科學家就像探礦者一樣，挖掘自然世界，尋找有關物理現實的知識寶藏。 在剛過去的一個世紀，科學家們進行了足夠深入的研究，發現現實的基礎並不反映日常表象的世界。 從根本上講，現實是由一組神秘的數學規則（稱為量子力學）來描述的。
量子力學誕生於 20 世紀之交，並在 1920 年代中期以完整形式出現，它是解釋物質的數學。 這是描述微觀世界物理學的理論，原子和分子相互作用產生人類經驗的世界。 它是一切事物的核心，使得剛過去的一個世紀與之前的一個世紀如此截然不同。 從手機到超級計算機，從 DVD 到 pdf，量子物理學推動了當今以電子為基礎的經濟，改變了商業、通訊和娛樂。
但量子理論教導科學家的不僅是如何製造電腦晶片。 它告訴我們現實並不像看起來的那樣。
為了慶祝我們成立 100 週年，我們將重點放在上個世紀科學領域的一些最大進步。 要查看該系列的更多內容，請訪問科學世紀。
物理學家肖恩·卡羅爾在最近的一條推文中表示：“現實的基本本質可能與我們熟悉的物體在太空中移動並相互作用的世界截然不同。” “我們不應該自欺欺人，誤以為我們所經歷的世界就是世界的真實面目。”
在一個支持他的推文的技術論文卡羅爾指出，量子理論由描述數學實體的方程式組成，這些數學實體在可能的自然事件的抽象領域中漫遊。 卡羅爾認為，這種數學可能性的量子領域代表了現實的真實、基本本質，這是合理的。 如果是這樣，我們感知到的所有物理現像都只是對真實情況的「更高層次的緊急描述」。
卡羅爾承認，普通空間中的「突發」事件以它們自己的方式是真實的，只是不是根本性的。 他說，相信「空間競技場」是根本性的「更多的是一種方便和慣例問題，而不是原則問題」。
卡羅爾承認，他的觀點並不是看待量子數學意義的唯一方式，大多數物理學家也沒有完全認同這個觀點。 但每個人都同意量子物理學已經徹底改變了人類對自然的理解。 事實上，公正地解讀歷史表明，自古希臘人廢除對自然現象的神話解釋而轉而支持邏輯和理性以來，量子理論是科學現實概念中最引人注目的轉變。 畢竟，量子物理學本身似乎違反邏輯和理性。
當然，事實並非如此。 量子理論代表了高級邏輯推理的最終結果，得出僅透過觀察可見世界永遠無法發現的真理。
事實證明，在感官無法觸及的微觀世界中，現像以奇幻的規則進行遊戲。 物質的基本粒子不是微小的岩石，而更像是幽靈般的波，它們維持著多種可能的未來，直到被迫承擔物質的亞原子等價物。 因此，量子數學並不像牛頓科學所堅持的那樣描述事件的無情因果序列。 相反，科學從獨裁者變成了賠率製造者。 量子數學僅告訴不同可能結果的機率。 一些不確定性始終存在。
量子革命
量子不確定性的發現首先讓世界對量子革命的深度印象深刻。 1927 年，德國物理學家維爾納·海森堡 (Werner Heisenberg) 發現，確定性因果物理學在應用於原子時會失敗，震驚了科學界。 海森堡推斷，同時測量亞原子粒子的位置和速度是不可能的。 如果你精確地測量其中一個，那麼另一個就仍然存在一些不確定性。
“一個粒子可能有一個精確的位置或一個精確的速度，但它不能兩者兼而有之。”科學通訊, 的前身科學新聞,1929年報道。 “粗略地說，新理論認為機會統治物質世界。” 海森堡的不確定性原理“注定會比愛因斯坦的相對論更大程度地徹底改變科學家和外行人對宇宙的看法。”
海森堡的突破是一系列量子驚奇的巔峰。 首先是德國物理學家馬克斯·普朗克在 1900 年發現，光和其他形式的輻射只能以離散的資料包形式被吸收或發射，普朗克稱之為量子。 幾年後，阿爾伯特愛因斯坦提出，光也以資料包或粒子（後來稱為光子）的形式在太空中傳播。 許多物理學家認為這種早期的量子線索無關緊要。 但在1913年，丹麥物理學家尼爾斯·玻爾用量子理論解釋了原子的結構。 很快，世界意識到現實需要重新檢視。
