Question

谈谈量子力学

Answer 1

        历史上，在自然科学界, 一直在争论一个重要的课题：光是粒子还是波。一吵吵了几百年。

        在牛顿时代，虽然波动说更加符合人们的经典思维，但牛顿一个人就扭转了整个战局，结果粒子说占了上风。在牛顿光辉的科学成就的背后，是一份沉重的情感代价：年轻的牛顿，在英国乡下的苹果园，同时收到了上帝砸来的两个苹果：一个是科学史上最著名的“万有引力”苹果，还有一个是他和美丽的小表妹的两情相悦。牛顿选择了科学的苹果，错过了亚当和夏娃的苹果，最终一生未娶。

        一百多年后，麦克斯韦优雅的电磁方程式问世，原来，光是电磁波的一种特殊形式。在赫兹用实验证明了麦克斯韦方程式后，光的波动说立刻获得压倒性的胜利，一统江山。

        麦克斯韦，一个典型的英国绅士：保守刻板，孤僻寡言。但这样一个保守的绅士，一生中却做了两件很不保守的事情：一件是推翻了牛顿关于光学的经典理论；还有一件，是玩了一场感人的姐弟恋。新娘子34岁，在维多利亚女王时代是一个典型的老姑娘。据说，这位老姑娘不仅比新郎大七岁，而且不穿高跟鞋也要比新郎高半个头。

        麦克斯韦在情诗中这样抒发他的情感：“你和我将长相厮守，在生机盎然的春潮里，我的神灵已经，穿越如此广阔的寰宇？”显然，他已经分不清爱情世界和电磁世界的界限了。

        但其实，无论粒子说，还是波动说，两家背道而驰却彼此纠缠的学说（这情形，让人想起“量子纠缠”。从大自然到心灵世界，宇宙的对称性无所不在），手上都握有能够彻底颠覆对方的致命的实验数据。这真是一件伤透脑筋的事。

        历史走到了光怪陆离的二十世纪。伴随着世界大战的脚步，物理学界也发生了两件地动山摇的大事：相对论和量子力学相继诞生。

        今天，我们都知道，相对论是和一个光芒四射独孤求败的名字紧紧联系在一起的：爱因斯坦。

        而量子力学更像是一次集体创作。故事的版本是这样的：

        二十世纪初叶，就在人们认为物理学已经成了鸡肋，再也没有什么新发现可以挖掘的时候，一个叫普朗克的德国年轻人仅仅出于个人兴趣，选择了物理学作为他的毕生事业。虽然他的老师劝告他，理论物理学家现在能做的事，就是在小数点后再多加几个零。但幸运的是，他是一个贵族，不需要为生存而学习。

        这个幸运的年轻人，在一次偶然的数学公式的推算中，得到了一个奇妙的常数：“普朗克常数”。它意味着，光和能量不是一个光滑的如同波浪的流线运动，而是被分割成一份一份的。—— “量子”诞生了，天下从此大乱！

        随着“量子”的诞生，理论物理学界被划分为两大阵营：以丹麦人波尔和德国人海森堡为首的正规军，集中在丹麦首都哥本哈根的大本营，坚持“光是一种粒子”；以爱因斯坦和薛定谔，以及浪漫的法国王子德布罗意为首的游击队，则分散各地，各自为战，坚持“光是一种波”。

        奇妙的事发生了！

        几乎前后脚，海森堡发明了矩阵公式，而薛定谔发明了波动方程。两者分别从粒子说和波动说出发，却殊途同归，都能够从数学上完美地推算出所有的实验数据，就像一对孪生兄弟。

        自然科学史往往散发着浓厚的浪漫主义人文气息。根据历史记载，海森堡在一个美丽的海岛上闭关。在矩阵公式诞生的那个黎明之前，他终于“开悟”，兴奋的他爬上一块陡峭的岩石，迎接曙光的来临。而在世界的另一个角落，阿尔卑斯的雪山上，一生风流的薛定谔，因为和妻子吵架出走，带着一个神秘的老情人在小木屋里浪漫无限。薛定谔方程就是这段浪漫史的结晶。也许是受到了情爱的滋润，薛定谔的波动方程，远比海森堡的矩阵公式更加简洁优雅，讨人喜欢，乃至哥本哈根的同事们全都“背叛”了海森堡，纷纷采用薛定谔方程来推算他们的理论和实验数据。

