双缝实验、叠加态、坍缩、跃迁——扫盲量子力学

这是庐山面目的真面目第670篇原创内容，2021年第67篇。

本篇的主题关于量子力学。

作为一个文科生，我很崇敬物理学这个学科。论世界观，物理学是承担重任的，宇宙观、时空观都是物理学范畴，不懂相对论的人，一定还生活在牛顿的机械观世界里。论生活能力，物理学还是承担重任的，换个灯泡、修个电器都得懂物理。论对国家和世界的贡献，还是要靠物理学，两弹一勋、太空探索都依靠物理学。

而量子力学是现代物理学的重要领域，也是新的世界观的开启。文科生怎么有胆量写一篇关于量子力学的内容呢？答案是一本好书给了我勇气。

中信出版社2019年版《理性的边界》，作者诺桑·诺亚夫斯基，数学家、物理学家、计算机科学家。这是一本广受欢迎的科学哲学通识书，受到了欧洲数学学会、德克萨斯大学哲学系、伯尔尼大学哲学研究所、麦吉尔大学计算机系推荐。

这本书通过语言学、哲学、数学、物理学，告诉了我们人类理性有多局限，世界有多少未解之谜。

其中包括量子力学。量子力学是研究浩瀚星空的对立面，研究的是微观世界。

说到量子力学，就要从双缝实验说起。

简单说，就是用光源照向两条缝隙。透过缝隙的光，在墙面上的照影并不是均匀的。这也就是波粒二象性的来源。光波有波峰和波谷，会相互干涉，形成了不均匀的照影。就像在池塘里投入一块石子，水波之间相互荡漾。

而当物理学把照向两条缝隙的光源置换成单个光子时，不可思议的事情发生了：单个光子同时穿过两条缝隙。

这是令人惊叹的现象。

一个物体同时穿过两条缝隙，这是量子力学的重大秘密。

这种同一时间不止出现在一个地点的现象就叫叠加态。

叠加态是量子力学的主旨。

在现实世界，我们何曾能够想到，一个物体可以同时走两条路、出现在两个地方？关于我们为什么看不到叠加态，学界并没有完全一致的意见。已知的全部情况是，当我们检查量子实验的结果，系统就会从叠加态坍缩到某个特定的位置。为什么坍缩会发生，是量子力学的重大问题之一。

量子力学的世界里不再有确定性，而只有概率。

就像电子以叠加态在原子的所有外壳内环绕原子核运行，在我们观测电子位置的时候，电子坍缩至外层轨道上的概率是11.83%，坍缩到中层轨道上的概率是47.929%，坍缩到内层轨道上的概率是40.241%。电子的实际位置是无法确定的。

你很容易怀疑这种不确定性，因为其他物理规律都是确定的。你不是唯一怀疑的人，量子力学的先驱爱因斯坦也不相信。

海森堡测不准原理是量子力学的关键特征之一。

这个概念相对准确的定义是，在亚原子系统中存在某些成对性质，我们无法同时知道这些成对性质的值。比如，我们不可能同时知道一个运动中的亚原子的位置和动量。

我们先测量位置得到的动量，和先测量动量得到的位置，是不同的数据。

书中强调了一点，不能同时知道两个值不是我们今天的技术不够先进。显微镜和测量设备的进步，也解决不了测不准原理。人类了解世界的能力是有限的。

物理学家尤金·魏格纳在著名的薛定谔实验基础上更进一步，证明了一个骇人听闻的概念：世界上唯一能让叠加态坍缩的是人类的意识。但他不可能可以证明，相信也不可能被人类证明的是，意识为什么能让叠加态坍缩？

意识不是由物质实体构成的，却影响了宇宙的运转。

意识在叠加态中的作用，是与唯物主义矛盾的。这很正常，经典的唯物主义也只是一种解释世界的方法，随着信息量的增加而不断被检验。出现逻辑不融洽的时候，理论就需要被修改、完善。

量子纠缠是令很多人着迷的，是量子力学中违反直觉的方面。

在这本书里，自然也会有对量子纠缠的解释。

在量子力学中，存在自旋守恒法则。在一个实验的全过程中，所有亚原子粒子的自旋总量必须保持恒定。

如果一个没有任何自旋的粒子衰变成两个有自旋的粒子，两个粒子都会以叠加态的形式同时正自旋和反自旋。两个粒子中的每一个都处于两个自旋方向的叠加态。

当其中一个粒子被测量时，坍缩为某种方式时，另一个粒子必须立即坍缩为完全相反的方式，即便两个粒子相距光年之遥。也就是说，为了让宇宙维持自旋守恒，测量一个粒子的自旋会导致宇宙另一端的另一个粒子的自旋发生坍缩。所以叫量子纠缠。无论相距有多遥远，彼此的心相连（写歌词的毛病上来了。因为这篇内容太烧脑，我写一会不得不去唱一会歌）。

