19 世紀末，經(jīng)典物理學已經(jīng)形成了一個相當完整且自洽的體系，似乎自然界的一切現(xiàn)象都可以在這個體系中找到合理的解釋。

當時，許多科學家認為，科學的大廈已基本建成，剩下的工作只是對現(xiàn)有理論進行一些修修補補，對常數(shù)進行更精確的測量而已。著名物理學家 “開爾文勛爵” 威廉?湯姆孫曾自信地宣稱：“物理學的大廈已經(jīng)落成，所剩只是一些修飾工作”。

然而，就在這看似完美的表象之下，一些難以解釋的實驗現(xiàn)象卻悄然浮現(xiàn)，如黑體輻射、光電效應、原子的穩(wěn)定性等問題，這些現(xiàn)象如同天邊的幾朵烏云，逐漸匯聚成一場席卷整個物理學界的風暴，最終引發(fā)了量子力學的誕生，徹底顛覆了人類對微觀世界的認知。

隨著科學探索的不斷深入，當科學家們將目光聚焦到微觀世界時，卻發(fā)現(xiàn)經(jīng)典物理學的大廈在這個微小的尺度下開始出現(xiàn)裂痕。在微觀領域，經(jīng)典物理學的理論逐漸失去了它們的解釋力，一些奇特的實驗現(xiàn)象無法用經(jīng)典理論來詮釋。

例如，在黑體輻射實驗中，經(jīng)典理論預測黑體輻射的能量會隨著頻率的增加而無限增大，這與實驗觀測結果嚴重不符，這一矛盾被稱為 “紫外災難”。

光電效應實驗中，經(jīng)典物理學認為光的能量是連續(xù)的，電子吸收光的能量應該是一個逐漸積累的過程，但實驗結果卻表明，只有當光的頻率達到一定閾值時，電子才會瞬間被激發(fā)出來，而且光電子的能量只與光的頻率有關，與光的強度無關 ，這一現(xiàn)象也讓經(jīng)典物理學陷入了困境。

這些無法解釋的實驗現(xiàn)象，讓科學家們意識到，微觀世界中存在著與宏觀世界截然不同的物理規(guī)律，需要一種全新的理論來描述和解釋。在這樣的背景下，量子力學應運而生。

1900 年，德國物理學家馬克斯?普朗克為了解決黑體輻射問題，提出了量子假說，他假設能量不是連續(xù)的，而是以離散的 “量子” 形式存在，這一假設標志著量子理論的誕生 。此后，眾多物理學家如愛因斯坦、玻爾、德布羅意、薛定諤、海森堡等，在量子理論的基礎上不斷探索和發(fā)展，逐漸建立起了一套完整的量子力學體系。

量子力學主要研究原子和亞原子尺度微觀粒子的運動規(guī)律，它揭示了微觀世界的許多奇特性質。在量子力學中，能量、動量、角動量等物理量不再是連續(xù)變化的，而是被限制為離散值，這種現(xiàn)象被稱為 “量子化”。微觀粒子同時具有粒子和波的特性，即 “波粒二象性”，這意味著微觀粒子既可以像粒子一樣表現(xiàn)出離散的能量和動量，又可以像波一樣表現(xiàn)出干涉、衍射等波動現(xiàn)象。

著名的電子雙縫干涉實驗，就生動地展示了電子的波粒二象性。當電子一個一個地通過兩條狹縫時，在屏幕上逐漸形成了干涉條紋，這表明電子在通過狹縫時表現(xiàn)出了波動特性，仿佛是一種波同時通過了兩條狹縫，相互干涉后在屏幕上形成了明暗相間的條紋。

量子力學中的不確定性原理也是一個重要的概念，由海森堡于 1927 年提出。該原理表明，在同一時間內，一個粒子的位置和動量不能同時被精確測量，其中一個量的測量精度越高，另一個量的不確定性就越大。這與經(jīng)典物理學中物體的位置和動量可以同時精確確定的觀念截然不同，它揭示了微觀世界的內在不確定性。

量子力學的誕生，為人類認識微觀世界打開了一扇全新的大門，它徹底改變了人們對物質結構和相互作用的理解，開啟了一個全新的科學視角，引領著人類探索微觀世界的奧秘，也為現(xiàn)代科技的發(fā)展奠定了堅實的理論基礎。

在量子力學的奇妙世界里，一切都變得與我們日常生活中的經(jīng)驗截然不同。在這個微觀領域，確定性似乎消失了，取而代之的是概率和不確定性，這也是量子力學最核心的思想。

量子力學認為，微觀粒子的行為不能像經(jīng)典物理學中那樣被精確地預測。在經(jīng)典物理學中，一個物體的未來狀態(tài)可以通過其初始條件和所受的外力，利用牛頓定律精確地計算出來。比如，我們可以準確地預測一個拋出的籃球的軌跡，只要知道它的初始速度、角度和受到的重力等因素 。