        问题是矩阵公式和薛定谔方程，这两个“好基友”，在应用中就像一对孪生兄弟，在理论基础上却截然相反，背道而驰，似乎天生的一对死敌。——光到底是波，还是粒子？几百年的争论，走到了路的尽头，是时候让这两个孪生兄弟认祖归宗，携手相聚了。

        终于，一个幽灵，“波粒二象性”，横空出世。哥本哈根的教父玻尔和他的年轻教徒们，得到了一个惊人的结论：原来，光又是波又是粒子！

        这啥意思？简直是越听越糊涂了！这时候，作为量子力学的教父，波尔说话了：上帝在掷骰子。

        这句话，用量子力学的语言表达，就是：在没有人进行观测的时候，光是一种概率波；一旦被观测，它立刻坍缩为粒子。

        下面，我们试着换一个比较生活化的语言来解释：

        打个比方，在你没有结婚之前，你对未来的伴侣一定会有很多美好的憧憬。每一种憧憬都有实现的可能。你可以选择不同性格的人，作为你的恋人。你甚至可以把所有可能性的最美好的一面，都集中在一起，陶醉其中。总之，你拥有无限的可能性。

        但是，受限于你的长相，收入，谈吐，居住的城市等等，每一种可能性的概率是不一样的。比如，在我们多伦多，嫁给一位高富帅的可能性也许会比温哥华要小一点，而找个西方男朋友的概率要比中国国内大很多。你甚至有可能当一次灰姑娘，在古巴的某个海滩上遇到一个异想天开的沙特阿拉伯酋长的儿子，虽然这个可能性的概率很小，但谁也不能否认这种可能性确实存在啊。

        所有这些不同概率的可能性，汇聚成一个虚无缥缈的“概率波”，它弥漫在广阔的时空中，而不是集中于一个具体的点。这个人生未来的概率波，虽然不是真正的现实，却遵循着自己的发展轨迹。

        比如，在生活里，如果你不幸是一个丑小鸭，那成为灰姑娘的概率就非常非常小。但是，感恩韩国整容业的发达，你多了一次后天的选择机会：你可以选择去韩国整容，也可以选择保持原貌。如果你毅然选择了前者，让自己的脸蛋和钱包同时挨一刀，你的人生概率波，立刻会演化出新的可能性：你可能变成一道非常靓丽的风景，但你也可能彻底毁容，“变成”愤怒本尊金刚亥母。

        让我们乐观一点吧，假设你最近做了一次非常成功的整容。于是你心情大好，计划着独自一人到古巴的海滩上吹吹海风，顺便试试自己的手气。这时候，和最初的概率波相比，你遇见沙特王子的概率波立刻就会收获三个涨停板。

        然而，概率波毕竟只是一种可能性，并不是真正的现实。然后，作抉择的时刻终于来临。当你心甘情愿，或者心有不甘地，戴上钻戒的那一刻，你曾经拥有的美好的无限可能性全都坍塌了，化为一个非常真实的男人，站在你的面前。这个男人的长相性格收入可能还不错，但是和你曾经集中了无限可能性的美好想象中的那个“白马王子”形象，还是相去甚远。好在，荷尔蒙的麻醉作用还没有过去，你们还有一两年的时间可以慢慢磨合，然后一起慢慢变老。

