“九”答不可 | 量子實體學為什麼這麼詭異？

神奇詭異的

量子力學

量子力學這個理論非常之怪，二十世紀人類物質進步的每一個重大環節，都跟量子力學有關。量子力學也是自然科學史上被實驗證明最精确的一個理論，但是量子的觀念，沒有人能夠了解。我說的沒有人能夠了解，絕不是指我們普通人，而是說連量子力學的創始人都不能了解。量子力學創始人有兩個，一個是愛因斯坦，一個是玻爾。他們一輩子都在争論量子力學的問題， “世紀大辯論”，結果還是不能了解。玻爾就說了，如果誰說他懂了量子力學，他就沒有真懂，因為量子力學連我們都沒有搞懂，這就是他們的觀點。那麼量子力學最不好懂的是些什麼問題呢？我先把量子力學中人們最不好懂的東西介紹給大家，而最不好懂的東西最後恰好是證明了：意識不能被排除在客觀世界之外。一定要把意識加進去你才能夠認識搞懂它。

量子（quantum）是現代實體的重要概念。最早是由德國實體學家M·普朗克在1900年提出的。

自從普朗克提出量子這一概念以來，經愛因斯坦、玻爾、德布羅意、海森伯、薛定谔、狄拉克、玻恩等人的完善，在20世紀的前半期，初步建立了完整的量子力學理論。絕大多數實體學家将量子力學視為了解和描述自然的基本理論。

 一個實體量如果存在最小的不可分割的基本機關，則這個實體量是量子化的，并把最小機關稱為量子。

通俗地說，量子是能表現出某物質或實體量特性的最小單元。

普朗克提出：像原子作為一切物質的構成機關一樣，“能量子”（量子）是能量的最小機關。物體吸收或發射電磁輻射，隻能以能量量子的方式進行。

1905年，德國實體學家愛因斯坦把量子概念引進光的傳播過程，提出“光量子”（光子）的概念，并提出光同時具有波動和粒子的性質，即光的“波粒二象性”。

 描寫微觀實體世界的實體理論是量子力學。量子力學是研究原子、分子以至原子核和基本粒子的結構和性質的基本理論，是近代實體的基礎理論之一。20世紀前的經典實體學隻适于描述一般宏觀條件下物質的運動，而對于微觀世界（原子和亞原子世界）和一定條件下的某些宏觀現象則隻有在量子力學的基礎上才能說明。另一方面，物質屬性及其微觀結構隻有在量子力學的基礎上才能得以解釋。所有涉及物質屬性和微觀結構的問題，無不以量子力學作為理論基礎。

量子力學的

三個詭異現象

關鍵詞

疊加态與坍縮

 量子力學的第一個詭異現象叫做态疊加原理和坍縮。

  為了解釋量子力學觀念，我先說說普通人的日常經驗。一個物體在某個時刻，一定會處在某個固定的狀态。比如說，我的女兒現在在客廳裡面，或者說我的女兒現在不在客廳裡面，兩者必居其一。隻有一個對，要麼在客廳裡頭，要麼不在客廳裡頭。這就是普通人的關于狀态的概念。一般人認為客觀物體一定要有一個确定的空間位置，這種存在，是不以人的意志為轉移的、是客觀的。這個客觀的定義，所有人都了解，而且認為這是天經地義的。

 但在量子力學裡就不一樣了。量子力學的基本原理就是微觀粒子可能處在疊加态，這種狀态是不确定的。例如電子可以同時處于兩個不同地點，電子有可能在A點存在，也可能在B點存在，電子的狀态是在A點又不在A點的疊加。這個話大家就不太了解了。聰明的人會說，你說電子既在A點又不在A點，就像說你的女兒既在客廳又不在客廳，女兒在不在客廳，你一看不就明白了嗎？這還用辯論什麼？但是恰好量子力學就認為，你要去看這個女兒在不在，你就實施了觀察的動作。你一觀察，這個女兒的存在狀态就坍縮了，她就從原來的，在客廳又不在客廳的疊加狀态，一下子變成在客廳或者不在客廳的唯一的狀态了。是以量子力學怪就怪在這兒：你不觀察它，它就處于疊加态，也就是一個電子既在A點又不在A點，既在B點又不在B點。好，你說我去觀察一下它在A點還是在B點。你一觀察，它這種疊加狀态就崩潰了，它就真的隻在A點或者真的隻在B點了，隻出現一個。那有人就會說了：你這是詭辯，你怎麼知道電子不觀察它的時候，它既在A點又不在A點呢？好，這就是量子力學發展過程中，很多實驗确證的事情，其中一個最著名最重要的實驗，就是幹涉實驗。

