E023 海岛、雪山、薛定谔讨厌的猫、爱因斯坦想不通的问题｜量子百年史话

很少有人知道，薛定谔的猫，最初是薛定谔提出来质疑量子叠加态的。宏观世界的猫，怎么可能是既死且活呢？同样，微观世界的粒子，怎么能处在两种状态的叠加？就连爱因斯坦至死也不愿相信，量子世界的底层是概率性的，并留下那句名言——无论如何，我相信老头子不掷骰子。量子力学的问世，石破天惊，甚至让亲手创造它的顶级大脑都心生迷惑。作为生活在21世纪的人类，我们有必要知道，发生在100年前的这场思想变革。尽管“量子力学”已经进入我们的流行语言——“遇事不决，量子力学”，但我们又能对量子力学说出多少呢？蓦然回首，人类才发现，微观世界的法则，并不是宏观世界的缩小版本。2025年是量子力学一百周年，本期《嗑嗑科学》，我们聊了聊量子力学的起点，聊了聊量子力学在100年前如何颠覆原有世界观。这也是2025年《嗑嗑科学》的最后一期内容，我们明年见。本期嘉宾 吴从军  西湖大学物理学讲席教授严   正  西湖大学量子多体计算实验室 特聘研究员刘洪光  西湖大学量子引力实验室 特聘研究员——时间轴——02:00 – 07:14 纪念活动与历史脉络07:14 – 22:57 《哥本哈根》、量子概念的起点、马赛克的世界22:57 – 29:30 玻尔的“移花接木”29:30 – 31:23 海森堡的海岛与矩阵力学诞生31:23 – 45:08 实证主义和量子世界的魔法时刻45:08 – 52:25 薛定谔不懂薛定谔方程52:25 – 01:07:10 爱因斯坦到死没有想明白的是什么？01:07:10 – 01:24:30 当量子场论精确到令人惊悚的程度01:24:30 – 01:28:49 嘉宾推荐——播客中涉及的部分概念——量子物理学中物理量（如能量、角动量）存在的最小离散单元。在现代物理图景中，"量子"一词更常指代量子场论中的激发态：例如光子是电磁场的量子，电子是电子场的量子。该概念打破了经典物理中能量连续变化的观念，引入了叠加态、纠缠、概率性等核心特征。波动力学量子力学的一种表述形式，由薛定谔于1926年建立。它侧重于粒子的波动性，使用波函数来描述微观系统的量子态，其演化遵循薛定谔方程。虽然它在数学上与海森堡的矩阵力学完全等价，但其提供的连续时空图像使其在物理直觉上更易于被接受和应用。不确定性原理由海森堡于1927年提出的基本原理，揭示了微观世界的内禀属性：一对共轭物理量（如位置与动量）无法被同时精确确定。公式：ΔxΔp≥h/4π = ℏ/2。 这并非仅仅源于测量仪器的干扰，而是波粒二象性的推论。位置越确定，动量波函数的分布就越弥散，反之亦然。康普顿波长连接量子力学与狭义相对论的关键尺度，定义为 λ=h/(mc)。它表征了“单粒子”概念失效的边界。当测量精度 Δx 试图小于此长度时，根据不确定性原理引发的能量涨落将超过mc^2，足以从真空中激发出正反粒子对。此时，必须要用量子场论（多粒子体系）来描述物理过程。史瓦西半径广义相对论中描述黑洞特征的临界半径，公式为 R_s=2Gm/c^2 。任何质量m如果被压缩到该半径以内，其表面引力将强到连光都无法逃逸，从而形成黑洞（事件视界）。在微观物理讨论中，它代表了引力效应不可忽视的尺度。普朗克质量 自然界中量子力学（ℏ）、相对论（c）和引力（G）完美平衡的特征质量，约为 2.18×10^(−8)kg（约等于一颗跳蚤卵的质量）。尽管这个质量在宏观看来很小，但相对于基本粒子（如质子质量约 1.67 × 10^(-27) kg）而言是巨大的，这暗示了在粒子物理常规能量下引力效应为何可以忽略不计。物理意义：当一个基本粒子的质量达到普朗克质量时，其康普顿波长（量子不确定性范围）将正好等于其史瓦西半径（引力视界范围）。这意味着我们既有的“基本粒子”与“微观黑洞”概念在此处变得模糊并交汇，标志了量子引力理论的探索起点。——嘉宾推荐——《量子物理如何改变世界》卡洛·罗韦利《宇宙的琴弦》布赖恩·格林《皇帝的新脑》罗杰·彭罗斯《纠缠态：物理世界第一迷》阿米尔·艾克塞尔——BGM——Raphaël Beau - Larrons en foireSeiji Ozawa,Berliner Philharmoniker - Piano Concerto No.2 in G minor, Op.161. Andantino——致谢——特别感谢西湖大学图书馆提供的“声空间”支持。——关于我们——《嗑嗑科学》是一档由西湖大学公共事务部出品的科普播客栏目，欢迎在评论区留下你的想法。如果你喜欢这一期节目，欢迎推荐给更多朋友。在小宇宙查看该单集文稿