鬼話連篇：荒誕量子力學

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作者：小學僧

轉載自公眾號：老和山下的小學僧

先來個繞口令渲染一下詭異的氛圍，量子力學奠基人波爾曾曰：「如果你第一次學量子力學認為自己懂了，那說明你還沒懂。」

為了理解這個嘆為觀止的理論的偉大，只能把起點設得低一些，就從「認識論」說起吧！中學僧請跳過，直接看後半篇。

人類為了生存，一直試圖認識和解釋這個世界。最早的「認識論」充滿了想像，後來逐漸演化成了「宗教」，比如上帝創造了萬物。過了一陣子，有些人發現這種「認識論」不靠譜，跪了半天祈雨，還不如蕭敬騰管用！腦袋瓜好使的人就在思考「世界的本源是什麼」、「東西為什麼往下掉」，如此云云。早期的聰明人只是坐在辦公室研究世界，於是這種單純的思辨就慢慢變成了「哲學」。

大家圍坐論道，逼格是挺高，但只能爭個面紅耳赤，張三說世界在烏龜背上，李四說世界在大象背上。我說哥們兒，你們就不能驗證一下嗎？當然不能！土鱉才動手，君子只動口，這種風氣誇張到什麼程度呢？亞里士多德認為「女性的牙齒比男性少」，就這麼一個理論，愣是被奉為經典幾百年。

很長一段時間，大家就是這麼靠拍腦袋研究世界。拍著拍著，突然有個傢伙靈光一閃，拍出了邏輯思維，做起了實驗，這就是「伽利略」。伽利略是第一個系統地用嚴密的邏輯和實驗來研究事物的人，這便是「科學」的雛形，所以伽利略很偉大，屬於「一流偉大」這個範疇。

是不是覺得早生幾百年，你我都是科學家？別天真了，其實經常以負面形象出現的亞里士多德，絕對屬於當時最聰明的人，時代局限性造成的「無知」不是無知。

打個補丁，本文說的「科學」是單純的一門學科，而不是形容詞。啥意思呢？因為某黨的某些需求，科學這個詞在國內的意義急劇擴大化，以至於現在「科學」就是「真理」的代名詞，很多地方可以把「科學」和「合理」兩個詞互換。「你的做法很科學」，「你的做法很合理」，這兩句話有區別嗎？再看英文版：「你的做法很Science」，這可就是語病了。本文說的「科學」就是「Science」，是一門學科，而不是「理」。

各位看官，「世界是由金木水火土構成」，這個題目是哲學還是科學？科學和哲學五百年前可真是一家人哦！伽利略去世後整好一年，牛頓誕生！有一句話叫：世界一片黑暗，於是上帝創造了牛頓。

如果你認為是牛頓三大定律成就了牛逼頓，那就大錯特錯了。牛頓的代表作是《自然哲學的數學原理》，這名字就說明了一切，牛頓系統地把數學工具引入到研究中，用數學來解釋實驗現象，這才使「哲學」和「科學」徹底分開，揭開了經典物理學的序幕。所以牛頓很偉大，堪稱「超一流偉大」！

牛頓帶頭起了哄，往後數百年，各式牛人不斷用數學解釋這個世界的本質，逐漸構成了經典物理學的大廈。可惜，同時代的中國人熱衷於考公務員、研究社會學，這也為東西方未來幾百年的巨大差異埋下了伏筆。

宗教：世界是上帝創造的。

哲學：世界是物質的。

科學：F=ma。

宗教、哲學、科學，三駕馬車拉著人類文明向前飛奔。科學的優勢在於數學，數學使得科學的理論可以精確描述，精確重複，迅速傳播，並在他人基礎上快速發展。而宗教往往需要靠「悟」，比如「心靜自然涼」，很多人就無法驗證與學習，無法重複這個現象，所以這個理論很難進一步發展。

最終，「科學」摧枯拉朽般統一了人類的認知論，佔據了絕對主流地位。如今，無數個科學公式和科學理論交織在一起，相互印證，相互利用，自洽的解釋這個世界。

同學們注意，重點來了，什麼是「自洽」？舉個例子：

小姑娘，體重多少？--50公斤。

怎麼知道的？--體重稱。

這個稱准嗎？--彈簧已校準。

怎麼校準？--用標準砝碼。

砝碼哪裡來？--單位體積的金屬。

體積怎麼量的？--用刻度尺。

刻度尺准嗎？--激光校準。

…………

這個問題是無限循環的，不同的科學理論相互印證，但人類永遠無法知道「小姑娘體重」這個真相。就如警察破案，100個證人和1000個證據，都完美無缺的相互解釋，那麼警察就認為這就是真相。

