為什么沒有人理解量子力學(xué)？

Why does no one understand quantum mechanics?

------二議《量子空間》一書

都世民

摘要：本文主要根據(jù)《量子空間》一書，討論為什么沒有人理解量子力學(xué)？首先對量子力學(xué)的提出，有幾種說法。然后討論為什么說量子力學(xué)難懂。最后筆者討論為什么理解不了量子力學(xué)？

關(guān)鍵詞：《量子空間》，量子力學(xué)，時(shí)間簡史，軌道角動量。

Abstract: Based on the book Quantum Space, this paper discusses why no one understands quantum mechanics.First of all, there are several theories about quantum mechanics.Then we discuss why quantum mechanics is difficult.Finally, the author discusses why we can't understand quantum mechanics.

Keywords: quantum space, quantum mechanics, a brief history of time, orbital angular momentum.

引言

《量子空間》一書有一節(jié)“為什么沒有人理解量子力學(xué)？”。筆者也有這樣的感覺，究竟是怎么回事？是因?yàn)榱孔恿W(xué)難懂嗎？這量子力學(xué)是怎么提出來的？怎樣介入量子力學(xué)？它到底有什么用途？

量子通訊、量子雷達(dá)、量子計(jì)算機(jī)，已經(jīng)成為關(guān)注的前沿科學(xué)熱點(diǎn)話題。這個新學(xué)科能像100年前，電磁理論問世那樣，改變了整個世界，電報(bào)、電話、通信、雷達(dá)、導(dǎo)航相繼出現(xiàn)，廣泛用于各個方面。今天的量子力學(xué)，引岀量子通訊、量子雷達(dá)、量子計(jì)算機(jī)，很少有人懂得這些新技術(shù)，被量子糾纏、量子疊加搞得迷糊，不知從何了解。

原先以為量子力學(xué)是講述“粒子”方面的知識，最近卻傳出量子不是子，量子是現(xiàn)代物理的重要概念。即一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把這個物理量最小單位稱為量子。筆者在了解“軌道角動量（OAM）”這個概念時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)在光波段引入了量子概念，而在天線領(lǐng)域沒有人引進(jìn)這個概念。

有的人認(rèn)為“軌道角動量”是電子繞著電磁波傳播方向旋轉(zhuǎn)，也有的人認(rèn)為是光子繞著光束傳播方向旋轉(zhuǎn)。此外，有人則認(rèn)為是平面電波的相位波前繞傳播方向旋轉(zhuǎn)，這三種說法是一回事兒嗎？還是因?yàn)椴煌瑢W(xué)科對同一概念形成的不同理解，難道還會另外原因？

量子力學(xué)是怎樣提出來的？

美國物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼有一次有感而發(fā)：“我想我可以有把握地說，沒有人理解量子力學(xué)”。他的這句話有沒有道理？多學(xué)科科研人員在接觸到量子力學(xué)的時(shí)候，是什么樣的感受？有的院士對量子力學(xué)的說法，也讓人感覺難以理解。這究竟是怎么回事兒？

1）量子力學(xué)是怎么提出來的？

· 科學(xué)家霍金在《時(shí)間簡史》一書中指出，科學(xué)的終極目的是提供描述整個宇宙的單一理論，然而大多數(shù)科學(xué)家所遵循的方法，是把問題分成兩個部分，一部分是根據(jù)一些定律說明宇宙隨著時(shí)間的變化，另一部分是研究宇宙的初始狀態(tài)。要研究出單一的理論是非常困難的。如今科學(xué)家按照兩個基本的部分理論，即廣義相對論和量子力學(xué)來描述宇宙，這是本世紀(jì)上半葉偉大的智慧成就。廣義相對論描述引力和宇宙的大尺度的結(jié)構(gòu)，而量子力學(xué)處理極小尺度的現(xiàn)象，這兩種理論，不是相互協(xié)調(diào)的，它們不可能都正確。當(dāng)代物理學(xué)的一個主要目的是尋求一個將其合并在一起的新的理論------量子引力論?，F(xiàn)在還沒有這個理論，又或者形成這個理論需要有很長的路要走。

