给忙碌者的量子力学课

发刊词：为什么你应该学学量子力学？

为什么应该学习量子力学：跟上这个世界的变化，升级你的世界观

为什么说学量子力学一个理由就够了？
第一，目前科学家已经发现的全部自然科学知识，除了广义相对论，其他的所有都回去在了量子力学这里

量子力学已经解决了宇宙文物的绝大部分秘密。当然量子力学没有回答全部的终极问题，比如时间和空间的本质是什么。不过，不管最后的答案是什么，这个世界的解释权，一定是由量子力学主导的

量子力学创始人玻尔曾经说过一句名言：如果你听了量子力学没有感到困惑，那你一定一句都没听懂。

第三点是，量子力学还在重新塑造人类的精神世界

爱因斯坦曾经说，上帝不掷色子。他的意思是说，世界应该是确定性的。但是他错了。量子力学告诉我们这个世界有概率性的一面。

例如，当还没用屏幕拦截到一个光子时，光子就存在于屏幕前的所有地方。如果拦截光子时，光子就只出现在屏幕的一个地方，反复这样拦截后，光子在屏幕上会形成一个图案，这次在这里，下次在那里。你知道，光子一定会出现在这个图案当中，但是就是不知道，它会出现在这个图案的哪一个点上

爱因斯坦说过一句话我很赞同，他说：“理论决定了你能观察到什么”没有理论，很多现象，你就算想破脑袋，也得不到正确的答案。

哥本哈根解释：谁才是最正确的解释？

对于量子力学的解释很多，但也存在共识。例如大海上漂浮着一座冰山，冰山分成两部分，一部分在水上面，一部分在水下。在水上能看到的，就是我说的共识。具体来说，量子力学的共识就是指各种各样的实验现象。

薛定谔方程是由量子力学奠基人之一的薛定谔提出来的，除了实验之外，薛定谔方程很管用，这也就是我说的共识。

薛定谔的猫：，薛定谔设想，把一只猫和一个量子装置关在一个盒子里。这个装置里有一个放射性原子和一个毒药瓶。
如果原子发生衰变，就会把毒药瓶打破，把猫毒死。但如果它不衰变，毒药瓶就不会破，猫也能继续活着。
那么猫到底是死还是活？很抱歉，盒子里到底是什么情况，你必须打开盒子以后才知道
如果我们弄一万个这样的盒子，把他们全部打开，那我们就会看到，大概五千只猫活着，五千只猫死了。这两种情况各站50%。这个概率分布式物理学家的共识。

对于此有三种解释：

1. 打开盒子之前。这只猫同时处于“即死掉又活着的状态”，这是一种状态不是两种。不过一打开盒子，这个奇怪的状态消失了，变成了要么死，要么活。这种解释就是哥本哈根解释。它的提出者是以物理学家玻尔为代表的哥本哈根学派。

2. 再打开盒子会前，猫要么死了，要么活着，绝不可能处于即死又活的状态。当打开盒子之后，不过就是看到了盒子打开之前的状况。

3. 打开盒子之前，猫确实即死又活。在打开盒子的那一刹那，我们所在的宇宙分裂了，变成了两个不同的宇宙，其中一个宇宙的你看到了活猫，另外一个宇宙的你看到了死猫。两种概率各50%。这叫平行宇宙解释，它的提出者是物理学家费曼的师弟，艾弗雷特三世。它满足了量子力学的一条基本假设，叫信息守恒，信息无论如何都不能丢失。

判断一种解释的对错，必须增加新证据

划重点

1. 量子力学既有共识，又有分歧。
2. 共识是薛定谔方程很管用和实验看得见的地方；分歧就是16种解释，和实验看不见的地方。
3. 目前我们还需要更多的实验证据，才能区分这些解释谁对谁错。
4. 我会选用一种尽可能贴近薛定谔方程的解释，让分歧不再是问题。

波粒二象性：量子到底是什么？

万物是由原子组成的，而且具有波粒二象性

以往我们所看到的电视上，都是电子围绕着原子核转动的动画，他们都是点粒子。但是其实这是错误的，不单单是原子核电子，世界上所有的粒子，都不应该简单的把他们看作一种点状粒子。“量子等于粒子”的概念是错误的。

物理学家费曼提出：万物是由原子组成的，这句话其实还有后半句，就是“原子都具有波粒二象性”

对量子就是波粒二象性。

二象性说的是一个东西同时拥有两种性质。那所有粒子，除了都具有点粒子的性质之外，还同事具有波的性质，这就叫波粒二象性。

一个现实的例子是，在游乐场中，面前有一堆海洋球，每一个球就像是一个粒子，这就是粒子性，如果你到一堆球里，海洋球就会像波浪一样涌动出去，这就是波动性。

一堆海洋球，既有粒子性，又有波动性，他同时拥有两种不同的性质，这就叫波粒二象性。但是，量子说的波粒二象性还跟这个有点不一样。量子的意思是说，现在没有一堆球，只有一个球，你从这一个球身上，也能看到一堆球才有的那种波动性。而且这还不够，这种粒子身上的波，还得像池塘里的水波一样，是连续的，能覆盖一大片范围。这好比就是说一滴水就是一片海洋，一个人就是一支队伍

一个电子不是像一颗卫星一样围绕原子核在转动，而是像一大堆卫星一样，同时处于原子核周围的各个地方，并同时以各种各样的速度，同时沿着各种各样的“轨迹”，绕着原子核运动。

乍一看去，电子就像一朵云一样，把原子核包裹了起来。只不过，云的形状是有特殊要求的。

请不要忘了，所有粒子既是连续的波，同时也是不连续的点状粒子。这才是波粒二象性。如果你单纯地把粒子想象成云，只记得它有波动性，忘记它同时有粒子性，那你就从一个极端，进入了另一个极端，这同样不可取。

原子能机构宁愿使用一个错误logo表示原子，因为他们无论怎么画都不对，只能选择一个大众最容易接受，最容易记住的版本。

中学的课本的道理也一样，它只强调粒子性，单纯使用粒子的视角看待量子，其实也是一种无奈

同时用波和粒子的视角描述原子，你才能正确理解量子
既然波粒二象性没法用通常的语言说清楚，那么我们到底应该如何理解量子的概念呢？

一，把粒子看成波；二，把波看成粒子；三，同时使用波和粒子的视角。

一束波可以同时处于好几个状态。你在听交响乐的时候，能够从一束声波里，同时听出好几种不同的乐器声，就是这个道理。这种状态叫叠加态。所以，粒子也可以处于一种量子的叠加态中

电子同时处于原子核周围的所有位置上，形成了一朵电子云，说的就是量子的叠加态。我们说薛定谔的猫，处于既死又活的状态，也是量子的叠加态。如果你拒绝承认量子就是波粒二象性，你会发现粒子的行为完全没法理解。

电磁波也是这样，它平时是波，看不出来哪儿像粒子，但是当你要吸收它的时候就会发现，你只能在某个空间点上，一份一份地吸收它。现在我们知道，其中一份波就叫作光子。

划重点

1. 量子就是波粒二象性。
2. 你不能单纯以波或粒子的视角看待它，而要同时以波和粒子的视角看待它。
3. 物理学家正是学会了这种看待方式以后，才真正理解了量子力学，并在它的指导下，长出更多学科的知识。

---

References

1. 得到