無(wú)論是否真的接觸過(guò)量子力學(xué)，很多人都會(huì)用“遇事不決，量子力學(xué)”這句話，對(duì)一些難以解決的問(wèn)題插科打諢一番。其實(shí)在真正的量子力學(xué)里，也有一些“不決”，比如大家可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)的“測(cè)不準(zhǔn)原理”。不過(guò)，“測(cè)不準(zhǔn)原理”是個(gè)不正確的名字，并且會(huì)造成對(duì)這個(gè)原理本質(zhì)的誤解，它真正的名字叫做“不確定性原理”。

01

對(duì)原理的建議解釋

不確定性原理的意思是說(shuō)：粒子的位置和動(dòng)量不可能同時(shí)確定。它的位置越清楚，就越不確定它跑得到底有多快。反之亦然，它的快慢越確定，位置就越模糊。并且，這種不確定性是個(gè)量化了的具體值，并非一個(gè)拍腦袋的哲學(xué)概念。剛才我們說(shuō)過(guò)，“測(cè)不準(zhǔn)原理”這個(gè)名字不對(duì)。但是，從這個(gè)錯(cuò)誤名字的含義入手，來(lái)了解不確定性原理，是許多科普書(shū)籍（包括霍金的著作）以及大學(xué)物理基礎(chǔ)教學(xué)的迅速簡(jiǎn)易的方法，甚至是海森堡本人最初的理解。我們不妨也從這里開(kāi)說(shuō)。想象我們測(cè)量一個(gè)粒子的狀態(tài)，測(cè)量之前，我們對(duì)它一無(wú)所知——就像黑屋子里有只黑貓，我們得拿燈照著，才知道它在哪里。

可是，如果這只貓弱不禁風(fēng)，一開(kāi)燈它就被燈光撞飛了。那么，我們就無(wú)法判斷它本來(lái)就在飛，還是被燈光撞飛的。所以我們得把燈光的能量調(diào)低一些，別干擾我們的觀測(cè)對(duì)象。

燈光的能量不是由亮度決定的，而是它的頻率。在可見(jiàn)光的波段，就表現(xiàn)為光的顏色：紫光比綠光的能量高，綠光比紅光的能量高。這一點(diǎn)可能有點(diǎn)反直覺(jué)，不過(guò)大家想想X射線胸透：用來(lái)胸透的 X 射線其實(shí)很微弱，但是 X 射線頻率很高，比紫外線還厲害，每個(gè)光子的能量都是電離輻射的級(jí)別，照得多了足以出健康問(wèn)題。

回到正題上來(lái)，調(diào)低能量的意思就是降低光的頻率。比如本來(lái)用紫光照明的，就改成紅光照明，這只弱不禁風(fēng)的小黑貓就不會(huì)被撞得太狠，我們就知道它本來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)了。可是，改成紅光之后又出了個(gè)新問(wèn)題：紅光的波長(zhǎng)太長(zhǎng)，超過(guò)了黑貓的尺寸，從它身上繞過(guò)去了。或者，即使發(fā)生反射，我們所探知的位置，取值范圍也在一個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)，誤差挺大的。

所以，要么我們看不清黑貓?jiān)谀睦铮次覀儾恢篮谪埖倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)。一個(gè)精度上去了，另一個(gè)精度就會(huì)下來(lái)，“測(cè)不準(zhǔn)原理”也就出現(xiàn)了。

這個(gè)解釋雖然比較易懂，給大家的感覺(jué)卻是：人類的科技能力不夠，假如我們找到新方法，或許可以在不打擾觀測(cè)對(duì)象的情況下獲取它的狀態(tài)。

實(shí)際上的不確定性原理說(shuō)的則是：不確定性是粒子的內(nèi)在屬性，不管你測(cè)不測(cè)量，它的位置和動(dòng)量都不可能同時(shí)確定。

要注意，是“不可能同時(shí)確定”，不是“不可能同時(shí)被確定”。

02

兩個(gè)簡(jiǎn)易推論和其他影響

大家曾經(jīng)以為，假如我們能測(cè)量一切粒子的狀態(tài)，那么根據(jù)一組物理定律，就可以推演它們的未來(lái)狀態(tài)，那么世界的未來(lái)演化也就了然于胸了。這甚至包括我們的思想，因?yàn)樗季S的物質(zhì)基礎(chǔ)也是神經(jīng)元的電脈沖呀。

但不確定性原理則直接否定了整個(gè)前提，粒子的狀態(tài)本身都不確定，再多物理定律也沒(méi)什么用了。量子力學(xué)的發(fā)展揭示了更多事實(shí)，比如狀態(tài)本身并非“非黑即白只是我們不知道它是黑還是白”的不確定，發(fā)展到后來(lái)“既是黑又是白只有看一眼才勉為其難給你一個(gè)黑白”的疊加態(tài)（量子態(tài)測(cè)量隨機(jī)性），就更是把科學(xué)決定論逼上了絕路。

熱力學(xué)第三定律從純經(jīng)典的角度來(lái)說(shuō)：絕對(duì)零度無(wú)法到達(dá)。而從不確定性原理來(lái)說(shuō)，也是一個(gè)直截了當(dāng)?shù)耐普摚核^絕對(duì)零度，就是組成物質(zhì)的分子原子位置確定，并且不再移動(dòng)。這樣就同時(shí)確定了每個(gè)粒子的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，和不確定性原理相違，所以是不能達(dá)到的。

