如果有人能把相對論和量子力學這兩種物理學理論模型給統一了，那麽他就是可以在物理學界橫著走的人，成為超越牛頓、愛因斯坦的神。具有無限潛能的你，敢來挑戰嗎？
實際上大部分人對相對論的了解程度遠高於對量子力學的了解。那麽量子力學到底是什麽？量子力學歸根結底講了個啥？我們還得從一篇神奇的論文說起。
時間來到1900年，德國柏林大學教授馬克斯·普朗克在柏林的物理學會上發表了題為《論正常光譜的能量分布定律的理論》的論文。自此，潘多拉魔盒被打開，釋放出“量子”這個“妖精”。由此，一個難倒物理學一眾大咖的問題誕生了，這個問題就是“上帝擲骰子嗎”。
而此時的愛因斯坦也才21歲，剛從瑞士的蘇黎世工業大學畢業，正在為了找一份工作而焦頭爛額。彼時的玻爾也才是一個15歲的中學生而已。誰也沒有想到，這兩個並不起眼的青年人，會在十幾年後成為物理學的兩大領軍人物，並且兩人在量子理論的基礎思想方麵開啟了巔峰對決。一場一直延續到他們去世的曠世之爭就這樣悄無聲息地拉開了帷幕。
愛因斯坦率先對“上帝是否擲骰子”的問題給出了結論：上帝不擲骰子。理由是他認為宇宙應當是一個確定性的、可以預測的係統，也就是世界的本質不是隨機的。這也是他對量子力學隨機性的反對。
丹麥物理學家、哥本哈根學派代表玻爾的觀點恰恰與愛因斯坦相悖，他甚至嘲笑愛因斯坦在無理取鬧。玻爾認為上帝肯定擲骰子，理由是微觀世界的隨機性是內在的、本質的，並沒有什麽隱藏得更深的隱變量，有的隻是波函數坍塌到某個本征態的概率。也就是說，微觀世界是一個充滿不確定性的世界，即混沌體係。什麽是波函數坍塌後麵我會專門講到。
霍金則結合愛因斯坦和玻爾的觀點給出了一個讓人意想不到的結論：他認為上帝將骰子擲到了人們看不見的地方。
在這場關於“上帝是否擲骰子”的論戰中，各方都沒有成功地說服對方，原因在於沒有人能夠通過實驗驗證得出具有具體實際價值的結論。然而量子力學爭議的重要性卻是不容忽視的，正如德布羅意所言：物理學的前半生猶如在黑暗中摸索前行，而如今終於睜開了雙眼，迎來了新的曙光。這個曙光則是一隻“神獸”。
時間來到1935年，獲得物理學界“杠精之星”的奧地利著名物理學家埃爾溫·薛定諤，原本為了質疑和諷刺以玻爾為首的哥本哈根學派關於量子力學的不確定性，憑借思想實驗釋放出了一隻“超能量”的貓，這隻貓被稱為薛定諤的貓。它在科學圈影響極大，存在了幾十年。出人意料的是，這隻貓沒成為諷刺量子力學的工具，反而成了量子力學極具代表性的象征，薛定諤也從反對量子力學的關鍵人物，轉變為量子力學的奠基人之一。科學家們將芝諾的烏龜、拉普拉斯獸、麥克斯韋妖和薛定諤的貓統稱為科學界的四大神獸。
實際上，薛定諤的貓是基於雙縫幹涉實驗的詭異現象提出的。要弄清楚它的來龍去脈，得從一場持續了三百多年的爭論說起。我們知道世界上的物質由原子構成，除原子外，光也是常見的存在。光到底是什麽，成了眾多科學家思考的問題。
1675年，現代科學之父艾薩克·牛頓在光的色散實驗中發現了光的偏振現象，即一束光通過介質時震動方向會改變，該特性在通信領域有應用。基於此，牛頓認為光是一種微粒流，從光源飛出後在均勻介質中做勻速直線運動，這就是著名的微粒說。
荷蘭物理學家惠更斯卻對牛頓的微粒說不屑一顧，他認為微粒說無法解釋光的幹涉、衍射及折射等問題。於是惠更斯展開對光本質的研究，1690年，他在《光論》一書中明確指出光是一種機械波，成功解釋了微粒說難以解釋的現象，波動說由此誕生。
