观测的妖孽（瓜众也该了解的量子力学2）

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789篇原创文章

首发于2020年7月14日

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怎么看这个世界，决定了你的世界观。

而世界观，决定了你的人生观、价值观。

“怎么看”，就是观测方法。由观测到观念，我们都是观测者。

空山鸟语是动听的，深谷幽兰是清香的，蜂蜜是甜的，水是柔滑的，86、66、90是迷人的……这是咱俩通过感知得到的结论。

感知，就是观测，一点也不神秘。

但观测的两个关键点却不是人人皆知：比较、定量。

认知世界，绕不开观测。就算纯粹假想、推测出来的东西，最终也要靠观测去证实，否则就是胡思乱想、胡编乱造。

但人类构造太简陋，只有视、听、嗅、味、触五种感官，而且带宽都很窄，观测能力严重受限。比如：

视觉：只能看到波长大约在390~770纳米之间的光，这么窄的范围，我们称之为“可见光”，其余波长的广阔天地，人眼都无法感知。

比起可见光，两边很宽、很宽，接近无穷

但响尾蛇能看到红外线，蜜蜂则可以看到紫外线。这意味着，我们看不见的东西，它们可能看得见。就算大家都能看见，感知的颜色也不一样。

听觉：人耳能感知的声波频率在20到20000赫兹之间，其余频率的广阔天地我们也无法感知。

但是大象能听到次声波，蝙蝠和蛾子则能听到超声波。

嗅觉：老鼠、狗等动物的嗅觉比人灵敏成千上万倍，它们能嗅出其他动物留下的气味痕迹，就像我们凭眼睛感知脚印和指纹一样清晰自然。雄王蝶GG能循着气味找到11公里之外的雌王蝶MM，如果人类也靠气味找MM，恐怕早绝种了。

可见，就算同一类感官，带宽不一样、敏感区不一样、灵敏度不一样，那么观察到的世界也就不一样。

更何况，有些存在，我们没有适用的感官，比如电磁场。许多昆虫、鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类动物都能感觉地球的磁场，用它来导航，比如鸽子。所以在电磁场中穿行是个什么感觉，我们永远不知道。

所以说，我们认知的世界，只是人类能感知到的样子。

为了能看到更多，更“本质”，我们搞了很多仪器，比如射电望远镜、引力波探测系统，“看到”了遥远的星系、人体内部，计算出了暗物质分布，探测到了引力波，拍到了黑洞。

观测手段拓宽的每一小步，都是视野拓宽的一大步。

所以咱俩看世界，不能坐井观天而安于井，更不能作茧自缚而骄于茧，而需要多视角、多手段，尽量多看。

每次视野拓宽，我们的世界都会有所不同。如果咱俩的三观从中学开始就一直不变，那咱俩一定不是在井里，就是在茧里，或者把茧作在了井里。


但这些仪器，依然只是我们感官的延伸，它们探测到的东西，必须转换为数据、声音、图像来呈现，才能被我们感知，借以加深认知、接近真相。

有的童鞋忍不住要问：难道我们眼睁睁看到的，不是事物的本质吗？比如形状、颜色？

很遗憾，我们眼睁睁看到的，并不那么“本质”。比如碳，它的颜色是什么？它和氧气合体，成为二氧化碳轻舞飞扬时，它是无色透明的，结合成石墨，那它就是黑的，而不小心压成了金刚石……

那么形状呢？形状就是事物占据空间的形式。我们知道太阳是个圆球，同时也知道是球就有边界——太阳的边界在哪里？太阳表面是气体，越往外越稀薄，没有明显边界，并且源源不断往外喷射超声速等离子体带电粒子流，也就是太阳风，也是近稠远稀，渐变的，如果我们能同时“看到”这些，那么这个球从哪里开始算起？人类说，太阳直径大约是140万公里，那是我们人为地给它画了个边界而已。

所以“本质”这种东西，不是那么容易感知的，更不是谁灵机一动就能“参透”的。

这个事实会让所有人不舒服，因为人类都是解释控、本质控，但只要我们是理性的，就不得不接受这一残酷的事实。

刘萝卜锅

比起窥探宇宙奥秘的野心，人类不仅感官太简陋，而且大脑也太简陋——我们花了几千年，才有这个自知之明，才有这个敬畏之心。

从这个意义上说，人最大的野心，不是要统治地球，而是要参透宇宙。世界上最无知、最狂妄的想法是：某祖先早已参透了宇宙奥秘，衣袂飘飘坐等山顶。

不论是出于对自身局限的认识，还是出于对宇宙奥秘的渴求与敬畏，我们都只能老老实实、穷尽办法去观测，能观测到什么，就描述什么。在此基础上，合理地去推测、验证，以前人成果为台阶，集全人类智慧，一步一个脚印地向前摸索，一点一点拓展认知边界，一点一点接近宇宙真相——这就是科学做的事。