不確定性原理的提出，更是引發(fā)了更多著名事件，例如愛(ài)因斯坦和玻爾在索爾維會(huì)議上的論戰(zhàn)、“薛定諤的貓”、EPR佯謬、暗戳戳拉偏架支持愛(ài)因斯坦的的貝爾不等式、以及貝爾不等式被證實(shí)不成立。2022 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了三位實(shí)驗(yàn)推翻貝爾不等式的科學(xué)家，就是這一系列的余波。

2022諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以糾纏光子驗(yàn)證貝爾不等式不成立。

03

對(duì)物理熱詞的誤解

量子力學(xué)揭示的物質(zhì)世界基礎(chǔ)，和宏觀世界的表現(xiàn)太不相同，非常反直覺(jué)，所以遭到種種質(zhì)疑和誤解。這一點(diǎn)很正常，作為量子力學(xué)的奠基者，連愛(ài)因斯坦和薛定諤都疑慮重重，大家有什么不可置疑的呢？

不過(guò)，對(duì)愛(ài)因斯坦和薛定諤的質(zhì)疑，大家也是有很多誤解的。很多人以為他們兩位反對(duì)量子力學(xué)，其實(shí)他們并不反對(duì)量子力學(xué)本身，而是反對(duì)海森堡所在的哥本哈根學(xué)派對(duì)量子現(xiàn)象的詮釋。也就是說(shuō)，如何用宏觀世界的語(yǔ)言來(lái)解釋量子力學(xué)研究中看到的現(xiàn)象。

正如上面的不確定性原理一樣，如果解釋“測(cè)不準(zhǔn)原理”，大家都比較容易接受，而如果說(shuō)粒子本身就不確定，就需要用數(shù)學(xué)來(lái)表達(dá)，在宏觀世界里找不到可以類比的具體東西。

另一個(gè)誤解就是認(rèn)為量子力學(xué)就是“這也不確定，那也不確定”，其實(shí)并不是這樣。即使不確定性原理否定了精準(zhǔn)測(cè)量粒子狀態(tài)的可能性，粒子狀態(tài)的概率分布及其演化過(guò)程卻可由薛定諤方程精密確定。該有粒子的地方就可能會(huì)有，不該有的地方就絕不會(huì)有，一點(diǎn)都不含糊，只是當(dāng)你去觀察測(cè)量它時(shí)，它會(huì)按確定的概率分布，隨機(jī)地給你一個(gè)結(jié)果。

正是因?yàn)榱孔恿W(xué)非常反直覺(jué)，它被包括愛(ài)因斯坦在內(nèi)的物理大神們狠狠檢視過(guò)，是史上被審核得最嚴(yán)厲的學(xué)說(shuō)，但是（目前）實(shí)在挑不出錯(cuò)，它所作出的預(yù)言也被實(shí)驗(yàn)一一證實(shí)，而“這也不確定，那也不確定”的打哈哈理論是不可能有什么預(yù)言的。

舉兩個(gè)關(guān)乎我們生活的量子力學(xué)的實(shí)例：第一是半導(dǎo)體理論。半導(dǎo)體的能帶概念是量子力學(xué)延伸出來(lái)的。如果量子力學(xué)不成立或者無(wú)法做出精確預(yù)言，那么半導(dǎo)體物理也不可能成立，咱們用來(lái)看這篇文章的手機(jī)、電腦就不會(huì)存在。第二是太陽(yáng)發(fā)光。愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程只揭示了一個(gè)方面，而太陽(yáng)的溫度太低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到氫核聚變所需要的溫度，如果沒(méi)有薛定諤方程所揭示的隧道效應(yīng)，太陽(yáng)是不可能發(fā)光的；或者，即使達(dá)到了核聚變所需溫度，聚變反應(yīng)也會(huì)是氫彈爆炸式的，整顆恒星瞬間灰飛煙滅，而不是現(xiàn)在這樣，既能發(fā)生反應(yīng)，又保證反應(yīng)率極低，像個(gè)堆肥一樣穩(wěn)定產(chǎn)能。

還有一個(gè)誤解，是量子力學(xué)就是“這也量子，那也量子”，什么都是一份一份給的，是個(gè)不連續(xù)的數(shù)字世界，進(jìn)而腦補(bǔ)“我們都是程序，生活在一個(gè)巨大的操作系統(tǒng)中”。其實(shí)看似不連續(xù)的量子世界是由各種連續(xù)的方程算出來(lái)的，被概率分布的波峰波谷約束的看似不連續(xù)而已。

許多媒體提起量子力學(xué)里的概念時(shí)，喜歡用“雙縫實(shí)驗(yàn)有多恐怖？”“智子通信要實(shí)現(xiàn)了嗎？”“掌握量子糾纏，你也能瞬移！”這樣一驚一乍的標(biāo)題。我們對(duì)量子力學(xué)要以平常心來(lái)看待，微觀世界是整個(gè)世界的物質(zhì)基礎(chǔ)，量子力學(xué)預(yù)言的范圍也覆蓋了宏觀世界，我們不妨認(rèn)定它的奇妙表現(xiàn)是世界本來(lái)該有的樣子，再好好反思一下：

“數(shù)學(xué)計(jì)算出來(lái)這么自然而然的東西，為什么宏觀世界卻這么不好打比方呢？”

作者：曲炯 科普作家 作品發(fā)表于國(guó)家博物館、國(guó)家航天局等

審核：張文卓 夸密量子CEO、原中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)墨子號(hào)團(tuán)隊(duì)副研究員

來(lái)源: 科普中國(guó)

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