我先說一下幹涉實驗的概念（如上圖）。如果有一個波，經過了兩個狹縫，出來就變成兩個子波了，這兩個子波在随後傳播過程中就會出現幹涉。幹涉的意思就是這兩個子波在每個點都疊加，在有些點上兩個波的運動方向相同，波的振幅就加強；在有些點上兩個波的運動方向相反，振幅就減低，或者抵消為零。是以最後你觀察到的波就是一些幹涉條紋。如果看到幹涉條紋，你就知道你觀察到的是個波，而且這個波是在兩個狹縫同時出現的，也就是既在A點又在B點，因為隻有這樣的情況，波才能出現幹涉。

如果用電子來做實驗（如上圖），當每次隻發射一個電子的時候，這個電子通過雙狹縫打到電子屏上，激發出一個小亮點，這是電子的粒子性。但是事先也不知道電子會出現在螢幕上的什麼地方，結果多次重複，經過大量的觀察發現，這些電子不是完全沒有規律的。它有時出現在這裡，有時出現在那裡，在某些地方出現的可能性要大一些，在另一些地方則小一些。電子的規律就是，它出現頻率高的地方，恰好是波動規律所預言的幹涉條紋的亮處，而它出現頻率低的地方，對應于幹涉條紋的暗處。是以，大量的實驗證明：

 電子盡管是粒子，但是其運動像個波，而且每個電子必須同時出現在兩個小孔。因為隻有同時出現在兩個小孔，它才能幹涉。就如剛才說的，你沒有觀察它的時候，電子一定不會取一個确定的狀态，它一定是所有狀态都要同時存在，這樣它才能幹涉起來。這就是量子力學詭異的地方。這個性質，随後有很多很多應用。

 剛才說了，電子一定要同時存在于兩個可能的狀态，電子才能與自己幹涉起來。那麼如果我們觀察它，比如在兩個狹縫處設定探測器，電子會怎麼樣呢？電子一被觀測，就隻出現在一個狹縫上了，幹涉條紋立刻消失。這個狀态就叫做波函數的坍縮。就是你一觀察，電子就在一個确定的地方出現了。那麼有些人就想，我觀測它出現在确定的地方，它是不是早就出現在這個确定的地方，隻不過我們不知道而已？不對，剛才的幹涉實驗告訴我們，在沒有幹涉之前，它肯定出現在所有地方。假如, 當我們不觀察時，電子真的存在于某個地方，它便隻能通過一道狹縫，這就不能解釋實驗中觀測到的幹涉條紋。其實，嚴格的實驗已經完全排除了這種可能。電子在沒有觀測的時候，沒有确定的狀态。是以這件事是量子力學最詭異的事情。懂了這個，就懂了量子力學最詭異的東西，而且随後我們就能來證明：量子力學離不開意識，意識是量子力學的基礎。

單體的疊加态：薛定谔的貓

 剛才說的是量子力學第一個詭異之點，現在我們來看看這個詭異之點往下推論，能夠推出什麼結果。最後結果會使大家認識到，意識是量子力學的基礎，物質世界和意識不可分開。

 這個實驗是量子力學的創始人薛定谔提出的，被稱為“薛定谔的貓”。薛定谔的本意是想批駁量子力學和量子力學的态疊加，他認為一個東西既存在這個狀态，又存在那個狀态，像女兒即在客廳，又不在客廳一樣，那是荒謬的。他就想了個辦法來批駁量子力學，結果沒有批駁好，最後反而證明了量子力學最詭異的地方，也就是意識和物質不可分開。

現在我來說薛定谔的實驗是什麼（如上圖）：把一隻貓放進一個封閉的盒子裡，然後把這個盒子接到一個裝置上，這個裝置包含一個原子核和一個毒氣設施。原子核有百分之五十的可能性發生衰變，衰變的時候就會發射出一個粒子來，這個粒子一發出來就會觸發毒氣設施，毒氣一觸發就會殺死這隻貓，這是他想象中的一個實驗。根據剛才說的量子力學的态疊加原理，沒有觀察的時候，原子核是處于已經衰變和沒有衰變的疊加狀态，就是它既可能衰變了又沒有衰變，它是兩種狀态的疊加，就像電子既在A點又不在A點一樣，這個原子核既衰變又沒有衰變，50%幾率衰變，50%幾率不衰變。這個時候貓的狀态是可能活着，也可能死了，就是說貓也處于這種既死又活的疊加狀态。

