搞不懂量子力學?那看這篇就對了!

閱讀指引：

1、建議預留10分鐘不被打擾的時間，本文需要一些思考，閱讀起來可能並不輕鬆。

2、本文為「奶酪哲學觀」Philosophy專題中的P02篇，內容系統連貫，建議從第一篇文章開始閱讀。

3、第一時間獲取更新，歡迎關注「奔跑中的奶酪」。

導讀

量子力學，可以算得上近年來最熱門的科學概念。

不管是什麼內容都，都會嘗試和量子掛上勾，比如前段時間的「量子波動速讀」鬧劇，當年的「納米保健品」現在也似乎都改名叫「量子保健品」了。

在量子力學的科普內容上，也存在同樣的情況。理工向的科普內容，常常會有諸多公式和概念，大多數人都難以理解。

而文學向的科普內容，又會存在「戲說變胡說」的問題，比如他們喜歡談「薛丁格的貓」、「上帝不擲骰子」這些網紅概念，然而卻給讀者帶來了錯誤的理解。

本文將嘗試用你能聽懂的語言來談談量子力學，為你在理解量子力學避免踩坑上提供一份參考。

01

量子力學的誕生

19世紀的最後一天，歐洲著名的科學家歡聚一堂。

會上，英國著名物理學家開爾文發表了新年祝詞。他在回顧物理學所取得的偉大成就時說：「物理大廈已經落成，未來的物理學家只需要做些修修補補的工作就行了」。

但在展望 20 世紀的物理學前景時，他卻若有所思地講道：「物理學美麗而晴朗的天空被兩朵烏雲籠罩著」。

然而恰恰就是這兩朵烏雲，預言了近代科學的兩大發現：相對論和量子力學。

的確，17世紀由牛頓等人創立起的經典力學，經過兩個世紀的發展，已經相當完美，一切現象都可以從相應的理論中得到解答，人類似乎掌握了上帝造物的奧秘。

牛頓建立起來的絕對時空觀，是當時所有事物運行的總原則。

絕對空間就像是一個「容器」。它均勻、靜止、無限延伸，與時間無關，也與物體無關，那怕這個容器空無一物，它也是一樣存在。

絕對時間就像是一條「河流」。它與空間無關，不管河裡有沒有水，它都會逝者如斯，不舍晝夜。

同時也與佔據空間的物體無關，情人相會總是覺得時間過得太快，一旦分別又嫌過得太慢，其實時間是不管你的心情的，它永遠都是過得不快不慢，以同樣的速度流逝。

後來，愛因斯坦提出了相對論，修正了時間和空間的絕對性（具體參考上一期《宇宙觀》），時間和空間不再是絕對的，而是相對的，而且依賴於觀察者所在的參考系。

與此同時，絕對空間和絕對時間的另外一個性質——連續性，也被物理學家普朗克所創立的量子力學所否定。

經典物理學的大廈被徹底地動搖了。

什麼叫時空的連續性呢？

比如速度是距離除以時間（V=S/T），一輛車1小時走了80公裡，這叫時速。

那我們還可以繼續追問半小時走了多少？10分鐘走多少？10秒鐘走多少？1秒鐘走多少？0.1秒走多少？一直可以追問到足夠短的時間（趨於0但不等於0）走了多少距離。

但它的前提是，距離（空間）和時間都是可以無限分割的。

古希臘哲學家芝諾也有相同的觀點，他的「阿基裡斯追龜」悖論和「飛矢不動」悖論，就是認為時間和空間可以無限分割。

所以有了「阿基裡斯永遠追不上烏龜」，「射出去的箭是不動」的這樣的反直覺觀點。

1900年，普朗克在尋找燈泡顏色和溫度之間的關係時，進行了一項「黑體輻射」的實驗，一次偶然拼湊出來的公式，完美地契合了實驗結果。

然而對於這個完美的公式，普朗克卻給不出理論解釋，隨後普朗克發現：

只有假設能量在傳播的過程中，不是連續不斷的，不存在無限小的單位，而是必須被分成一段、一段的，能量傳播必須有一個最小單位，只有這樣，這個完美的公式能解釋得通。

可一旦這個假設成立，那就意味著時間、空間、能量都不是連續的，它們不能被無限分割。這是什麼意思呢？

這就好比溫度計要從28度上升到29度，必須要經過28.5度，如果不能被無限分割，就意味著溫度計中不存在28.5度這個刻度，1度就是溫度計的最小單位，溫度只能從28度跳躍到29度，再跳躍到30度。

