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拥有量子分形艺术能力的维克托·马津（Mazin）凭借运用针对生成情况而特指的量子计算机搞出了分形图像，图片来源是@art。
量子力学勾勒出了一个违背直觉的现实，即观察这一行为会对被观察的对象产生影响，然而对于这种现象的本质阐释，科学界直至如今都尚未达成一致的看法。
不论是谁，都存在着自身所钟情喜爱的小技巧，哪怕他们并非切实真正地明白其中的原理，可是这些小技巧始终能够可靠地达成某些任务。在往昔的时候，有可能是在电视画面变得模糊之际拍打电视机的顶部；到了现在，我们已然习惯借助重启计算机来把问题予以解决。量子力学也是这样，该力学它属于现代物理学里最为成功并且是最为重要的理论。它的运作开展得极为出色，能够对从激光、化学一直到希格斯玻色子以及物质稳定性等各种各样的现象作出解释。然而物理学家们却不清楚里的缘由。或者至少，即使有些人认为自己知道原因，大多数人也不会同意。
量子理论有个独特的地方是，我们描述物理系统的方式，跟观察它们时看到的现象不一样。所以，量子力学的教科书规则，要引入特殊过程来描述“测量”或者“观察”，这和以前所有的物理学框架都不相同。而整个物理学这个领域，对此既没有达成共识性解释，也没有就其内涵形成统一认知。
在自然界里，量子行为的初步迹象，于1900年出现在物理学家马克斯·普朗克（Max）的研究里，之后又在1905年阿尔伯特 · 爱因斯坦（）的研究里显现。他们彰显出，光的某些特性，能够借助把它视作离散的、类似粒子的“能量包”来加以阐释，并非像经典电磁学所描绘的平滑波那般。然而，他们的想法，没能描绘出一个完整的理论。一直到1925年，德国物理学家维尔纳·海森堡（）才首次提出完备的量子力学形式体系。相同年份的较晚时候，马克斯·玻恩（Max Born），以及帕斯夸尔·约尔丹（），他们与海森堡一起合作，致力于完善理论，与此同时，埃尔温·薛定谔（Erwin Schrö）迅速地独立提出了该理论的另外一种表述。
所以，把2025年当作量子理论真正可称为百年纪念的年份，是具备合理性的。虽说如此这般的纪念活动能够适宜地展现出众多让人惊叹不已的实验成功，然而它依旧得预留出空间去认可那些尚未得到解答的基础问题。量子力学是一座相当美丽的城堡，要是能够确定它并非构建于沙土之上，那将会是一件令人内心感到欣慰的事情。
与过去的决裂：从经典力学到量子力学
自从，艾萨克·牛顿，Isaac ，于17世纪，提出经典力学之后，物理学理论，始终遵循着，一种清晰确定的，模式。你拥有一个正在被研究的系统：这个系统，有可能是，一颗围绕恒星运转的行星，也有可能是，一个电场，又或者是，一盒气体。在任意时刻，系统的状态，都是借助其“状态”予以描述的物理学家伊，而这个“状态”，涵盖了系统当下的装配设置，以及它的变化速率；对于一个毫无特征的单粒子来讲，这个“状态”，就等同于它的位置，以及速度，（或者等效地说，动量）。给定其当下的状态，接着，利用运动方程，of ，就能够告知我们，系统将会怎样发展变化。从万有引力到相对论的众多理论，都适用这一基本方法，相对论和量子理论一样，均为本世纪初期产物，然而量子力学出现后，这一模式忽然失效了。
经典范式走向失败，能够回溯到一个单独且带有挑衅意味的概念，那就是测量。自科学家出现以来，测量这个理念以及实践的重要性便获得了认可。然而，在前量子理论里，这个基础概念被视作理所当然的事情。任何物理理论所假设存在实数的量，都被默认在特定情形下拥有确定的数值，研究者只要借助测量的方式去加以证实就行。要是作为一名粗心大意的实验者，实验操作要么会产生明显的误差，要么在测量进程中对系统形成干扰，不过经典理论讲这些都属于技术方面存在的局限，并非物理规律的本质特性。通过付出更多的努力，你能够以尽可能精细、精确的方式去测量事物，至少是在物理学定律所容许的范围之内。
