本文将继续我们的科学探索之旅。上一篇中我们讲到了爱因斯坦的相对论，它描述我们的宇宙在宏观尺度上的规律。当我们看下微观世界——原子、电子等粒子时，便能发现它们的行为是如此诡异和反常识。这时候二十世纪另一个伟大的物理学理论——量子力学登场了。
量子理论
量子思想
任何物体都具有不断辐射、吸收、反射电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body)，以此作为热辐射研究的标准物体。
普朗克在研究黑体辐射问题时发现，必须假设能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的，才能解释实验数据。这就以为着自牛顿以来我们一直认为的世界是连续的观点崩塌了。后来还发现电荷也有最小量——元电荷，一个电子所带的电荷，是最小的电荷量。能量和电荷都不是可以无限再分的，这个发现具有划时代的意义，也被视为是量子理论的开端。
波粒二象性与哥本哈根解释
我们高中物理就学过，光同时具有波和粒子的特征，称为波粒二象性。双缝干涉实验中体现了光的波特征，光电效应中体现了光的粒子特征。事实上，量子理论认为所有的粒子都具有波粒二象性，粒子都拥有波的特性——物质波。
以玻尔、海森堡等哥本哈根系的物理学家认为，在没有观察者的时候，物质弥散为波形态，处于各种可能性的混合叠加状态，当观察者观察它时，它才按概率“坍缩”为某一种状态。在哥本哈根解释中，观察者被糟糕的引入到了物理学中，这也意味着并没有什么客观的世界存在，观察者本身也在影响外在世界，当没有人观察月球时，月球弥散为波函数，有人观察时月球才坍缩成我们看到的样子，物理学被“拉入”了唯心论的深渊了吗？
哥本哈根解释面临的另一个问题时候如何定义观察者，人算观察者，那动物算吗？物理学家薛定谔虽然是量子理论奠基人之一，但是他一直反对哥本哈根解释，他提出了著名的“薛定谔的猫”来反驳哥本哈根解释。
必须要说明的是，量子力学是有着严谨数学表达的物理学定律，并且与实验数据严格相符，对人类日常生活有着巨大的指导意义，与宗教、神学中的唯心论有明显的区别。发展至今日，科学界对于量子理论的数学公式已经没有争议，有争议的是对量子理论的解释。哥本哈根解释只是其中一个，还有多世界、多历史等解释。在1999年一次剑桥的量子计算会议中做过一次调查，有4票支持哥本哈根解释，30票支持多世界多历史，50票无法抉择，可见科学界也争议巨大。
薛定谔的猫
上面也提到，“薛定谔的猫”这个思想实验是被提出来反驳哥本哈根解释的。哥本哈根解释认为微观粒子在被观察前的状态模糊不清，处于各种可能性的混合叠加。比如一个放射性原子，它何时衰变是完全概率性的。只要没有观察，它就处于衰变/不衰变的叠加状态中，只有确实地测量了，它才随机选择一种状态出现。
到目前为止，这种反常识的叠加状态还只存在于微观世界，人们还可以庆幸我们的宏观世界还是如经典理论般正常运行着。然而，薛定谔通过猫的实验把量子态的叠加效应引入到了宏观世界。把上文中那个原子放在一个不透明的箱子中让它保持这种叠加状态，薛定谔想象了一种结构精密的装置，每当原子衰变而放出一个中子，它就激发一连串连锁反应，最终打破箱子里一个毒气瓶，而同时箱子里还有一只可怜的猫。如果原子衰变，猫就会被毒死；原子没有衰变，猫就会好好的活着。因为原子在被观察前处于衰变/不衰变的叠加状态，由此推出猫也处于死/活的叠加态。
有人假设把猫换成人的话，人不停的观察自己，所以要么死要么活着，不会处于死/活的叠加状态。然而猫跟人相比为什么不能算是观察者呢，是因为没有“意识”吗？“意识”在科学上也还没有确切的定义。这个思想实验目前还没有能令所有人信服的解释。
不确定性原理
