对量子力学的迷惑

       如果说相对论难以理解的话，量子力学对人类思维的挑战达到了一个前所未有的高度。我有时觉得相对论还主要用于解释高速、大质量情况下的物理现象，而量子力学对微观物理现象的解释，离一般日常生活更近些。比如：芯片技术的不断发展，已经使得芯片制造工艺从90nm减小到14nm。晶体管栅极的宽度已经很小了，如果继续不断减小，由于量子隧道效应，有可能导致漏电发生。想要理解为什么会发生漏电，这已经与量子力学有关了。而广义相对论应用的对象，往往是巨大的星系或者是难以探知的黑洞，离我们人类的日常生活也太遥远了。

       其实人们对量子力学的关注还有一个重要原因。虽然广义相对论推导出的黑洞、宇宙膨胀等也令人吃惊，但不会动摇人们对意识与物质关系的看法。而量子力学领域的一些现象，让很多人宣布，意识才是世界的基础，应该是意识决定物质，而不是相反。在这些人看来，单光子双缝干涉实验和薛定谔的猫的思想实验，有力的证明了意识才是决定世界面貌的力量。我会分别介绍下单光子双缝干涉实验和薛定谔的猫的思想实验，以及人们对实验的解读。

       单光子双缝干涉实验是对经典的杨氏双缝干涉实验的改进。人们特意做了一种仪器，可以每次只发射一个光子。据说最近发射的墨子号卫星所进行的量子通信，也是利用单光子特性进行的通信。一次只发射一个光子的仪器，已经不再是研究障碍。用单个光子进行双缝干涉实验后，发现虽然单个光子打到投射面后，光子的分布是随机的，但是当实验重复足够数量后，依然在投射面可以看到干涉条纹。对此现象，很多人解释为单个光子同时通过了两个缝隙，自己与自己发生了干涉。

       这个解释有点让人困惑，单个光子同时通过两个缝隙，即单个光子会同时出现在空间的两个地方。感觉似乎有什么不对劲。我觉得更好的解释是，单个光子只通过了一个缝隙，只不过与大量光子一起运动时可以看成波一样，时间上先后发射的单个光子，虽然每个光子都是独立发射的，但在空间上依然保持波的分布。也就是说，虽然单个光子看不出波动性，但同一个光源发出的光子，不论是同时发射出来的，还是在时间上前后发射出来的，光子群在空间上或者时间上总会保持波状分布。我个人觉得这个解释更好，避免了单个光子同时在两个地方的思维困惑。

       波粒二象性不仅仅应该从空间上理解，也应该从时间上来理解。微观世界里粒子的运动规律不仅仅是在空间上以波的形态分布，在时间上也满足以波的形态分布。

       我觉得如果单个光子不是从一个光源中发射出来的，即使通过了双缝也不能形成干涉条纹。这个想法有待实验证实。可以准备两个光源，每个光源一次只发射一个光子。两个光源交替发生单个光子，或者按照一定比例交替发射，经过双缝后，在投射面上应该不会形成干涉条纹。另一个想做的实验是，加大发射单个光子之间的时间间隔。每隔一个小时发射一个光子，看看是否能形成干涉条纹。

       单光子双缝干涉实验还有一个现象让人迷惑。就是当实验人员在一个缝隙旁边放一个仪器观察单个光子到底是通过了哪个缝隙，会发现确实能测量到单个光子通过了哪个缝隙，但投射面上也不再出现干涉条纹。对此很多人解释为，人们试图测量的意识干扰了光子的行为，由此推论出意识可以使得波函数塌陷，意识决定了物质等等。

我觉得这种解释未免跳跃太大了吧。我看到的文章里都没有提到，用来观察单个光子通过缝隙的仪器是以什么原理观察到光子的位置的，所以我也不明白为什么不再形成干涉条纹。但是认为是由于参与实验的人员的意识导致了光子不再形成干涉条纹，还是令人费解的。我觉得更好的解释是，那个用来测量单个光子通过哪个缝隙的仪器干扰了光子的行为，导致干涉条纹不再出现，与人的意识无关。

