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瓜众也该了解的量子力学

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发表于 2020-7-10 15:37:12 | 显示全部楼层 |阅读模式
品质源于技术 服务源于态度
这是阿什卡微信公众号的第787篇原创文章
首发于2020年7月7日



如今,人类制造的玩意儿,不管是手里拿的、家里摆的、单位用的,还是天上飞的、地上跑的、海里游的,只要带个电子元件,那就离不开量子力学。


所以,量子力学不是什么高冷到不食人间烟火的东西,而是像牛顿力学那样,是支撑人类文明的主要基石之一。




基石是干嘛的?是用来踩的。不踩着它,很多东西你就够不着。


你用电脑看小电影,可以离开美学生物学心理学,但离不开量子力学。


罗永浩直播带货,可以离开经济学成功学,但离不开量子力学。


你用导航找小吃街,可以离开地理学烹饪学,但离不开量子力学。


朱清时在网上传播“科学家千辛万苦爬到山顶时,佛学大师已经在此等候多时了”的理念,可以离开玄学文学甚至佛学,但唯独离不开量子力学……


所以,作为普通的瓜众,对量子力学感兴趣,那是再自然不过的事了。


但是,由于量子力学的应用,主要在微观领域,而微观领域又看不见摸不着,所以显得很神秘,让我们感觉很颠覆,莫测高深,于是被乘虚而入——





从量子鞋垫、量子医疗,到量子打底裤、量子波动速读……多少骗子借量子力学之名,让你上当受骗?


从量子思维、量子灵魂,到量子国学、量子佛学……多少似是而非的解读让量子力学神秘化、玄学化,引你入坑?


这就像有人指着你的水杯,告诉你“水比你聪明,因为水知道答案,只是你没看懂”一样,你隐隐约约感觉很扯,却又说不出哪里不对。




本文的野心不是传授量子力学(因为我也不会),而是厘清其中的常识,让咱俩面对欺骗和误读时,知道“哪里不对”,这对咱们瓜众来讲,就足够了。


所有量子坑,基本都是误解、曲解所挖,因为量子力学的一些现象反直觉,违背了我们的日常经验。比如:


不连续性、概率性、叠加态、观测影响结果、波粒二象性、量子纠缠、不确定性、量子隧穿、隐形传态……


每个现象都带来某种疑惑,发展出种种漫无边际的猜测,以及种种扯蛋的结论。


我们一个个聊,紧密相关的就放在一起聊(当然一次聊不完)。






不连续性


1900年,普朗克搞定的黑体辐射公式,表示能量传递是一份一份的、不连续的,拿老普自己的话说就是“量份”的——离散的、量子化的。


这里,我们假装看看公式——不用看懂,因为我也不懂:




我们只要知道:公式里有个表示最小单元的h,它叫普朗克常数,就好了。


什么叫最小单元?


咱俩去菜市场买菜,只要花钱,最少也得1分钱,不能更少了。菜市场的1分钱,就是货币的最小单元。


所以我们在菜市场花钱,就是“量份”的。


这个公式是说,能量传递就像菜市场花钱,必须是一份一份的,一份的最小单元就是h。


h多大呢?h=6.62607015×10-34 可以说小到天际了,因此能量传递的分辨率是极高的,高到我们无法感知它的像素。


所以普朗克突然告诉我们,他看到了能量传递的像素,地球人都感到很惊奇,除了爱因斯坦。


爱因斯坦不但不惊奇,还蹬鼻子上脸,揪出了光量子嚷嚷:大家都来看呀,丝般顺滑的光,也是一份一份的!


然后玻尔得寸进尺,甩出了量子化的原子模型,敲锣打鼓地:瞧瞧嘿,电子轨道、以及它的角动量之类,都是量子化哒离散么么哒~


嗯,物质本身,以及物质行为,也是量子化的。




在量子江湖中,普朗克常数h无处不在。


于是,很多人以此为基础,一通推测:


世界是物质、能量构成的,而物质、能量是量子的,那么可以推测空间、乃至时间也是量子化的。


这当然是错的。



首先是概念混淆、逻辑错误。


世界包括物质、能量,当然也包括时空。物质、能量不能代表时空。


电子在时空中表演——轨道的空间分布不连续,轨道变换的空间不连续,变换时间为瞬时——这些,说的都是电子自身的行为,并不说明人家空间本身不连续,逻辑上更不能推出“时空不连续”的结果。