人類這樣自洽的解釋世界，靠譜嗎？會不會出錯？幾十億人，成千上萬個理論，運行了三百年，從來沒有出現絲毫的錯誤！對統計學稍微有點常識的人都知道，這個理論出錯的概率實在太小太小太小了。

沒錯，但再小的概率還是有可能。這個「可能」就是「量子力學」和「相對論」，這兩個超一流偉大的理論將原先構建了幾百年的經典物理學大廈徹底摧毀！

很多人不知道經典物理學的「經典」是什麼意思，說白了，就是符合你想像的東西，比如：熱學、力學、電磁學、光學、聲學等，差不多就是中學的那些東西。就算物理學的再差，肯定會有基本的科學意識，比如大家都認為車庫的車不會瞬移到客廳來。19世紀之前的所有人和現在99.99%的人，都是這個科學意識，這就是經典的含義，經典物理也叫牛頓物理。

故事從這裡開始。

19世紀的最後一天，世界著名科學家齊聚一堂「總結舊世紀，展望新世紀」，這群智商最高的人做出了一個現在看來非常荒謬的結論：所有的科學都被咱搞的差不多了，天上飛的，地上跑的，水裡游的，大到恆星，小到原子，看得見的，看不見的，「物理學大廈已經落成，就剩下一些敲敲打打的修飾工作，美麗而晴朗的天空只被兩朵烏雲籠罩」。然後這群自戀的人在感嘆後人真幸福啊！

這就是物理學著名的「兩朵烏雲」，當時的物理學家認為，所有的科學只剩下這兩個問題了。現在我們再看亞里士多德同學，是不是覺得他也是一位好同學了？這叫時代局限性。

那麼問題來了，什麼樣的烏雲才能遮住所有人的眼睛？

第一朵烏雲。

古人以為空間里什麼都沒有，近代科學知道是有空氣的，聲音的傳播需要空氣。按照這個思路，是不是空間里還有其他不知道的東西，不然太陽光靠什麼傳到地球。後來實驗來實驗去，也弄不出個所以然。物理學家很難過，稱之為物理學大廈的第一朵烏雲。

又飄來了第二朵烏雲。

某人做實驗發現輻射的能量是不連續的。白話文翻譯一下：我們知道人是一點點長高的。如果有一天你發現，吃飯吃飯吃飯，沒長高，再吃飯吃飯吃飯，突然長高了5cm，那麼你的科學觀是不是要崩潰了？第二朵烏雲給當時物理學家帶來的衝擊和這個差不多。

看著這兩個「怪胎」，人類文明的進步終於有了體現，和當年燒死「異教徒」布魯諾的教廷不同，物理學家一直在想怎麼樣和「怪胎」和諧相處。（1592年布魯諾因堅持「日心說」被燒死，直到1992年才被羅馬教皇平反。）

科學通常是：實驗-觀察-提理論-再實驗-再觀察-再提理論，如此螺旋上升。物理學家對這「怪胎」可謂百依百順，提出各種荒誕的理論來滿足他們的要求，其荒誕程度和「玄學」相差無幾。終於，在大家的精心照料下，第一個「怪胎」生出了相對論，第二個「怪胎」生出了量子力學。

先說第二個「怪胎」。

量子力學幾乎都是用數學描述的，考物理研究生只考量子力學而不考數學，可見其數學功底之深厚。咱略過數學，用白話文說幾個基本原理，看個熱鬧、品個味道就行。情節需要，略過很多重要人物和理論，時間先後也有點出入，多包涵。

再強調三遍：數學！數學！數學！隨手截取一段論文，給你們留個印象什麼叫數學：

注意，要展開劇情了！

19世紀末，手欠的盧梅爾做了個「黑體輻射實驗」，發現黑體輻射的電磁波能量是不連續，就像人是一段一段長高，而不是一點點長。大家瞬間懵逼了，稱之為「紫外災難」。普朗克挺身而出，勉強湊出了普朗克輻射公式：「大家別怕，能量這玩意兒本來就是一份一份傳播的。」這就是量子力學的起點。

愛因斯坦馬上回過味兒來，照這個套路，那光是不是也一份一份傳播的？然後巧妙解釋了「光電效應」：光是由一份一份不連續的光子組成的，隨後樂呵呵跑去領了個諾貝爾獎。

德布羅意一看，這還了得！光有干涉現象，早被證明是一種連續的波，怎麼這會又變成一粒一粒了？然後一拍腦袋：光如果既是連續的又是一粒一粒的，那麼反過來，一粒一粒的實體微粒(如電子、原子等)會不會也是連續的？德布羅意嚇出一身冷汗，於是提出了「德布羅意波」壓壓驚（也叫物質波）。即，所有的粒子既具有粒子性也具有波動性。詭異的是，這居然被實驗證明了！這和普通人看到鬼是差不多感覺的！

