Question

什么是量子力学

Answer 1

事实上，相对论和牛顿力学都是认为客观世界是决定论的，只要我们知道某个时间下，整个宇宙的状态函数，然后知道了宇宙的动力学方程，那么我们就能准确预测出下一个时刻（很短的时间间隔）的宇宙是什么样的。这就是拉普拉斯决定论。但是这么朴素的想法，在量子力学却无法做到！量子力学的一个很重要假设就是，无论时间多么短，我们都无法准确知道在这样段时间后的宇宙究竟是什么样！这就是非决定论。

非决定论来自于量子力学的一个重要假设：一切物理状态皆由波函数给出，而且波函数服从玻恩诠释。玻恩诠释指的是波函数的复数模平方等于在单位体积内粒子能出现的概率。这个说法和数学里面的概率有一些相似。没错，物理学自量子力学建立那天起，就在也离不开概率，或者说再也无法避免概率的阴霾。这条假设的后半句，到现在都没有人真正理解其背后的物理机制！为什么波函数会服从玻恩诠释，是什么原因导致概率出现。这些问题其实一直无法被物理学家清晰而明确地解决。

量子力学另一个神奇的假设是关于叠加原理的，这个原理一般会引起很大的歧义：波函数可以分解为一系列相干波的线性叠加。这里面的歧义就是，虽然它和经典力学里面波的叠加原理很像，但是却不是一回事。经典力学的叠加原理是让两列波相加，但是加的结果和原本两列波没有一分钱关系！而量子力学却不是，在量子力学里面，波相加的结果是：新的波可以是原来两列波中的任何一个，也可以同时是两列波。这个很抽象，用宏观现象类比就是，经典力学认为一个杯子要么处于地上要么处于桌子上，二者只能居其一；但是量子力学认为，杯子既可以在地上又可以同时在桌子上，二者可以兼得！

说了这么多都是关于量子力学的假设，那量子力学到底是什么？量子力学其实是基于微观粒子的波粒二象性的一种物理理论，它的研究对象是微观粒子极其组成的客观实体。因此，无论是宏观还是微观，都属于量子力学的研究范畴！这里面有一个名词：波粒二象性。什么是“波粒二象性”？它指的是，对于粒子和波来说，都是既具有波动性，又具有可局域化的粒子性。对于粒子来说，我们可以指着空间一点说，这一点有一个粒子，其附近空间里没有粒子；而波则不行，波是空间里面一种集体行为，不能说一个点上有波，其他点就没有波。但是，真实的粒子却兼具着两个性质。这才是量子力学神奇之处！我曾经讨论过如何理解“波粒二象性”，波粒二象性是不能按照经典力学的粒子和波的理解方式来理解的，也就是说，我们要放弃经典力学的粒子观和波动观，建立属于量子力学的波和粒子。也就是说，量子力学里面的粒子和波都是既有集体行为，也有局域性的。

量子力学是一个十分成功的理论，二十世纪 科技 革命，和量子力学的关系远远大于和相对论的关系。从核武器的研制成功，到半导体技术，随处可以看到量子力学的身影。可以说量子力学是一个无所不能的理论。化学、生物也都在量子力学建立以后和物理学相互融合——也可以说物理学开始吞并化学和生物了。