但在量子世界中，微觀粒子的狀態(tài)只能用概率來描述。電子在原子核外的運動并沒有固定的軌道，它可能出現(xiàn)在原子核周圍的任何位置，我們只能用概率來表示它在不同位置出現(xiàn)的可能性，這種概率分布就像一團 “概率云”，電子在其中以一定的概率隨機出現(xiàn)。

為了描述微觀粒子的這種概率特性，量子力學引入了 “概率波” 和 “波函數(shù)” 的概念。波函數(shù)是一個數(shù)學函數(shù)，它包含了微觀粒子的所有信息，而概率波則是波函數(shù)的一種解釋，它表示粒子在空間中不同位置出現(xiàn)的概率分布。以電子為例，當我們不觀測電子時，它處于一種概率波的狀態(tài)，這個概率波在空間中展開，就像水波在水面上擴散一樣。

電子有可能出現(xiàn)在概率波所覆蓋的任何位置，只是在不同位置出現(xiàn)的概率不同。當我們對電子進行觀測時，概率波會瞬間 “坍縮”，電子會隨機出現(xiàn)在某個確定的位置，這個位置是概率波坍縮后的結果，而我們無法事先確定它會出現(xiàn)在哪里 。

這種概率性的描述與我們在現(xiàn)實世界中所熟悉的確定性和因果律形成了鮮明的對比。在現(xiàn)實生活中，我們習慣了因果關系的確定性，例如擲硬幣，雖然結果看似隨機，但實際上，如果我們能夠精確地知道硬幣拋出時的力量、角度、空氣阻力等所有因素，我們就可以準確地預測硬幣落地時是正面還是反面，這種隨機性只是由于我們對初始條件和環(huán)境因素的不完全了解造成的，本質上是一種 “偽隨機”。

但在量子世界中，微觀粒子的隨機性是本質的，是無法通過獲取更多信息來消除的，是真正的隨機性。

量子力學中的不確定性原理進一步強調了微觀世界的這種不確定性。海森堡不確定性原理指出，我們不可能同時精確地測量一個微觀粒子的位置和動量。

這意味著，當我們試圖更精確地測量粒子的位置時，它的動量就會變得更加不確定；反之，當我們試圖更精確地測量粒子的動量時，它的位置就會變得更加模糊 。這種不確定性并不是由于測量技術的限制，而是微觀世界的固有屬性。例如，在測量電子的位置時，我們需要用光子去探測它，但光子與電子的相互作用會不可避免地改變電子的動量，從而導致我們無法同時準確地知道電子的位置和動量。

微觀世界的這種不確定性還體現(xiàn)在觀測行為對微觀粒子狀態(tài)的影響上。在量子力學中，觀測不僅僅是對微觀粒子狀態(tài)的被動記錄，而是會主動改變微觀粒子的狀態(tài)。

著名的電子雙縫干涉實驗就生動地展示了這一奇特現(xiàn)象。當電子一個一個地通過兩條狹縫時，如果我們不進行觀測，電子會表現(xiàn)出波動性，在屏幕上形成干涉條紋，這表明電子同時通過了兩條狹縫，就像波一樣在狹縫后相互干涉 。

但當我們在狹縫處放置探測器，試圖觀測電子到底通過了哪條狹縫時，干涉條紋就會消失，電子表現(xiàn)出粒子性，只通過其中一條狹縫。這說明觀測行為改變了電子的狀態(tài)，從波動性轉變?yōu)榱Ｗ有浴＿@種觀測導致的狀態(tài)改變，進一步證明了微觀世界的不確定性和量子力學中概率描述的必要性。

量子力學中這種由概率主宰微觀世界的觀點，與愛因斯坦所秉持的傳統(tǒng)物理學觀念產(chǎn)生了激烈的碰撞，讓這位偉大的科學家也難以接受。愛因斯坦一生都在追求物理世界的確定性和因果律，他堅信宇宙是有秩序的，自然法則應該是精確而確定的，事物的發(fā)展都有其內在的、必然的因果關系，而不是由概率和不確定性主導 。

“上帝不會擲骰子”，這句愛因斯坦的名言，正是他對量子力學概率解釋的最有力反駁。

在他看來，現(xiàn)實世界不應該是模糊和不確定的，微觀粒子的行為也應該像宏觀物體一樣，遵循嚴格的因果律和確定性原則。他認為量子力學中對微觀粒子狀態(tài)的概率描述，只是因為人類目前對某些隱藏變量的無知，而不是微觀世界的本質如此。他堅信，在量子現(xiàn)象的背后，一定存在著尚未被揭示的隱變量，一旦這些隱變量被發(fā)現(xiàn)，量子世界的不確定性就會消失，一切都將回歸到確定性和因果律的框架之中。

