为什么你理解不了量子力学？因为其中有一个关键概念没有定义清楚

#我在头条搞创作第二期#

我在欧洲读硕士期间，物理系的惠更斯楼就在我们系隔壁。

那里每周都会有来自世界各地的物理学大教授做公开讲座，正好我当时也对量子场论、超弦这些玩意感兴趣，于是一次不落地去听了所有相关讲座。

然而，以我的资质愚钝，再大的教授也没能把我讲明白，反而是越讲越迷糊。

不过也并非全无用处，至少他们勾起了我更浓厚的兴趣，于是我申请去听了一学期的量子力学课。

后来虽然所有的数学表达式都已经忘得一干二净，但我始终记着一个问题。

那就是当物体未被观测时是否存在？

对我来说，这个问题几乎就是所有量子世界反直观认知的汇聚点，弄明白这个问题，应该就算进了量子世界的大门。

为了让这个问题更加严谨，我们还需要定义其中的三个关键概念。

什么是物体？

什么是观测？

什么是存在？

我们可以把物体定义为“粒子相互作用所形成的宏观现象”。

那什么是“粒子”呢？

我们把它定义为被不断细分至人类可观测极限的物质单位。

这里又涉及到观测这个概念，什么是观测？

我们其实并不能直接“观测”物体，而只能借助“介质”，通过观察介质与目标相互作用后的状态变化从而间接判断目标的原状态。

例如我们看到红色的球，实际上是光子被球面反射回来打在我们的视网膜上，我们识别出了红色波段的光子，通过习惯联想判断球是红色。

但这种习惯联想靠谱吗？

其实不那么靠谱，往白球上打红光，我们依然会认为那是红球（当然又涉及到如何定义“红球”的问题，这里就不展开了）。

所以当我们说“观测”微观粒子时，其实也是这样的过程，我们需要发射另一个微观粒子作为观测介质与对象粒子发生作用，再通过观测作用后的介质粒子来判断对象粒子的原状态。

当然了，对介质粒子作用后的观测又是一次作用，发射介质粒子也是一次作用，再加上两个粒子之间的相互作用，实际上这一次观测至少存在三次作用。

严格地说，我们所得到的“观测结论”实际上是这三次作用的叠加，而并非单一的两个粒子之间的作用。

观测精度怎么样已经很难说了。

微观观测又不比宏观，你去用光子撞击白球反弹回接收装置，这种作用对球的影响微乎其微，可以忽略不计。

但是你用光子撞击另一个光子，就好比你用一个球去撞另一个球，那影响可就大了。

这就引出了量子的“不确定性原理”。

观测定义清楚了，“存在”也就好定义了，“被观测到”才叫存在。

也就是说，对象必须与观测介质发生作用，这种作用影响了观测介质的状态，而这种状态又可以被观测到，我们才能说对象存在。

反过来说，如果对象未被观测到，不论是因为没有去观测，还是去观测了但介质状态未被改变，都不能称之为存在。

不过我们最好也不要称之为“不存在”，或者可以叫它“未知”，也可以叫“无需讨论”。

一直以来，人们根据生活经验，习惯性地以为只要刀足够锋利，就可以把物体无限细分下去。

即便有一个终点，也是“至小无内”。

当然，也有另一种观点认为“有生于无”，所以“至小”应该是“有无之间”。

虽然后一种说法不大符合感性直观让人难以理解，但实验观测恰恰证明，物质的细分存在极限。

通过黑体辐射实验，人们观测到辐射能量极限与频率有关，但在频率一定的前提下，能量除以频率始终只能是一个常数的整数倍，也就是能量是按份来的。

而同频率下，决定最小份能量的是h，也就是普朗克常数，单位是“焦耳秒”，一份最小的能量就是（h*频率），同频率下所有可能的能量都是最小份数的整数倍。

根据E=mc^2等一系列公式可以求得，物质的普朗克质量、普朗克长度，普朗克时间等等。

所以在量子尺度上，不论是能量、质量、长度、时间……都不连续，而是离散的。

这种一份一份的能量就被取名为“能量子”，后来简称为“量子”，也就是我们前面所提到的“粒子”的基础单位。