到 1921 年，人們對量子革命的認識開始超越物理會議的範圍。 在那年，科學新聞公報，第一次迭代科學新聞，分發了美國物理化學家威廉·D·哈金斯提供的“被認為是第一個流行的解釋”的輻射量子理論。 他宣稱量子理論比相對論「具有更實際的重要性」。
“因為它關注的是物質和輻射之間的關係，”哈金斯寫道，量子理論“對於我們所知的幾乎所有過程都具有根本意義。” 電、化學反應以及物質對熱的反應都需要量子理論的解釋。
哈金斯表示，至於原子，傳統物理學認為原子及其組成部分可以「以多種不同的方式」移動。 但量子理論堅持認為，“在舊理論規定的所有運動狀態（或移動方式）中，實際上只有一定數量的發生。” 因此，以前認為「作為連續過程發生的事件，實際上確實是逐步發生的」。
量子理論“對於我們所知的幾乎所有過程都具有根本意義。”
威廉·哈金斯
但在 1921 年，量子物理學仍處於萌芽狀態。 它的一些含義已經被識別出來，但其完整的形式仍然沒有詳細的闡述。 1925 年，海森堡首次將令人費解的混亂線索轉化為連貫的數學圖像。 他的決定性進展是開發了一種使用矩陣代數表示原子中電子能量的方法。 在德國物理學家馬克斯·玻恩和帕斯誇爾·喬丹的幫助下，海森堡的數學稱為矩陣力學。 此後不久，奧地利物理學家歐文·薛定諤發展了一個電子能量的競爭方程，將假定的粒子視為由數學波函數描述的波。 薛丁格的「波動力學」在數學上等同於海森堡的基於粒子的方法，而「量子力學」成為描述所有亞原子系統的數學的通用術語。
儘管如此，仍然存在一些混亂。 目前尚不清楚將電子描繪為粒子的方法如何等同於將電子假設為波的方法。 當時被認為是世界上最重要的原子物理學家的玻爾深入思考了這個問題，並在 1927 年得出了一個新的觀點，他稱之為互補性。
玻爾認為粒子觀和波觀是互補的。 兩者對於完整描述亞原子現像都是必要的。 一個「粒子」——例如一個電子——是否表現出其波或粒子性質取決於觀察它的實驗裝置。 設計用來尋找粒子的裝置會找到粒子； 一種用於檢測波浪行為的裝置會發現波浪。
大約在同一時間，海森堡導出了他的測不準原理。 正如波和粒子無法在同一實驗中觀察到一樣，位置和速度也無法同時精確測量。 正如物理學家沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli）評論的那樣：“現在量子理論已經到來。”
但量子冒險其實才剛開始。
一場精彩的辯論
許多物理學家，其中包括愛因斯坦，對海森堡測不準原理的影響表示遺憾。 它於 1927 年推出，消除了精確預測原子觀測結果的可能性。 正如玻恩所顯示的，你只能使用薛丁格引入的波函數所提供的計算來預測各種可能結果的機率。 愛因斯坦有句著名的反駁說，他無法相信上帝會與宇宙玩骰子。 更糟的是，在愛因斯坦看來，玻爾所描述的波粒二象性意味著物理學家可以透過決定進行何種測量來影響現實。 當然，愛因斯坦相信，現實的存在是獨立於人類的觀察。
在這一點上，玻爾與愛因斯坦進行了一系列討論，後來被稱為玻爾-愛因斯坦辯論，這場持續的對話在1935 年達到了頂峰。者內森·羅森(Nathan Rosen) 和鮑里斯·波多爾斯基(Boris Podolsky) 描述了據稱該思想實驗表明量子力學不可能是完整的現實理論。
