摘要：每日清晨，当你打开手机天气APP查看当日温度并据此挑选合适衣物时，可曾感慨现代科技精准预测的能耐？这般仿佛能全然掌控自然规律的情形，与19世纪末物理学家的自信颇为相似。

每日清晨，当你打开手机天气APP查看当日温度并据此挑选合适衣物时，可曾感慨现代科技精准预测的能耐？这般仿佛能全然掌控自然规律的情形，与19世纪末物理学家的自信颇为相似。

彼时顶尖学者以为，宇宙的奥秘近乎全被揭开，余下的不过是开展提高测量精度的“修补工作”，然而就是这般自信，即刻便会被全然打破….

经典物理辉煌之时，恰似一座看似极为完美的大厦

“别去探究理论物理，这门学科大概都被探索得差不多，”1874年，普朗克的老师、慕尼黑教物理的菲利普·冯·约利这般跟他讲道，这体现出彼时科学界的普遍看法——物理学的大厦好似都快要搭建好了，就只剩做些扫尾的事儿了

1687年牛顿刊行的《自然哲学的数学原理》里构建的经典力学体系，不单阐释了苹果缘何落地，还精确预料了天体运转，1846年，科学家根据牛顿力学预言并发觉了海王星，把它称作“笔尖下发现的行星”，这一发觉让人们惊叹经典力学强大的预测本领。

电磁学领域同样颇为出色，1865年，麦克斯韦将电、磁、光统一为电磁现象，以一组简洁的方程组表明了电磁波的存在，物理学家们认为，若假定一种名为“以太”的神秘物质作为电磁波的载体，理论便无差错。

热力学三大定律看似极为完美，能量守恒定律使我们明晰宇宙中能量的总和恒定不变，熵增原理指明了时间箭头的指向，这些定律成为教科书中的重要内容，仿佛宇宙的运行机制已然尽在掌握。

19世纪末时，欧洲工业革命进入高潮，科学技术彰显出可改造世界的强大力量，此等成功，使科学家们普遍怀有乐观主义情绪，认为科学很快就能完成对自然界的最终解释。

乌云笼罩：存在两个经典理论无法解释的奇特现象

1900年4月，开尔文勋爵在庆贺物理学成果之际，诚实地指出存在两个难题：“动力学理论宣称热和光均为运动的形式，然而当下该理论的优美与清晰被两朵乌云所遮蔽，"

同迈克尔逊-莫雷实验相关的第一片阴云浮现了，1887年，阿尔伯特·迈克尔逊与爱德华·莫雷设计了一个精妙的实验，意图是测定地球穿过“以太”时的速度变动，他们采用干涉仪来测量不同方向的光速差别，可是令人惊奇的是，不管光线朝着何种方向，光速丝毫无异，该结果径直对经典物理学的根基形成了挑战。

试验细节如下，迈克尔逊和莫雷的试验装置极其精巧，能把光分成两束，让它们沿相互垂直的方向传播，随后再重新会合产生干涉条纹，要是以太存在，当地球在以太中运动时，两束光的速度理应不一样，那么干涉条纹也应当挪动，可是试验结果是：并没有挪动！

第二朵乌云关乎“黑体辐射”，物体受热时会辐射热量，且会随温度改变颜色，然而经典理论无法解释为何辐射能量的分布与实验结果存在差异。

依照经典理论，辐射强度会随频率增加不断增长，如此便会出现“紫外灾难”，即所有物体都会立刻辐射出无限能量，这显然与现实不符。

量子跃迁：普朗克做出了一个绝望的举动，进而有了革命性突破

面对黑体辐射的难题，1900年马克斯·普朗克做了个“绝望之举”，他历经六年苦苦探索，提出一个革命性观点：能量并非连续流动，而是以离散的包，即“量子”的形式进行交换。

普朗克发现，若要解释实验数据，就得假设能量是一分一份发射与吸收的，这个最小能量单元和辐射频率成正比，其中的比例常数便是著名的普朗克常数h其值约为（6.62607015×10⁻³⁴J·s”）。

此思路相当激进，普朗克自身最初也有些不确定，他过后回忆道：“我想马上把量子理论归入经典理论，可是我花费数年，费了不少力气，”普朗克原本期望量子概念最终能被经典理论所吸纳，可实际情况是，他这般做引发了一件麻烦事儿。

