來源：中科院物理所

作者：Paul Austin Murphy

翻譯：Nothing

審校：藏癡

我們認為量子粒子很奇怪的主要問題是將量子粒子視為經(jīng)典粒子而它們的行為卻表現(xiàn)得非常非經(jīng)典。（或者，問題是將量子粒子視為“物體”，這個叫法是邁克爾·布魯克斯（Michael Brooks）首先提出的。）許多量子性帶來的“怪異”例子都源于這一事實——至少是量子力學多種不同的詮釋帶來了這些怪異性。然而，無論量子物理學家處理的是什么，需要量子物理描述的物體都不等同于經(jīng)典物體，甚至不等同于或類似于塵埃、沙子或玻璃這些事物。

量子粒子相比我們平時看到的經(jīng)典粒子要小得多，小到讓人難以置信。正因為如此，幾乎（用Philip Ball的話說）“在量子尺度上，一切都是不同的”（也就是說，不僅僅是奇怪的）。這意味著使用“物體”、“粒子”等經(jīng)典物理語境中的詞匯是有問題的。甚至量子力學中的“波”這個詞也常常會誤導人。這主要是因為量子波函數(shù)僅僅是由方程表示的數(shù)學對象——嚴格來說，它們并不完全對應于對現(xiàn)實的描述。

更具體地說，如果粒子是波，那么波的干涉就沒有那么奇怪了，波的疊加也沒那么奇怪。（也就是說，將量子的x視為波也是有問題的——正如剛才所述。）

從技術上講，量子x（即尚未命名的東西，由于沒有合適的詞匯，暫且用字母表示）和量子y會發(fā)生相互干涉——就像海洋上的波浪一樣。因此，當量子x和量子y干涉時，它們會相互疊加在一起。當然，經(jīng)典物體不能與另一個經(jīng)典物體相互干涉——至少不能以和量子物體之間相同的方式干涉。經(jīng)典x和經(jīng)典y也不能處于疊加狀態(tài)。

然而，我們在這里談論的不是經(jīng)典物體，甚至不是經(jīng)典粒子！

因此，為什么量子x的行為不像經(jīng)典物體，甚至不像經(jīng)典粒子呢？反之，如果一個經(jīng)典物體表現(xiàn)得像一個量子x，也會顯得很奇怪。但這并沒有發(fā)生。很多人之所以認為量子現(xiàn)象很奇怪，主要是因為他們把它們當作經(jīng)典現(xiàn)象看待，但它們的行為卻非常非經(jīng)典。實際上，我們只有以量子方式表現(xiàn)的量子現(xiàn)象——正如經(jīng)典現(xiàn)象以經(jīng)典方式表現(xiàn)一樣。

當邁克爾·布魯克斯使用“單個正核電荷，或者說質子”這個詞時，他再次向我們展示了“粒子”這個詞的問題。這里我們肯定可以得出一份定義，也就是：

質子=（單個）正核電荷

因此，在這種情況下，粒子只是一個正電荷。現(xiàn)在，正（或負）電荷很難是粒子狀的——至少當它孤立存在時是這樣的，因為它們總是表現(xiàn)出波的特征。即使一個質子（或另一種粒子）還包含除了電荷之外的其它特性（如自旋、質量、大小等），“粒子”這個詞似乎仍然不太合適……但也很有用！

如果我們回到量子物體是波這個描述，一種展現(xiàn)這種描述的不合理之處的方法（在許多方法中）是闡明富勒烯分子（由60個碳原子組成）的德布羅意波長。富勒烯是一個巨大的量子“物體”，尺寸大約是米，或者說是萬億分之一米！這究竟與海洋上的波浪或任何其他類型的經(jīng)典（或宏觀）波浪有什么關系呢？

