沒了它，你連手機都玩不了_風聞

無論是否真的接觸過量子力學，很多人都會用“遇事不決，量子力學”這句話，對一些難以解決的問題插科打諢一番。

當編劇不知道如何解釋科幻電影中的技術時……選“量子”準沒錯。圖片來自網絡

其實在真正的量子力學裏，也有一些“不決”，比如大家可能聽説過的“測不準原理”。不過，“測不準原理”是個不正確的名字，並且會造成對這個原理本質的誤解，它真正的名字叫做“不確定性原理”。

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對原理的建議解釋

不確定性原理的意思是説：粒子的位置和動量不可能同時確定。它的位置越清楚，就越不確定它跑得到底有多快。反之亦然，它的快慢越確定，位置就越模糊。並且，這種不確定性是個量化了的具體值，並非一個拍腦袋的哲學概念。

剛才我們説過，“測不準原理”這個名字不對。但是，從這個錯誤名字的含義入手，來了解不確定性原理，是許多科普書籍（包括霍金的著作）以及大學物理基礎教學的迅速簡易的方法，甚至是海森堡本人最初的理解。我們不妨也從這裏開説。

想象我們測量一個粒子的狀態，測量之前，我們對它一無所知——就像黑屋子裏有隻黑貓，我們得拿燈照着，才知道它在哪裏。

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可是，如果這隻貓弱不禁風，一開燈它就被燈光撞飛了。那麼，我們就無法判斷它本來就在飛，還是被燈光撞飛的。所以我們得把燈光的能量調低一些，別干擾我們的觀測對象。

燈光的能量不是由亮度決定的，而是它的頻率。在可見光的波段，就表現為光的顏色：紫光比綠光的能量高，綠光比紅光的能量高。這一點可能有點反直覺，不過大家想想X射線胸透：用來胸透的 X 射線其實很微弱，但是 X 射線頻率很高，比紫外線還厲害，每個光子的能量都是電離輻射的級別，照得多了足以出健康問題。

電磁波譜圖，從左到右波長逐漸變大，頻率逐漸減小。圖庫版權圖片，不授權轉載

回到正題上來，調低能量的意思就是降低光的頻率。比如本來用紫光照明的，就改成紅光照明，這隻弱不禁風的小黑貓就不會被撞得太狠，我們就知道它本來的運動狀態了。

可是，改成紅光之後又出了個新問題：紅光的波長太長，超過了黑貓的尺寸，從它身上繞過去了。或者，即使發生反射，我們所探知的位置，取值範圍也在一個波長以內，誤差挺大的。

所以，要麼我們看不清黑貓在哪裏，要麼我們不知道黑貓的運動狀態。一個精度上去了，另一個精度就會下來，“測不準原理”也就出現了。

這個解釋雖然比較易懂，給大家的感覺卻是：人類的科技能力不夠，假如我們找到新方法，或許可以在不打擾觀測對象的情況下獲取它的狀態。

實際上的不確定性原理説的則是：不確定性是粒子的內在屬性，不管你測不測量，它的位置和動量都不可能同時確定。

要注意，是“不可能同時確定”，不是“不可能同時被確定”。

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兩個簡易推論和其他影響

大家曾經以為，假如我們能測量一切粒子的狀態，那麼根據一組物理定律，就可以推演它們的未來狀態，那麼世界的未來演化也就瞭然於胸了。這甚至包括我們的思想，因為思維的物質基礎也是神經元的電脈衝呀。

但不確定性原理則直接否定了整個前提，粒子的狀態本身都不確定，再多物理定律也沒什麼用了。量子力學的發展揭示了更多事實，比如狀態本身並非“非黑即白只是我們不知道它是黑還是白”的不確定，發展到後來“既是黑又是白只有看一眼才勉為其難給你一個黑白”的疊加態（量子態測量隨機性），就更是把科學決定論逼上了絕路。

熱力學第三定律從純經典的角度來説：絕對零度無法到達。而從不確定性原理來説，也是一個直截了當的推論：所謂絕對零度，就是組成物質的分子原子位置確定，並且不再移動。這樣就同時確定了每個粒子的位置和運動狀態，和不確定性原理相違，所以是不能達到的。