科学领域的背景情况是，普朗克的工作是在诸多前辈的基础上展开的，诸如基尔霍夫、斯特藩、玻尔兹曼和维恩等人都对热辐射进行过研究。然而他迈出了极为关键的一步，提出了能量量子的概念。

普朗克提出量子假说，开启了通往新领域的道路，可他自己在门口徘徊未入，而真正大步迈入这个新领域的是年轻的爱因斯坦。

相对论与量子力学：促使物理学发生变革的两股力量

1905年，爱因斯坦接受了普朗克的量子概念并予以进一步拓展，他提出光量子假说，用以解释光电效应：光照射到金属上时，只有达到一定频率的光才能够打出电子。

爱因斯坦发现，光子的能量E与光的频率ν成正比，其关系式为E=hν此发现解决了经典物理学无法解释的实验现象，使他获得了1921年的诺贝尔奖。

这时爱因斯坦也在思索另一个问题，即麦克斯韦电磁理论与经典力学之间的矛盾，麦克斯韦构建的电动力学说认为，光速在不同惯性系中是不变的，这与经典力学的伽利略变换存在冲突。

1905年，爱因斯坦提出狭义相对论，不再将绝对的时间与空间视为概念，彻底改变了人们对时间、空间及物质的认知，相对论向我们表明：时间和空间是相对的，光速是绝对的，质量与能量能够相互转换（Emc²）。

科学永不终结：从量子悖论到未来科技

量子力学发展后，出现了一系列反直觉的发现，尼尔斯·玻尔提出了互补性原理，沃纳·海森堡发现了不确定性原理，你无法同时精确知晓一个粒子的位置和动量。

这些概念与日常经验大不相同，连爱因斯坦都不太能接受，他曾说过一句名言：“上帝不掷骰子，”然而实验一次又一次证实量子力学的预测是正确的。

量子力学不仅理论上颇为神奇，更是现代科技的根基，倘若没有量子力学，当下的电子技术，诸如晶体管、集成电路、激光以及光纤通信等便统统不会存在。

当下量子计算与量子加密等前沿领域的研究正蓬勃开展，2023年，中国科学家成功实现51个超导量子比特的簇态制备，将所有量子系统中真纠缠比特数目的世界纪录予以刷新。

互动思考：挑战你的科学直觉

现在来做一个小测试：若让你设计实验验证量子力学的不确定性原理，你会怎样做？答案在文末寻找）

还有一个问题：你认为科学会有终结之时吗？抑或永远都会有新的奥秘待探索？（欢迎于评论区分享你的见解

科学发展史上曾多次出现“终结论”，1996年，《科学美国人》的记者约翰·霍根还出版了一本《科学的终结》的书籍声称伟大科学发现的时代再也不会回来了。

然而那些预言都未能精准预料科学发展的走向，自20世纪起，科学认识愈发深入，分化愈发细致，学科种类愈发繁多，专业化程度也愈发提高。

量子力学不仅能够解释原子和分子的行为，还可以让我们知晓恒星怎样发光、宇宙怎样演化，要是缺乏量子隧道效应，太阳便不会发光，那么地球上也就没有生命了。

当下科学家正探索量子生物学，探究量子效应在光合作用以及鸟类导航中发挥怎样的作用，也有人尝试将量子概念应用于经济学与社会科学领域。

科学不会停歇，它静候着下一回出现如同“两朵乌云”般的状况，静候着下一位普朗克或是爱因斯坦带来颠覆性的变革，正如诺贝尔奖得主弗兰克·维尔切克所言：“我们当下正处于物理学的黄金时代，"

单电子双缝干涉实验是常用来验证不确定性原理的实验，单个电子通过双缝时，好似同时通过两条缝，与自身产生干涉，此展现出粒子的波粒二象性以及位置动量的不确定性。

（声明:本文内容9O% 以上基于自己原创，少量素材借助AI辅助，但是所有内容都经过自己严格审核和复核。图片素材全部都是来源真实素材或者AI原创。文章旨在传播科学知识，请知悉。）

来源：深远见光