為什麼量子力學總是讓人感到疑惑？_風聞

原創：中科院物理所

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典粒子而它們的行為卻表現得非常非經典。（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”例子都源於這一事實——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麼，需要量子物理描述的物體都不等同於經典物體，甚至不等同於或類似於塵埃、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的話説）“在量子尺度上，一切都是不同的”（也就是説，不僅僅是奇怪的）。這意味着使用“物體”、“粒子”等經典物理語境中的詞彙是有問題的。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僅僅是由方程表示的數學對象——嚴格來説，它們並不完全對應於對現實的描述。更具體地説，如果粒子是波，那麼波的干涉就沒有那麼奇怪了，波的疊加也沒那麼奇怪。（也就是説，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，由於沒有合適的詞彙，暫且用字母表示）和量子y會發生相互干涉——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，經典物體不能與另一個經典物體相互干涉——至少不能以和量子物體之間相同的方式干涉。經典x和經典y也不能處於疊加狀態。

然而，我們在這裏談論的不是經典物體，甚至不是經典粒子！

因此，為什麼量子x的行為不像經典物體，甚至不像經典粒子呢？反之，如果一個經典物體表現得像一個量子x，也會顯得很奇怪。但這並沒有發生。很多人之所以認為量子現象很奇怪，主要是因為他們把它們當作經典現象看待，但它們的行為卻非常非經典。實際上，我們只有以量子方式表現的量子現象——正如經典現象以經典方式表現一樣。

當邁克爾·布魯克斯使用“單個正核電荷，或者説質子”這個詞時，他再次向我們展示了“粒子”這個詞的問題。這裏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，因為它們總是表現出波的特徵。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，或者説是萬億分之一米！這究竟與海洋上的波浪或任何其他類型的經典（或宏觀）波浪有什麼關係呢？下面的討論儘可能接近量子力學中的經典粒子。當波變成粒子時

正如已經提到的的，當兩個量子波相遇時，它們會發生疊加。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。換句話説，如果你把一個波谷和另一個波谷放在一起（或者把一個波峯和另一波峯放在一起），那麼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，我們仍然在這裏使用“波”和“粒子”（以及“波谷”和“波峯”，更不用説“擠壓”、“融合”和“混合”）這兩個詞。這主要是因為我別無選擇，所以只能這麼做。

事實上，所有這些詞都屬於量子力學的解釋。這意味着，在解釋量子力學時，簡單地使用單調的變量x、y等並沒有多大幫助。當然，這對任何有興趣的外行都沒有幫助。煙霧巨龍的身體

儘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，薛定諤波動方程背後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·玻爾的言論並不意味着他同意玻爾的觀點。儘管如此，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·愛因斯坦和後來的大衞·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麼”。因此，像“粒子”和“波”這樣的詞自然會受到懷疑——至少在這兩個詞用於實驗過程中時（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後以這種方式描述量子x之間存在區別。然而，即使已經進行了實驗（或觀察），也就是當量子波函數已經“塌縮”時，使用這些經典詞彙可能仍然有問題。再次引用玻爾的話。根據布魯克斯的説法，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麼。

更重要的是，

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。

這裏的重點是，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”之後的東西，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）之後的粒子。

總而言之：經典的“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，那麼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，那麼該原子的邊緣（由其電子的外層軌道定義）的直徑將為2.5英里。因此，按比例來説，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。（相當於直徑為2.5英里的圓上點了一個點。甚至更小！目前還沒有關於電子大小的準確説法。）

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

作者：Paul Austin Murphy

翻譯：Nothing

審校：藏痴

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