瓜众也该了解的量子力学

刘萝卜锅

品质源于技术 服务源于态度

这是阿什卡微信公众号的第787篇原创文章

首发于2020年7月7日

▽

如今，人类制造的玩意儿，不管是手里拿的、家里摆的、单位用的，还是天上飞的、地上跑的、海里游的，只要带个电子元件，那就离不开量子力学。

所以，量子力学不是什么高冷到不食人间烟火的东西，而是像牛顿力学那样，是支撑人类文明的主要基石之一。

基石是干嘛的？是用来踩的。不踩着它，很多东西你就够不着。

你用电脑看小电影，可以离开美学生物学心理学，但离不开量子力学。

罗永浩直播带货，可以离开经济学成功学，但离不开量子力学。

你用导航找小吃街，可以离开地理学烹饪学，但离不开量子力学。

朱清时在网上传播“科学家千辛万苦爬到山顶时，佛学大师已经在此等候多时了”的理念，可以离开玄学文学甚至佛学，但唯独离不开量子力学……

所以，作为普通的瓜众，对量子力学感兴趣，那是再自然不过的事了。

但是，由于量子力学的应用，主要在微观领域，而微观领域又看不见摸不着，所以显得很神秘，让我们感觉很颠覆，莫测高深，于是被乘虚而入——

从量子鞋垫、量子医疗，到量子打底裤、量子波动速读……多少骗子借量子力学之名，让你上当受骗？

从量子思维、量子灵魂，到量子国学、量子佛学……多少似是而非的解读让量子力学神秘化、玄学化，引你入坑？

这就像有人指着你的水杯，告诉你“水比你聪明，因为水知道答案，只是你没看懂”一样，你隐隐约约感觉很扯，却又说不出哪里不对。

本文的野心不是传授量子力学（因为我也不会），而是厘清其中的常识，让咱俩面对欺骗和误读时，知道“哪里不对”，这对咱们瓜众来讲，就足够了。

所有量子坑，基本都是误解、曲解所挖，因为量子力学的一些现象反直觉，违背了我们的日常经验。比如：

不连续性、概率性、叠加态、观测影响结果、波粒二象性、量子纠缠、不确定性、量子隧穿、隐形传态……

每个现象都带来某种疑惑，发展出种种漫无边际的猜测，以及种种扯蛋的结论。

我们一个个聊，紧密相关的就放在一起聊（当然一次聊不完）。

刘萝卜锅

不连续性

1900年，普朗克搞定的黑体辐射公式，表示能量传递是一份一份的、不连续的，拿老普自己的话说就是“量份”的——离散的、量子化的。

这里，我们假装看看公式——不用看懂，因为我也不懂：

我们只要知道：公式里有个表示最小单元的h，它叫普朗克常数，就好了。

什么叫最小单元？

咱俩去菜市场买菜，只要花钱，最少也得1分钱，不能更少了。菜市场的1分钱，就是货币的最小单元。

所以我们在菜市场花钱，就是“量份”的。

这个公式是说，能量传递就像菜市场花钱，必须是一份一份的，一份的最小单元就是h。

h多大呢？h=6.62607015×10-34 可以说小到天际了，因此能量传递的分辨率是极高的，高到我们无法感知它的像素。

所以普朗克突然告诉我们，他看到了能量传递的像素，地球人都感到很惊奇，除了爱因斯坦。

爱因斯坦不但不惊奇，还蹬鼻子上脸，揪出了光量子嚷嚷：大家都来看呀，丝般顺滑的光，也是一份一份的！

然后玻尔得寸进尺，甩出了量子化的原子模型，敲锣打鼓地：瞧瞧嘿，电子轨道、以及它的角动量之类，都是量子化哒离散么么哒~

嗯，物质本身，以及物质行为，也是量子化的。

在量子江湖中，普朗克常数h无处不在。

于是，很多人以此为基础，一通推测：

世界是物质、能量构成的，而物质、能量是量子的，那么可以推测空间、乃至时间也是量子化的。

这当然是错的。

首先是概念混淆、逻辑错误。

世界包括物质、能量，当然也包括时空。物质、能量不能代表时空。

电子在时空中表演——轨道的空间分布不连续，轨道变换的空间不连续，变换时间为瞬时——这些，说的都是电子自身的行为，并不说明人家空间本身不连续，逻辑上更不能推出“时空不连续”的结果。

量子力学的核心方程——薛定谔波动方程的任何形式中，都离不开h，但波函数ψ描述的依然是“波的空间分布”，而不是时空本身。

我们再假装看个公式：

这个公式说的是：一个孤独的粒子，移动于位势V(r,t)时，它在三维空间的表演。

根据中学知识，那个r是空间位置，t是时间，这些是作为连续参数使用的。它们通过运算，和普朗克常数发生关系后，得到的量子化结果，是那个粒子在时空中的表演，而不是时空本身。

