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一般正经的科普-量子力学

时间: 2021-04-12 10:50:49 | 作者：笛子 | 来源: 喜蛋文章网 | 编辑: admin | 阅读: 98次

一般正经的科普-量子力学

你买了一个显示器，一个你认为完美的显示器。

你兴高采烈的接上了电源，“啪”打开一看，各方面确实很棒。但是，在各方面都趋于完美的产品，屏幕中央居然有两片马赛克！嚯，这还怎么让我们看正经视频！

上世纪的物理学就有这么两个区域被打了马赛克，当时广大物理学家的心情和正经看片的各位是一样的：心痒难耐。于是，针对这两个马赛克的产生原因，物理学家们展开了激烈的讨论，以求解决之法。剩下的事情，可以简单概括为：马赛克研究愈加深入，量子力学应运而生。

要讲量子力学，逃不开一个话题：薛定谔的猫。简单来说，就是箱子里有一只猫，里面还有瓶会让猫致死的毒药，这都不重要，重要的是：我在打开箱子以前，不知道猫是死是活，但是我打开箱子以后，猫要么是死的，要么是活的。

各位看官就说了：你这不是废话嘛，猫当然要么是死的，要么是活的，难不成还有其他情况？

嘿嘿，还真有其他情况。打开箱子当然是只有“死猫”和“活猫”这两种情况，这里的问题在于开箱之前的情况：正统量子力学认为，开箱之前，猫是既死又活，不死不活的状态。我知道你没法想象，我也没办法想象，或者我认为任何三维空间的生物都无法想象这种情况，顶多就是想象一只死猫，或者想象一只活猫。因为“死”和“活”概念是矛盾的，是无法调谐的，是绝对对立的。

光学上有个概念叫干涉，我们接下来要说的事跟这个概念有关。现在我们做这么一个实验：首先，我们有一个电子枪，这玩意通电以后可以“咻咻”地发射电子束。让这个电子枪指向一个钢板，钢板上开两条平行的竖缝，缝宽很窄，最好窄到一次只能透过一个电子那样。钢板后面一段距离放置一个屏幕，就是那种电子打到屏幕会引起荧光或者其他能看出电子的屏幕。

实验开始，电子枪发射的电子通过了两条竖缝打到屏幕上，十分钟后，屏幕上显示出了明暗相间的条纹。这怎么理解呢，很简单，亮的地方表示打在这里的电子多，暗的地方表示到这里的电子少。没错，记得以前黑白电视机没信号时的黑白条纹吗，跟那个差不多。只是中间的亮纹比其他的亮纹还亮一些。这些条纹就是干涉的结果。

现在，我们改进一下实验。我们知道，电子是一个一个穿过狭缝到达屏幕的，那研究这个过程，我想知道到达屏幕的每个电子是从哪条狭缝穿过的，这没问题吧。按理来说，是没问题的，但是现实有时候就不太讲理。

我们给这个实验加上一个探测装置，感应也好，相机也好，反正就是能知道电子从哪条缝里经过的装置。重复实验开始，电源打开，电子枪开始一个电子一个电子的发射，于是，我们看见有的电子从左缝经过，有的从右缝经过（大部分撞在了铁板上）。实验就这么平平无奇的进行了下去，然而，十分钟后，诡异的事情发生了---屏幕上并没有明暗相间的条纹，出现的竟只有对应于两条狭缝的两个条纹！换句话说，干涉没有发生！！！

你吃着火锅，唱着歌，噗通一下就掉水里了。

怎么可能呢，明明完全相同的条件，却得到了完全不同的结果，这是不是哪里出现了误差导致的。于是物理学家们开始疯狂做实验，不断的重复、改进，然而，结果并没有改变：只要我尝试去观测电子从哪条缝走，那干涉就必然不会发生。而一旦把观测一关，那必然会发生干涉。

还记得《三体》里那个解释“物理学不存在”的台球吗，好家伙，第一次实验的结果出来其震撼程度跟那个是差不多的，差点就把物理的存在都给否了。好在后续的实验还是重复的，并且我们还由此得出了一个神奇的结论：有的东西不能看。当你看见它了，它就不是它了。

