量子熱學是一門令人倍感晦澀、違反直覺的理論，但這個理論并不是所想像的這么神秘與不可思議。假如你了解下邊的量子熱學基礎(chǔ)知識，你會感覺量子熱學更容易理解。
量子熱學
量子熱學是數(shù)學學的一個分支，亦稱為量子化學學或量子理論。
熱學是數(shù)學學的一部份，涉及從子彈到籃球、汽車、火箭和行星等聯(lián)通的東西。量子熱學描述物體在分子、原子和亞原子等水平上的運動，比如光子和電子。
量子熱學是一十分成功的科學理論，我們現(xiàn)代的科學技術(shù)和許多生活形式都依賴于量子熱學的應(yīng)用，但它卻也使人無法理解。
這個理論被證明很有效，而且它雖然讓我們?nèi)プ分鹌嫣氐臇|西：波是粒、粒是波；貓既是生、又是死；“遠距離的奇特作用”等。
假如你當初想曉得使量子熱學令人困擾的的理論背后的基礎(chǔ)知識是哪些，這么下邊是對量子熱學的幾個基礎(chǔ)問題的簡單淺顯的解釋。
量子的來歷
我們?nèi)缃駮缘茫形镔|(zhì)都是由原子組成的。每位原子依次由電子“環(huán)繞”一個由質(zhì)子和中子組成的原子核組成。原子是一個一個地離散的。它們是“有定域地點的”：即在“這里”或在“那里”。
然而在19世紀末，原子造成了很大的爭議，這促使美國化學學家普朗克研究了所謂的“黑體”輻射的性質(zhì)和行為。
普朗克得出的推論說，幅射被吸收和發(fā)射，就好象它是由一個個離散的量組成的，他將這個離散的量稱為量子。1905年，愛因斯坦將這一量子觀念進一步深入，他推斷量子是真實的——輻射本身來自離散的光粒子。明天，我們稱這種光粒子為光子。
光既像波又像粒子
這個問題的關(guān)鍵是一個稱為“雙縫實驗”所觀察的結(jié)果。
將光線穿過一個窄小的孔或狹縫，它將從孔或狹縫中擠過，在邊沿彎曲并飄動來，這稱為“衍射”。
將光線穿過并排切開的兩條縫，會得到一種稱為“干涉”的現(xiàn)象。由兩個狹縫衍射的波會形成稱為干涉白色的亮帶和暗帶的交替模式。這些行為除了限于光，如水波也很容易證明這些波的干擾。
然而，波本質(zhì)上是“沒有定域地點”的：它們在“這里”和在“那里”。愛因斯坦的假定并不是推翻所有關(guān)于光的非定域波狀特點的證據(jù)。他的建議是，完整的描述在某種程度上也須要考慮其定域性的、類似粒子的特點。
所以，光既像波，又像粒子。
1923年，奧地利化學學家德布羅意提出了一個大膽的建議。假如光波也可以是粒子，這么像電子這樣的粒子也可以是波嗎？他在電子的波狀性質(zhì)（波長）和粒狀性質(zhì)（動量）之間構(gòu)建起了直接的物理關(guān)系。
但這還不是一個完整的“波粒”物質(zhì)理論。這項挑戰(zhàn)落在了德國化學學家薛定諤頭上。1926年初他提出了一個波動方程式，通過其中的波函數(shù)估算電子等粒子的運動。
波函數(shù)
在精典熱學中所表示的函數(shù)概念的形式，是通過化學可觀察量，比如可觀察的能量和動量，來描述與擁有它們的對象的屬性的關(guān)系，不存在真正的問題。
例如在精典熱學中，假如想要估算以固定速率在空中飛行的物體的精典動量？很簡單，檢測物體的質(zhì)量及其速率并將其相加即可得到。
然而，假若想要曉得一個電子在真空中自由聯(lián)通的動量，該如何辦？在量子熱學中，是通過對電子的波函數(shù)執(zhí)行特定的物理運算來估算的。
這種操作是物理方法，這種物理方法怎么起作用的？簡單來說，可以將這些物理操作視為如打開一個袋子的“鑰匙”，因而使我們才能打開這個袋子、解鎖波函數(shù)，得到“可觀察的對象”。假如要得到電子的動量，則須要通過使用“動量鎖匙”打開箱以得到電子的動量。不同的可觀察對象值可以用不同的鎖匙。
粒子真的像波嗎？
假如電子的行為像波，這么，它們會被衍射嗎？假如我們將電子束并排穿過兩條縫，我們會在遠處的屏幕上見到干涉白色嗎？假如我們限制電子束的硬度，因而平均一次只有一個電子通過狹縫，該如何辦？之后如何？