也就是说，量子力学方程不要求时空是不连续的。

刘萝卜锅

其次，“不连续”不是量子力学的根基。

虽然量子力学是从“不连续”开始发展的，但这不代表它的根基就是不连续。

打个不是很精确的比方：

我们从“不连续”之门进入量子力学大厦，大厦里到处都是门，没有门寸步难行，所以门是至关重要的，但我们不能因此就说门是大厦的地基。

与此同时，门再重要，也不可能要求大厦全是门。量子力学并不要求任何层面都是不连续的，比如时空。

第三，不连续性和经典物理并不矛盾。

比如元电荷e，就是电量的最基本单位。

最小的电量，就是一个电子、或者一个质子所带的电量：e=1.6×10-19C。

这很好理解，它就像一分钱。我们去买菜，最小金额是一分钱，这就是菜市场货币的最基本单位、最小单元。

咦，说着说着好像很耳熟？

这一分钱，就是任何金额的起点，花5毛钱，就是50分钱，花1块1毛2分，就是112分钱……总之不管你花多少钱，都是1分钱的整倍数。

不管物质带多少电量，一定是e的整数倍。

经典物理中，描述液体、气体表演，所用到的阿伏伽德罗常数之类，也包含了离散概念。

小结：能量传递、物质行为、物理量的不连续，与时空不连续没有必然关系，不能得出“一切都不连续”的结论。

刘萝卜锅

概率性

看过花式台球表演吧？

一名高手，可以重复这些高难度表演，反复实现预定的结果——也就是说，这个结果，是可以事先设计好的。

为啥我们坚信可以事先设计结果呢？因为这就是经典物理世界的基础——只要条件相同，物体之间相互作用的结果就一定相同。

简单讲，就是只要能确定因，我们就能确定果，这就是“因果律”。

因果律不仅是物理世界的根基，也是数学、哲学、神学——人类认识世界的根基，1+1是因，2是果，如果连这个都不确定，人类认知世界就崩了。

而量子力学告诉我们，微观世界一些的行为是概率的。

由于宏观世界是微观物质组成的，于是就有人推测，整个物质世界都是概率的，继而推出世界是反因果性的。

这里有两点误解：

第一，概率性与因果性不可调和

在宏观世界里，尤其是我们熟悉的社会里，概率性、统计性的规律比比皆是，比如股市下一秒是涨还是落，比如冠状病毒感染的趋势，比如闯一次红灯会不是死……没有谁可以像预测月球运转那样，给出一个精确的确定结果。但是，这些和因果律并没有不可调和的矛盾。