下面的討論盡可能接近量子力學中的經(jīng)典粒子。

當波變成粒子時

正如已經(jīng)提到的的，當兩個量子波相遇時，它們會發(fā)生疊加。該疊加是任意給定位置的兩列波的加和。此外，這個“加和”可以比兩列波單獨存在時表現(xiàn)得更像粒子。（這與馬克斯·玻恩在20世紀20/30年代的立場大致一致——詳見“玻恩法則”）。這種類似粒子的東西是兩個或多個量子波疊加的結果。換句話說，如果你把一個波谷和另一個波谷放在一起（或者把一個波峰和另一波峰放在一起），那么你會得到類似粒子或實體的東西。換言之，當波被擠壓、融合或混合在一起時，它會變得更像一個堅硬的實體……

當然，所有這些詞語和描述在本質上都是類似的！

換言之，我們?nèi)匀辉谶@里使用“波”和“粒子”（以及“波谷”和“波峰”，更不用說“擠壓”、“融合”和“混合”）這兩個詞。這主要是因為我別無選擇，所以只能這么做。

事實上，所有這些詞都屬于量子力學的解釋。這意味著，在解釋量子力學時，簡單地使用單調(diào)的變量x、y等并沒有多大幫助。當然，這對任何有興趣的外行都沒有幫助。

煙霧巨龍的身體

盡管文章開頭引用了邁克爾·布魯克斯的一段話，但他在同一本書的其他地方還寫道：

玻爾認為，薛定諤波動方程背后的終極實體既不是波，也不是粒子，因此它無法用我們能處理的任何術語來描述。

當然，布魯克斯僅僅引述尼爾斯·玻爾的言論并不意味著他同意玻爾的觀點。盡管如此，玻爾確實提出了一個需要解決的問題——即使人們不需要接受他的整體立場或解釋。（許多人確實不同意玻爾的觀點——尤其是阿爾伯特·愛因斯坦和后來的大衛(wèi)·玻姆等物理學家。）

約翰·惠勒（John Archibald Wheeler，1911——2008）

美國理論物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒也研究了這些問題，或者至少是類似的問題。他用“煙霧巨龍”的形象來表達他的觀點。他指出，在實驗輸入和實驗輸出（或觀察）之間，“我們無權談論存在什么”。因此，像“粒子”和“波”這樣的詞自然會受到懷疑——至少在這兩個詞用于實驗過程中時（即，假設的龍的身體的“真實性”）是這樣的。

因此，在輸出之前（即，在實際實驗或觀察之前存在和發(fā)生的情況）將量子x描述為“粒子”或“波”，與在實驗或觀察輸出之后以這種方式描述量子x之間存在區(qū)別。然而，即使已經(jīng)進行了實驗（或觀察），也就是當量子波函數(shù)已經(jīng)“塌縮”時，使用這些經(jīng)典詞匯可能仍然有問題。

再次引用玻爾的話。根據(jù)布魯克斯的說法，玻爾認為

一旦進行了測量，測量的類型將決定我們可以看到什么。

重要的是，

例如，如果你使用一種儀器來檢測某個物體在空間中的位置，你會看到在空間中有明確位置的物體——也就是我們稱之為粒子的實體。

這里的重點是，使用“粒子”一詞來指代龍身體上的東西，以及指代在“儀器檢測到物體的空間位置”之后的東西，都是可疑的。所以這個（本體的？）x不僅不是測量或觀察之前的粒子，也不是測量（或觀察）之后的粒子。

總而言之：經(jīng)典的“粒子”一詞在所有量子情況下都是有問題的。

注：

如果將量子粒子視為粒子（或物體）是有問題的，那么把原子看成粒子也是有問題的。

也許一個原子根本不能被視為一個“物體”。畢竟，如果氦原子的原子核被視為檸檬大小，那么該原子的邊緣（由其電子的外層軌道定義）的直徑將為2.5英里。因此，按比例來說，原子核與整個原子極其不成比例。原子中的每個電子相比它所屬的原子更是小得令人難以置信。（相當于直徑為2.5英里的圓上點了一個點。甚至更小！目前還沒有關于電子大小的準確說法。）

當然，大多數(shù)甚至所有（經(jīng)典）實體也由一個個的元素原子構成，因此這本身沒有問題。

原文鏈接：Quantum Particles are Neither Classical Particles Nor Weird Objects

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的为什么量子力学总是让人感到疑惑？的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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