不确定性原理由海森堡最先提出，当我们对一个微观粒子进行测量的时候，位置测的越准粒子的速度就越不准确，反过来粒子速度测的越准则位置越不准，两个数据的误差服从一个不等式。换句话说，我们不可能在不干扰微观粒子现有状态的情况下对其进行测量。测量粒子位置时，必须用波长比可见光短的多的射线打在粒子上，然而射线的粒子会改变粒子的速度；测量粒子的速度，就是用别的已知速度的粒子去撞击它，但是撞击会影响粒子的位置。海森堡的导师玻尔指出了不确定性原理的本质，这其实是微观粒子的属性在波与粒子间的摇摆，测量速度时粒子表现波的特征多一些，测量位置时粒子表现为粒子的特征多一些。
不确定性原理的提出时颠覆性的，在这之前，科学家普遍是决定论的支持者，他们认为只要计算能力够强，并且能知道宇宙的现状以及其发展规律，就可以计算出之后任意时间点宇宙的状态。然而不确定性原理却告诉我们，我们连宇宙的现状都难以描述清楚，更遑论预知未来。宇宙中所有事件都服从概率随机发生，没有所谓的命运。
“量子纠缠”可以传输信息吗？
量子纠缠是粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象，虽然粒子在空间上可能分开。两个相互纠缠的粒子即使相隔很远，其行为也会互相影响，例如如果一个粒子的自旋状态是右旋，另一个与之纠缠的粒子必然是左旋。表面上看起来这似乎违反了相对论关于任何携带质量和信息的物体不能超过光速的论述，其实不然。量子纠缠并不能进行信息传递，原因还是因为量子叠加态。假设粒子A和粒子B纠缠，没有观察时，A处于左旋/右旋的叠加态，B也同理。当我们观察A时，A才以某种概率呈现出一种自旋状态，比如右旋，这时我们就能确定B是左旋。换句话说，我们不能通过操纵A的状态来影响B，A的状态还是概率随机的，因此并没有违反相对论。《三体》科幻小说中写道，三体人用来监视地球的“智子”就是通过量子纠缠来实现实时通讯，我们已经知道这其实是不符合理论的，但还是要佩服作者的脑洞。我们经常在新闻报道里听到的名词“量子通讯”主要是指用量子原理对信息进行加密，而非通过量子传递信息。
爱因斯坦信上帝吗？
爱因斯坦在科学生涯的中后期一直反对量子理论，并抛出了他那句著名的“上帝不掷骰子”来反对量子理论中的不确定性。爱因斯坦的“上帝”是指宇宙本身包括其科学规律，而不是宗教中的上帝，他本人并不信教，宗教对各种疑问给出的解答显然无法满足爱因斯坦之类的顶尖科学家。讽刺的是爱因斯坦唯一一次获得诺贝尔奖是因为他在光电效应上的成就，而不是因为相对论。当然如果爱因斯坦活到今天，他应该又获得数次诺贝尔奖了，相对论的语言被后人数次通过实验验证，最近的就是2016年底发现引力波，每次都够获取一次诺贝尔奖。然而诺贝尔奖只颁给活着的科学家，而且不会颁给提出未经实验验证的理论的科学家。
四种基本力
上面花了很大的篇幅介绍完了相对论和量子理论，二十世纪最伟大的两个物理学理论。令人遗憾的是，它俩之间却存在一些不可调和的矛盾，也就是说两个理论不可能同时正确，或者都不正确，以后必然会新的理论所取代，这种理论科学家称为“大统一理论”。宇宙中的各种力根据本质可分为四种：万有引力，电磁力，强相互作用和弱相互作用。在看《三体》小说时，三体人的武器“水滴”令人印象深刻，它是用强相互作用材料打造的。强相互作用是原子核中把中子和质子吸在一起的力，而普通材料的强度主要靠分子间的电磁力，因此“水滴”比地球上所有的东西都要坚固的多。
“大统一理论”试图用一种统一的方式描述这四种力，这是目前物理学最前沿的研究方向之一。根据霍金上世纪90年代的预言，近几年就会诞生这种理论，不过后来霍金好像又改主意了。
总结
上下两篇的科普之旅到此结束了，这些看似高深的科学理论其实离我们并不远，它们才是支撑我们现代社会的基石。本文中的物理概念都是作者读过书籍后按照自己的想法叙述出来的，可能有不准确的地方，请以权威资料为准。