事情發展成這樣，大家都覺得很棘手，你想想，如果所有的粒子都有波動性，那由這些粒子組成的人、房子、甚至地球……都不敢往下想了！更關鍵的是，粒子為什麼會變成這樣！這和大家原先認識的電子、質子、原子完全不同，彷彿所有的物理學家一夜之間都失戀了，對著女朋友說：我從來沒想到你居然是這樣的人，你變了，變得我完全不認識了！沒錯，我想當時的物理學家一定是這種感覺！

哥們兒我學過物理，失過戀，這真是兩件痛苦的事情，於是物理學家都瘋了，提出無數荒誕的原子模型，和酒後胡話相差無幾。放縱之後，一個叫波爾的人終於把狗屎一樣的理論「波爾模型」，在氫原子上解釋成功了。即，電子軌道也是不連續的，也是一段一段的。（各位，對「量子」是不是有概念了？就是不連續的，一段一段的意思。）本文開頭嘲笑大家學不會量子力學的，就是這個波爾，別不服氣，人家還是足球隊主力，當年丹麥報紙的標題是：「我國著名足球運動員獲得諾貝爾獎。」（中國國足掩面奔走……）

大家一臉驚奇的看著波爾，發酒瘋講胡話，也能撩到妹子！於是，大家紛紛回頭開始研究自己之前吹牛的那些胡話，說不定妹子已經在裡面了呢！可惜波爾模型雖然成功解釋了氫原子的各種特性，把「氫原子」這個妹子吃的死死的，波爾模型完美解釋了氫光譜的巴耳末公式，各常數e、m、h和里德伯常數之間取得了協調，還解釋了諸如「電子繞著原子核為什麼不會被吸到原子核上」此類的問題。但當波爾模型把魔爪伸向其他妹子的時候，突然不靈了！哪怕只是多了一個質子的氦原子。

既然這撩妹技巧也不是老少通吃，大家鬆了口氣，看來還有機會！其中，冷艷高貴的「反常塞曼效應」妹子始終不理睬玻爾模型，甚至連正眼都沒看一眼。其他物理學家各種獻殷勤，還是沒能博得美人一笑。

正當大家一籌莫展時，荷蘭的兩個名不見經傳的博士生（在物理撩妹界屬於小學僧級別），提出：電子具有內稟運動——自旋，而且只有2個方向。這倆娃還寫成論文發表，不過隨即就後悔了，自己也覺得太扯蛋，想找導師撤回論文，導師安慰他們，年輕人鬧點笑話沒關係。大跌眼鏡的是，「反常塞曼效應」妹子回眸一笑！

整個撩妹界都沸騰了！這兩個娃一帶頭，大家馬上就頓悟了，一起高唱：「對面的女孩看過來！看過來！看過來！」各種高冷妹子一個個轉過頭來！不止電子，質子、原子、甚至光子，所有粒子都有自旋。電子自旋最終成為量子力學最重要的理論基礎之一！

然而，自旋讓事情變得更加撲朔迷離，這種詭異的與生俱來的角動量，卻不能用經典物理中的旋轉去描述，因為這不但違反相對論，還不能解釋為什麼旋轉只有2個方向！不過這拯救了一直糾結電子如何分布的科學家泡利。

泡利茅塞頓開，說道：一山不容二虎，除非一公一母。這就是「泡利不相容原理」的精髓：同一電子軌道只能容納1個電子，除非電子自旋態是相反的，也就是說一個軌道最多只能容納2個電子。一個電子軌道憑啥只能放2個電子，沒道理啊！這居然也成了量子力學的重要理論！

這一堆荒誕的理論，把牛頓他們好不容易收拾的規規整整的科學又弄得面目全非。撩妹撩成這個德性，確實有傷風化！尤其是那個歷史專業出身的文科生德布羅意，提出物質波概念後，因為數學功底不足，寫的論文狗屁不通，差點畢不了業。

接著，這篇論文傳到了德拜手裡，德拜眉頭一皺，這論文實在有辱撩妹界的斯文。於是找來了撩妹界不得不提的大帥哥薛定諤（不是薛定諤長得帥，而是他的巨大貢獻）。此時的薛定諤還是德拜手下一個默默無聞的小學僧，德拜說：小薛啊，趕緊給物質波湊個方程，讓德布羅意那文科生的論文更體面一點吧！