在簡要總結於科學通訊 1935 年 5 月，波多爾斯基解釋說，一個完整的理論必須包括一個「物理世界每個元素的對應」。 換句話說，每個物理系統的屬性都應該有一個量子波函數。 然而，如果兩個物理系統（每個系統都由波函數描述）相互作用然後飛散，“量子力學……無法讓我們計算分離後每個物理系統的波函數。” （用技術術語來說，這兩個系統變得“糾纏”，這是薛定諤創造的術語。）因此量子數學無法描述現實的所有元素，因此是不完整的。
玻爾很快做出了回應，如報道科學通訊1935 年 8 月。 愛因斯坦、波多爾斯基和羅森假設，在測量某個系統（例如電子）的某些屬性（例如動量）之前，這些值具有確定的值。 玻爾解釋說，量子力學保留了粒子屬性的不同可能值，直到其中一個屬性被測量為止。 如果不指定一個實驗來測量它，你就不能假設「現實元素」的存在。
愛因斯坦並沒有鬆懈。 他承認不確定性原則對於自然界中可觀察到的事物來說是正確的，但堅持現實的某些看不見的方面仍然決定了物理事件的進程。 1950 年代初，物理學家 David Bohm 提出了這樣一種「隱變量」理論，它恢復了量子物理學的決定論，但沒有做出與標準量子力學數學不同的預測。 愛因斯坦對玻姆的努力並沒有留下深刻的印象。 「這種方式對我來說似乎太便宜了，」愛因斯坦寫信給畢生的朋友玻恩。
愛因斯坦於 1955 年去世，玻爾於 1962 年去世，雙方互不承認。 無論如何，這似乎是一個無法解決的爭議，因為無論哪種方式實驗都會給出相同的結果。 但在 1964 年，物理學家約翰·史都華·貝爾 (John Stewart Bell) 推導出了一個關於糾纏粒子的巧妙定理，使實驗能夠探索隱藏變數的可能性。 從 20 世紀 70 年代開始，一直延續到今天，實驗後實驗證實了標準的量子力學預測。 愛因斯坦的反對意見被自然法庭駁回。
儘管如此，許多物理學家對玻爾的觀點（通常稱為量子力學的哥本哈根解釋）表示不滿。 1957 年，物理學家休·埃弗雷特三世(Hugh Everett III) 提出了一個特別引人注目的挑戰。辨識了現實的一個分支。 所有其他實驗的可能性都存在於其他分支上，都同樣真實。 人類只感知到自己特定的分支，不知道其他分支，就像他們不知道地球的旋轉一樣。 這種「多世界解釋」最初被廣泛忽視，但幾十年後變得流行，今天有許多追隨者。
自從埃弗里特的工作以來，許多其他解釋已經提供了量子理論。 有些人強調波函數的“真實性”，波函數是用於預測不同可能性的幾率的數學表達式。 其他人則強調數學在描述實驗者可以獲得的現實知識方面的作用。
一些解釋試圖調和多種世界觀與人類只感知一種現實的事實。 1980 年代，H. Dieter Zeh 和 Wojciech Zurek 等物理學家認識到量子系統與其外部環境相互作用的重要性，這個過程稱為量子退相干。 當粒子遇到附近的物質和輻射時，其許多可能的現實中的一些會迅速蒸發。 很快，只有一種可能的現實與所有環境相互作用保持一致，這解釋了為什麼在人類的時間和規模尺度上，只能感知到一種這樣的現實。
這種見解催生了「一致的歷史」解釋，由羅伯特·格里菲斯（Robert Griffiths）首創，並由默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）和詹姆斯·哈特爾（James Hartle ）以更複雜的形式發展。 它在物理學家中廣為人知，但並沒有得到更廣泛的普及，也沒有阻止對其他解釋的追求。 科學家繼續努力解決量子數學對現實本質的意義。
它來自量子比特