粒子越来越接近量子尺度，就表现出“有无之间”的特性，这就产生了“波粒”之争，量子尺度下的物质究竟是波还是粒子？

伴随着光子的单缝衍射和双缝干涉实验，人们发现多次重复试验后，光子在感光屏上呈现概率分布。

于是德布罗意提出了“物质波”假设，认为粒子在未与外界发生作用前以概率形式存在，而概率分布曲线为波状，这与机械波有些相似，体现出来的就是所谓“波动性”。

不过需要注意的是，概率波与机械波虽然曲线形态相似，但实际上完全是两回事，概率波只是实验统计数据拟合，并不存在机械波中的振子振动。

而当一个概率波与其他概率波发生作用时，就可能产生“坍缩”，这就好比六合彩开奖，开奖之后就只有一个确定的状态，“中”或者“不中”，而不再存在其他“可能”。

个人倾向于将这种“坍缩”解释为“波的叠加”，也就是傅里叶变换的逆操作。

越多的波叠加，函数曲线越接近于直线，也就是概率始终接近于100%，体现在宏观上就是物体的确定性。

不过至于叠加多少才足够“坍缩”，目前看来似乎还未找到清晰界限，也就是说，宏观和微观的边界在哪里现在还不知道。

但个人以为，这似乎又是一个定义问题，概率达到99%算宏观，还是达到99.9999%算宏观？

好比从沙堆里每次拿出一粒沙子，多少次之后沙堆就不是沙堆了？

这只是一个人为定义的问题，暂时看起来，这种定义对构建模型影响甚微，倒不如暂时就说“量变产生质变”吧。

通过进一步的实验观测，人们发现不但粒子的“存在”是概率的，粒子的位置和动量也不能同时精确观测。

通过大量反复实验，海森堡得出了一个误差公式，即△q△p≥ħ/2（ħ=h/2π），这就是大名鼎鼎的“不确定性原理”。

海森堡对于“不确定性原理”的解释与我们之前以球撞球探测位置的解释类似。

因为德布罗意关系有f=ε/h（h：普朗克常量；ε： 能量。f： 频率），粒子能量与频率成正比，也就是频率越高，能量越大。

同时λ=uT（λ：波长；u：波速；T：周期），T=1/f，所以u=λf，当u固定为光速c时，λ与f成反比，也就是频率越大波长越小。

波长越小就相当于充当观测介质的球的直径越小，也就越能够缩小对象球的位置区间。

但因为介质球的动量太大，因此，在发生作用时对目标球的动量影响也越大，因此就产生了一个矛盾，越小的介质球越能判断对象球的位置，但却会把它撞飞，当然也就无法得到对象球的原动量了。

同年厄尔·肯纳德也发现了这一规律，只不过他的表述与海德堡不同，他认为这是粒子的“内禀属性”，换句话说“本来就那样”，跟“观测”没有关系。

那么这两位的表述究竟谁的对呢？

其实他们说的是一回事，关键问题就在于如何定义“存在”。

如前所述，“存在”可以定义为“被观测到”，观测到就是存在，观测到什么量就是什么量。

所以“被观测到”本身就可以被认为是“粒子”的内禀属性。

至此，海森堡的表述和厄尔·肯纳德等价了。

最后我们来回答最初那个问题，“当物体未被观测时是否存在？”

这下答案清晰了吧，这是一个伪问题，并不需要回答，因为“未被观测”于“存在”本身就已经存在矛盾。

这其实等价于在问“不存在的东西是否存在？”

它并非问题，而是病句。

至于为什么要把“存在”定义为“被观测到”？

你当然可以有自己的定义，可以定义为心里想到就是存在，甚至可以定义为上帝说存在就是存在。

对于这类基础概念，不论你如何定义都既不可证实，亦不可证伪。

要不怎么说“不可讨论”呢？

不过你定义出来这么一堆概念，对理解世界改造世界有什么帮助吗？

如果没有帮助，费那劲争得面红耳赤图啥？

我们相信辩证唯物主义，认为世界是物质的，物质是运动的，运动是有规律的，规律是可以掌握的。

不是因为它绝对正确，而仅仅是因为它有用。

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