        同样道理，在微观的量子世界中，在没有观测的时候，光就是一个有着无限运动轨迹的可能性的概率波。一旦被观测，它立刻随机选择其中一种可能性，坍缩为一个具体的粒子。

        在量子力学的微观世界里，光的概率波坍缩为某个特定粒子，这是一个随机性的选择，也就是说，这是一个有点碰运气味道的纯粹的偶然事件。此时此地，传统科学信奉的因果律失效了。这就是爱因斯坦非常不高兴的原因。他愤怒地对玻尔说，“老头子（指上帝）是不掷骰子的。”

        看似幸运的是，虽然你作为个体，最后选择的老公具有一定的偶然性。但是在多伦多这个城市，有无数像你一样的白领单身年轻女性。在每年的社会调查中，她们这个群体的婚姻统计数据，大体都是稳定的，有一定的必然性和因果规律。换句话说，无数偶然的个性选择，汇聚成一个有着必然性的宏观大数据。

        同样道理，虽然因果律在量子力学的微观世界里失去了管辖权，但是在宏观世界里，它依然有效。因此，我们可以继续坐地铁，不用担心突然爆炸，前提是安保措施非常严格；也可以继续喝昂贵的非转基因牛奶，不用担心会导致传说中的不育症甚至白血病。最重要的是，量子力学家们说，宏观世界的相对稳定，确保了“你坐在二楼的沙发上，不会因为地板的突然消失，而掉到一楼女主人的席梦思床上。”

        然而，事情的荒诞，远不止于此，量子理论对传统观念的颠覆性，远远超越了人们的想象力。玻尔曾经说过，如果你在公园里，和一个陌生人坐在一条长椅上，和他慢慢地慢慢地讲量子力学，他如果没有把你当成一个疯子而恐惧地一点点挪开自己的身体，那他一定是根本没有听懂量子力学。

        那么，量子力学最荒诞的地方究竟在哪里呢？根据量子力学，光其实只是一个特例而已。其实，所有的物质世界都在劫难逃。于是，真正的大麻烦登场了。

        让我们还是结合比喻，讲得尽量简单易懂些。

        物质世界是各种分子，原子组成的。分子和原子的多样性，造就了五彩缤纷的物质世界。对此，大家没有异议。继续往微观世界走，比原子更小的，是质子，电子，夸克等微粒子。再分下去，就是量子或能量场。

        我们曾经认为，世界的基本元素，那些秉性各异的微粒子，是实实在在的。这些实实在在的微粒子，组合成了我们实实在在的宏观世界。可是，我们突然意识到，在最微观的世界里，所有的物质的差别和多样性都消失了。取而代之的，是一片以类似光的形式（能量场）存在的能量的海洋。

        在这个光或能量的海洋里，因为观测的缘故，“随机出现了很多粒子”，而组合成了多姿多彩的宏观物质世界。其实，这些粒子，只是能量场或光的密集形式，从未改变过能量场的本质。

        关于能量如何聚集为宏观世界的理论可谓五花八门，但核心的内容，都可以归纳为一点：本质上，宏观的物质世界从来没有离开过光明或能量的海洋。并不是说，通过观测，能量转变成了粒子，将来粒子又通过衰变，逐渐变回能量。并不是这样。而是说，不管有没有观测，从来都是一片能量的海洋。有观测的时候，大自然会“聚集”为“粒子堆”，但本质就是能量的海洋。没有观测的时候，大自然就是一片如同虚空一般虚无缥缈的光明或能量的海洋。

        这样说，对很多人来说，还是有点“烧脑”。我们打个比方，事情的奥妙之处，就会非常清晰了：

        在一个亘古以来就一直存在却从来没有人闯入过的大沙漠里，到处都是沙子，一模一样的沙子。因为“风”，这些沙子堆积成了各种形状的小丘。有的像宫殿，有的像城堡。有的像老虎，狮子，有的像人。

        但是，沙漠自己不会有“老虎，狮子，人”的概念。沙漠没有任何概念。有的只是一模一样的沙子。沙子，沙子，除了沙子，还是沙子。没有老虎，没有狮子，没有人，只有沙子，这是一片沙子的海洋。