愛因斯坦還曾形象地比喻：“我認為不管我有沒有看著月亮，月亮一直都在那里?！?以此來強調他對事物確定性的堅定信念。在他的認知里，物體的存在和性質是客觀的，不會因為人的觀測與否而發(fā)生改變。

而量子力學中觀測導致波函數(shù)坍縮，從而決定微觀粒子狀態(tài)的觀點，讓他覺得難以理解和接受。他認為這種觀點賦予了觀測者過于特殊的地位，似乎觀測行為能夠創(chuàng)造現(xiàn)實，這與他所理解的客觀世界相去甚遠。

愛因斯坦與量子力學先驅波爾之間的爭論，更是科學史上的一段佳話，充分展現(xiàn)了兩種截然不同的世界觀的激烈碰撞。從 1927 年開始，兩人多次就量子力學的問題展開激烈辯論，爭論的核心便是量子力學的不確定性原理和概率解釋 。

在 1927 年的第五屆索爾維會議上，這場世紀大辯論正式拉開帷幕。當時，量子力學的哥本哈根詮釋逐漸成為主流觀點，波爾作為哥本哈根學派的代表人物，極力維護量子力學的不確定性和概率解釋，他認為在沒有測量和觀察粒子之前，粒子的特性都是不確定的，測量行為本身會迫使粒子選擇一個明確的狀態(tài) 。

而愛因斯坦則堅決反對這種觀點，他在會議上提出了一系列思想實驗，試圖證明量子力學的不完備性，指出量子力學中存在的矛盾和不合理之處。例如，他提出的光量子假說，雖然為量子理論的發(fā)展做出了重要貢獻，但他對量子力學后來發(fā)展出的不確定性和概率解釋卻持有保留態(tài)度。他認為，量子力學中的不確定性只是一種表象，背后一定存在著更深層次的物理機制來解釋微觀世界的現(xiàn)象。

在 1930 年的第六屆索爾維會議上，愛因斯坦又提出了著名的 “光箱實驗”。他設想了一個裝有光子的盒子，盒子上有一個可以控制的快門，通過精確測量盒子的質量和快門打開的時間，就可以同時精確地確定光子的能量和發(fā)射時間，這與海森堡的不確定性原理中能量和時間不能同時精確測量相矛盾。

愛因斯坦試圖通過這個思想實驗，證明量子力學的不確定性原理存在漏洞，進而否定量子力學中概率解釋的合理性 。然而，波爾經(jīng)過深思熟慮，利用愛因斯坦自己提出的廣義相對論中的等效原理，巧妙地回應了愛因斯坦的質疑，成功地化解了這個難題。波爾指出，在測量盒子質量的過程中，由于引力場的作用，會導致時間的測量產(chǎn)生不確定性，最終仍然滿足不確定性原理。

盡管愛因斯坦在與波爾的爭論中多次處于下風，但他始終沒有放棄對量子力學的質疑和思考。1935 年，愛因斯坦與波多爾斯基、羅森共同發(fā)表了一篇名為《物理實在的量子力學描述能否被認為是完備的？》的論文，提出了著名的 “EPR 佯謬”。

他們通過一個思想實驗，指出如果量子力學是正確的，那么兩個相互糾纏的粒子之間將存在一種 “鬼魅般的超距作用”，即對一個粒子的測量會瞬間影響到另一個相距遙遠的粒子的狀態(tài)，這似乎違反了相對論中光速不變和局域性的原則。

愛因斯坦認為，這種超距作用是不可能存在的，因此量子力學要么是不完備的，要么存在隱變量來解釋這種看似詭異的現(xiàn)象。波爾則對 “EPR 佯謬” 做出了回應，他強調量子力學中的糾纏現(xiàn)象是微觀世界的固有特性，不能用經(jīng)典物理學的觀念來理解，測量過程本身就是量子系統(tǒng)的一部分，不存在所謂的超距作用。

愛因斯坦與波爾之間的這場世紀之爭，持續(xù)了近三十年，直到愛因斯坦去世，兩人的意見分歧依然沒有得到調和。雖然愛因斯坦最終未能改變量子力學的發(fā)展方向，但他的質疑和思考對量子力學的完善和發(fā)展起到了重要的推動作用。

他的觀點促使物理學家們更加深入地思考量子力學的基本原理和哲學意義，不斷地對量子力學進行檢驗和完善。這場爭論也讓人們更加清楚地認識到量子力學的獨特性和深刻性，激發(fā)了科學家們對微觀世界奧秘的探索熱情，為后來量子信息科學、量子計算等領域的發(fā)展奠定了基礎。