之所以反直觉在于，在所有此前已知的物理学中，物体只能影响附近的其他物体。这被叫做定域性。量子纠缠却表明，量子力学是非定域的。

更令人难以置信的是量子擦除实验。简单说，在实验中，光子竟然知道人类有没有使用仪器测量。使用仪器测量和不使用仪器测量，得到的是完全不同的状态。

粒子难道是有意识的？难道粒子可以预测未来？

作者在书中给出了让人无可辩驳的回答，如果粒子没有意识，人也没有意识。

量子力学中还存在诡异的量子跃迁。也就是电子从一层外壳跳跃到另一层外壳，但不经过外壳之间的空间。这反映出，在量子力学中，空间和时间都不是连续的，而是离散的。这是人类的大脑和理性完全无法想象的。

在这本书中，第一次看到对量子力学目前主要学派的概括和描述：

量子力学目前主要分为四个学派。

哥本哈根学派代表了大部分物理学家的正统观点，可以看做是主流。他们认为量子世界并不存在，只存在抽象的量子力学描述。这个学派认为并不真的存在某个根本的物质宇宙。在有意识的观察者测量性质之前，不存在任何值。在他们看来，物理学关注的问题是关于自然我们能够说些什么。所以，他们不能解释为什么量子力学是非确定性的或者叠加态如何坍缩，他们认为这些问题并不是科学问题。

作者评价道，这个学派有积极的一面也有消极的一面。

积极的一面是，如果关于量子力学意义的所有问题都不成立，那么就不存在问题了。消极的一面是，给人一种教条之感：这就是事情的样子，不应该问这问那的。就像如果有人相信只有当人们抬头看见月亮的时候它才在天上，他肯定是字面意义上的疯子。

多重宇宙论也叫多重世界假说，当一次测量发生时，不是某个叠加态坍缩到一个位置，而是整个宇宙分裂成了许多个不同的宇宙。不同宇宙之间没有联系，完全独立。

多重宇宙论有很多优点。首先不再有任何测量问题，其次建立了确定性，然后数学也简单得多。但这种解释并不为大多数物理学家接受，甚至被嘲笑。

缺点显而易见，其他宇宙在哪？宇宙分裂的机制是什么？只是因为一次小小的测量，宇宙就分裂了？（宇宙是多大的事，说分裂就分裂，闹着玩似的）

隐变量，存在某些隐藏的变量可以解释叠加态为什么坍缩到某个位置。重大优点之一就是确定性。赋予现象确定性是过去三千年科学的重大目标。不过隐变量的缺点也让大部分物理学家望而却步，比如方程和机制极为笨拙，即使拥有信息，也不容易计算结果。存在确定性规律，却不能帮助预测。

量子逻辑，对逻辑法则进行修饰，使它们能描述量子世界。创立这个学派的包括大名鼎鼎的冯·诺依曼。优点是它拥有从形式上搞清楚量子世界的能力。缺点是量子逻辑并没有真正消除怪异之处，只是回避了问题。

作者总结四个学派，认为对量子力学的四种解释都不令人满意。很可能这四种没有一个是正确的。或者我们永远也得不到正确的阐释。

目前没有科学实验能区分哪个学派是正确的。你相信宇宙拥有什么类型的性质，就更可能接受对应的学派。比如，如果相信宇宙是确定性的，那就会相信隐变量。如果追随奥卡姆剃刀原则（最小化），那么很可能会接受多重宇宙。

我认为下面这句话是这本书的核心，至少是之一：宇宙的根本性质处于人类的理性边界之外。

就我而言，量子力学开启了想象力，尤其是离散时空，是我经常会去想象的。了解量子力学，可以让我们的世界观跟上科学发展的前沿。品味量子力学，发现意识的作用被大大提升了，这与禅宗、阳明心学、身心灵，有很多相似的地方，基于不同的出发点。

但最终，任何知识只是人类理解和解释世界的方式，不是世界本身。