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研究量子纠缠现实的激光实验，进行的探索的这个概念，和我们对于物理学运作方式的那种直觉理解起步网校，是完全不相符合 ，图片来源是帕斯卡尔·戈特格鲁克（）/SPL。
有关量子力学的情况，讲述了一个完全不一样的故事，对于经典物理学而言，像电子这类的粒子，在任何给出特定时间表现出具有真实、客观存在的位置以及动量，然而就量子力学情形来看，在实施测量动作之前它们通常不以任何客观形式“存在”，位置这一概念和动量是属可以能够通过方式并能够观察见证的，只是它们并非首先存在成为认定事实，这是一种差别相当大的状态，这种情形最具生动表现的是海森堡于1927年所弄出来的不确定性原理，该原理明确提出一个观点：电子没办法处于某个能够让我们同时精准预知知晓其位置和动量的量子状态。
量子理论采用波函数（wave）描述系统状态，此概念由薛定谔于1926年引入，还伴有以他命名的方程，该方程描述系统随时间的变化情况。对于单电子，波函数是给每一个电子位置可能观察值的分配——也就是说，它或许主要局限于原子核附近，也可能在空间广泛分布。
难于处理的地方在于，波函数跟可观察量，像位置以及动量之间的关系，玻恩在薛定谔的原始论文发表后没多久给出答案，按照玻恩的解释，我们从来没办法精准预测量子测量的结果，相反，我们能够凭借计算波函数在那个位置的平方，来明确电子位置任一特定结果的概率，这一办法完全推翻了自牛顿时代起就始终占据主导地位的确定性、机械宇宙的理想。
量子纠缠：尚未逾越的鸿沟
回过头去看，让人印象颇为深刻的是，有一些物理学家能够这般迅速地接纳这一转变，当然，并非所有人都是这样。像爱因斯坦和薛定谔等那样杰出的人物，对新的量子共识并不感到满意。这并非是由于他们不理解它，而是他们觉得新规则理应是一个更具全面性理论的铺垫之石。
不确定性现象的出现，常被视作他们反对量子理论的主要缘由，用爱因斯坦那句令人铭记的话语说道，“上帝不会掷骰子”。然而真实的担忧更深一层。爱因斯坦特别在意局域性，亦指世界由处于时空特定位置的事物构成，直接与邻近事物相互作用。他亦关注实在论，也就是物理学里的概念映射至世界真正存在的特征，而非仅是计算上的便利。
1935年，有一篇著名的EPR论文，爱因斯坦最尖锐的批评出现在其中，EPR是按他和他的合著者鲍里斯·波多尔斯基以及内森·罗森的名字命名的，这篇论文标题是“量子力学对物理实在的描述是否完备？”，作者们凭借他们所着重突出的一个关键量子现象，也就是后来被称作纠缠的现象，针对这个问题给出了否定的答复。
倘若我们存在一个单粒子，那么波函数就会针对它有可能具备的每一个位置去分派一个数字。依据波恩规则，能够观察到该位置的概率便是那个数字的平方。然而双粒子系统并非是由两个彼此独立的波函数来进行描述的，量子力学规定要为两粒子全部可能的联合构型赋予单一数值。随着我们考量越来越大的系统，它们持续由一个单一的波函数来描绘，直至整个宇宙的波函数。
于是，察觉到一个粒子于某处存在的概率或许依赖于我们察觉到另一个粒子所处的位置，并且不管它们相隔的 有多么遥远，此种情形都是成立的。EPR 剖析显示，就算把两个纠缠粒子分别放置于地球乃至数光年之外的行星之上，我们针对远处粒子的测量预估也许会在“瞬间”遭受我们针对附近粒子测量的产生的影响。
