這是我們發布的物理學專欄的第四篇，也是《費曼物理》第一冊第2章的主要內容。
前篇我們簡單回顧了由牛頓力學、電磁學統治的1920年前的物理學，并提到：當電磁波的頻率高到一定程度后，其行為會變得十分奇特：很不像一個波，而更像是粒子。
何解？
這就是今天的主題：量子物理學。
今天介紹的量子力學中的最基本觀念：“不確定性原理”和“實驗結果的不可預測性”，是作為全新的概念（假定的事實）被引入的，而非對某種舊概念的演繹，所以我們從根本上就無法理解它們，而只能接受或不接受它們，就像我們接受或不接受物體有慣性一樣。這些觀念被提出之后，量子力學所做的只是用數學去描述它們，并以此演繹出更多概念，以更好地解決現實中的問題（或通過不相符的實驗事實，推翻它們）。所以，不要問我們為什么是這樣哦！我們只能告訴你，大牛們在觀察各種實驗事實之后，認為（“猜測”）就是這樣。——并且它們至今還未被證明是錯的。
量子物理學
1920年前的那幾年，愛因斯坦首先打破絕對空間的觀念，把時間和空間組合在一起，叫做時-空，然后更進一步用彎曲的時空表示萬有引力。于是，宇宙的舞臺變為時-空（相對論性時空觀），而引力則可認為是時空的一種改變（廣義相對論）。
廣義相對論描述的引力：彎曲的時空
然后又發現，在原子世界里，“慣性”和“力”的力學法則——牛頓定律是錯的！實際上，小尺度上的事物的行為方式是如此“違背常理”，與大尺度上的事物毫無相似之處；而我們對它沒有任何直接經驗。因此除了解析方法之外，用任何別的方法來描述這種習性是不可能的。
——于是就有了量子力學！
如果誰沒有受到量子理論的震撼，那他就根本不懂得它。
——量子力學的奠基者之一 尼耳斯·玻爾
量子力學中有許多新想法。首先，它不再允許一個粒子既有確定的位置又有確定的速度；即我們不可能同時既知道一樣東西在什么地方，又知道它運動得有多快。我們將這條定律寫成
△x△p ≥ h/2π
即動量的不確定量和位置的不確定量是互補的，二者的乘積是常數。該定則被稱為（海森堡）不確定性原理。
遺憾的是，我們現在還無法從日常經驗中找到直觀的例子來表明這個觀念，但我們確實能證明，經典物理學確實錯了，因為：
這條定則解釋了一個非常神秘的佯謬：如果原子是由正電荷和負電荷組成的，它們相互吸引，那么為什么負電荷不是干脆掉到正電荷上，彼此完全抵消？為什么原子有這么大？為什么原子核穩坐中央而電子環繞著它？
開始曾以為，原子核就有這么大；但是不然，原子核非常小。一個原子的直徑大約有10-8cm，而原子核的直徑只有約10-13cm，并且，幾乎原子的全部重量都集中在這個無比小的原子核上。
圖：原子核和核外電子
是什么原因使電子不掉進去呢？就是上面這條定理：如果電子都掉進原子核，我們就知道它的精確位置（相對而言），于是不確定性原理就要求它們具有一個非常大（但是不確定）的動量，也就是一個很大的動能。有了這個能量，電子就將擺脫原子核！于是它們達成一個妥協：電子為這種不確定性給自己留下一點空間，同時按照這種定則以最小的運動量振動著。
這也解釋了為什么絕對零度下，晶體中的原子仍在振動。因為如果原子停止振動，我們就會知道它們的精確位置，同時知道他們的運動速度為零，而這是違反不確定原理的。
圖：晶體中的原子在絕對零度時仍然在振動
量子力學帶來的另一個科學觀念和科學哲學上的最為有趣的變化是：在任何情況下都不可能精確預言將會發生的事情。例如，我們有可能使一個原子處于準備發光的狀態，也能夠通過探測光子（這很快就會講到）來測量一個原子已經發光。但是，我們無法預言它將在什么時候發光，或者在有幾個原子的情況下，哪個原子會發光。
就像有一個原子，在給定條件下，我們用紅球代表它在時刻1會發光，黃球代表它在時刻2會發光，藍球代表它在時刻3會發光……我們無法預測會摸到什么顏色的球
你也許會說這是因為有某種內部的機制在起作用，這種內部機制我們還沒有足夠靠近地觀察過。不，沒有什么內部機制，按照我們今天的理解，大自然的行事方式是，從根本上就不可能精確預言在給定的一個實驗中究竟會發生什么事。就像盒子里本來就有各種不同顏色的球，而不是我們之前以為的只有一個球——按照經典物理學的觀點。
這是一種很糟糕的事；事實上，哲學家以前曾說過，科學的基本要求之一就是，只要有相同的條件，就一定會發生相同的事。這并不正確，它不是科學的一個基本要求。事實上，并不發生相同的事，我們能得到的只是所發生的事的一個統計平均。
換言之，即使在給定條件下，也有可能——或者說，必定會——發生各種事（并且，按照某種理解，最終結果甚至可以是所有這些可能事件的集體貢獻，例如，著名的電子雙縫干涉實驗；我們在后面會談到）。我們可以探測某個實驗的結果，但不能據此預言新一輪實驗的結果。我們只能給出一種可能性的預測：有多大概率是這樣，多大概率是那樣。（并且這里的概率和我們平常所理解的概率還不是一個東西，按照量子力學的觀念，概率中的所有可能性事件是會同時發生的，如果我們不試圖以探測的方式去破壞它的話！）