此後，科學界形成了以牛頓為首的微粒派和以惠更斯為代表的波動派，兩大學派就光到底是微粒還是波爭論了百年，卻一直沒有定論。而接下來的實驗，讓這場持續百年的爭論出現了新的變化。
時間來到1807年，英國物理學家托馬斯·楊設計了一個旨在證明光到底是波還是粒子的實驗。他把一支蠟燭放在開有一個小孔的紙前，形成點光源，在這張紙後麵再放一張開有兩道平行狹縫的紙，讓光從小孔射出穿過狹縫投到屏幕上。按照理論，如果光是粒子，射向屏幕的光子會直接通過狹縫，在屏幕上留下兩條垂直光斑；要是光是波，受狹縫影響，光會形成新波源，新波源相互震蕩交匯，波峰與波峰疊加、波峰與波穀抵消，最終屏幕上會出現斑馬線狀的幹涉條紋。托馬斯·楊通過實驗證明了光是波。
然而，一百年後，英國物理學家泰勒爵士再次進行楊氏雙縫幹涉實驗時，出現了詭異的情況。泰勒降低了實驗光源強度，每次僅釋放一個光子，任何時刻雙狹縫最多隻能通過一個光子，實驗進展緩慢。但一段時間後，探測板上依然出現了波狀的幹涉條紋，這表明光子能自己與自己發生幹涉，即一個光子有可能同時穿過兩條縫。
為弄清楚原因，科學家們想在雙縫板與探測板之間加觀測儀器，觀察光子到底從哪條縫通過。結果令人震驚：開啟觀測裝置時，光表現出粒子性質，觀測板上顯現兩條豎直線；關閉觀測裝置，光又展現出波動特性，幹涉條紋再次清晰可見，也就是說光的性質取決於觀測裝置是否開啟。
科學家們還改變了開啟觀測儀器的步驟，在光子釋放後再隨機決定是否開啟觀測儀器，多次嚐試後，光依然有時表現出波狀，有時表現出粒子狀。這種波狀和粒子狀都存在的現象被稱為波粒二象性。截至目前，光到底是什麽仍沒有準確答案，直到一位重要人物出現，人們才開始重新定義光。
1905年，26歲的愛因斯坦有三項重大發現：狹義相對論、布朗運動和光電效應。他認為光至關重要且光速恆定，提出質能方程e=mc2，表明光、能量和質量可相互轉換，還提出光速不變原理。同時，他發現了光電效應，並因此在1921年獲諾貝爾物理學獎。
光電效應指在光照射下，某些物質內部電子被光子激發形成電流的現象。其發生機製受光線頻率影響，特定頻率以上的光照射金屬能打出電子，低於該頻率的光無論照射多久都不行。按照經典物理學牛頓定律，能量應是連續的，但光電效應並非如此。
愛因斯坦解釋說光具有粒子性，是以光速運動的粒子流，光的本質不連續，光子能量取決於光線頻率，頻率越高，光子能量越大，傳遞給電子的能量也越大；若光子能量無法滿足電子逃離金屬的最低要求，電子就會被束縛在金屬內，如藍光頻率比紅光高，藍光光子能量更大。
光電效應表明宏觀物質世界是非線性的，微觀領域的粒子等不遵循經典物理學牛頓力學定律，背後是神秘的微觀量子世界。這一效應引發了物理學界的變革，促使人們從宏觀世界邁向微觀量子世界，而薛定諤的貓也將在後續的量子理論探索中“登場”。
法國天文學家西蒙·拉普拉斯曾預言，若知曉所有物體在某一特定時間點的運動軌跡，就能據此預測未來現象。比如拋石子，掌握拋出瞬間的高度、速度和動量，就能算出其落點。
德國物理學家、量子力學主要創始人卡爾·海森堡在微觀世界發現了與拉普拉斯預言相悖的現象。在微觀世界裏，無法同時測準物體的位置和動量。若要精準測定原子大小石子的位置，其動量就難以捕捉；若要確切測算石子動量，其位置又難以確定，這就是量子力學的核心原理——海森堡不確定性原理。
科學家測量微觀粒子的位置和動量不能依靠顯微鏡，測量微觀粒子動量適合用波長較長的光，但測不準其位置；測量微觀粒子位置則需用波長較短的光。由於無法同時精準測量微觀實體的位置與速度，也就無法精確預知其未來運動狀況。