至此，量子力学的真面貌差不多已经呈现给大家了。猫是死的还是活的？光是波还是粒子？同样的废话再次给大家重复一遍，我们无法想象既死又活的猫，同样也无法想象具有波粒二象性的光。这里有人应该就不服气了，咋不能想象，一个粒子像波一样振荡着传播，不就是具有波粒二象性的光吗？嘿嘿，回答当然是否定的。因为这个描述，还是在说光是粒子，不管它的传播途径有多扭曲，本质上跟波没有半毛钱关系。

人类这种生物对未知从来都有着强烈的好奇心，甚至可以说正是这份好奇心在推动着世界发展。而物理学家就是人类这一物种中好奇心最重的一群秃子。为了解释这种不能想象的事物的状态，哥本哈根学派---也就是其中的一些秃子，给它起了个名字，叫量子态。他们的解释是，量子态的存在是一种概率，或者说是概率波，当你进行观测，这种量子态就以概率的方式遢缩为某一个点。以前面电子双缝干涉为例，电子在被观测以前，以一种概率波的方式从两个缝之间传播过去。当你进行了观测，电子的存在就不再是一种概率，而是确实从某一条缝中穿过了，也就是说从“波”遢缩为了粒子。

再来说说干涉的事儿，这事儿可能门槛略微要高那么一丢丢，但是也不是必须的，如果真的一点也不知道干涉，那你只需要记住这句话：干涉并不是随便两个光就可以发生的，它需要两个相同的光才行。那说回我们的实验，电子是跟谁发生了干涉呢？电子是一个接一个的发射的，你甚至都找不另外一个电子来进行干涉，更别提干涉还有那么多限制条件了。既然不可能有另一个电子存在来让它发生干涉，那么，真相只有一个：是它干涉了它自己！当电子没有被观测时，它作为一种概率波存在，既死又活，既从左缝穿过又从右缝穿过，这不是完美的相干条件吗？干涉条纹出现合情合理呀。而一旦被观测，电子就是个粒子，哪里懂什么干涉，就是个死板的小垃圾，自然没有干涉条纹出现。综上所述，电子双缝干涉实验被“完美”解释了。

讲到这里，就该天降猛男薛定谔出场了。某一天，薛老师在某个研讨会上给别人讲量子力学，说起这个概率波的事情。

人家就问了，“你说的这个波，它好看吗？”

薛老师当时就表示，“它不是好不好看，它真的是那种···那种很····的波。”

“哈哈哈哈····”

“你笑神马？”

“我想起高兴的事。”

······

薛老师蛋疼了半天，当即就写了个方程扔到了他们的脸上。于是量子力学的基石，世界上最重要的方程之一就诞生了---薛定谔方程。

薛定谔方程对于量子力学的地位就相当于牛顿第二定律之于经典力学的地位。牛顿第二定律知道吧，不知道也没关系，就是说它本身是作为一条公理而存在的，是无法被证明的。薛定谔方程的解叫波函数，波函数包含了粒子量子态的全部信息。然而，你去百度一下薛定谔方程看看它长什么样子就知道了，长的这么“标致”的小东西一看就让人头大。实际上，即便是使用计算机，多粒子情况下的薛定谔方程也是很难解出来的。需要注意，这个方程讲的是概率，并不代表粒子的运动轨迹。

量子力学发展到这里，大的框架就算基本完成了，虽然有人一直有不同意见。要说有意见的是别人也就算了，谁管你，但是提意见的人是爱因斯坦，那就另说了。作为牛顿之后最伟大的物理学家，他的意见不由得人们不重视。实际上，爱因斯坦和哥本哈根学派之间的争论也一路促进了哥本哈根学派的发展。

爱因斯坦的观点：上帝不会掷骰子。

哥本哈根学派的观点：你管上帝掷不掷骰子。

当然，这么多年来，实验上基本验证了哥本哈根学派的理论，爱因斯坦设想的某个隐变量一直没有任何被发现的迹象。

但是不管怎样，显示器上的马赛克总算是用一个略显奇怪的补丁给擦除了，人们又过上了愉快看片的生活。

完结撒花。

文章标题: 一般正经的科普-量子力学
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文章标签：量子力学  科普  物理科普
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