谔的猫也将在后续的量子理论探索中“登场”。

法国天文学家西蒙·拉普拉斯曾预言，若知晓所有物体在某一特定时间点的运动轨迹，就能据此预测未来现象。比如抛石子，掌握抛出瞬间的高度、速度和动量，就能算出其落点。

德国物理学家、量子力学主要创始人卡尔·海森堡在微观世界发现了与拉普拉斯预言相悖的现象。在微观世界里，无法同时测准物体的位置和动量。若要精准测定原子大小石子的位置，其动量就难以捕捉；若要确切测算石子动量，其位置又难以确定，这就是量子力学的核心原理——海森堡不确定性原理。

科学家测量微观粒子的位置和动量不能依靠显微镜，测量微观粒子动量适合用波长较长的光，但测不准其位置；测量微观粒子位置则需用波长较短的光。由于无法同时精准测量微观实体的位置与速度，也就无法精确预知其未来运动状况。

1925年，薛定谔提出波函数所满足的微分方程，即薛定谔方程，它代表了微观世界中物质运动的基本规律，如同经典物理学中的牛顿运动方程。该方程虽无法用实验证明具有波粒二象性的系统，但经受住了时间考验，薛定谔也因此获得1933年诺贝尔物理学奖。通过这个方程，科学家发现量子世界中粒子可同时存在于多个地方，“薛定谔的猫”处于50%生和50%死的叠加态就是基于此原理。

“薛定谔的猫”思想实验是把猫放进装有放射性物质、开关和毒气瓶的不透明箱子里。放射性物质的衰变与否控制开关，进而控制毒气瓶是否释放毒气。由于放射性物质衰变不确定，处于衰变与不衰变的叠加态，开关、毒气瓶和猫也分别处于相应的叠加态。当打开箱子观测时，猫只会呈现出活或死一种状态，而非既死又活。这一现象引发众多科学家思考，他们提出概率论、多世界存在平行宇宙学说等理论来解释。最后视频引出对波函数坍塌概念的探讨。

关于波函数坍塌的问题，需要从光子的本质说起。在三维宇宙中，单独的光子并非实体粒子，而是类似无形的电磁波形态，爱因斯坦将其看作是一种能量表现。光波与物体碰撞的结果源于光子撞击，人们通过观测碰撞痕迹推测光子特性，这也解释了光子释放产生双缝干涉现象的原因。光子频率代表能量波的强度，只有波撞上阻碍物或分光镜时才会留下痕迹，人们借此逆向推理光子的行进路径。

光子在更高维度空间遵循波函数规律运行，由于观察者处于三维空间，观察行为会使波函数坍塌，人们看到的是波函数在三维空间的部分表现。

从本质上讲，物质是一种概率波，其具体位置并非固定不变，而是具有随机性。人们所认知的实体粒子，是大脑感知的现象。在微观物理学领域，不存在独立的单个粒子，粒子是大量系统同时处于同一空间区域的可能性，物质的存在取决于特定时空区域内量子出现的概率，概率越高，人们越认为有粒子存在。粒子本身没有实际大小，人们所说的体积是基于粒子出现概率的推测，概率密度越大，粒子的物理尺寸越小。

当用一种特定的波与其他波相互作用时，观测工具（如分光镜、挡板等）也具有概率波特性。在观测过程中，原始波会消失，产生一种与原波类似但范围更小、概率更高、分布更集中的新波，这种新波展现出更明显的粒子性质，因此观测行为可以被理解为对波函数的一次坍塌。

目前，在量子力学领域，占据主导地位的理论之一是退相干理论。该理论表明，原本连续分布的波函数概率，在经历观测的瞬间，会转变为离散分布于某一特定点的德尔塔函数。例如，退相干效应体现为：当无人观测月亮时，月亮以一定概率存在于天上；而一旦有人观测，月亮原本不确定的状态，便会在观测的瞬间转变为确定的现实状态。

尽管我们观测到的真实世界中，实体是唯一的，但世界的演化过程却存在众多可能途径，主要可划分为粗糙历史和微观历史两大部分。粗糙历史可看作经典历史，能通过路径积分等手段计算概率；而微观历史属于量子历史范畴，其概率值难以精确获取。每一个粒子都处于所有微观历史的叠加状态，薛定谔猫实验中的放射性物质就是典型例证。

对于宏观物体，我们只能观测到部分粗糙历史。当打开装有薛定谔猫的盒子时，猫的状态受量子退相干效应影响，原本相互关联的多种可能状态最终会分离，仅留下我们能感知的单一状态。这就使得即使原本没有纠缠关系的粒子，在宏观层面也表现得如同经典世界中相互独立的个体。原本处于粒子叠加态的薛定谔猫，在箱子打开后，我们只能观察到它存活或者死亡这一种单一状态。所以，薛定谔曾提出，无论是否打开箱子，猫的生死状态早已确定，只是在未打开箱子之前，我们无法知晓。由此可见，猫的生死状态并非由打开箱子的瞬间决定。