问题

量子力学是否符合常识?

回答
量子力学与我们日常生活中建立起来的“常识”之间的隔阂,可以说是这个领域最令人着迷也最令人困惑的地方。用最直白的话说:不,量子力学一点也不符合我们的常识。 而且越深入了解,越会觉得它荒谬绝伦,但偏偏,它又极其精确地描述着我们所处的这个微观世界。

要理解这一点,我们得先梳理一下我们通常意义上的“常识”是什么。我们的常识是建立在宏观物体上的经验积累,比如:

事物有确定的位置和速度: 我扔出去一个球,我知道它在哪里,也在以什么样的速度飞行。我看到它,它就在那里。
事物是局域的: 我推一下桌子,桌子会移动,但远在天边的月亮不会因此受到影响。作用是传递的,需要时间。
因果关系明确: 我按下开关,灯就亮了。原因在前,结果在后,逻辑清晰。
观察不影响被观察对象: 我看月亮,月亮不会因为我看了它就变了样子。

有了这些“常识”作为参照,我们再来看量子力学有哪些地方彻底颠覆了它们:

1. 叠加态:物体可以同时处于多种状态

这可能是量子力学最反直觉的概念之一。在我们的常识里,一个东西要么在这里,要么在那里;要么是开,要么是关;要么是向上转,要么是向下转。但量子力学告诉我们,在被测量之前,一个量子粒子(比如电子、光子)可以同时处于多种可能的状态的“叠加”。

想象一下薛定谔的猫。一个封闭的盒子,里面有一只猫,一个放射性原子,以及一个毒气装置。放射性原子有50%的几率衰变,如果衰变,就会触发装置杀死猫。根据量子力学的叠加原理,在我们打开盒子观察之前,这个原子既是衰变的,也是未衰变的。这意味着,猫也处于一种“叠加态”——既是死的,又是活的。

这个例子虽然是思想实验,但它形象地说明了叠加态的荒谬性。在我们宏观世界里,猫要么死,要么活,不可能同时处于两种状态。但到了微观世界,这就是常态。

2. 量子纠缠:超越空间和时间的神秘联系

如果你有两个纠缠在一起的粒子,它们的状态是关联的。无论你把它们分开多远——一个在地球,一个在月球——当你测量其中一个粒子的状态时,另一个粒子的状态会瞬间确定,而且与第一个粒子的状态是关联的。

例如,如果它们被制备成自旋相反的纠缠态,当你测量到第一个粒子自旋向上,那么你立刻就知道第二个粒子的自旋一定是向下,反之亦然。这种关联性,似乎是以一种“超光速”的方式发生的,这让爱因斯坦都感到不安,称之为“幽灵般的超距作用”。

这完全违背了我们关于“局域性”的常识。我们认为信息传递需要时间,而且不能超过光速。但量子纠缠似乎打破了这个规则,尽管它也不能用来传递信息(因为你不知道自己测量的是什么结果,除非通过经典信道告知对方)。但这种即时的关联性,依然是匪夷所思的。

3. 不确定性原理:测不准的命运

海森堡不确定性原理告诉我们,你不可能同时精确地知道一个粒子的位置和动量(或者说速度)。你对其中一个测量得越精确,对另一个的了解就越模糊。

想象一下,你想知道一辆车的位置和速度。你可以很容易地同时看到它的车牌(位置)和速度表(速度)。即使你用手电筒照它,也不会改变它的位置或速度太多。

但在量子世界,测量本身就会干扰被测量的对象。如果你想精确知道电子的位置,你就必须用某种探测器(比如光子)去“看”它。但这个光子携带的能量和动量,会不可避免地改变电子的速度。反之,如果你想精确知道它的动量,你就需要用一个动量更小的探测器,但这就意味着你对它位置的测量会变得非常模糊。

所以,量子粒子并没有一个确定的“瞬时位置”和“瞬时速度”,它们的状态更像是一种概率分布,直到你进行测量,它才“坍缩”到一个确定的值。这有点像你不知道一个硬币是正面还是反面,它在你手里旋转,你可以说它既是正面也是反面(叠加态),但一旦你让它落地,它就只能是正面或反面中的一种。

4. 量子隧穿:穿越障碍的能力

在我们的宏观世界里,如果你面前有一堵墙,你必须有足够的能量翻过去,或者找到门才能通过。但量子粒子有时可以“隧穿”过它们无法翻越的势垒,即使它们本身的能量不足以做到这一点。

想象一下,你把一个球扔向一个小山丘,如果球的能量不够高,它会在半山腰滚下来。但在量子世界,球有一定的概率会直接“穿过”山丘出现在另一边。这种概率虽然可能很小,但确实存在。

5. 波粒二象性:亦此亦彼的矛盾

量子力学认为,微观粒子同时具有波动和粒子的双重性质。有时它们表现得像粒子,有确定的位置和动量;有时它们又表现得像波,会发生干涉和衍射。

这就像说一个人既可以是固体,也可以是水。我们知道这是不可能的。但量子粒子就是这样,它们在不同的实验条件下会展现出不同的性质。例如,光子有时表现为粒子(光电效应),有时又表现为波(双缝干涉)。电子也是如此。

为什么我们的常识会失效?

最根本的原因是,我们构建常识的经验基础是宏观世界,那里的量子效应被极大地平均化、屏蔽掉了。我们可以把这些宏观现象看作是无数量子事件叠加、平均后的结果。就好比你无法用一滴水的特性来描述整个海洋。

想象一下,一个宏观物体是由无数个量子粒子组成的。这些粒子之间的叠加、纠缠、不确定性等效应,在宏观尺度下,因为概率的平均化,变得微乎其微,几乎可以忽略不计。所以,我们看到的宏观世界是稳定、确定、局域的,符合我们的直觉。

但是,当我们将目光投向构成物质最基本、最小的单位时,这些看似荒谬的量子法则就显现出来了,而且它们被无数实验反复证实,准确无误地描述着微观世界的运行规律。

量子力学不符合常识,但它就是现实。它揭示了我们惯常的直觉和经验,在触及宇宙最深层的奥秘时,是多么有限和局限。它迫使我们放下对“显而易见”事物的执着,去接受一个更加奇特、更加充满可能性的宇宙。正是这种对常识的颠覆,使得量子力学成为物理学中最具革命性、也最引人入胜的领域之一。

网友意见

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