        这时候，沙漠里闯入一个旅行家或探险者。他被眼前的壮阔景象惊呆了，他忘了饥渴和生命的危险，只顾着欣赏落日余晖下的沙漠风情。他指着一座座沙丘说，这是老虎，这是狮子，这是男人，这是女人，这是老人，这是孩子。—— 于是，借助于他的眼睛和意识的想象力，多姿多彩的宏观世界诞生了。

        其实，大自然没有颜色，没有声音，没有形状。所有的颜色，声音，形状，都是观测者自己创造的，只存在于观测者自己的意识里。过去，科学家们虽然也承认，我们眼睛看到的世界，其实只是光线的压力，通过视网膜和复杂的神经系统，在我们大脑中产生的一个脑电波；但是科学家们依然相信，外面肯定还有一个实实在在的精彩世界，和这个脑电波丝丝入扣地对应着。但是，如今，不管我们如何喜欢齐秦的歌声“外面的世界很精彩”，量子力学已经明确地告诉我们，离开了我们的观测，外面的世界根本不存在。

        在著名的索尔维会议上，量子力学的大腕们几乎全部聚齐。玻尔和爱因斯坦代表两个阵营，进行了最后一次华山论剑。玻尔的哥本哈根量子力学大获全胜。在会议的间隙，爱因斯坦曾经和玻尔一起在月光下散步。爱因斯坦问，“亲爱的玻尔，按照你的理论，难道我们没有人看这个月亮的时候，它就不存在了吗？”玻尔说，“我不得不说，是的。至少，它的边缘会变得模糊，并逐渐消失。”

        如果说，量子力学中还隐藏着比这更加荒诞的结论，那就是：不仅眼前的世界，在无人观测时是一个虚无缥缈的概率波；而且人类的古代历史，因为离开了我们今天所有活着的人的视线，也成为一个虚无缥缈的概率波。从某种意义上说，是今天的我们，创造了古代的历史。——这正是那只著名的“薛定谔的猫”想要展示给人们的量子力学的“荒诞之处”。

        让我们回到光的“波粒二象性”。现在，我们来总结一下，它有两个重要的结论：

        1. 在没有被观测时，光的本质，其实只是一个虚幻的概率波，是很多不同可能性的概率分布而已。由此引申，离开了所有的观测，整个世界会变得虚无缥缈。

        2. 这个概率波“坍缩”为粒子的关键原因，是观测。换句话说，一个具有意识，能够感受和思考的观测者的介入，是“现实世界”最终获得定型的核心因素。

        大家对此是不是有些似曾相识呢？

        是的。在人类历史上，至少有三个富有影响力的学说，都提出过同样的结论，可谓异曲同工。这三个理论，分别代表了西方神学与哲学，古典佛学。

        一个是和牛顿同时代的英国主教贝克莱，也是西方唯心主义哲学的鼻祖。贝克莱认为，世界只存在于我们的感知中。离开了我们的感知和经验，根本找不到一个外面的物质世界。

        在贝克莱之后，西方哲学分成了两个大阵营：坚决反对贝克莱的人，叫做唯物主义；支持和修正贝克莱的人，叫做唯心主义。当然，还有一些试图投机取巧，弥合两个阵营之间裂缝的人，比如黑格尔的辩证唯心主义。

        有趣的是，十九世纪的唯物主义学者狄德罗，曾经非常气愤地说，“贝克莱的观点，是人类历史上最荒谬的观点，但是在逻辑上却根本无法推翻。这不能不说是人类理性的一个耻辱。”

        其实，天真可爱的狄德罗，不小心说出了一个事实：既然贝克莱的观点，逻辑上无法推翻，那恰恰说明，它的背后，一定隐含着某个更深刻的真相，只是我们的智慧还没有做好迎接这个真相的准备。这不是人类智慧的耻辱，而是人类智慧的一道曙光。

        原文出自于：www.sohu.com/a/247673326_505927