本文是和田纯夫博士在日本雅虎的投稿，虽然内容大都是量子力学的基本概念，但还包含了他个人对量子力学理论的理解值得推荐：

量子力学是一种试图揭示物质的性质，即这个世界的基本性质的理论。 然而，从中得出的各种结论却与我们的直觉如此相悖。

现在有两种关于量子力学代表性理论：哥本哈根理论，主要是由尼尔斯-玻尔（1885-1962）提倡的。 另一个是休-埃弗雷特（1930-1982）提出的 "多重世界理论"。 哥本哈根理论目前被认为是标准理论，但不认同哥本哈根理论的物理学家则主张多重世界理论。 然而，这是一种乍看之下并不理智的解释，声称"世界应该被视为以无限多个数的存在"。

多重世界的解释是如何得出来的？这个问题的答案实际上可以从一系列非常自然的逻辑中导出。

但首先，让我们看看量子力学的世界是多么令人费解。

　我们的身体和我们周围的物体都是由被称为 "原子 "的极其微小的粒子组成。 根据不同的类型，它们的量级是万分之一厘米，甚至是再乘上万分之一厘米那么小。 这种量级也意味着一般物体中的原子数量是巨大的。

　例如，1克（1立方厘米）的水含有约10-22个原子（氢原子和氧原子）。 这是100亿乘以100亿乘以100亿乘以100亿乘以100亿乘以100亿。 与此相比，无论地球上还有多少人，最多只有100亿人。

　原子和普通物体的尺度相差巨大。 因此，普通物体的行为和构成它们的原子的行为完全不同，这并不令人惊讶。 事实上，与由无数个原子组成的普通物体（宏观物体）的行为相比，单个原子（微观粒子）的行为是难以想象的。

　这就是为什么在20世纪初，当原子的真实面貌变得清晰时，一种被称为 "量子力学 "的新物理学会应运而生。

对量子力学的 "意义 "的两种解释

　在20世纪初，人们开发了实验技术来测量涉及单个原子的现象。 很明显，原子的世界是一个神秘的世界，无法用物理学规律（称为经典力学或牛顿力学）来理解。 物理学定律必须从最基本的角度进行重新思考。

　玻尔和索默费尔特创立了经典量子力学，而海森堡发展了一个新的体系。 狄拉克和他的同事表明，这两种理论虽然外表不同，但实际上是等价的，于是量子力学的学科在20世纪20年代中期建立起来。

　虽然说它已经建立，但实际上更准确的说法是，只有量子力学的'计算方法'被建立。 虽然计算方法被理解，但量子力学所代表的微观世界与日常的宏观物质世界是如此不同，以至于对该理论的解释--如何把握其 "本质意义"并不清楚。

　围绕在哥本哈根的玻尔发展起来的哥本哈根派，被认为是标准理论，至今仍在许多教科书中被写到。

　但是，也有很多人对它不满意，或者认为还有不确定因素，因此出现的一个有代表性的反建议就是多重世界论。

　正如 "多重世界 "一词所暗示的那样，这种解释主张 "无数世界共存于现实世界 "这一看似神秘的说法。

　然而，它的支持者和我的论点是，这实际上是对量子力学的一个非常自然的解释（在我看来，是最合乎逻辑的解释），它与我们的日常经验没有任何不一致之处。

量子力学的奇迹 [1] 为什么原子不会坍塌　

　直到1910年左右，"原子核在中心，电子在周围运动 "的原子图才变得清晰。 然而，根据当时已知的物理学定律（尤其是电磁学），电子围绕原子核运动这一事实本身就是一个极其奇怪和不自然的现象。

　中心的重物和围绕它移动的轻物的形象立即使我想起了太阳和行星之间的关系。 在太阳系中，太阳位于中心，有几颗行星围绕着它运行。 那么电子是否以同样的方式围绕原子核运行？　

　但是，根据当时已知的物理学定律，这样的事情被认为是不可能的。 其原因是，电子在绕行原子核时发出 "电磁波"，这样会失去能量而落入原子核中。

　电磁波如何产生？ 最简单的理解方法是无线电波。 想想从发射天线发出的无线电或电视信号的情况吧。 首先，一个交流电通过天线。 交流电是一种电流，其流动方向不断变化。 换句话说，流经天线的电流是不断变化的。 这种变化导致天线产生无线电波。

　可以看出，产生电磁波的条件是 "电流的变化"。 由于电流是电子在电线中的流动，"电流的变化 "意味着 "电子运动的变化"。 换句话说，当电子运动发生变化时，就会产生电磁波。

　当电子在原子中移动时，这一原则仍然不变。 如果电子围绕原子核旋转，即使运动的 "速度 "不改变，"方向 "也肯定会改变。 方向的改变也是一种运动的改变，所以仍然会产生电磁波。

　当电磁波产生时，电子的部分动量（能量）被电磁波带走了。 然后，电子失去了它们的动力，被来自原子核的电吸引力所吸引，并向中心原子核越来越远地坠落。

　换句话说，原子应该崩溃了。

　在现实中，这种情况并没有发生。 所有物体，包括我们的身体，都是由原子组成。 而且，无论一个人多么担心，他或她在生活中并不担心他或她身体里的原子会被压碎。

　换句话说，"电子围绕原子核运动（不落入）"这一事实与当时已知的物理规律（电磁学）之间存在着矛盾之处。

量子力学的奇迹 [2] 为什么能量是断续喷涌？

　对于当时不了解量子力学的人来说，还有一个与原子有关的神秘现象。

　当时，它被称为 "量子跃迁"，这个术语今天已经不常用了。 如果我们将这一现象与一个更熟悉的现象相比较，也会更容易理解。 然而这一次，我们将不使用太阳和行星，而是使用地球和其卫星之间的关系。