对“立即”加上引号是在给我们予以提醒，依据狭义相对论，哪怕是“同时”这个概念，对于处于空间中相距甚远的点而言，也不存在明晰的定义，这一点爱因斯坦比其他任何人都更加清楚。纠缠好像违背了狭义相对论的准则，这暗示着信息传播的速度超越了光速物理学家伊，要是不然，远处的粒子怎么会“知道”我们刚刚开展了测量？
在纠缠的情境下，我们是没办法借助其来开展远距离通信的。当在此处对我们的量子粒子予以测量时，我们当下就知晓了部分关于远处将会被观察到的信息，然而，任何实实在在处于远处的人是无法获取我们所掌握的知识的，所以通信并未发生。不过，至少在量子理论所描述世界的方式跟我们所认为的爱因斯坦相对论里时空的运作方式之间，是存在着某种张力的。
重拾现实：从认识论到本体论的一些探索
针对于解决这一张力的尝试，那是层出不穷的，然而却还没有达成明确的共识。实际上，围绕着我们凭借所能想到的最为核心的问题，依旧存在重大分歧，具体为：量子波函数究竟应不应该代表现实呢？又或者它仅仅只是我们用以计算实验结果概率的工具罢了？这个问题从根源上分裂了爱因斯坦以及丹麦物理学家玻尔（Niels Bohr），他们在历经几十年来关于量子力学意义的那场著名辩论中针锋相对。爱因斯坦和薛定谔相同，是一位彻底的实在论者，他期望他所提出的理论能够描述某些我们大概会认定为是物理现实的事物。玻尔，以及海森堡，他们愿意放弃掉任何有关“真正发生了什么”的讨论，然后转而去专注致力于对测量的时候所会发生的事情进行预测。
有这样一种观点，它催生了量子理论的认识论诠释，后一种观点催生了量子理论的认识论诠释。玻尔和海森堡的观点被称作哥本哈根诠释，它与现如今物理学家在教科书中所教授的内容极为接近。现代版本涵盖了量子贝叶斯主义，也就是QBism，以及关系量子力学。这两种解释都着重强调，量子状态不应当被视作独立地存在，而应该仅仅是相对于观察者、测量过程以及该过程中知识状态的变化来加以考虑。
认识论方法存在一个优点，那就是关于超光速影响的那种担忧不见了。当观察者实施测量行为的时候，他们对自身的知识进行了更新，不存在任何物理层面的东西从一个纠缠粒子传至另一个粒子。然而其缺点是这些方法对现实到底是什么的这一问题完全绕开了，而这对于物理学而言是（或者应当是）很关键的。鉴于波函数在某些情形下的确展现得如同一种物理实体，所以这一点就显得格外成问题了。就像双缝实验所表明的那样，波函数能够自我干涉。当一个波函数穿过两个窄缝后，在其另一侧进行重新组合之际，会依据波的振荡状况，产生相长或者相消干涉现象。这听起来的确仿若一种真实存在的物理实体所展现出的行为。
从左边开始到右边依次是，获得诺奖的尼尔斯·玻尔也就是Niels Bohr，还有詹姆斯·弗兰克即James ，以及阿尔伯特·爱因斯坦也就是 ，另外还有伊西多·拉比即 Rabi的合影，图片的来源是 /Alamy。
还有一种方法是本体论方法，它接受量子状态代表了现实（至少是部分现实）。然而问题是，我们从没“看到”过波函数自身；我们仅仅依托它去针对我们所看见的事物作出预测。我们能够把波函数视作诸多可能测量结果的叠加。可是一旦我们实施了你个是是测量并记录下了一个结果，就很难不去认定这个结果是真实的，而非先前那种虚幻的叠加可能性。
存在诸多有关量子力学的本体论模型，这些模型尝试去协调波函数的核心地位，以及它和观察之间那颇费周折的关系，此处的关系是棘手的。
a. 按照戴维·玻姆也就是David Bohm在20世纪50年代初时候全面发展起来时的导波或者隐变量模型来看，波函数实在是真实的，然而，还有额外的自由度，这额外的自由度代表着粒子的实际位置，并且，后者才是被观察到的那个。