1925年，薛定諤提出波函數所滿足的微分方程，即薛定諤方程，它代表了微觀世界中物質運動的基本規律，如同經典物理學中的牛頓運動方程。該方程雖無法用實驗證明具有波粒二象性的係統，但經受住了時間考驗，薛定諤也因此獲得1933年諾貝爾物理學獎。通過這個方程，科學家發現量子世界中粒子可同時存在於多個地方，“薛定諤的貓”處於50%生和50%死的疊加態就是基於此原理。
“薛定諤的貓”思想實驗是把貓放進裝有放射性物質、開關和毒氣瓶的不透明箱子裏。放射性物質的衰變與否控製開關，進而控製毒氣瓶是否釋放毒氣。由於放射性物質衰變不確定，處於衰變與不衰變的疊加態，開關、毒氣瓶和貓也分別處於相應的疊加態。當打開箱子觀測時，貓隻會呈現出活或死一種狀態，而非既死又活。這一現象引發眾多科學家思考，他們提出概率論、多世界存在平行宇宙學說等理論來解釋。最後視頻引出對波函數坍塌概念的探討。
關於波函數坍塌的問題，需要從光子的本質說起。在三維宇宙中，單獨的光子並非實體粒子，而是類似無形的電磁波形態，愛因斯坦將其看作是一種能量表現。光波與物體碰撞的結果源於光子撞擊，人們通過觀測碰撞痕跡推測光子特性，這也解釋了光子釋放產生雙縫幹涉現象的原因。光子頻率代表能量波的強度，隻有波撞上阻礙物或分光鏡時才會留下痕跡，人們借此逆向推理光子的行進路徑。
光子在更高維度空間遵循波函數規律運行，由於觀察者處於三維空間，觀察行為會使波函數坍塌，人們看到的是波函數在三維空間的部分表現。
從本質上講，物質是一種概率波，其具體位置並非固定不變，而是具有隨機性。人們所認知的實體粒子，是大腦感知的現象。在微觀物理學領域，不存在獨立的單個粒子，粒子是大量係統同時處於同一空間區域的可能性，物質的存在取決於特定時空區域內量子出現的概率，概率越高，人們越認為有粒子存在。粒子本身沒有實際大小，人們所說的體積是基於粒子出現概率的推測，概率密度越大，粒子的物理尺寸越小。
當用一種特定的波與其他波相互作用時，觀測工具（如分光鏡、擋板等）也具有概率波特性。在觀測過程中，原始波會消失，產生一種與原波類似但範圍更小、概率更高、分布更集中的新波，這種新波展現出更明顯的粒子性質，因此觀測行為可以被理解為對波函數的一次坍塌。
目前，在量子力學領域，占據主導地位的理論之一是退相幹理論。該理論表明，原本連續分布的波函數概率，在經曆觀測的瞬間，會轉變為離散分布於某一特定點的德爾塔函數。例如，退相幹效應體現為：當無人觀測月亮時，月亮以一定概率存在於天上；而一旦有人觀測，月亮原本不確定的狀態，便會在觀測的瞬間轉變為確定的現實狀態。
盡管我們觀測到的真實世界中，實體是唯一的，但世界的演化過程卻存在眾多可能途徑，主要可劃分為粗糙曆史和微觀曆史兩大部分。粗糙曆史可看作經典曆史，能通過路徑積分等手段計算概率；而微觀曆史屬於量子曆史範疇，其概率值難以精確獲取。每一個粒子都處於所有微觀曆史的疊加狀態，薛定諤貓實驗中的放射性物質就是典型例證。
對於宏觀物體，我們隻能觀測到部分粗糙曆史。當打開裝有薛定諤貓的盒子時，貓的狀態受量子退相幹效應影響，原本相互關聯的多種可能狀態最終會分離，僅留下我們能感知的單一狀態。這就使得即使原本沒有糾纏關係的粒子，在宏觀層麵也表現得如同經典世界中相互獨立的個體。原本處於粒子疊加態的薛定諤貓，在箱子打開後，我們隻能觀察到它存活或者死亡這一種單一狀態。所以，薛定諤曾提出，無論是否打開箱子，貓的生死狀態早已確定，隻是在未打開箱子之前，我們無法知曉。由此可見，貓的生死狀態並非由打開箱子的瞬間決定。