但量子力学的出现，让人类在摸索的路上闪了一下腰。

人们发现，粒子都有波粒二象性，既是波，同时也是粒。

而且，你用观测波的手段观测它，它就呈现波动性。比如双缝实验：

单电子双缝干涉实验图样

你用观测粒的手段去观测它，它就呈现粒子性。比如康普顿实验：

用x射线打原子，就像打台球一样有偏折角，动量守恒


粒子就是这么妖孽。但观测行为本身似乎更妖孽。

对这种奇葩现象，玻尔认为：

1. 波和粒，虽然是“互斥”的，看上去不共戴天，但实际上，它们是“互补”的，谁也离不开谁——波粒二象缺一不可。

2. 但同时，它们就像一个硬币的两面，无论我们怎样看，都只能看到其中一面，要么是粒，要么是波，你看到一个，另一个就不存在——不可能同时观测到两种形态。

3. 而它在什么情况下看起来是粒，什么情况下看起来是波呢？那要取决于你怎么看——观测手段决定观测结果。

这就是“互补原理”。

科学家们还搞了各种奇葩实验，似乎落实了玻尔的看法。

比如量子擦除实验、泄密实验，似乎都显示：你知道光子的路径，它就是粒子，不给你看波动性；你不知道光子的路径，它就是波，不给你看粒子性——就算它走到半路你突然改主意，换了观测手段也一样。

这样一来，粒子似乎善解人意，可以和人“互动”，撩得大家神魂颠倒、想入非非，有的一晕乎就直接掉进玄学坑。

不过幸好，玻尔是错的，准确地说，他的互补原理不准确。

具体哪里不准确，我们只能下一篇聊这些实验时再聊。因为这篇主要聊观测。

1926年，海森堡发布完他创建的矩阵力学后，和爱因斯坦聊天，老爱点拨了一句：是理论决定了我们能观测什么。

小海当时就震精了一地：我们的理论不都是以观测为基础建立的吗？没有观测，哪来的理论？理论，是人类对客观现象的主观认识。你见，或者不见它，现象就在那里，不来不去，你爱，或者不爱它，事实就在那里，不变不移呀！主观认识，能决定我们从客观世界中看到什么？！

你第一次看到这句话，一定和小海一样不服气：我天生就会看我爱您中国姐、看月亮、陪我爱您中国姐看月亮，跟理论有啥关系？

没错，“是理论决定了我们能观测什么”确实毁三观。不过这不赖老爱，要赖就赖我们对“观测”的理解不够深刻。

小海看在这句话是爱因斯坦说的份儿上，认真琢磨开了老爱的继续点拨：在观察之前，我们就会不自觉地，用已有的理论，对观察对象进行某些假设。

这个需要解释下。我们的肉眼靠可见光看东西，于是我们得到了“可见光可以用来观测”的理论，根据这个理论，我们制造放大镜、光学显微镜、望远镜、照相机等，于是观测到了更小、更远、更具体的东西。电磁波被发现后，我们得到了“红外线、远红外线、紫外线、x射线、γ射线也可以用来观测”的新理论，根据新理论，我们制造红外望远镜、x光透视器、射电望远镜等，观测到了原来想都不敢想的东西：人体内部结构、137亿光年外的星系、太阳表面活动的清晰图像等等。

这些观测设备，是怎么设计出来的？我们按照已知的电磁波的性质，假设电磁波在仪器里怎样被反射、折射、放大、聚焦，怎样变成人类眼睛可以接受的图像信息，等等，综合这些因素，去设计、实验、制造、应用。所涉及到的成千上万个技术细节，都是围绕我们已知的理论来进行的。所以说，能看到什么，是选择“怎样去看”决定的，而选择怎样去看，是理论决定的。

“理论决定了我们能看到什么。”现在看看这句话，还荒谬吗？

老爱认为，实际上，观测本身，也是个相当复杂的过程，观测对象发出的信息，比方说振动、气味、声波、电磁波、引力波之类的，传到仪器，仪器按照设计要求，发挥各种作用：接收、反射、放大、聚焦等，然后把信息输出给我们的感官，通过一大串神秘的反应，在意识中形成结果，成为我们的认识。这些过程，是我们事先就知道的。这就是说，我们在观测之前，已经对“能看到什么”有了一个大致的预期。这一切，都是我们的理论决定的。

刘萝卜锅

老爱当时没解释这么细，他只是告诉小海，你那些所谓“可观测到的量”，都是这样观测来的，观测之前，已经用理论做了假定——尽管不是有意的。老爱强调，如果你掌握的理论完全不同，就会做出完全不同的假定，那么，你观测到的那些量，可能也就不同了。

有了这个点拨，小海把手里的货迅速变现，搞定了“测不准原理”，后来在玻尔的助力下，发展成了量子力学的主要基石之一“不确定性原理”。



这个过程告诉我们，人类的观测，不仅受身体局限、设备局限，还受理论局限。不过，如果把这些观测，与已知的靠谱知识紧密结合起来，它就会发生反应，得到新知识，继而变成台阶，让我们更进一步，以此类推，稳步向前。

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言归正传。有的童鞋说了，既然现实条件那么多局限，不如让我们放飞思想，不要受观测局限了——恭喜你，成功地回到几千年前，人类一穷二白只能凭着脑壳空想来臆测世界的年代了。

PS：欢迎讨论，不当之处欢迎指正

-未完待续-

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