 貓可能處于這種狀态嗎？聰明人可能會說：那你打開盒子一看不就行了嗎？但是打開盒子一看，就是作了觀測，貓就隻能是死或者活了。這個問題一提出來，實體學家一個個都驚呆了，原來以為隻有微觀世界才有這種态疊加，就是狀态不确定，既處于這個狀态，又不處于這個狀态。現在宏觀世界也一樣了，貓不就是這樣嗎？有一隻既死又活的貓。大家都不承認有這種狀态。但是量子力學的詭異之點，量子力學的态疊加原理就是說：你在觀察之前，貓就是處于既死又活的狀态。這個問題争論了很長時間。怎麼辦？量子理論很确定，這是毫無疑問的，如果沒有揭開蓋子沒有觀察，那薛定谔的貓的狀态是死與活的疊加，這隻貓永遠處于同時是死又是活的疊加态。這與我們的經驗嚴重違背。這個實驗實際上就是“女兒在客廳裡，女兒不在客廳裡”變了個樣子說出來。這個貓是死了還是活着？既死又活是同時存在的，量子力學就認為兩者同時存在。那麼怎麼可能既死又活同時存在呢？人不能想象這種狀态，于是大家就把這個實驗進一步讨論下去。

 1963年獲得諾貝爾實體學獎的維格納想了一個新的辦法，他說：我讓個朋友戴着防毒面具也和貓一起呆在那個盒子裡面去，我躲在門外，對我來說，這貓是死是活我不知道，貓是既死又活。事後我問在毒氣室裡戴防毒面具的朋友，貓是死是活？朋友肯定會回答，貓要麼是死要麼是活，不會說是半死不活的。他這個說法一出來大家就發現，問題在哪兒呢？一個人和貓一起呆在盒子裡，人有意識，意識一旦包含到量子力學的系統中去，它的波函數就坍縮了，貓就變成要麼是死，要麼是活了。也就是說貓是死是活，隻要一有人的意識參與，就變成要麼是死，要麼是活了，就不再是模糊狀态了。維格納總結道，當朋友的意識被包含在整個系統中的時候，疊加态就不适用了。即使他本人在門外，箱子裡的波函數還是因為朋友的觀測而不斷地被觸動，是以隻有活貓或者死貓兩個純态的可能。

維格納認為，意識可以作用于外部世界，使波函數坍縮是不足為奇的。維格納這個認識已經是量子力學界的共識了，确實隻能這樣認為。因為外部世界的變化可以引起我們意識的改變。大家想過沒有，牛頓第三定律說作用力與反作用力是相等的。我們的意識能夠受外部世界的影響而改變，大家都覺得沒有問題，對吧？人的意識就是受外界客觀世界的影響改變了，随時都在變化。那為什麼客觀世界就能改變意識，意識就不能改變客觀世界呢？他就說意識是能夠改變客觀世界的，意識改變客觀世界就是通過波函數坍縮，就是使不确定狀态變成确定的狀态，這樣來影響的。是以波函數，也就是量子力學的狀态，從不确定到确定必須要有意識的參與，這就是争論到最後大家的結論。

 自然科學總是自诩為最客觀、最不能容忍主觀意識的，現在量子力學發展到這個地步，居然發現人類的主觀意識是客觀物質世界的基礎了。因為量子力學是我們客觀物質世界最基礎的理論。剛才說過了，二十世紀人類技術進展都跟量子力學有關，而且量子力學經過了最精确的實驗驗證。量子力學的基礎就是：從不确定的狀态變成确定的狀态，一定要有意識參與。這是實體學的一個重大成就。

多體的疊加态：量子糾纏

 現在再來講量子力學第三個詭異之點，這個和前面講的狀态有關，是它們的直接結論，叫做量子糾纏。現代科學發現，對物質的研究，在進入分子、原子、量子等微觀級别後，意外非常大。出現了超導體、納米級、石墨烯等革命性的材料，出現從分子水準治愈癌症的奇迹。而最神奇的是——量子糾纏。

什麼是量子糾纏？

量子糾纏與“薛定谔的貓”是類似的，隻不過“薛定谔的貓” 講的是同一個東西處于不同的狀态的疊加，量子糾纏講的是如果有兩個以上的東西它們都處于不同的狀态的疊加，它們彼此之間有什麼關聯。

科學實驗發現，二個沒有任何關系的量子，會在不同位置出現完全相關的相同表現。如相隔很遠（不是量子級的遠，是公裡、光年甚至更遠）的二個量子，之間并沒有任何正常聯系，一個出現狀态變化，另一個幾乎在相同的時間出現相同的狀态變化，而且不是巧合。這就是量子糾纏。

 量子糾纏是經理論提出，實驗驗證了的。

 發展到今天，我們看到的世界，僅僅是整個世界的5%。這和1000年前人類不知道有空氣，不知道有電場、磁場，不認識元素，以為天圓地方相比，我們的未知世界還要多得多，多到難以想像。也許以後我們将面臨更多的實體坍塌和心理崩潰，但是，我們依然還要前行，探索和體驗更多的未知和奇妙。

原文釋出時間為：2017-12-11

本文作者：吳京平

本文來源：

九州量子

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