薛定諤無奈只能接了這個擦屁股的活，憋出個「薛定諤波動方程」，即粒子以概率的方式出現。這時上帝又開了個玩笑，誰也沒想到，用來擦屁股的方程直接成了撩妹基本指南！薛定諤方程系統的闡述了微觀粒子運動狀態的基本規律，成為量子力學最重要的公式，沒有之一！

看暈的同學快醒醒，咱還是說薛定諤撩妹指南吧。

問：妹子在哪裡？

答：妹子在學校。

這是經典物理。

問：妹子在哪裡？

答：妹子30%在學校，40%在路上，30%在家裡。

再問：妹子到底在哪裡？

再答：就是30%在學校，40%在路上，30%在家裡。

再再問：難道妹子分成三截了？

再再答：妹子還是一個啊，但就是30%在學校，40%在路上，30%在家裡。

崩潰中……

薛定諤方程牛逼到把薛定諤自己都整懵了，最後小當家波恩整明白了方程的意義，提出了「幾率波」的概念，即，粒子會隨機出現在任何地方，這個概率用「幾率波函數」計算。

如果放在宏觀世界看，大概就是：車庫的車有多少概率會瞬間出現在客廳？這個是量子力學的課後作業。當然，不用算也知道，這個概率肯定小到即便用宇宙時間來衡量都不一定會發生，但如果把車縮小到原子核那麼大，波函數的計算結果就很不一樣了。前文說了很多的核裂變，就是因為原子核中不同的粒子隨機出現在不同的位置上。

海森堡看了之後深以為然，認為撩妹就是靠運氣的，於是提出「不確定性原理」（也有人叫「測不準原理」）：粒子的動量和位置是無法同時測準的，兩者的乘永遠大於h/4π。注意，這不是技術上做不到，而是理論上做不到。測量會不可避免地影響被測量者，這種原理造成的測不準叫「觀察者效應」。不確定性原理與觀察者效應是兩碼事，這是事物自身的屬性，也是量子力學的重要理論。

海森堡是個看熱鬧不嫌事大的主，把不確定性原理翻譯成一句意味深長的白話文，拋給了哲學家：「在因果律的陳述中『若確切地知道現在就能預見未來』，這句話錯誤的並不是結論，而是前提，因為我們不能知道現在的所有細節，這是一種理論原則。」沒看明白這句話的，再細細品味一下。

都說撩妹靠運氣，風流倜儻的愛因斯坦不幹了，他認為撩妹當然靠實力，愛因斯坦說：「上帝不擲骰子。」波爾針鋒相對：「親愛的愛因斯坦不要指揮上帝做什麼。」

隨後爆發了曠日持久的關於「隱變數」的著名爭論，以愛因斯坦為代表的經典物理學派認為，之所以有「不確定性」，是因為很多「隱變數」沒發現而已，咱姑且稱之為「決定論」。以玻爾為代表的哥本哈根學派，則堅持認為「不確定性」是事物的基本性質，姑且稱之為「隨機論」。

「決定論」和「隨機論」的爭論，使得「科學」和「哲學」有點合併的味道。話說，你們看出來「決定論」和「隨機論」背後所代表的毛骨悚然的意義了嗎？稍微起個頭哈：假設愛因斯坦的「決定論」成立，也就是說，一個系統的所有參數都確定的話，下一刻的狀態也是確定的。那麼把全宇宙看作一個系統，宇宙這一刻的狀態是由上一刻的狀態決定的，繼續往前推，一直推到宇宙大爆炸的那一刻，或者再往後想想……明白了吧，既然這一切在大爆炸那一刻都已經確定了，還有你什麼事兒？認命吧！

當然了，「宿命論」無論如何無法符合人類的倫理道德，但這事就和「白馬非馬」一樣（白色的馬不是馬，著名的哲學思辨問題），沒辦法驗證，所以永遠不會有結論，於是兩派人吵得天昏地暗。

吵了幾十年後，吵出個牛人叫貝爾，提出了「貝爾不等式」，這估計是人類首次用定量化的實驗去驗證一個哲學思辨問題，不得不佩服這群異想天開的物理學家！最終的實驗結果表明，哥本哈根學派的「隨機論」擊敗「隱變數」獲勝！也就是說，這個世界是「隨機」的。提醒一下，愛因斯坦是失敗的一方，所以不能用「對錯」來衡量一個物理學家的意義。