普朗克常數表明「世界是不連續的，不能被無限分割，才是世界的本來面目」。

於是普朗克提出，能量的最小單位是能量子，後來更名為量子，這是人類歷史上首次提出量子概念，1900 年也被稱為「量子元年」。

02

量子力學的詭異之處

而在此之前，物理學家赫茲意外地發現了「光電效應」，就是金屬板被紫外線照射時會產生電流，也就是光生電，可惜赫茲沒能解釋其原因。

時間到了1905年，愛因斯坦發現光能否產生電，取決於光的頻率，而與光照的強度無關。

而要解釋這種現象，愛因斯坦認為:「我們必須忘記光是一種波的想法，而認為它是一股微小的粒子流」。

為了描述它，愛因斯坦用了普朗克之前用過的量子概念，把光粒子稱之為光量子，也叫光子，所以光即是波，又是粒子。

對於光是什麼，這一持續近300年的爭論，終於以一個神奇概念的產生而宣告終結——「波粒二象性」。

科學家開始獲得了新的思路，原來一種物質可以同時具有兩種截然不同性質，波粒二象性就像一把鑰匙，微觀世界的大門也被打開了。

1924年，法國物理學家德布羅意提出「物質波」假說，認為和光一樣，所有微觀粒子都具有波粒二象性。

後來也得到了證明，因為在「雙縫實驗」中得到的「幹涉條紋」正是波的特有性質。

（水的雙縫幹涉實驗）

文章寫到這裡，似乎一切都還是能夠理解的，沒有超出宏觀世界的物理規律，量子力學看上去也沒有多少神奇之處。

可接下來，詭異的事情就出現了！

當科學家嘗試在雙縫實驗的架設一個觀察設備，用來觀察粒子的運動軌跡時，奇怪的事情發生了。

"幹涉條紋"消失了，這些被觀測了行為的粒子沒有了波的特性。

詭異的是，這些粒子就像是知道你要監視它，你不觀察它，它就呈現出波的特性，可一旦你想要觀察時，它就會失去波的特性。

03

量子力學的新紀元

為了描述粒子的波動行為，奧地利物理學家薛丁格就提出了「薛丁格波動方程」，方程的解被稱為「波函數」。

它可以用來描述粒子的運動，就像牛頓當年提出第二定律用來描述宏觀物體的運動一樣，薛丁格方程的提出，標誌著量子力學開始步入新的紀元。

但薛丁格當時未能就波函數的物理意義給出解釋，他嘗試用波函數來代表電荷的密度，但遭到失敗。

1926年，德國物理學家玻恩提出「概率幅」的概念，用概率詮釋了波函數的物理意義。

認為粒子的位置和速度都是以一定概率存在的，粒子到達屏幕各處的概率就是出現「幹涉條紋」原因。

那如此說來，粒子的落點分布就成了一種概率分布，我們無法預測落點究竟在哪裡，我們能知道的僅僅只是概率。

就好像你有一位朋友在北京，在你沒見到他之前，他可能在北京的任意一個角落，只有你真正見到他後，才會知道他在北京的具體那裡。

又比如我們以為原子核的電子運動是有軌道的，然而事實上，軌道並不存在。

電子在原子核附近的空間光速運動，它看上去更像是一團雲霧，然而這看上去密密麻麻的雲霧，其中的電子其實只有極少的幾個，甚至是1個。

如果使用「概率」來描述粒子行為，就會導致和經典觀念上不一樣的結果。

在經典物理中，物體的位置和速度都是可以同時精確測量的，使用概率去描述粒子的話，它的位置和動量就都會是一種概率。

這樣一來，要準確測量出一個粒子的位置時，它的動量將變得及其不穩定，你無法得到這個粒子的準確動量。而當你專心測量它的動量的時候，它的位置卻又會變得變幻無常。

你測量其中一個量越準確，另一個量就越不準確，對此，德國物理學家海森堡提出了「測量幹擾」 的思想實驗，也就是人們常常說的「測不準原理」。

現在想像一下，

為了觀測電子的運動，我們就得用光去照射它，如果越是要求觀測得精確，那就得用波長越短的光去照射電子，但同時意味著光子的動量越大，在觀測時，光子就會與電子發生碰撞，電子會被撞飛，於是得到的動量偏差就越大。

而想要準確測量一個電子的速度時，需要光的波長越長越好，於是我們又沒辦法確定它的位置了。

這就好比用溫度計去測一盆熱水的溫度，把溫度計插進熱水中時，溫度計要吸收一點熱量，使得熱水中的總熱量少了一些，因而測得的實際溫度比溫度計插進去之前熱水的實際溫度低了一點。

但是因為溫度計本身所吸收的熱量相對於總熱量來講是很少的，可以忽略不計，從而可以把溫度計測得的溫度當作熱水的實際溫度。

而如果測量一支很小的玻璃試管裡的熱水溫度，溫度計本身所吸收的熱量可能佔總熱量的幾分之一，測量對被測系統的幹擾就不能忽略不計了。

正是因為微觀粒子所具有的波動性，粒子原本在任何一個時刻所具有的確定位置和動量，就會變得不確定起來。

不確定性是微觀粒子的內稟特性，它只是在測量中得以體現，而不是測量本身帶來的，所以「測不準原理」正確地說法叫「不確定性原理」。

丹麥物理學家波爾對此提出了「互補原理」。

認為微觀粒子的確有波粒二象性，但在同一個實驗中波動性和粒子性是互相排斥的，一個實驗可以展示出物質的粒子行為或波動行為，但不能同時展示出兩種行為。

雙縫幹涉實驗中，去觀測粒子了走哪一條縫，等於強調了粒子性，只有「粒子」 才具有確定位置，而波則彌散於整個空間。

根據互補性原理，波動性就會被排斥了，幹涉條紋也就消失了。

結尾

後來，以波恩的概率詮釋、海森堡的不確定性原理和波爾的互補原理為理論核心的物理學家，被稱為「哥本哈根學派」，他們對量子力學的理解被稱為「哥本哈根詮釋」，他們認為：

在量子力學裡，量子系統的量子態，可以用波函數來描述，波函數是一個數學函數，用來計算粒子在某個位置或處於某種運動狀態的概率，測量的動作造成了波函數坍縮。

哥本哈根學派將量子力學的研究，上升得了哲學高度，這對於當時物理界的絕對權威愛因斯坦來說，是斷然無法接受的，薛丁格也明確地反對「概率詮釋」的說法。

他們相信世界萬物，由是既定的因果關係決定的，世界怎麼可能處於一種隨機、概率的狀態呢？觀察者怎麼可能決定了客體的狀態呢？

於是，以波爾為首的哥本哈根學派，和以愛因斯坦為首的反對派，開始了長久的論戰。

說到這裡，有人可能會認為愛因斯坦反對量子力學，這是一個巨大的誤解。

後面關於他們的論戰如何，還有量子力學近年來的發展，中國在量子力學上的成就，我們將在下一期《量子力學的哲學詮釋》中再談。

看完文章：

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