量子力学的核心方程——薛定谔波动方程的任何形式中,都离不开h,但波函数ψ描述的依然是“波的空间分布”,而不是时空本身。


我们再假装看个公式:




这个公式说的是:一个孤独的粒子,移动于位势V(r,t)时,它在三维空间的表演。


根据中学知识,那个r是空间位置,t是时间,这些是作为连续参数使用的。它们通过运算,和普朗克常数发生关系后,得到的量子化结果,是那个粒子在时空中的表演,而不是时空本身。


也就是说,量子力学方程不要求时空是不连续的。






其次,“不连续”不是量子力学的根基。


虽然量子力学是从“不连续”开始发展的,但这不代表它的根基就是不连续。


打个不是很精确的比方:


我们从“不连续”之门进入量子力学大厦,大厦里到处都是门,没有门寸步难行,所以门是至关重要的,但我们不能因此就说门是大厦的地基。


与此同时,门再重要,也不可能要求大厦全是门。量子力学并不要求任何层面都是不连续的,比如时空。




第三,不连续性和经典物理并不矛盾。


比如元电荷e,就是电量的最基本单位。


最小的电量,就是一个电子、或者一个质子所带的电量:e=1.6×10-19C。


这很好理解,它就像一分钱。我们去买菜,最小金额是一分钱,这就是菜市场货币的最基本单位、最小单元。


咦,说着说着好像很耳熟?


这一分钱,就是任何金额的起点,花5毛钱,就是50分钱,花1块1毛2分,就是112分钱……总之不管你花多少钱,都是1分钱的整倍数。


不管物质带多少电量,一定是e的整数倍。


经典物理中,描述液体、气体表演,所用到的阿伏伽德罗常数之类,也包含了离散概念。


小结:能量传递、物质行为、物理量的不连续,与时空不连续没有必然关系,不能得出“一切都不连续”的结论。






概率性



看过花式台球表演吧?


一名高手,可以重复这些高难度表演,反复实现预定的结果——也就是说,这个结果,是可以事先设计好的。




为啥我们坚信可以事先设计结果呢?因为这就是经典物理世界的基础——只要条件相同,物体之间相互作用的结果就一定相同。




简单讲,就是只要能确定因,我们就能确定果,这就是“因果律”。


因果律不仅是物理世界的根基,也是数学、哲学、神学——人类认识世界的根基,1+1是因,2是果,如果连这个都不确定,人类认知世界就崩了。


而量子力学告诉我们,微观世界一些的行为是概率的。


由于宏观世界是微观物质组成的,于是就有人推测,整个物质世界都是概率的,继而推出世界是反因果性的。


这里有两点误解:

第一,概率性与因果性不可调和


在宏观世界里,尤其是我们熟悉的社会里,概率性、统计性的规律比比皆是,比如股市下一秒是涨还是落,比如冠状病毒感染的趋势,比如闯一次红灯会不是死……没有谁可以像预测月球运转那样,给出一个精确的确定结果。但是,这些和因果律并没有不可调和的矛盾。


第二,概率性等于不可预测性


最直观的,电子管显示器,是用电子枪扫射到荧光粉层上显像。



我们知道,电子的行为,严格符合薛定谔波动方程,电子的发射、命中等环节,都受概率支配。但是,它能呈现确定的精确图像。为什么?


因为电子随着时间的演化状态是确定的,它在特定位置出现的概率是确定的,可测量、可证实的——我们看到的图像就是证据。


而电子显像管只是很粗糙的东西,在更精确的芯片上,电子行为可以更精确地预测、控制,否则芯片就是废物。


另外,微观物质的概率性,并不能导致宏观物体的概率性,更不能推翻宏观物质相互作用的因果性。






实际上,波动方程体现的概率性,是对观测而言的。


还是拿电子说事儿,它在时空中的行为是确定的。


虽然,它就像波函数描述的那样,是一朵弥散的云,但不管是雾是雨还是风,它都严格遵守波动方程这个剧本,其表演是连续的、有规律的,而且这个规律是确定的。


和经典物理方程一样,只要条件参数一样,它的行为就一样——这不就是我们熟悉的因果律么。


啥时候出现概率呢?就是我们观测它的时候。它的某些物理量,比如位置、动量之类,只能通过概率来呈现。但有些物理量,它永远都不是概率的,比如电荷之类。


为什么位置之类的物理量非要通过概率来呈现呢?那就要搞清楚这里所指的“观测”是什么了。


我们一观测,就得到电子的一个确定位置——弥漫的波函数,收缩成了一个确定的点。按照哥本哈根解释,这就是波函数坍缩。


而电子出现在坍缩点这个位置的概率,严格符合方程给出的概率。


那么,我们回头再问一句:观测到这个确定位置之前,电子在什么位置?