有意思的是，愛因斯坦在反擊波爾時，提出了一個悖論：難道一個粒子態波函數的塌縮會導致與之處在糾纏態的另一個粒子態波函數塌縮嗎？別裝了，我知道你看不懂這句話，通俗一點講就是：多個量子系統之間存在某種聯繫，這種聯繫不受距離和時間的限制。比如，扇了雙胞胎哥哥一巴掌，天涯海角的弟弟瞬間就會疼，這種信息的傳遞是瞬間的，和相對論嚴重不符。

「量子糾纏」的概念就這麼被提出來了，愛因斯坦的本意是想用量子糾纏來證明波爾他們不靠譜。類似的場景大約是：愛因斯坦摟著自己的妹子質問波爾，難道她會喜歡上你嗎！悲催的是，妹子動心了啊！居然真的觀察到了量子糾纏現象！這一局愛因斯坦算是徹底輸給了波爾。

但這事還沒完，在愛因斯坦100年誕辰的活動上，愛因斯坦的同事約翰·惠勒提出了「延遲實驗」的構想，再次對波爾為代表的哥本哈根學派發起了挑戰。大家做好心理準備，這又和見鬼差不多！

如圖所示，當入射光子經過半透鏡的時候，要麼向前走，要麼90度反射，概率各50%。然後再放兩個反射鏡，把光子反射到一起，通過兩個探測器，就可以知道光子從哪一路過來。

比如，D1有信號而D2沒有信號，就說明光子從路徑1走。然後，改一下實驗裝置，在終點再加一塊半透鏡。根據量子力學概率波的描述，光子既走路徑1也走路徑2，那麼通過第二塊半透鏡時就會產生干涉現象。

實驗結果顯示，沒有插入第二塊半透鏡時，光子只走一路；一旦插入半透鏡，就有干涉現象，也就是說光子同時走了兩條路。這已經很見鬼了，觀察者的觀察決定了實驗結果，馬上還要更見鬼！

就此，惠勒提出了一個無比詭異的設想：先不插入第二塊半透鏡，當光子經過第一個半透鏡，已經決定只走一條路、還跑在半路上的時候，瞬間插入第二塊半透鏡，那麼請問，這時已經選擇走一條路的光子難道還能返回去重新選擇走兩條路嗎？

惠勒提出「延遲實驗」後，覺得應該能幫愛因斯坦掰回一局，這世界總不至於那麼扯蛋吧！5年後，馬里蘭大學有個小組真的做了「延遲實驗」，結果顯示，原本走一條路的光子就因為插入了半透鏡，又變成了走兩條路。

天哪！這個世界到底怎麼了！已經發生的事情還能被改變嗎！波爾給了個玄之又玄的解釋：任何一種基本量子現象只在其被記錄之後才是一種現象。

這讓我想起了一個故事。風吹著樹在動，老和尚問：什麼在動？一答：樹在動，二答：風在動，老和尚曰：是心在動。乍一看，這明顯是唯心主義嘛！但細細一想，這可不就是延遲實驗嘛，觀察者的觀察決定了實驗結果。佛學有很多類似的似是而非的理論，所以物理學有個趣言：當我們努力攀登科學高峰的時候，發現佛教徒早就在山頂等我們了。

整個時代的物理學家就在這種頭腦風暴中，逐漸構建了量子力學的一系列理論基礎。每每回顧，都無比佩服那個年代物理學家的智慧和膽魄。非常遺憾的是，中國在人類文明跨出如此重要的一步時，建樹寥寥。

至此，自牛頓以來構建的物理學大廈，轟然倒塌。

量子力學的份量有多重？最底層的基礎理論出現了如此之多的變化，對科技樹上層的影響可以用匪夷所思來形容！可以說，今天的科技，仍然在消化100年前量子力學的理論。量子力學推動人類科技爆炸式增長100年，最大的成果當數計算機，如今終於看到了一絲疲倦的跡象。所以我常說，基礎物理不突破，很多技術馬上就會遇到瓶頸。

很多同學覺得，這樣看起來，量子力學也不過如此，但請別忘了這些理論背後強大的數學解釋和巧妙的實驗。現在很多「民間科學家」經常提出天馬行空的理論，總是依靠最簡單的現象，運用最簡單的數學，去推翻最基礎的理論，這年頭還會有這麼便宜的事情嗎？說真的，理論物理已經是奢侈品了，我不認為平民百姓能做出什麼有價值的事情。

喜歡物理是好事，可別走火入魔哦！

附一張有史以來智商最高的合影，就連鬼遇見他們都會被公式算出軌跡，過年的時候貼門上辟邪吧！

這張放床頭：

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