為什麼費曼、玻爾、潘建偉等物理學家都說自己不懂量子力學?

2020-11-29 刁博

費曼是上個世紀愛因斯坦之後最傑出的幾位物理學家之一,他在量子力學方面的貢獻就是開創了量子力學的路徑積分方法,這是和海森堡的矩陣力學以及薛丁格的波動力學等價的量子力學的第三種形式。

費曼能夠給出量子力學的一種新形式,按理說他應該非常懂量子力學,可是費曼用自己的一句名言道出了他對量子力學的認識——我確信沒有人能夠懂量子力學(Iamconvincedthatnoonecanunderstandquantummechanics)。其他物理學家也有過類似的表述,量子力學的旗手玻爾就曾經說過:「如果誰不對量子力學感到困惑,說明他不懂量子力學」。中國量子通信的領軍人物潘建偉在接受記者採訪談論墨子號衛星時也曾表示過自己不懂量子力學。

無人能懂量子力學,這幾乎是物理學界的一個共識。不過需要認識到,費曼、玻爾、潘建偉等物理學家說的不懂量子力學,並不是不知道氯化鈉是什麼那樣的不懂,也並不是指他們不會寫薛丁格方程、不會解薛丁格方程。而是因為他們能夠站在科學前沿的角度去審視量子力學,正可謂是知道的越多就越覺得自己不懂,還有很多東西需要知道。量子力學也是如此,儘管她能夠精確的描述微觀世界裡的運動,但還有很多問題依然困惑著物理學家。就連愛因斯坦和玻爾之間的跨世紀爭論——上帝到底是不是在擲骰子,儘管目前所有的貝爾實驗給出的結果一致認為愛因斯坦的局域隱變量理論不成立,反對方依然能夠找出貝爾實驗的各種漏洞,還有很多科學家在尋找方法彌補之前實驗的漏洞,去檢驗上帝是否在擲骰子。

微觀世界中有很多奇妙的現象有別於我們的日常生活,也許在宇宙誕生的時候就為量子力學設計好了今天的樣子。量子力學為什麼會是這個樣子?這個大問題是科學界要思考的大問題,無人能夠回答這個問題。

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    人們常說,只有用數學方程和符號才能理解這些概念。儘管如此,我們物理學家在教導和推廣這些概念時,仍然會描述它們的圖像。我們會使用圖表、繪畫、隱喻、投影儀和許多其他設備。這些都沒什麼,因為不僅是學生,甚至像我們這樣資深的量子物理學家也需要在頭腦中對正在擺弄的對象形成一幅圖像。有爭議的部分在於這些圖像的準確性,因為我們很難準確地表示一個量子對象。
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    他們說:「沒問題,這是個自由國家。」他坦率地告訴巴西人,他看到的令人震驚的事實:那麼多小學生在書店裡購買物理書,那麼多巴西小孩在學物理,比美國小孩更早起步,可是整個巴西卻找不出幾個物理學家——為什麼會這樣?那麼多孩子如此用功,卻都是無用功!(我們的教育是否也有類似的問題呢?)
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    就這樣,在費曼還很小的時候父親就教他認識數字和圖形,隨著費曼的成長父親還一直培養他細心觀察的習慣。有一天,費曼在玩馬車玩具,馬車的車鬥裡有一個小球,費曼注意到拉動馬車的時候小球往後走,而他把馬車停住的時候小球往前滾,這是為什麼呢?他把自己的困惑告訴了父親,父親並沒有直接回答這是慣性,而是讓他仔細觀察。