为什么量子力学总是让人感到疑惑？

云脑智库 2022-09-04 00:00 712浏览 0评论 0点赞

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我们认为量子粒子很奇怪的主要问题是将量子粒子视为经典粒子而它们的行为却表现得非常非经典。（或者，问题是将量子粒子视为“物体”，这个叫法是迈克尔·布鲁克斯（Michael Brooks）首先提出的。）许多量子性带来的“怪异”例子都源于这一事实——至少是量子力学多种不同的诠释带来了这些怪异性。然而，无论量子物理学家处理的是什么，需要量子物理描述的物体都不等同于经典物体，甚至不等同于或类似于尘埃、沙子或玻璃这些事物。

量子粒子相比我们平时看到的经典粒子要小得多，小到让人难以置信。正因为如此，几乎（用Philip Ball的话说）“在量子尺度上，一切都是不同的”（也就是说，不仅仅是奇怪的）。这意味着使用“物体”、“粒子”等经典物理语境中的词汇是有问题的。甚至量子力学中的“波”这个词也常常会误导人。这主要是因为量子波函数仅仅是由方程表示的数学对象——严格来说，它们并不完全对应于对现实的描述。

更具体地说，如果粒子是波，那么波的干涉就没有那么奇怪了，波的叠加也没那么奇怪。（也就是说，将量子的x视为波也是有问题的——正如刚才所述。）

从技术上讲，量子x（即尚未命名的东西，由于没有合适的词汇，暂且用字母表示）和量子y会发生相互干涉——就像海洋上的波浪一样。因此，当量子x和量子y干涉时，它们会相互叠加在一起。当然，经典物体不能与另一个经典物体相互干涉——至少不能以和量子物体之间相同的方式干涉。经典x和经典y也不能处于叠加状态。

然而，我们在这里谈论的不是经典物体，甚至不是经典粒子！

因此，为什么量子x的行为不像经典物体，甚至不像经典粒子呢？反之，如果一个经典物体表现得像一个量子x，也会显得很奇怪。但这并没有发生。很多人之所以认为量子现象很奇怪，主要是因为他们把它们当作经典现象看待，但它们的行为却非常非经典。实际上，我们只有以量子方式表现的量子现象——正如经典现象以经典方式表现一样。

当迈克尔·布鲁克斯使用“单个正核电荷，或者说质子”这个词时，他再次向我们展示了“粒子”这个词的问题。这里我们肯定可以得出一份定义，也就是：

质子=（单个）正核电荷

因此，在这种情况下，粒子只是一个正电荷。现在，正（或负）电荷很难是粒子状的——至少当它孤立存在时是这样的，因为它们总是表现出波的特征。即使一个质子（或另一种粒子）还包含除了电荷之外的其它特性（如自旋、质量、大小等），“粒子”这个词似乎仍然不太合适……但也很有用！

如果我们回到量子物体是波这个描述，一种展现这种描述的不合理之处的方法（在许多方法中）是阐明富勒烯分子（由60个碳原子组成）的德布罗意波长。富勒烯是一个巨大的量子“物体”，尺寸大约10^-12米，或者说是万亿分之一米！这究竟与海洋上的波浪或任何其他类型的经典（或宏观）波浪有什么关系呢？

下面的讨论尽可能接近量子力学中的经典粒子。

当波变成粒子时

正如已经提到的的，当两个量子波相遇时，它们会发生叠加。该叠加是任意给定位置的两列波的加和。此外，这个“加和”可以比两列波单独存在时表现得更像粒子。（这与马克斯·玻恩在20世纪20/30年代的立场大致一致——详见“玻恩法则”）。这种类似粒子的东西是两个或多个量子波叠加的结果。换句话说，如果你把一个波谷和另一个波谷放在一起（或者把一个波峰和另一波峰放在一起），那么你会得到类似粒子或实体的东西。换言之，当波被挤压、融合或混合在一起时，它会变得更像一个坚硬的实体……

当然，所有这些词语和描述在本质上都是类似的！

换言之，我们仍然在这里使用“波”和“粒子”（以及“波谷”和“波峰”，更不用说“挤压”、“融合”和“混合”）这两个词。这主要是因为我别无选择，所以只能这么做。

事实上，所有这些词都属于量子力学的解释。这意味着，在解释量子力学时，简单地使用单调的变量x、y等并没有多大帮助。当然，这对任何有兴趣的外行都没有帮助。

烟雾巨龙的身体

尽管文章开头引用了迈克尔·布鲁克斯的一段话，但他在同一本书的其他地方还写道：

玻尔认为，薛定谔波动方程背后的终极实体既不是波，也不是粒子，因此它无法用我们能处理的任何术语来描述。

当然，布鲁克斯仅仅引述尼尔斯·玻尔的言论并不意味着他同意玻尔的观点。尽管如此，玻尔确实提出了一个需要解决的问题——即使人们不需要接受他的整体立场或解释。（许多人确实不同意玻尔的观点——尤其是阿尔伯特·爱因斯坦和后来的大卫·玻姆等物理学家。）

约翰·惠勒（John Archibald Wheeler，1911——2008）

美国理论物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒也研究了这些问题，或者至少是类似的问题。他用“烟雾巨龙”的形象来表达他的观点。他指出，在实验输入和实验输出（或观察）之间，“我们无权谈论存在什么”。因此，像“粒子”和“波”这样的词自然会受到怀疑——至少在这两个词用于实验过程中时（即，假设的龙的身体的“真实性”）是这样的。

因此，在输出之前（即，在实际实验或观察之前存在和发生的情况）将量子x描述为“粒子”或“波”，与在实验或观察输出之后以这种方式描述量子x之间存在区别。然而，即使已经进行了实验（或观察），也就是当量子波函数已经“塌缩”时，使用这些经典词汇可能仍然有问题。

再次引用玻尔的话。根据布鲁克斯的说法，玻尔认为

一旦进行了测量，测量的类型将决定我们可以看到什么。

重要的是，

例如，如果你使用一种仪器来检测某个物体在空间中的位置，你会看到在空间中有明确位置的物体——也就是我们称之为粒子的实体。

这里的重点是，使用“粒子”一词来指代龙身体上的东西，以及指代在“仪器检测到物体的空间位置”之后的东西，都是可疑的。所以这个（本体的？）x不仅不是测量或观察之前的粒子，也不是测量（或观察）之后的粒子。

总而言之：经典的“粒子”一词在所有量子情况下都是有问题的。

注：

如果将量子粒子视为粒子（或物体）是有问题的，那么把原子看成粒子也是有问题的。

也许一个原子根本不能被视为一个“物体”。毕竟，如果氦原子的原子核被视为柠檬大小，那么该原子的边缘（由其电子的外层轨道定义）的直径将为2.5英里。因此，按比例来说，原子核与整个原子极其不成比例。原子中的每个电子相比它所属的原子更是小得令人难以置信。（相当于直径为2.5英里的圆上点了一个点。甚至更小！目前还没有关于电子大小的准确说法。）

当然，大多数甚至所有（经典）实体也由一个个的元素原子构成，因此这本身没有问题。

原文链接：

Quantum Particles are Neither Classical Particles Nor Weird Objects

作者：Paul Austin Murphy

文章来源：中科院物理所

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