不過，科學家并沒有因此而完全崩潰。科學的基本假設、基本哲學是什么？我們在第一章就說過，實驗是檢驗任何觀念的正確性的唯一標準。如果有人告訴我們，同樣的實驗在同等條件下總是產生相同的結果，那很好；但是如果我們試過之后發現并不是這樣，那就不是這樣。我們僅僅必須接受我們所看見的，然后通過我們的實際經驗來形成我們其他的觀念。——比如現在，我們就只能接受小尺度下的實驗事實，并承認：經典物理學是錯的；然后提出量子力學的觀念。
愛因斯坦：雖然我不愿意承認，但……上帝確實擲骰子——如果你執意用經典物理學的眼睛去看它的話
再回到量子力學和基礎物理學上來。當然，現在我們還不能詳細講述量子力學原理，因為它們不容易懂。我們將假定已經有了這些原理，然后講講它們的某些結果。
結果之一是：我們習慣于視為波的事物也具有粒子的習性，而粒子也具有波的習性。事實上萬事萬物的行為都是這樣，不存在波和粒子的區分。這就是著名的波粒二象性。
波粒二象性（光是一種電磁波，但是在光電效應中卻觀測到它的粒子性。——1924年德布羅意提出“物質波”假說，認為：和光一樣，一切物質都具有波粒二象性）
因此量子力學把場及其波的概念和粒子的概念統一起來，成為一個統一體。——的確，當頻率低時，現象的場的一面更明顯，或者是一種更有用的通過日常經驗對現象的近似描述。但是隨著頻率增高，對于我們通常用來進行測量的儀器，現象的粒子的一面就變得更明顯。
實際上，雖然我們提到過許多頻率，但是迄今并沒有探測過任何直接涉及1012Hz以上頻率的現象。我們只是根據一條假定量子力學的波粒二象性成立的定則，從粒子的能量推出更高的頻率的存在。
于是我們對電磁相互作用就有了一種新看法。我們引入一種新粒子，加入到電子、質子和中子的行列中。這種新粒子叫做光子。這種對電子和質子之間的相互作用的新看法叫做量子電動力學，它就是電磁理論，但是其中一切內容在量子力學上都是正確的。
量子電動力學是光與物質之間的相互作用，或電場與電荷之間的相互作用的基礎理論，是物理學中迄今最成功的理論。在這個理論中，我們得到了除萬有引力和原子核過程外一切通常現象的基本法則。例如，從量子電動力學得出了全部已知的電學、力學和化學定律：彈子球碰撞的定律，導線在磁場中運動的定律，一氧化碳的比熱，霓虹燈的顏色，食鹽的密度，氫和氧發生反應生成水，它們全都是這個理論的推論。
康普頓效應：將X光受輕元素散射的過程看作光子與電子的碰撞，從而解釋了散射光中出現的波長變長的光
如果情況足夠簡單，使我們能夠做出近似，就能用量子電動力學推出所有這些現象的細節；當然情況幾乎永遠不會如此簡單，但是常常我們多少能夠理解所發生的事情。
迄今為止，在原子核之外我們還沒有發現量子電動力學的例外，而在原子核里，我們不知道是否有例外，因為我們還不清楚原子核里發生的過程。于是，在原則上，量子電動力學就是全部化學和生命科學的理論——如果生命科學最終可以歸結為化學、從而也就歸結為物理學的話，因為化學已經歸結為物理學。
不僅如此，量子電動力學這個偉大的理論，還預言了許多新的事實：
首先，它說明了甚高能光子、γ射線等的性質。
其次，它還有另一個重要的預言：在電子之外，還應當存在另外一個質量相同、但是電荷反號的粒子，叫做正電子，這兩種電子碰到一起時，會彼此湮滅而發射光或γ射線（歸根結底，光和γ射線是一回事，只是頻率不同）。這個事實的推廣，即每一種粒子都有一種反粒子，也被發現是正確的。比如反質子、反中子什么的。
正負電子碰撞湮滅
事實上，如果兩個粒子可以相互湮滅而轉化為純能量（光），那么我們就說這兩個粒子互為反粒子。例如，光子就是自己的反粒子，而最近刷屏的馬約拉納費米子，也是自己的反粒子。
在量子電動力學中，還引進了兩個數值，認為世界上大部分其他數值都可以從這兩個數值推導出來。這兩個基本數值就是電子的質量和電子的電荷。實際上，事情并非完全如此，因為化學中還有一套數據，告訴我們不同的原子核有多重。這就把我們引向下一個題目——原子核和粒子，或曰，核力的起源。我們將在下一期討論。
最后，容我們作一個預先說明：
目前物理學界公認世界存在四種基本的相互作用：萬有引力（簡稱引力）、電磁力、強相互作用、弱相互作用，前兩種都能在宏觀世界里顯示，后兩種則只存在于原子核之中。
相對論描述了引力相互作用，量子力學則涵蓋強、弱、電三種相互作用（量子場論）。本期提到的量子電動力學是量子場論的一個分支，涵蓋其中的電磁相互作用，余下兩種——強相互作用和弱相互作用，就是我們下期的主題。
屆時，我們的新物理學大廈就算完全成型了。
好了，今天就到這里，請大家自行下去重塑三觀！（理解量子力學是不可能的，但仍不妨礙我們學習它的數學描述——可以說是非常簡潔和優美！我們還會探討相關實驗，例如：電子的雙縫干涉實驗。大概在，第十二期左右吧，認真臉
最后的最后，——給大家講個段子：
有一天，海森堡開車被交警攔下，交警問他：“你知道你開得有多快嗎？”
海森堡回答說：“我不知道，但我很清楚我在哪。”
……吼~那你好瘦的(╯□╰)
我們是潑皮士，我是Mr龍，致力于給你提供最全的物理學習指導。