　与行星一样，如果卫星的动量与地球的引力相平衡，它们可以无限期地围绕地球运行。 然而，如果它的轨道很低，以至于大气层的影响可以忽略不计，它将由于与大气层的摩擦而失去能量，并向地球坠落。

　减少的能量并没有损失。 能量守恒定律指出，能量在整个过程中是恒定的（能量守恒定律），所以如果一个部分的能量减少，其他地方的能量一定会增加。 当一颗卫星由于与大气层的摩擦而坠落时，卫星减少的动能变成了热能。 这意味着卫星本身和周围空气的温度升高。

　类似的现象发生在原子上，就像发生在坠落的卫星上。 我们说过，电子不落入原子核是很奇怪的，但这并不意味着电子的状态完全没有变化。 如果电子在离原子核相当远的地方移动，它们有时会发出电磁波，失去能量并向原子核靠近。 这可能被描述为 "堕落"。

　然而，如果它的能量损失到一定程度，不知何故就不会再下降了。 这就是前面提到的原子不塌陷的确切含义。

　进一步调查发现，电子下落的方式，即它们失去能量的方式，与卫星的情况非常不同。 虽然不能直接观察到电子的运动，但通过测量发射的电磁波的能量，可以计算出电子失去了多少能量。 事实证明，电磁波并不是连续被发射出来，而是有时发射有时不发射。

　换句话说，事实证明，电子并不是逐渐地、持续地失去能量，而是有时 "一步步地（不连续地）"失去能量。 这是量子跃迁。

薛定谔方程的'形式解'。

　20世纪初向物理学家提出的挑战是如何解释两个 "奇怪 "的事实：原子不能塌缩（即原子中电子的能量有一个极限，不能再减少），以及电子的能量不连续地变化。

　薛定谔用另一个 "奇怪 "的理论正式解决了这个问题。

　我使用'形式上的解决方案'这一表述，是指'数学公式能够解释这一奇怪的事实，但这一解决方案的物理意义，或者说本质意义，从未被明确'。

　他提出的公式，即 "薛定谔方程"，是一个革命性的理论，成为量子力学的基本规律。 它有时被称为波动力学。 正如 "波动 "一词所暗示的，"波动 "的概念起着核心作用。

　他的思想基础是，电子不被认为是存在于每一点的 "粒子"，而是一种 "波"。 他抛弃了电子是一种粒子的传统先入为主的观念，而假设它是 "某种波"，其物质不详，但无论如何都要满足薛定谔方程的要求。

　这将暂时解释关于原子的两个谜团（它们不会坍缩的事实和量子跃迁）。

这些令人震惊的实验结果告诉我们什么？

　然而，请不要轻易相信电子是由波代表的观点。 现代物理学中出现的疯狂想法并不意味着我们应该直截了当地接受一切。 我写这篇论文的目的是解释如何以一种有意义的方式思考这些想法。

　例如，旧式电视使用阴极射线管，这是一种利用电子束的装置。 当电子被送出并击中荧光表面时，它们所击中的区域中的一个点会发光。 电视的原理是将这些东西结合起来形成一个图像。 单点发光的原因是电子是 "粒子"。 如果它们像波浪一样散开，它们照耀的区域也会散开，就不可能有清晰的图像。

　然而，要接受光是一种 "粒子 "的说法并不容易。 这里介绍两个实验。

　首先，杨氏实验是由杨氏在19世纪初进行的：光线从一个板子的左侧照亮。 该板有两个缝隙。 光线通过板子右侧会投影到的屏幕上产生光斑。 光斑呈条纹图案。 这与两个波在水面上相互干扰时形成的图案相同，被称为干涉条纹。

　干涉条纹的形成被认为是光是一种波的证据。

　在20世纪，人们进行了杨氏实验的现代版本。 设置相同，但关键点是要使光线变得极弱。 如果光被视为一组 "光子"，那么随着光束强度的减弱，光子的数量应该迅速减少。 事实上，当光束被削弱到极限时，只有一个光子击中了屏幕，并作为一个点闪耀。

　这表明光确实是一种粒子（这个实验的视频可以在YouTube上看到。 搜索 "杨氏单光子干涉实验"（Hamamatsu Photonics））。

　但故事并没有到此为止。

　接下来，他们一次又一次地重复这个打一个光子的实验，几乎无数次，并观察光子的痕迹是什么样子。 令他们惊讶的是，屏幕上出现了干涉条纹，就像在杨的实验中一样。

　同样，干涉是一种由通过两个狭缝的波的叠加所引起的现象。 在这个实验中，每次只有一个光子在飞。 然而，当它被多次重复时，就会出现干涉条纹。 这怎么可能呢？ 什么在干扰这事？

　这个实验表明，光同时具有 "波 "和 "粒子 "属性。 换句话说，有些事情正在发生，无法用传统的波和粒子图像来理解。 (这个实验的视频也可以在YouTube上找到）。

　毫无疑问，电子和光都具有粒子和波的特性。 但应该如何理解这一点呢？ 薛定谔方程是否只为这个问题提供了一个正式的解决方案？

　陷入困境的物理学家的挣扎就是从这里开始的。

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而量子力学的多重世界则进一步解释了为什么会有无穷多个的你。