·筆者思考在大、小宇宙之中，這個尺度怎么劃定？大、小宇宙很難統(tǒng)一劃分尺度的標(biāo)準(zhǔn)。在生物醫(yī)學(xué)界，確切的說主要是研究微觀層面，而人體的巨系統(tǒng)才是宏觀層面?？墒巧镝t(yī)學(xué)界并沒有量子理論的說法，這又是怎么回事兒？研究量子力學(xué)的人不一定懂得生物醫(yī)學(xué)，因?yàn)樵诹孔恿W(xué)的著作中，沒有細(xì)胞、基因、蛋白質(zhì)這些概念。霍金的說法在這里就很難理解。

·中國科學(xué)院大學(xué)本科生教材《量子力學(xué)基礎(chǔ)》在講述量子力學(xué)的出現(xiàn)，作者認(rèn)為，熱輻射是構(gòu)成物質(zhì)的電荷震蕩發(fā)出的電磁波，熱輻射的吸收與物質(zhì)構(gòu)成有關(guān)，玻璃透過可見光，金屬反射光波，而炭黑吸收光，也有物質(zhì)不反射光、不吸收光，而沿其表面?zhèn)鞑ァＴ诓Ａе须娮踊臼`在原子里，可見光區(qū)缺少吸收線，但是紅外線、紫外線仍有吸收。詳細(xì)解釋這些現(xiàn)象，需要量子力學(xué)。

· 《量子空間》一書是通過講述物理學(xué)的革命，引出量子力學(xué)。作者認(rèn)為，物理學(xué)領(lǐng)域的革命不止一次，愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論告訴我們關(guān)于空間和時(shí)間的本質(zhì)的新知識，并且把物質(zhì)和能量聯(lián)系在一起，便引出質(zhì)能的概念。對于相對論適用的情況下，時(shí)空之類的東西-----物質(zhì)（由粒子組成）和輻射（由波組成）的行為。

物理學(xué)的第2次革命，改變了我們對物質(zhì)和輻射的本質(zhì)，它們與能量的關(guān)系，以及對愛因斯坦方程的理解，這就引出了量子力學(xué)。而量子力學(xué)的出現(xiàn)，科學(xué)家對這些問題的爭論，作者指出，要學(xué)會量子力學(xué)所有數(shù)學(xué)處理方式已經(jīng)夠困難的，如果感覺到量子力學(xué)很奇怪，令人難以理解，那么你首先必須記住，量子理論是正確的，無論如何它都是大部分當(dāng)代物理學(xué)相當(dāng)一部分化學(xué)以及整個當(dāng)代的電子技術(shù)的基礎(chǔ)。這就是好學(xué)生的狀態(tài)。

筆者列出了以上幾種說法，量子力學(xué)是怎么出現(xiàn)的？科學(xué)家為什么提出了這一個理論？提出這個理論后，它能解釋所有現(xiàn)象嗎？這一理論與過去的有些理論是否沖突？

為什么量子力學(xué)難懂？

一開始接觸量子力學(xué)的人，很難搞明白量子力學(xué)講什么？巴戈特通過雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，這個物理現(xiàn)象不可能用經(jīng)典方式來理解，雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是19世紀(jì)初物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)的，他給光的波動說提供了有力的證據(jù)，光波通過狹縫發(fā)生衍射，其邊緣是彎曲的，如果是多條狹縫，就會形成明暗相間的條紋，這是波的明顯特性。你好，