實際上大部分人對相對論的了解程度遠高於對量子力學的了解。那麽量子力學到底是什麽？量子力學歸根結底講了個啥？我們還得從一篇神奇的論文說起。
時間來到1900年，德國柏林大學教授馬克斯·普朗克在柏林的物理學會上發表了題為《論正常光譜的能量分布定律的理論》的論文。自此，潘多拉魔盒被打開，釋放出“量子”這個“妖精”。由此，一個難倒物理學一眾大咖的問題誕生了，這個問題就是“上帝擲骰子嗎”。
而此時的愛因斯坦也才21歲，剛從瑞士的蘇黎世工業大學畢業，正在為了找一份工作而焦頭爛額。彼時的玻爾也才是一個15歲的中學生而已。誰也沒有想到，這兩個並不起眼的青年人，會在十幾年後成為物理學的兩大領軍人物，並且兩人在量子理論的基礎思想方麵開啟了巔峰對決。一場一直延續到他們去世的曠世之爭就這樣悄無聲息地拉開了帷幕。
愛因斯坦率先對“上帝是否擲骰子”的問題給出了結論：上帝不擲骰子。理由是他認為宇宙應當是一個確定性的、可以預測的係統，也就是世界的本質不是隨機的。這也是他對量子力學隨機性的反對。
丹麥物理學家、哥本哈根學派代表玻爾的觀點恰恰與愛因斯坦相悖，他甚至嘲笑愛因斯坦在無理取鬧。玻爾認為上帝肯定擲骰子，理由是微觀世界的隨機性是內在的、本質的，並沒有什麽隱藏得更深的隱變量，有的隻是波函數坍塌到某個本征態的概率。也就是說，微觀世界是一個充滿不確定性的世界，即混沌體係。什麽是波函數坍塌後麵我會專門講到。
霍金則結合愛因斯坦和玻爾的觀點給出了一個讓人意想不到的結論：他認為上帝將骰子擲到了人們看不見的地方。
在這場關於“上帝是否擲骰子”的論戰中，各方都沒有成功地說服對方，原因在於沒有人能夠通過實驗驗證得出具有具體實際價值的結論。然而量子力學爭議的重要性卻是不容忽視的，正如德布羅意所言：物理學的前半生猶如在黑暗中摸索前行，而如今終於睜開了雙眼，迎來了新的曙光。這個曙光則是一隻“神獸”。
時間來到1935年，獲得物理學界“杠精之星”的奧地利著名物理學家埃爾溫·薛定諤，原本為了質疑和諷刺以玻爾為首的哥本哈根學派關於量子力學的不確定性，憑借思想實驗釋放出了一隻“超能量”的貓，這隻貓被稱為薛定諤的貓。它在科學圈影響極大，存在了幾十年。出人意料的是，這隻貓沒成為諷刺量子力學的工具，反而成了量子力學極具代表性的象征，薛定諤也從反對量子力學的關鍵人物，轉變為量子力學的奠基人之一。科學家們將芝諾的烏龜、拉普拉斯獸、麥克斯韋妖和薛定諤的貓統稱為科學界的四大神獸。
實際上，薛定諤的貓是基於雙縫幹涉實驗的詭異現象提出的。要弄清楚它的來龍去脈，得從一場持續了三百多年的爭論說起。我們知道世界上的物質由原子構成，除原子外，光也是常見的存在。光到底是什麽，成了眾多科學家思考的問題。
1675年，現代科學之父艾薩克·牛頓在光的色散實驗中發現了光的偏振現象，即一束光通過介質時震動方向會改變，該特性在通信領域有應用。基於此，牛頓認為光是一種微粒流，從光源飛出後在均勻介質中做勻速直線運動，這就是著名的微粒說。
荷蘭物理學家惠更斯卻對牛頓的微粒說不屑一顧，他認為微粒說無法解釋光的幹涉、衍射及折射等問題。於是惠更斯展開對光本質的研究，1690年，他在《光論》一書中明確指出光是一種機械波，成功解釋了微粒說難以解釋的現象，波動說由此誕生。
此後，科學界形成了以牛頓為首的微粒派和以惠更斯為代表的波動派，兩大學派就光到底是微粒還是波爭論了百年，卻一直沒有定論。而接下來的實驗，讓這場持續百年的爭論出現了新的變化。