量子力学里有个著名的不确定原理。我个人的理解是，在微观范围内，处于经典宏观大小的我们对微观范围内所有粒子所做的所有测量，都是对微观范围内所有粒子的强烈干扰。这个思路有可能能更好的解释，为什么当在一个缝隙旁边放一个仪器试图观察单个光子时，不再形成干涉条纹。当然具体是什么回事，我是不清楚的。但觉得总比认定是人类的意识导致的不再形成干涉条纹要好的多。

薛定谔的猫的思想实验是另一个令人困惑的方向。在这个思想实验中，微观不确定性与宏观物体的状态结合起来了。按照量子力学的解释，在盒子未被打开之前，猫的死活是不确定的，处于叠加状态。当盒子被打开一瞬间，由于人类的观察，导致叠加状态立即退化为确定状态。所以又是一个证明人类的意识可以决定物质状态或运动的实例。

我个人觉得这个解释也很牵强。尤其是在盒子未被打开之前，猫处于死和活的叠加状态，令人十分困惑。从逻辑上讲，即使盒子没有打开，猫也不会处于什么叠加状态，要么是死的，要么是活的。这里用波函数来定义猫的状态是不合适的。原因是只有一个粒子是不能形成波的。只能大量粒子的运动才能形成波，无论是在空间顺序上，还是时间顺序上。一个粒子的衰变，不能用波函数来描述，其衰变必然是确定的。这样猫也就不处于死和活的叠加状态。

只有大量粒子的运动才能用波函数来描述，这种运动不仅仅是空间上的密集，也可以是时间上的密集。微观范围内，波的形态不仅仅是空间上的，也是时间上的。在时间上先后出现的粒子如果是来自同一个源，则也可以呈现波的形态。

薛定谔的猫的思想实验中，如果存在有很多个等待衰变的粒子，则这些粒子的衰变在时间上应该满足波函数的规律，则可以确定在一段时间内是否有粒子衰变，从而可以确定猫是否死亡了。所以不存在所谓打开盒子观察的一瞬间，由意识导致定猫的生死的问题。

我的看法是，这个思想实验中错误的认为单个粒子的衰变是不确定的，导致后续的一系列的错误推导。这个认为单个粒子的衰变是不确定的看法，与认为单个光子会同时通过两个狭缝是一样的，都是错误的把波函数应用到单个粒子或单个光子上。我前面已经讲了，单个光子只通过了一个狭缝，没有自己与自己干涉，而是在时间上与后续的其他单个光子进行了干涉，其后续粒子的时间范围应该是与干涉条纹的波长之间有相关性。同样单个粒子也不处于衰变和不衰变的混合状态，其必然处于一个状态。只有足够多的粒子的衰变才呈现波的形态，有波峰，衰变概率高的地方，波谷，衰变概率低的地方。而当有足够多的粒子同时存在时，在一段时间内的衰变情况应该也与粒子的波长相关。这样猫在一段时间内的生死就是确定的了。单个粒子的衰变无法用波函数来预测，所以也不存在猫的叠加状态。

总之、微观范围的现象与我们日常处于的宏观范围的现象有很大区别。而量子力学可以精确的描述微观范围的现象，也导致了很多困惑。我个人不是学物理，只是从认知的高度，把量子力学看成是一种基于统计的理论，其对大量粒子运动的描述是正确的。但量子力学不能用于描述单个粒子的运动。特别的，要注意的是，大量粒子不仅仅是一定空间范围里同时存在的粒子，也可以是一定时间范围里一定空间范围先后出现的粒子。仅仅从空间角度看到的单个粒子的怪异行为，从时间角度观察更多的粒子后，其应该是不怪异的，满足波动性的要求。

我认为由于我们人类处于宏观这个级别，导致无法搞清楚微观范围内单个粒子或光子的行为。波函数的本质是从统计学的角度了认识微观范围的规律，其正确性不能用于描述单个粒子或光子运动。量子力学对微观粒子的描述，应该是符合空间维度中存在多粒子的情况、或者是时间维度中存在多粒子的情况。无论是空间维度或时间维度一定数量的粒子会呈现波形态的运动规律。而当一定数量的粒子的数量，增加到某个未知的阈值时，就不再呈现波形态的运动规律，而变成了宏观粒子的运动规律（光子例外，光子没有质量，数量再多也不会按宏观粒子的规律来运动）。这个数量阈值附近，会有什么神奇的发现，也许是未来物理学的一个研究方向。