【量子物理】為什麼總說量子力學很奇怪?

2021-03-01 環球物理

如果宇宙真的是受到量子定律的支配，那為何我們還會覺得這些定律是奇怪的呢？

答案或許就在於我們對「奇怪」的定義：量子力學似乎看起來很奇怪，是因為它與我們的日常直覺背道而馳。我們發現的用來描述量子系統的行為的定律（比如薛丁格方程等），並不像我們用來描述日常物體的物理法則（比如牛頓的運動定律等）。在我們生活中的絕大多數情況，都只與遵循牛頓定律的事物相互作用，這便定義了我們對事物「應該」如何行為的直覺。當量子物理學表現出「離經叛道」時，它在我們眼裡就變得奇怪了。

但為什麼定義了我們直覺的日常物理法則與量子法則之間存在這樣的區別呢？哥本哈根詮釋的思路似乎基本上想表達的是「現實就是如此」，試圖在量子法則適用的微觀尺度與經典法則適用的宏觀尺度之間強加一個絕對的分離，但這一立場顯然是站不住腳的。薛丁格著名的思想實驗——薛丁格的貓，就精準地表達了：宏觀世界的貓的狀態，與微觀世界的原子的狀態，以一種超出哥本哈根詮釋的設定界限的方式糾纏在了一起。

○ 諾貝爾物理學獎得主 Philip Anderson 於1972年在《科學》期刊發表的《多而不同》（More is different）一文。| 圖片來源：Science

換句話說，就是適用於宏觀物體的法則和適用於微觀物體的法則之間並不存在真正的區別——宇宙在每個尺度上都是量子的。我們看到的「經典法則」只是將量子物理應用於宏觀事物時的結果。從某種意義上說，這只是物理學家 Philip Anderson 提出的「多而不同（More is different）」的觀點的另一應用。正如 Anderson 所指出的那樣，當我們研究大量物體的集體行為時，通常會發現個體間的相互作用可用一些簡單的法則描述，而大的集體行為則能用另一組簡單的法則來描述，並且這一法則未必與原始的個體相互作用的法則有關。這種從低級法則湧現出高級法則的想法造成了科學中的等級結構（hierarchical structure of sciences）——化學是有著很多原子的物理學，而生物是有大量分子的化學等等。

○ 科學中的等級結構。| 圖片來源：Max Tegmark

從某種意義上說，這就是事實：當將量子力學應用到一個由足夠多的粒子組成的可見物體時，粒子以及它們之間的相互作用都受到量子法則的支配；但是集體效應為我們提供了一副有著不同面貌的「經典」法則。日常生活中的現實就是當所有這些量子屬性模糊在一起時發生的事。

在有些情況下，這種轉變相對比較容易看到。如果我們對一個單一量子粒子的行為進行觀測，會發現我們無法隨時對它明確的位置和動量進行經典地軌跡追蹤。這就是導致一些標誌性量子現象出現的原因，例如物質粒子像波一樣幹涉。

儘管如此，大量關於位置和動量測量的平均結果能完全反應牛頓定律的期望。從某種意義上說，當我們追蹤一個經典物體的軌跡時，例如一個正在飛行的高爾夫球，我們看到的正是構成那顆球的大量原子的平均位置。

還有一些標誌性量子行為的消失就比較難理解了，例如能量的離散性。如果觀測原子中一個電子的行為，會發現它非常的不經典：它的能量只能在不同軌道之間的躍遷才能改變。但如果觀察導體中的宏觀電子行為時，就不會看到這種離散性：當對導體施加電壓而產生電流時，電子移動的方式看起來就非常經典——它們的平均速度似乎在平穩增加，沒有出現任何不連續的躍遷。

那麼，躍遷去哪兒了？其實它們哪都沒去——導體中的單個電子仍在不同的能級間躍遷。只是隨著粒子的增加，能級的數量也變得越大，能級間的能量差就變得越小，直到它們開始一起運作時，原子中清晰的能級就變成了固體中的能帶。它們並非真正的連續能帶，但是在宏觀尺度下，它們徹底地模糊在了一起，真如一體一般。

當然，僅因量子定律融入進經典定律並不意味著量子法則就完全消失了。如果仔細觀察，我們仍可以找到一些暗示基礎量子特性的微小行為。導體中的電子會以非常經典的方式移動，但絕緣體不會——這代表的是帶隙的存在，這轉而成為了電子波動性的證據。我們也可以設定讓大量的量子物體相互獨立作用，因此量子性不會被抹滅的情況，就能得到受激原子明亮的光譜線（預示著離散的能態）以及光電效應（光的粒子性質）等現象。這也正是我們最早知曉量子物理的原因——追蹤物體從日常行為走向奇異的量子世界的線索。

再次說明，這並不是在說量子詮釋不能解決有趣的問題，也不是說量子物理並不奇怪。然而，鑑於大量的證據表明我們的宇宙受量子物理學支配，所以退一步思考——「作為量子世界中的我們，為何會對量子物理學感到驚訝」，是一件很有意思的事。

文：Chad Orzel

譯：二宗主

原文連結：

原文首發於 https://www.forbes.com/sites/chadorzel/2018/03/21/why-do-we-think-quantum-mechanics-is-weird/#693168694b66，略有增刪。中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。

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