不確定性原理的提出，更是引發了更多著名事件，例如愛因斯坦和玻爾在索爾維會議上的論戰、“薛定諤的貓”、EPR佯謬、暗戳戳拉偏架支持愛因斯坦的的貝爾不等式、以及貝爾不等式被證實不成立。2022 年的諾貝爾物理學獎頒給了三位實驗推翻貝爾不等式的科學家，就是這一系列的餘波。

2022諾貝爾物理學獎，以糾纏光子驗證貝爾不等式不成立。

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對物理熱詞的誤解

量子力學揭示的物質世界基礎，和宏觀世界的表現太不相同，非常反直覺，所以遭到種種質疑和誤解。這一點很正常，作為量子力學的奠基者，連愛因斯坦和薛定諤都疑慮重重，大家有什麼不可置疑的呢？

不過，對愛因斯坦和薛定諤的質疑，大家也是有很多誤解的。很多人以為他們兩位反對量子力學，其實他們並不反對量子力學本身，而是反對海森堡所在的哥本哈根學派對量子現象的詮釋。也就是説，如何用宏觀世界的語言來解釋量子力學研究中看到的現象。

正如上面的不確定性原理一樣，如果解釋“測不準原理”，大家都比較容易接受，而如果説粒子本身就不確定，就需要用數學來表達，在宏觀世界裏找不到可以類比的具體東西。

另一個誤解就是認為量子力學就是“這也不確定，那也不確定”，其實並不是這樣。即使不確定性原理否定了精準測量粒子狀態的可能性，粒子狀態的概率分佈及其演化過程卻可由薛定諤方程精密確定。該有粒子的地方就可能會有，不該有的地方就絕不會有，一點都不含糊，只是當你去觀察測量它時，它會按確定的概率分佈，隨機地給你一個結果。

正是因為量子力學非常反直覺，它被包括愛因斯坦在內的物理大神們狠狠檢視過，是史上被審核得最嚴厲的學説，但是（目前）實在挑不出錯，它所作出的預言也被實驗一一證實，而“這也不確定，那也不確定”的打哈哈理論是不可能有什麼預言的。

舉兩個關乎我們生活的量子力學的實例：

第一是半導體理論。半導體的能帶概念是量子力學延伸出來的。如果量子力學不成立或者無法做出精確預言，那麼半導體物理也不可能成立，咱們用來看這篇文章的手機、電腦就不會存在。

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第二是太陽發光。愛因斯坦的質能方程只揭示了一個方面，而太陽的温度太低，遠遠達不到氫核聚變所需要的温度，如果沒有薛定諤方程所揭示的隧道效應，太陽是不可能發光的；或者，即使達到了核聚變所需温度，聚變反應也會是氫彈爆炸式的，整顆恆星瞬間灰飛煙滅，而不是現在這樣，既能發生反應，又保證反應率極低，像個堆肥一樣穩定產能。

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還有一個誤解，是量子力學就是“這也量子，那也量子”，什麼都是一份一份給的，是個不連續的數字世界，進而腦補“我們都是程序，生活在一個巨大的操作系統中”。其實看似不連續的量子世界是由各種連續的方程算出來的，被概率分佈的波峯波谷約束的看似不連續而已。

許多媒體提起量子力學裏的概念時，喜歡用“雙縫實驗有多恐怖？”“智子通信要實現了嗎？”“掌握量子糾纏，你也能瞬移！”這樣一驚一乍的標題。我們對量子力學要以平常心來看待，微觀世界是整個世界的物質基礎，量子力學預言的範圍也覆蓋了宏觀世界，我們不妨認定它的奇妙表現是世界本來該有的樣子，再好好反思一下：

“數學計算出來這麼自然而然的東西，為什麼宏觀世界卻這麼不好打比方呢？”

作者：曲炯 科普作家 作品發表於國家博物館、國家航天局等

審核：張文卓 誇密量子CEO、原中國科學技術大學墨子號團隊副研究員

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