時間來到1807年，英國物理學家托馬斯·楊設計了一個旨在證明光到底是波還是粒子的實驗。他把一支蠟燭放在開有一個小孔的紙前，形成點光源，在這張紙後麵再放一張開有兩道平行狹縫的紙，讓光從小孔射出穿過狹縫投到屏幕上。按照理論，如果光是粒子，射向屏幕的光子會直接通過狹縫，在屏幕上留下兩條垂直光斑；要是光是波，受狹縫影響，光會形成新波源，新波源相互震蕩交匯，波峰與波峰疊加、波峰與波穀抵消，最終屏幕上會出現斑馬線狀的幹涉條紋。托馬斯·楊通過實驗證明了光是波。
然而，一百年後，英國物理學家泰勒爵士再次進行楊氏雙縫幹涉實驗時，出現了詭異的情況。泰勒降低了實驗光源強度，每次僅釋放一個光子，任何時刻雙狹縫最多隻能通過一個光子，實驗進展緩慢。但一段時間後，探測板上依然出現了波狀的幹涉條紋，這表明光子能自己與自己發生幹涉，即一個光子有可能同時穿過兩條縫。
為弄清楚原因，科學家們想在雙縫板與探測板之間加觀測儀器，觀察光子到底從哪條縫通過。結果令人震驚：開啟觀測裝置時，光表現出粒子性質，觀測板上顯現兩條豎直線；關閉觀測裝置，光又展現出波動特性，幹涉條紋再次清晰可見，也就是說光的性質取決於觀測裝置是否開啟。
科學家們還改變了開啟觀測儀器的步驟，在光子釋放後再隨機決定是否開啟觀測儀器，多次嚐試後，光依然有時表現出波狀，有時表現出粒子狀。這種波狀和粒子狀都存在的現象被稱為波粒二象性。截至目前，光到底是什麽仍沒有準確答案，直到一位重要人物出現，人們才開始重新定義光。
1905年，26歲的愛因斯坦有三項重大發現：狹義相對論、布朗運動和光電效應。他認為光至關重要且光速恆定，提出質能方程e=mc2，表明光、能量和質量可相互轉換，還提出光速不變原理。同時，他發現了光電效應，並因此在1921年獲諾貝爾物理學獎。
光電效應指在光照射下，某些物質內部電子被光子激發形成電流的現象。其發生機製受光線頻率影響，特定頻率以上的光照射金屬能打出電子，低於該頻率的光無論照射多久都不行。按照經典物理學牛頓定律，能量應是連續的，但光電效應並非如此。
愛因斯坦解釋說光具有粒子性，是以光速運動的粒子流，光的本質不連續，光子能量取決於光線頻率，頻率越高，光子能量越大，傳遞給電子的能量也越大；若光子能量無法滿足電子逃離金屬的最低要求，電子就會被束縛在金屬內，如藍光頻率比紅光高，藍光光子能量更大。
光電效應表明宏觀物質世界是非線性的，微觀領域的粒子等不遵循經典物理學牛頓力學定律，背後是神秘的微觀量子世界。這一效應引發了物理學界的變革，促使人們從宏觀世界邁向微觀量子世界，而薛定諤的貓也將在後續的量子理論探索中“登場”。
法國天文學家西蒙·拉普拉斯曾預言，若知曉所有物體在某一特定時間點的運動軌跡，就能據此預測未來現象。比如拋石子，掌握拋出瞬間的高度、速度和動量，就能算出其落點。
德國物理學家、量子力學主要創始人卡爾·海森堡在微觀世界發現了與拉普拉斯預言相悖的現象。在微觀世界裏，無法同時測準物體的位置和動量。若要精準測定原子大小石子的位置，其動量就難以捕捉；若要確切測算石子動量，其位置又難以確定，這就是量子力學的核心原理——海森堡不確定性原理。
科學家測量微觀粒子的位置和動量不能依靠顯微鏡，測量微觀粒子動量適合用波長較長的光，但測不準其位置；測量微觀粒子位置則需用波長較短的光。由於無法同時精準測量微觀實體的位置與速度，也就無法精確預知其未來運動狀況。