第二，概率性等于不可预测性

最直观的，电子管显示器，是用电子枪扫射到荧光粉层上显像。

我们知道，电子的行为，严格符合薛定谔波动方程，电子的发射、命中等环节，都受概率支配。但是，它能呈现确定的精确图像。为什么？

因为电子随着时间的演化状态是确定的，它在特定位置出现的概率是确定的，可测量、可证实的——我们看到的图像就是证据。

而电子显像管只是很粗糙的东西，在更精确的芯片上，电子行为可以更精确地预测、控制，否则芯片就是废物。

另外，微观物质的概率性，并不能导致宏观物体的概率性，更不能推翻宏观物质相互作用的因果性。

刘萝卜锅

实际上，波动方程体现的概率性，是对观测而言的。

还是拿电子说事儿，它在时空中的行为是确定的。

虽然，它就像波函数描述的那样，是一朵弥散的云，但不管是雾是雨还是风，它都严格遵守波动方程这个剧本，其表演是连续的、有规律的，而且这个规律是确定的。

和经典物理方程一样，只要条件参数一样，它的行为就一样——这不就是我们熟悉的因果律么。

啥时候出现概率呢？就是我们观测它的时候。它的某些物理量，比如位置、动量之类，只能通过概率来呈现。但有些物理量，它永远都不是概率的，比如电荷之类。

为什么位置之类的物理量非要通过概率来呈现呢？那就要搞清楚这里所指的“观测”是什么了。

我们一观测，就得到电子的一个确定位置——弥漫的波函数，收缩成了一个确定的点。按照哥本哈根解释，这就是波函数坍缩。

而电子出现在坍缩点这个位置的概率，严格符合方程给出的概率。

那么，我们回头再问一句：观测到这个确定位置之前，电子在什么位置？

它在波函数覆盖的所有位置。这种既在这里，又在那里的状态，叫做叠加态。

OK，聊到这儿，关键就来了：我们一测量，弥散的波函数就坍缩成一个确定的点。翻译一下：一测量，电子就从波坍缩成粒。

是不是感觉特奇怪？如果理解不准确，接下来会更奇怪：

①如果我们把“测量”理解成“有意识的观测”；

②如果把位置之类的物理量是否存在，理解成物质本身是否客观存在。

那么，就很容易把意识和物质的存在联系在一起了。

化学家、中科院朱清时院士就是这样理解的。

所以他在《客观世界可能不存在》中，顺着这个逻辑，得出结论：

——量子力学离不开意识，意识是量子力学的基础。

——测量的核心是人的意识

——从不确定到确定必须要有意识的参与。

——物质世界离不开意识，意识是物质世界的基础。

那么，他的结论站得住脚吗？我们检查一下他的推理过程，以及前提就知道了。

他的前提有两点：

①测量离不开意识的参与。

②物理量的确定状态=物质客观存在。

先看①，理由是：我们一观测，就得到电子的一个确定位置，表现为概率波就坍缩成一个点、叠加态“消失”了。因为这一切是我们人有意识地进行的，所以“测量离不开意识的参与”。不信你看，我们观测前，电子不就是叠加态么。

但事实并非如此。我们先看两个概念：

概念一：波粒二象性。

最简单直接的理解：物质既有波动性，也有粒子性。

我们知道，波之间，是可以发生干涉、产生干涉条纹的。

只要它还可以产生干涉条纹，我们就说它有“相干性”。

这就是概念二：相干性。

粒子的相干性有个特点：越多粒子们在一起发生关系，它的相干性就越退化、粒子性就越强化。

那么我们把相干性的退化，也就是波动性质的退化，叫“退相干”。

理解了这两个概念，就可以说回测量了。

测量，指的是物质相互作用。电子是波，那它在空间的分布当然不在某一个点上，而是既在这里又在那里，处于位置的叠加态。我们去测量，必须通过某种物质（比如光子）和它发生关系——相互作用。

我们用仪器（一个超大的粒子系统）发射、接收一粒光子，去和电子发生关系，电子肯定要退相干的——波动性减弱、粒子性增强。

而光子和电子这样发生关系，对我们来讲，就是发生在波函数覆盖的空间的某一个点上（作用点），而不会作用在波函数覆盖的所有点上。

于是，我们把这个作用点，看成电子当时的位置。这个作用点出现在空间某位置的可能性，符合波函数给出的概率。

就算我们人不去观察，某个系统射出光子和电子发生关系，也是发生在一个空间点上——也会退相干。

所以，这和意识没关系。

理解了这一点，我们就可以解决另一个疑问：观测之后，也就是发生作用之后，电子的位置就确定了吗，它就变成一个“实在”的粒子了吗？

对不起，它和光子发生关系后，得到一个新的位势V(r,t)，还是按照波动方程演化，也就是说，它依然处于叠加态——当然，前提是，它和任何系统没继续发生关系。

你再去观测，还是会得到一个新的作用点。

刘萝卜锅

再看②。物理量的确定状态=物质客观存在。这就更没道理了。

首先，物理量并不都是处于叠加态、不确定的状态，比如电子的电荷、质量，不管我们是否观测，这都是确定的，不是叠加的。

其次，动量、位置这些物理量的叠加态，也是电子波动性使然，并且和确定的电荷、质量不矛盾。

因此，即使电子处于叠加态，或者说我们不确定它的状态，也不代表它不客观存在。

理解了这一点，我们也可以解决另一个问题：我们不看月亮时，月亮存在吗？

答案是：当然在。

正如ESSCA软件和服务，你关注，它就会和你互动，并且动在点子上；你忙自己的，它也默默存在。清光何处无。

言归正传。朱院士的两个前提都不成立，以此为前提推出的结果，也就不靠谱了。

PS：欢迎讨论，不当之处欢迎指正

-未完待续-

相关文章

• 年头岁尾最重要的话题
• 这个故事不太冷：波动传奇
• 混沌与信息论：OPEC减产后会发生什么？
• 聊聊张首晟与量子自旋霍尔效应
• 霍金简史（这个生活在同一时代的伟人你也许并不了解）
• 暗物质
• 能量的三大终极问题：你是谁，从哪儿来，到哪儿去？
• 马云“我对钱没感觉”，撒贝宁“那要是1摩尔钱呢？”
• 能源极简史：从钻木取火到核聚变
  

  （关注微信号 每期早看到↘）

  
  
  
  
  
  
  --------------版权声明--------------
  
  
  阿什卡原创文章
  转发请注明出处
  
  
  --------------版权声明--------------
  
  
  
  
         石油  软件  服务  项目   ESSCA    咖啡  公益  文化  资讯