1905年，愛因斯坦提出光可能最終是由粒子，也就是光量子組成的。按此說法，光既可以是粒子也可以是波。

1923年法國物理學(xué)家路易·德布羅意提出小的物質(zhì)粒子，例如電子，也可以表現(xiàn)出波的行為。怎么證明呢？同樣是用雙縫的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，一條縫的時(shí)候，電子是沿直線投射，在兩條縫的情況下，卻形成了柵欄一般的明暗相間的條紋，如何解釋這個實(shí)驗(yàn)?zāi)兀咳绻麊渭兊陌央娮涌闯闪Ｗ?，它只可能通過一條縫，不可能同時(shí)通過兩條縫，按照這種邏輯，不可能形成明暗相間的條紋。用膠片記錄電子打出來的位置，對不同數(shù)量的電子，打出的結(jié)果表明，打7萬個電子，呈現(xiàn)了明暗相間的條紋，在電子數(shù)比較少的情況，有3000個電子，呈現(xiàn)的條紋不明顯。會不會是電子在通過雙縫之前是波狀態(tài)，因?yàn)椴ㄊ菦]有邊界的，非局域性，而電子是粒子的情況，它是有局限性的。于是引入了玻恩的電子波概率的說法，發(fā)現(xiàn)這樣解釋同樣有問題，于是引出波函數(shù)坍縮的概念。量子力學(xué)是假設(shè)波函數(shù)坍縮這個過程，為了解釋為什么分布式的非局域的量子系統(tǒng)，會在一次測量中突然變成了局域化，這無法用數(shù)學(xué)公式表達(dá)。愛因斯坦卻對此有疑問，他認(rèn)為信息傳遞速度不能超過光速，波函數(shù)坍縮必須在瞬間發(fā)生。通常我們都認(rèn)為因果之間有直接聯(lián)系，但是在量子力學(xué)，不認(rèn)為是這樣，卻將因果關(guān)系看成是一種量子概率，這個概率表現(xiàn)在波峰和波谷形成了波函數(shù)來決定，這就像擲骰子一樣。愛因斯坦不同意這種說法，如果波函數(shù)坍縮發(fā)生了，那為什么還要假設(shè)它是在微觀層面的一個過程呢？波函數(shù)坍縮帶來不確定性，薛定諤的貓?jiān)囼?yàn)是講量子概念，從原子一直傳遞到封閉的盒子里的貓身上，量子概念本質(zhì)上從一個粒子既可以在這里，又可以在那里，只有打開盒子的瞬間，波函數(shù)坍縮，貓是死是活也就決定了。海森堡提出的不確定性原理，試圖給這種實(shí)驗(yàn)加以限制條件，例如電子所在的空間位置，它的動量，以及能量和動量的變化速度。盡管如此，仍然不可能很精確地同時(shí)測量電子通過雙縫的路徑，并記錄干涉條紋。那是否表明波粒二象性無法同時(shí)展示？但是玻爾卻認(rèn)為波和粒子這兩種非常不同的行為，是不矛盾的，是互補(bǔ)的。玻爾認(rèn)為這種互補(bǔ)性設(shè)定，不是像海森堡那樣的限制，什么是可測量的？而是什么是可知的限制。這樣的想法后來稱作為哥本哈根詮釋，這是對理解量子力學(xué)的整體認(rèn)知。

不難看出，《量子空間》的作者，花了不少筆墨，敘述爭論的過程和相關(guān)實(shí)驗(yàn)，這波粒二象性的問題與量子力學(xué)的相關(guān)認(rèn)識密不可分，不能同時(shí)展示波粒二象性，到底是測量儀器裝置的限制，還是我們?nèi)祟愌劬Ρ旧淼南拗?，或者是我們?nèi)祟愓J(rèn)知的限制，玻爾認(rèn)為不是這些限制，而是量子層面的本質(zhì)所決定，是因?yàn)檫@些測量儀器本身就不可能設(shè)計(jì)出來。為了解決這方面問題，科學(xué)家們想出了多種方法，提出一系列的量子理論，試圖詮釋上述問題。如此說來，量子力學(xué)的提出和相關(guān)的理論出現(xiàn)，是可以理解的。然而提出量子理論，是否只為解釋雙縫實(shí)驗(yàn)？還有沒有其他的用途？如果不進(jìn)行上述的相關(guān)論述，去看《量子力學(xué)基礎(chǔ)》，就很難看懂。那么多數(shù)學(xué)公式和符號，必須逐一搞清楚，這不可能通過碎片化的網(wǎng)絡(luò)知識能解決的，必須有系統(tǒng)的了解，認(rèn)真的學(xué)習(xí)。而且首先要認(rèn)為量子力學(xué)理論是正確的，如果持懷疑態(tài)度，那就很難理解。

