1.1　量子力学理论的兴起

以现实世界模型的历史为背景可能更便于理解量子力学的原理。这些模型的建立是为了解释人类对世界的观测结果，再根据经验不断调整完善，是一个持续的过程。

公元2世纪，伟大的古希腊哲学家和天文学家托勒密提出宇宙以地球为中心的理论，即所有天体沿环形轨道绕地球旋转。托勒密的理论在西方文明世界盛行1500余年，直至公元16世纪末，该理论被哥白尼、伽利略和开普勒的日心说（以太阳为中心）模型取代。新模型以对“天体”运动的广泛观测为基础。

这些观测形成了17世纪艾萨克·牛顿等人描述大型（“宏观”）物体运动“定律”（称为“经典力学”或“牛顿力学”）的基础。此类物体在给定的任意时间均具有固定的位置和特定的速度，根据这些数据，可确定或预测物体的未来行为。事物是“真实存在的”，时间是恒定的，空间是三维的。^[1]

经典力学在19世纪占主导地位，至今仍对预测大型物体的多种行为十分有用。然而，20世纪初，爱因斯坦的“相对论”、发展了“量子”理论和建立了原子模型的马克斯·普朗克等其他专家的著作令现实世界的该“模型”受到动摇。爱因斯坦的理论断言时间是相对的，与速度相关；物质和能量可相互转换；光速是可能实现的最大速度；“空间”是相对的，可弯曲，也可是多维的。但与此同时，爱因斯坦仍然认为事物是“真实存在的”，即最终是有形的，只能受其周围环境中其他有形事物（“局域实在论”）的影响，存在于空间中的特定位置，表现为非随机的形式。^[2]

爱因斯坦的理论在提出时令人震惊——甚至显得离谱，但其经过了反复检验，并提供了比经典力学更为准确的结果，对非常庞大的物体尤为如此。但应用于超微观世界中最小的元素单位时，它们的表现并不好，令人吃惊的是，这些元素展现的属性极不符合牛顿的理论，与相对论也不一致。此时，“量子力学”便有了用武之地。量子力学的规则适用于极小的物体，对大多数人而言，这些规则十分奇怪。爱因斯坦称其如同“幽灵”。^[3]

现在，让我们回过头来继续谈现实世界模型的演化过程。随着时间的推移，模型在观测结果的基础上不断演化。当处理几乎不可能直接观测的超小物质单位时，观测的结果可能有多种解释。以大量实验为基础的量子力学被认作当前最能解释某些观测到的行为的主要模型。这些理论和行为很难想象，用数学语言最能对其进行解释。未来的研究很可能以我们现在无法预见的方式完善量子模型，并再次改变我们对它的看法。^[4]

也就是说，我们对量子力学的了解基于实验科学，且正以非常实际和实用的方式加以应用。这些方式与理论一致，但理论与相对论不一致。这产生了一些尚未解决的差异，例如微观在何时何地成为宏观——爱因斯坦的理论何时取代“量子论”发挥作用。为便于解释，同时帮助读者理解有关概念，似乎有必要对这些关键的量子原理进行最为基本（尽量贴切）的描述。