來(lái)源：中科院物理所

作者：Paul Austin Murphy

翻譯：Nothing

審校：藏癡

我們認(rèn)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(gè)叫法是邁克爾·布魯克斯（Michael Brooks）首先提出的。）許多量子性帶來(lái)的“怪異”例子都源于這一事實(shí)——至少是量子力學(xué)多種不同的詮釋帶來(lái)了這些怪異性。然而，無(wú)論量子物理學(xué)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(shí)看到的經(jīng)典粒子要小得多，小到讓人難以置信。正因?yàn)槿绱?#xff0c;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(yǔ)境中的詞匯是有問題的。甚至量子力學(xué)中的“波”這個(gè)詞也常常會(huì)誤導(dǎo)人。這主要是因?yàn)榱孔硬ê瘮?shù)僅僅是由方程表示的數(shù)學(xué)對(duì)象——嚴(yán)格來(lái)說，它們并不完全對(duì)應(yīng)于對(duì)現(xiàn)實(shí)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(shù)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(huì)發(fā)生相互干涉——就像海洋上的波浪一樣。因此，當(dāng)量子x和量子y干涉時(shí)，它們會(huì)相互疊加在一起。當(dāng)然，經(jīng)典物體不能與另一個(gè)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?cè)谶@里談?wù)摰牟皇墙?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(gè)經(jīng)典物體表現(xiàn)得像一個(gè)量子x，也會(huì)顯得很奇怪。但這并沒有發(fā)生。很多人之所以認(rèn)為量子現(xiàn)象很奇怪，主要是因?yàn)樗麄儼阉鼈儺?dāng)作經(jīng)典現(xiàn)象看待，但它們的行為卻非常非經(jīng)典。實(shí)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(dāng)邁克爾·布魯克斯使用“單個(gè)正核電荷，或者說質(zhì)子”這個(gè)詞時(shí)，他再次向我們展示了“粒子”這個(gè)詞的問題。這里我們肯定可以得出一份定義，也就是：

質(zhì)子=（單個(gè)）正核電荷

因此，在這種情況下，粒子只是一個(gè)正電荷?，F(xiàn)在，正（或負(fù)）電荷很難是粒子狀的——至少當(dāng)它孤立存在時(shí)是這樣的，因?yàn)樗鼈兛偸潜憩F(xiàn)出波的特征。即使一個(gè)質(zhì)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(zhì)量、大小等），“粒子”這個(gè)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(gè)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(gè)碳原子組成）的德布羅意波長(zhǎng)。富勒烯是一個(gè)巨大的量子“物體”，尺寸大約是米，或者說是萬(wàn)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(guān)系呢？

下面的討論盡可能接近量子力學(xué)中的經(jīng)典粒子。

當(dāng)波變成粒子時(shí)

正如已經(jīng)提到的的，當(dāng)兩個(gè)量子波相遇時(shí)，它們會(huì)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(gè)“加和”可以比兩列波單獨(dú)存在時(shí)表現(xiàn)得更像粒子。（這與馬克斯·玻恩在20世紀(jì)20/30年代的立場(chǎng)大致一致——詳見“玻恩法則”）。這種類似粒子的東西是兩個(gè)或多個(gè)量子波疊加的結(jié)果。換句話說，如果你把一個(gè)波谷和另一個(gè)波谷放在一起（或者把一個(gè)波峰和另一波峰放在一起），那么你會(huì)得到類似粒子或?qū)嶓w的東西。換言之，當(dāng)波被擠壓、融合或混合在一起時(shí)，它會(huì)變得更像一個(gè)堅(jiān)硬的實(shí)體……

當(dāng)然，所有這些詞語(yǔ)和描述在本質(zhì)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(gè)詞。這主要是因?yàn)槲覄e無(wú)選擇，所以只能這么做。

事實(shí)上，所有這些詞都屬于量子力學(xué)的解釋。這意味著，在解釋量子力學(xué)時(shí)，簡(jiǎn)單地使用單調(diào)的變量x、y等并沒有多大幫助。當(dāng)然，這對(duì)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(rèn)為，薛定諤波動(dòng)方程背后的終極實(shí)體既不是波，也不是粒子，因此它無(wú)法用我們能處理的任何術(shù)語(yǔ)來(lái)描述。

當(dāng)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(diǎn)。盡管如此，玻爾確實(shí)提出了一個(gè)需要解決的問題——即使人們不需要接受他的整體立場(chǎng)或解釋。（許多人確實(shí)不同意玻爾的觀點(diǎn)——尤其是阿爾伯特·愛因斯坦和后來(lái)的大衛(wèi)·玻姆等物理學(xué)家。）

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

美國(guó)理論物理學(xué)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(lái)表達(dá)他的觀點(diǎn)。他指出，在實(shí)驗(yàn)輸入和實(shí)驗(yàn)輸出（或觀察）之間，“我們無(wú)權(quán)談?wù)摯嬖谑裁础?。因?#xff0c;像“粒子”和“波”這樣的詞自然會(huì)受到懷疑——至少在這兩個(gè)詞用于實(shí)驗(yàn)過程中時(shí)（即，假設(shè)的龍的身體的“真實(shí)性”）是這樣的。

因此，在輸出之前（即，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)（或觀察），也就是當(dāng)量子波函數(shù)已經(jīng)“塌縮”時(shí)，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(rèn)為

一旦進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)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(lái)檢測(cè)某個(gè)物體在空間中的位置，你會(huì)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(shí)體。

這里的重點(diǎn)是，使用“粒子”一詞來(lái)指代龍身體上的東西，以及指代在“儀器檢測(cè)到物體的空間位置”之后的東西，都是可疑的。所以這個(gè)（本體的？）x不僅不是測(cè)量或觀察之前的粒子，也不是測(cè)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(gè)原子根本不能被視為一個(gè)“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(lái)說，原子核與整個(gè)原子極其不成比例。原子中的每個(gè)電子相比它所屬的原子更是小得令人難以置信。（相當(dāng)于直徑為2.5英里的圓上點(diǎn)了一個(gè)點(diǎn)。甚至更小！目前還沒有關(guān)于電子大小的準(zhǔn)確說法。）

當(dāng)然，大多數(shù)甚至所有（經(jīng)典）實(shí)體也由一個(gè)個(gè)的元素原子構(gòu)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(jié)

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?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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