1990 年代，隨著量子資訊理論的興起，對量子清晰度的追求有了新的轉變。 玻爾的弟子、物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒長期以來一直強調，特定的現實是透過不可逆的放大從量子可能性的迷霧中顯現出來的——比如電子在撞擊探測器後留下一個標記，從而確定其位置。 惠勒提出，現實作為一個整體可以從這樣的過程中建立起來，他將其與是或否問題進行比較——電子在這裡嗎？ 答案對應於資訊位，即電腦使用的 1 和 0。 惠勒創造了「it from bit」的口號來描述存在與資訊之間的連結。
進一步類比，惠勒以前的學生之一本傑明·舒馬赫 (Benjamin Schumacher) 提出了經典資訊的量子版本的概念。 他在1992年在達拉斯舉行的會議。
舒馬克的量子位元為建構能夠處理量子資訊的電腦提供了基礎。 物理學家保羅·貝尼奧夫、理查德·費曼和大衛·多伊奇先前曾以不同的方式設想過這種「量子電腦」。 1994 年，數學家彼得·肖爾（Peter Shor）展示了操縱量子位元的量子電腦如何破解最困難的密碼，並開始探索設計和建造具有這種能力和其他智慧運算能力的量子電腦。 到 21 世紀初，基本的量子電腦已經建成。 最新版本可以執行一些計算任務，但還不夠強大，不足以使當前的加密方法過時。 但對於某些類型的問題，量子計算可能很快就會超越標準計算機。
新的資訊單位
本傑明·舒馬赫 (Benjamin Schumacher) 於 1992 年推出了量子比特，為量子運算奠定了基礎。 量子位元可以同時存在為 0 和 1。
量子計算的實現並沒有解決有關量子解釋的爭論。 多伊奇相信量子電腦將支援多種世界觀。 但幾乎沒有其他人同意這一點。 數十年的量子實驗並沒有為新的解釋提供任何支持——所有結果都符合傳統量子力學的預期。 正如玻爾所堅持的那樣，量子系統會為某些屬性保留不同的值，直到對其進行測量。 但沒有人完全滿意，也許是因為 20 世紀基礎物理學的另一個支柱，愛因斯坦的引力理論（廣義相對論），並不適合量子理論的框架。
幾十年來，儘管有許多有希望的想法，但對量子重力理論的探索始終未能成功。 最近，一種新方法表明，時空的幾何形狀（愛因斯坦理論中的引力源）可能在某種程度上是由量子實體的糾纏建構而成。 如果是這樣，量子世界的神秘行為就無法用時空中的普通事件來理解，因為量子現實創造了時空，而不是佔據時空。 如果是這樣，人類觀察者就會目睹一種人造的、新興的現實，給人一種在時空發生的事件的印象，而真實的、難以接近的現實則不必遵守時空規則。
粗略地講，這種觀點與古希臘哲學家巴門尼德的觀點相呼應，巴門尼德教導說，所有的變化都是幻覺。 巴門尼德宣稱，我們的感官向我們展示了「觀看的方式」； 只有邏輯和理性才能揭示「真理之道」。 當然，巴門尼德並不是透過數學得出這項見解的（他說這是一位女神向他解釋的）。 但他是科學史上的關鍵人物，他倡導使用嚴格的演繹推理，並依賴它，即使它得出的結論違背了感官經驗。
然而，正如其他一些古希臘人意識到的那樣，感官世界確實提供了我們看不到的現實的線索。 「現像是看不見的景象，」阿那克薩戈拉說。 正如卡羅爾所說，用現代術語來說，「我們所經歷的世界」肯定與「世界的本來面目」有關。
“但這種關係很複雜，”他說，“弄清楚它是一項真正的工作。”
事實上，希臘革命在解釋自然方面經歷了兩千年的艱苦努力，才成熟為牛頓科學對現實的機械論理解。 三個世紀後，量子物理學在相當程度上徹底改變了科學對現實的理解。 然而，人們對這一切的意義缺乏共識，顯示科學或許還需要更深入地挖掘。