首先我們看見的是令人驚訝的結(jié)果。每位穿過狹縫的電子在屏幕上都記錄為一個點原子物理知識點總結(jié)量子理論的建立，告訴我們“電子撞擊到這兒”。這與電子作為粒子的概念完全一致，由于看上去它們像一個一個地通過一個或另一條縫，并以看似隨機的方法撞擊屏幕。
然而，這個看似隨機的被撞擊的屏幕又具有一定模式：隨著越來越多的電子通過狹縫，我們開始見到各個點組合在一起、重疊和合并。最終，得到了一個由亮白色和暗白色這兩種白色組成的交替的干涉紋樣。
其實，我們可以得出推論，電子的波特點是一種固有的行為。每位單獨的電子都表現(xiàn)為一個波，由波函數(shù)描述，它同時穿過兩條縫并在撞擊屏幕之前對其自身形成干擾。
問題是，粒子可以同時在兩個地方嗎？怎樣精確地曉得下一個電子將出現(xiàn)在那里？
粒子可以同時在兩個地方嗎？
薛定諤曾想將波函數(shù)真正地解釋為“物質(zhì)波”的理論表示。而且為了使單個電子的干涉創(chuàng)立，必須尋求另一種解釋，這些解釋于1926年晚些時侯由美國理論化學學家玻恩提出。
玻恩覺得，在量子熱學中，波函數(shù)的平方是對在特定位置“找到”其相關(guān)電子的機率的測度。
電子波的波峰和波谷的交替轉(zhuǎn)化為了量子機率模式：在變?yōu)榱练凵奈恢茫业较乱粋€電子的可能性更高；而在變?yōu)榘蛋咨奈恢茫业较乱粋€電子的可能性較小。
在電子撞擊屏幕之前，很可能會發(fā)覺波函數(shù)的平方都小于零的電子：“在這兒”、“在哪里”、或“在任何地方”。許多具有這樣可能機率的狀態(tài)都同時在一起存在，稱為“量子疊加”。
這是否意味著單個電子同時可以坐落一個以上的位置？不是的。可以說，每次有可能在多個地方發(fā)覺它。假如我們想將波函數(shù)解釋為真實的數(shù)學事物，則可以覺得到它是非定域性的，這些非定域性有時亦稱為不確定性。
然而，假若通過這樣的“單個電子”將電子稱為粒子原子物理知識點總結(jié)量子理論的建立，則存在一種覺得，在這些情況下，直至波函數(shù)與屏幕互相作用，在這個作用點“塌縮”，電子僅在一個地方出現(xiàn)在了“這里”。
量子熱學中的機率
拋擲一個硬幣有50％的幾率落在“正面”或“反面”，只是我們不能預(yù)測它將具體落在哪一個面上，這是基于難以曉得所造成的精典機率的概念。
硬幣在空中旋轉(zhuǎn)時，依然會具有正面和背面的兩個側(cè)面，并且我們不曉得其運動的準確細節(jié)，所以未能確定最終那個面朝上。從理論上講，假如我們準確地曉得硬幣運動有關(guān)所有細節(jié)，還會預(yù)測它將落在哪一面。
機率在量子熱學中很重要，而且量子機率與精典機率不同。當投擲一枚量子硬幣時，可以對它的運動的許多細節(jié)都十分了解，而且我們不能假設(shè)在這個硬幣落定之前是“正面”或“反面”，須要觀察。
為此，擁有多少有關(guān)量子機率的信息并不重要，仍永遠沒法確定結(jié)果將是哪些，由于它不是像精典機率那樣如把握充足信息可能預(yù)先確定。
愛因斯坦完全不贊同量子力學這些看上去碰巧、不確定的元素與概念，他因此知名地聲稱：“上帝不玩色子”。
這場論爭到現(xiàn)在還在延續(xù)著。量子熱學所提出的基本問題如：波函數(shù)是哪些？應(yīng)當怎樣解釋？量子熱學告訴我們關(guān)于數(shù)學現(xiàn)實的本質(zhì)是哪些？歸根結(jié)底，哪些是真實？等。那些重要而基礎(chǔ)的問題還有待于進一步探求，科學家和哲學家們也在不斷地探求之中。假如有這么三天這種基礎(chǔ)問題得到了解決，量子熱學就不會再使人倍感晦澀與神秘。
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