b. 稍后，由休·埃弗雷特（Hugh）提出的多世界诠释里，观察者和他们所测量的系统搅缠在一起，每一个被允许的结果于波函数的不同分支里达成，这些分支被阐释为平行世界。
c. 在诸多形式各异的客观坍缩模型里，波函数时而会自行作出调整，此调整有违传统的薛定谔方程，其目的在于能看似如同我们所观察到的那样呈现出半经典现实的状态。
虽说这些方法常常被视作量子力学的竞争性解释，可这是一种误解，只因它们是不同的物理理论。客观坍缩模型有着各类明确的实验后果，其中最引人注目的就是，当波函数客观坍缩的时候，违反了能量守恒原则，而这有可能在超冷原子系统中被观察到。测试正在开展，然而尚未发现这些效应的证据。就我们所了解的情况而言，没有任何实验能够区分导波方法与埃弗雷特方法。（每种方法的支持者往往觉得另一种方法根本就是定义不清晰的）
于是，物理学家们在测量到底是什么这个问题上，还没有达成共识，对于波函数是不是代表物理现实，也没有一致看法，对于是否存在除波函数以外的物理变量，同样没有定论，或者关于波函数是不是始终遵循薛定谔方程等问题，也未形成统一意见。即便这样，现代量子力学已然给我们带来了一些科学里极为精确的预测，理论和实验的吻合程度能够达到小数点后好多位。
现代粒子物理学的基础是相对论量子场论，它必须被视作量子力学最为伟大的成功之一，该理论以充斥全空间的量子场作为出发点，且它兼容性囊括粒子产生湮灭情况与相对论对称性，量子理论之规则意味着，那些场里边的微小振动天然给人一种像是各个单个粒子的集合的观感，这些振动之间的迭代作用生成了从夸克禁闭到希格斯玻色子存在等诸多被实验精准证实的现象。源于弥漫在所有空间的希格斯场（higgs field）中的振动的这种粒子，赋予其他粒子质量，还解释了为何弱核力的作用范围这般短。依据宇宙膨胀理论，恒星和星系的起源甚至能够追溯到早期宇宙密度的微小量子变化。
未竟之地：量子场论与时空弯曲
尽管已然获取了所有这般的成功，量子场论却也存在着自身的谜题。众人皆知，针对于两个粒子散射概率的量子修正的简易计算，通常会致使呈现出无限大的答案，而这可不是人们期望概率所具备的特性。现代物理学借助运用“有效场论”去处置这一难题，这些理论尝试仅仅描绘在（相对而言）低能量以及动量情形下的过程，并且在此当中已全然不存在那些令人困扰的无限性啊。
对于这一框架而言，它依旧给我们遗留下了“自然性”方面的问题，在有效场论的方法当中，我们于低能量的状况下所观察到的参数，其代表的是在极高能量之时不可观察的过程所产生的综合效应，这样的一种理解，使得我们能够去预测像是希格斯质量或者是真空能量密度等参数的自然值，然而，这些参数的观测值却远远低于预期，这一问题截至目前仍然在等待着令人信服的解决方案。
接着，存在着最为关键的难题：搭建一个基础的量子引力理论以及弯曲时空所面临的艰难情况。该领域内的绝大多数研究从业者觉得，量子力学自身无需任何校正；我们仅仅要搞明白怎样以一种协调的方式把弯曲时空融入到相关事宜当中。然而我们看起来距离这个目标依旧十分遥远。
在这同一时间，量子理论的众多表现形式，持续在越来越多相对贴近实际的技术里，寻得应用。量子化学正为先进药物、奇特材料以及能量储存的设计，开拓新的路径。量子计量学和传感技术，正达成对物理量的前所未有的精准测量，甚至涵盖检测由距离十亿光年之外的黑洞所产生的引力波引发的微小摆动。当然，量子计算机有望以经典原理所无法达成的速度，执行某些计算。
在量子力学基础解释没能达成共识的情形下，这些全都发生了，历史经验显示，技术进步常常会促使基础理论得到改进，我们持续创造新的办法去拍打称作现实的电视机，依旧满怀期待地觉得模糊的画面最终能变得清晰。