量子力学

03 Feb 2017 • Leave Comments

测不准原理

微观世界有个基本常识是：测不准原理。大概意识是微观粒子的状态是测不准的，具体说是我们无法测出某个时刻微观粒子的速度和位移（或位置）。到底是我们的科学技术不足以测量微观粒子状态（仪器不行），还是微观粒子具有量子力学本质特征？如果是前者，那么微观世界和宏观世界是一样的；如果是后者，那么今天的量子力学是微观世界的真理！

双缝干涉实验

最左边是粒子发生器，每隔一个固定时间（譬如一秒）发射一个粒子；中间是开有双缝A和B的挡板；最右边是显示屏幕。粒子发射源正前方和挡板之间有一个由透镜和反射镜组成的分路装置，能使粒子各以50%的几率通过两条狭缝，达到右边的屏幕。实验的结果是，右边屏幕上出现“干涉”现象，即有多条明暗相间的条纹，这是波所特有的“干涉”特征。

宏观世界里，我们是这样理解的，一个粒子要么通过A缝，要么通过B缝，最后都是落在对应的缝隙正前方，结果就是所有的粒子会在A和B的正前方形成两条条纹，而不会形成“干涉”想象。既然后干涉条纹，说明一些粒子既通过A缝又通过B缝，从而形成暗条纹。这匪夷所思，一个粒子的可以既通过A又通过B！

实验者又在狭缝旁边加上探测器，可以探测是否有粒子通过A或B，但不影响粒子的路径。探测的结果就是50%几率在A处测到粒子，50%几率在B处测到粒子。在A处测到时B处就绝对测不到，没有观察到AB同时有“半个”粒子通过的情况。看来粒子确实还是像个经典粒子那样“完整”地通过了A和B之一，而不是各有“一半”同时通过A和B。

这说明，旁边有探测器探测粒子到底通过了哪条狭缝的情况下，屏幕上最终累积形成的图案变成了两条光带，干涉想象消失了！可是是否打开双缝旁边的探测器完全取决于实验者的自由意志，而且这个选择可以在粒子通过分路装置之后进行。怎么实验者后来的选择影响了粒子前面的路径选择呢？

量子假说

这里用“假说”是因为量子力学还不是很确定是否正确！

很多诸如此类的论题，如“薛定谔的猫”，“双峰干涉实验”，“女儿是否在客厅”等。那么量子力学是如何解释这类“不确定性”呢？

女儿在某一刻既在客厅又不在客厅，这可能吗？宏观世界里一个物体的状态是客观存在并唯一确定的，不以人的意志而转移。女儿要么在客厅要么不在，这两种情况互斥！“既。。。又。。。”和“要么。。。要么。。。”是完全不同的表述！怎么会既在又不在呢？

状态的态叠加与坍缩。量子力学认为一个粒子处于“未知”状态，既可以说粒子同时处于多个状态（如位置），也可以说粒子既在状态1又在状态2（也可以表述为既在状态1也不在状态1），这在宏观世界是不可能的。我们称之为“状态叠加”（叠加的在一起的状态通常是“互斥”关系）。

状态的叠加如何用数学来描述呢？概率论！量子力学用波函数描述微观世界，波函数描述的是“某个位置出现粒子的概率”，变成成了“位置”状态，所有位置的波函数值求和或积分肯定是1。这个时候粒子本身成了概率波函数，具有概率本质，概率是无法观测的！请注意，不是“粒子出现在某个位置的概率”，这是宏观世界才有的计算方法。

那么什么又是“状态坍塌”呢？当我们去观察微观粒子时，叠加的状态立刻坍塌成某个唯一状态。注意，虽然此时状态唯一确定，但依然测不出来状态值，这就是前面的测不准原理。由于观察者的“观察行为”介入，叠加状态坍塌为某个唯一状态。注意，不同的观察者会观察到不同的坍塌状态。

这就奇怪了，不观察它，状态叠加；观察它，状态坍塌！量子力学这个工具太玄了，大有“唯心主义”派头！这就是所谓的observation creates reality，也是现在量子现象和人类意识扯上关系的原因：人的自由意志可以影响微观世界！

难道“观察”这个行为还能影响状态？你能想象一下，路人甲瞄了一眼路人乙，后者智商立马增加100或立马变成傻子吗？

量子讨论

1. 量子假说里，量子级粒子相互是物理作用，不纯在相应粒子级的化学反应。这个让化学家很无语，化学家也许认为，量子级别粒子间不仅存在物理作用，还存在化学反应！
2. 还有“平行宇宙”的假说。不同的是，观察者观察时，叠加状态不会坍塌，而是在观察者观察的瞬间分裂出多个平行宇宙。各种叠加的状态分别在平行宇宙里继续演进。观察者恰好处于某个平行宇宙中，看到粒子在那个宇宙里的唯一状态。譬如你所在的宇宙里你女儿在客厅里，同时肯定由一个宇宙里你女儿不在客厅里。如果是坍塌假说，那么就只有一个可能了，要么你观察到你女儿在客厅，要么观察到不在客厅。
3. 量子力学太“唯心主义”了，基本上是随心所欲的“创造理论”。一个可能的微观解释是，现在的科学技术造不出精密测量微观世界的仪器。微观世界应该是一个“脆弱”的环境，仪器本身（甚至是观察者）很可能对粒子产生干扰，进而改变粒子状态。仪器测量过程中，和被测对象间有光子、粒子等相互作用。这种相互作用足以改变微观状对象的状态。
4. 两个匪夷所思：粒子是概率，是几部分状态的叠加（最后是1），自然状态下粒子并不真是存在；观察时，观察者导致粒子状态唯一，粒子真实存在了！

倾向结论

1. 科学就是对自然想象建模，总结规律并为人类服务。同一个自然现象通常可以有多个近似等价的模型。
2. 量子力学这个模型目前来看还不错，与已知事实比较吻合。也许将来出来一个新的模型更精确更合理的近似等价模型，
3. 微观世界和宏观世界一样，状态唯一确定。现存科学技术无法测量微观世界状态。