為什么理解不了量子力學(xué)？

·如上所述，從巴戈特?cái)⑹鲋校私饬撕Ｉず筒柕臓幷?，海森堡認(rèn)為儀器的“笨手笨腳”，限制了精確測量粒子的位置和動量。筆者思考，如果測量的是粒子位置和能量，粒子的位置是可見的，而能量則是不可見，那么這兩種測量的對象是不可能用同一種方法展示。在天線學(xué)科測量電磁場的分布，可以三維展示，但不能展示粒子的軌跡，也就是說這兩種測量對象用同樣的方法是不可能測量的，那么有沒有可能這兩種測量裝置在同步進(jìn)行的情況下來測量這類問題？如果這能夠?qū)崿F(xiàn)，那么量子力學(xué)還有必要嗎？

·筆者看見波函數(shù)坍縮的圖形與輻射場的圖形有關(guān)聯(lián)，如果把粒子看成為電小偶極子，那么它就會有輻射場的存在，這是肉眼不可直接看到，當(dāng)輻射場照射到縫隙的邊緣，這會發(fā)生電磁散射，眾多的電小偶極子輻射場形成的散射場疊加，有可能就是這柵欄狀的干涉圖形。在光學(xué)領(lǐng)域通常把光波看成直線傳播，因?yàn)槭菐缀喂鈱W(xué)，如果用幾何繞射理論與物理光學(xué)方法分析，就沒有必要用膠片來顯示粒子的位置和動量。

·巴戈特在書中提出隱變量和導(dǎo)航波的概念，然而這種說法是一種猜測，也沒有根據(jù)。如果電子既是粒子又是波，那么這個波實(shí)際上是能量，那能量又是不可見，它是場的分布，需要用測量場分布的儀器來展示。在物理學(xué)科，就不一定了解這方面的知識。

·“軌道角動量”這個概念，有幾種說法，到底在不同頻段的時(shí)候，是電子還是相位波前繞傳播方向旋轉(zhuǎn)，或者說既有粒子又有波前，同時(shí)繞傳播方向旋轉(zhuǎn)。如果是后者，同樣無法用測量手段同時(shí)展示。有的文章卻將量子概念引入，把這種繞傳播方向旋轉(zhuǎn)的次數(shù)稱作量子數(shù)，這個量子數(shù)的概念，是否要用量子力學(xué)來處理？會帶來什么好處？難道角動量量子化，是因?yàn)?/strong>不能確定旋轉(zhuǎn)物質(zhì)的空間位置嗎？實(shí)際上這是與相位有關(guān)，如果相位確定，就可以確定其空間位置。相位的變化是周期性的，就會出來多少次變化。問題還是在于到底是粒子還是波前的旋轉(zhuǎn)？這就與上述討論相互關(guān)聯(lián)。

參考文獻(xiàn)

［1］［英］吉姆·巴戈特，《量子空間》通往萬物理論的新途徑，［M］，齊師榜譯，中信出版社出版，2019年11月。

［2］軌道角動量(OAM)，（https://download.csdn.net/tagalbum/1549389）

［3］史蒂芬·霍金，《時(shí)間簡史》，［M］，吳忠超譯，湖南科技出版社出版，2011年1月。

［4］鄭偉謀，《量子力學(xué)基礎(chǔ)》，［M］，科學(xué)出版社出版，2019年11月。

［5］“《自然》子刊：新型光學(xué)天線可消除數(shù)據(jù)傳輸限制”。來源：前瞻網(wǎng)，2021-02-28 。（https://www.sohu.com/a/453148486_100034932）

［6］如何理解軌道角動量？來源：中國知網(wǎng)（https://www.zhihu.com/question/65657379）