1925年，薛定諤提出波函數所滿足的微分方程，即薛定諤方程，它代表了微觀世界中物質運動的基本規律，如同經典物理學中的牛頓運動方程。該方程雖無法用實驗證明具有波粒二象性的係統，但經受住了時間考驗，薛定諤也因此獲得1933年諾貝爾物理學獎。通過這個方程，科學家發現量子世界中粒子可同時存在於多個地方，“薛定諤的貓”處於50%生和50%死的疊加態就是基於此原理。
“薛定諤的貓”思想實驗是把貓放進裝有放射性物質、開關和毒氣瓶的不透明箱子裏。放射性物質的衰變與否控製開關，進而控製毒氣瓶是否釋放毒氣。由於放射性物質衰變不確定，處於衰變與不衰變的疊加態，開關、毒氣瓶和貓也分別處於相應的疊加態。當打開箱子觀測時，貓隻會呈現出活或死一種狀態，而非既死又活。這一現象引發眾多科學家思考，他們提出概率論、多世界存在平行宇宙學說等理論來解釋。最後視頻引出對波函數坍塌概念的探討。
關於波函數坍塌的問題，需要從光子的本質說起。在三維宇宙中，單獨的光子並非實體粒子，而是類似無形的電磁波形態，愛因斯坦將其看作是一種能量表現。光波與物體碰撞的結果源於光子撞擊，人們通過觀測碰撞痕跡推測光子特性，這也解釋了光子釋放產生雙縫幹涉現象的原因。光子頻率代表能量波的強度，隻有波撞上阻礙物或分光鏡時才會留下痕跡，人們借此逆向推理光子的行進路徑。
光子在更高維度空間遵循波函數規律運行，由於觀察者處於三維空間，觀察行為會使波函數坍塌，人們看到的是波函數在三維空間的部分表現。
從本質上講，物質是一種概率波，其具體位置並非固定不變，而是具有隨機性。人們所認知的實體粒子，是大腦感知的現象。在微觀物理學領域，不存在獨立的單個粒子，粒子是大量係統同時處於同一空間區域的可能性，物質的存在取決於特定時空區域內量子出現的概率，概率越高，人們越認為有粒子存在。粒子本身沒有實際大小，人們所說的體積是基於粒子出現概率的推測，概率密度越大，粒子的物理尺寸越小。
當用一種特定的波與其他波相互作用時，觀測工具（如分光鏡、擋板等）也具有概率波特性。在觀測過程中，原始波會消失，產生一種與原波類似但範圍更小、概率更高、分布更集中的新波，這種新波展現出更明顯的粒子性質，因此觀測行為可以被理解為對波函數的一次坍塌。
目前，在量子力學領域，占據主導地位的理論之一是退相幹理論。該理論表明，原本連續分布的波函數概率，在經曆觀測的瞬間，會轉變為離散分布於某一特定點的德爾塔函數。例如，退相幹效應體現為：當無人觀測月亮時，月亮以一定概率存在於天上；而一旦有人觀測，月亮原本不確定的狀態，便會在觀測的瞬間轉變為確定的現實狀態。
盡管我們觀測到的真實世界中，實體是唯一的，但世界的演化過程卻存在眾多可能途徑，主要可劃分為粗糙曆史和微觀曆史兩大部分。粗糙曆史可看作經典曆史，能通過路徑積分等手段計算概率；而微觀曆史屬於量子曆史範疇，其概率值難以精確獲取。每一個粒子都處於所有微觀曆史的疊加狀態，薛定諤貓實驗中的放射性物質就是典型例證。
對於宏觀物體，我們隻能觀測到部分粗糙曆史。當打開裝有薛定諤貓的盒子時，貓的狀態受量子退相幹效應影響，原本相互關聯的多種可能狀態最終會分離，僅留下我們能感知的單一狀態。這就使得即使原本沒有糾纏關係的粒子，在宏觀層麵也表現得如同經典世界中相互獨立的個體。原本處於粒子疊加態的薛定諤貓，在箱子打開後，我們隻能觀察到它存活或者死亡這一種單一狀態。所以，薛定諤曾提出，無論是否打開箱子，貓的生死狀態早已確定，隻是在未打開箱子之前，我們無法知曉。由此可見，貓的生死狀態並非由打開箱子的瞬間決定。