它在波函数覆盖的所有位置。这种既在这里,又在那里的状态,叫做叠加态。


OK,聊到这儿,关键就来了:我们一测量,弥散的波函数就坍缩成一个确定的点。翻译一下:一测量,电子就从波坍缩成粒。


是不是感觉特奇怪?如果理解不准确,接下来会更奇怪:


①如果我们把“测量”理解成“有意识的观测”;


②如果把位置之类的物理量是否存在,理解成物质本身是否客观存在。


那么,就很容易把意识和物质的存在联系在一起了。


化学家、中科院朱清时院士就是这样理解的。


所以他在《客观世界可能不存在》中,顺着这个逻辑,得出结论:


——量子力学离不开意识,意识是量子力学的基础。

——测量的核心是人的意识

——从不确定到确定必须要有意识的参与。

——物质世界离不开意识,意识是物质世界的基础。

那么,他的结论站得住脚吗?我们检查一下他的推理过程,以及前提就知道了。


他的前提有两点:


①测量离不开意识的参与。

②物理量的确定状态=物质客观存在。

先看①,理由是:我们一观测,就得到电子的一个确定位置,表现为概率波就坍缩成一个点、叠加态“消失”了。因为这一切是我们人有意识地进行的,所以“测量离不开意识的参与”。不信你看,我们观测前,电子不就是叠加态么。


但事实并非如此。我们先看两个概念:


概念一:波粒二象性。


最简单直接的理解:物质既有波动性,也有粒子性。


我们知道,波之间,是可以发生干涉、产生干涉条纹的。




只要它还可以产生干涉条纹,我们就说它有“相干性”。


这就是概念二:相干性。


粒子的相干性有个特点:越多粒子们在一起发生关系,它的相干性就越退化、粒子性就越强化。


那么我们把相干性的退化,也就是波动性质的退化,叫“退相干”。


理解了这两个概念,就可以说回测量了。


测量,指的是物质相互作用。电子是波,那它在空间的分布当然不在某一个点上,而是既在这里又在那里,处于位置的叠加态。我们去测量,必须通过某种物质(比如光子)和它发生关系——相互作用。


我们用仪器(一个超大的粒子系统)发射、接收一粒光子,去和电子发生关系,电子肯定要退相干的——波动性减弱、粒子性增强。


而光子和电子这样发生关系,对我们来讲,就是发生在波函数覆盖的空间的某一个点上(作用点),而不会作用在波函数覆盖的所有点上。


于是,我们把这个作用点,看成电子当时的位置。这个作用点出现在空间某位置的可能性,符合波函数给出的概率。


就算我们人不去观察,某个系统射出光子和电子发生关系,也是发生在一个空间点上——也会退相干。


所以,这和意识没关系。


理解了这一点,我们就可以解决另一个疑问:观测之后,也就是发生作用之后,电子的位置就确定了吗,它就变成一个“实在”的粒子了吗?


对不起,它和光子发生关系后,得到一个新的位势V(r,t),还是按照波动方程演化,也就是说,它依然处于叠加态——当然,前提是,它和任何系统没继续发生关系。


你再去观测,还是会得到一个新的作用点。

再看②。物理量的确定状态=物质客观存在。这就更没道理了。


首先,物理量并不都是处于叠加态、不确定的状态,比如电子的电荷、质量,不管我们是否观测,这都是确定的,不是叠加的。


其次,动量、位置这些物理量的叠加态,也是电子波动性使然,并且和确定的电荷、质量不矛盾。


因此,即使电子处于叠加态,或者说我们不确定它的状态,也不代表它不客观存在。


理解了这一点,我们也可以解决另一个问题:我们不看月亮时,月亮存在吗?




答案是:当然在。


正如ESSCA软件和服务,你关注,它就会和你互动,并且动在点子上;你忙自己的,它也默默存在。清光何处无。


言归正传。朱院士的两个前提都不成立,以此为前提推出的结果,也就不靠谱了。


PS:欢迎讨论,不当之处欢迎指正


-未完待续-


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