深层解读量子力学的不确定性,其本质到底是什么?

路昭观看科技 2024-12-28 01:09:34

坦白讲,就三个字:不知道!

物理学界的佼佼者们智勇兼备,但在量子世界的奥秘面前,他们也同我们这些平凡的大众一样,皆是迷雾之中的求索者。

然而,“无知”亦分三六九等。物理学者们并非对量子领域的底层运作一无所知,他们对量子力学的洞察与理解,自然远胜于常人。

正如无人能彻底洞察世界的终极真理,但这并不妨碍我们探索世界的脚步,随着研究的深入,我们逐渐逼近世界的秘密。

量子领域亦是如此,虽然物理学者们尚未揭示量子世界为何会呈现出那般奇异的不确定性,亦未明了量子力学为何是量子世界的主宰,但他们确信量子力学的真实不虚。

简而言之,量子力学仅是物理学者们在研究量子世界时所发现的自然规律,人类无法创造或消灭这一规律,仅能发现并利用之。

许多人心存疑虑:为何量子世界不容微观粒子同时具有确定的位置与速度?实际上,这种质疑无根据,或曰,质疑的方向有误。

并非量子世界不允许,而是量子世界本就如此,物理学者揭示了微观粒子的不确定性这一事实,至于为何存在不确定性,无人能解,至少目前我们一无所知。

那么,物理学者们又是如何理解量子世界的不确定性呢?

存在一公式能描述微观粒子的位置与速度的不确定性关系,即位置的不确定性与速度的不确定性的乘积,至少是一个常数。

这个常数与普朗克常数相关,极小,但大于零。这表明微观粒子的位置与速度的不确定性不可能为零。而不确定性的零意味着确定性。因此,微观粒子的位置与速度皆具有不确定性,两者均无法确定。

尽管目前未知,物理学者们尚不明了量子世界何以存在不确定性,但他们从未停止过对这一现象背后本质的探索。

网络上关于不确定性的科普,有观点认为是人类的观测行为导致了微观粒子的位置与速度的不确定性。言下之意,无论以何种方式对微观粒子进行观测,总需借助光,光子必须照射到微观粒子才能完成观测。

而光具备能量,这能量自然会对微观粒子的位置与速度产生影响,干扰其运动状态。

这一观点易于为大众所接受,因其既易理解,又符合我们的日常经验。

然而,这种解释并不严密。所谓的“不确定性”并非因人类的观测行为所引起,而是量子世界的固有属性。即便不存在任何观测行为对微观粒子造成影响,这种不确定性依旧存在。

若微观粒子的不确定性源于人类的观测干扰,那么意味着在观测之前,微观粒子已有某种确定状态,这与不确定性的本意相悖。

诸多实验早已证明微观粒子的不确定性是客观存在的,而观测行为仅会使不确定性收缩为“确定性”。

其中最著名的是电子双缝干涉实验,实验过程及其结果颠覆了人们的传统观念。

在此不赘述实验细节,简言之,当我们不观测电子时,其确实表现出不确定性,更似波而非粒子,也只有波才能展现干涉与衍射,最终在接收屏上形成明暗相间的条纹。

若坚持视电子为粒子,则会令人不悦,因为我们习惯认为,在特定时刻,粒子应有固定的位置与速度。

但现实却令人费解,若电子为粒子,则意味着它能存在于所有地方,甚至同时出现在两个不同地点,这自然难以为大众所接受。

当我们尝试观测电子时,它似乎感应到被人观测,立即从不确定性的海洋中收缩为唯一的确定状态,物理学上称之为“波函数坍缩”。

也就是说,无观测时,电子以概率云形式呈现;一旦实施观测,电子即表现确定状态。

若深究,世界的真实面貌取决于我们的观测。这是否意味着不存在绝对的客观世界?

我们不宜过深探讨,否则涉及世界本质,我亦不敢妄言,以免落入“民科”之嫌。

我想说,量子世界的不确定性与观测导致的“波函数坍缩”均客观存在。至于为何存在不确定性,以及观测行为为何导致“波函数坍缩”,人类尚不得而知。

进一步讨论,众所周知,爱因斯坦与玻尔在量子世界问题上存在巨大分歧,两大学派的辩论持续数年。很多人因此误认为爱因斯坦反对量子力学,事实并非如此,他本人亦是量子力学奠基人之一,怎会反对自己的成果?

爱因斯坦真正反对的是玻尔所代表的哥本哈根诠释,该诠释认为不确定性是量子世界的本质,而爱因斯坦持异议。他提出“隐变量理论”,认为量子力学中存在未知的隐变量,若找到这些隐变量,不确定性便可得到更深层次的解释。

然而,至今物理学者们尚未找到隐变量存在的证据,甚至著名的贝尔不等式直接否定了隐变量的存在,这正是哥本哈根诠释成为量子力学主流解释的原因。

总结

量子力学中诸多奇异现象,如不确定性、叠加态、量子纠缠等,都是客观存在的。我们难以接受这些现象,是因为我们生活在宏观世界,这些现象在宏观世界中并不存在。若我们生于微观世界,对这些现象则会司空见惯,反而会对宏观世界的运行规律产生疑惑。

至于观测行为导致不确定性瞬间变为确定性的“波函数坍缩”,仅是物理学者们的一种假设。换言之,物理学者们也不知道为什么会发生“波函数坍缩”,仅观察到了这一现象的存在。

譬如我打你一巴掌,你感到疼痛。“打”相当于量子力学中的“观测”,而“痛”则相当于“波函数坍缩”。

不同之处在于,物理学可以解释“你为何感到痛”,却无法解释“波函数为何会坍缩”,至少目前尚无法解释!实际上也不必解释,如前所述,波函数坍缩仅是一种假设,亦可视为公理,公理自无需解释。

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