量子力学——没那么神秘

提起量子力学，大家往往首先想到的是薛定谔的那只关在毒气室生死不明的可怜的猫咪，从而觉得量子力学太高深而充满玄学的味道。其实我们大可不必对量子力学抱有那么大的敬畏之心，量子力学只不过是一门经过严格证明的学科。

自20世纪20年代被创立以来发展到今天其实已经有近100年的历史了，没想到吧？并且我们的半导体产业以及在此基础上发展起来的电脑、手机，还有医院用的核磁共振，我们做检测的电子显微镜等，其实都是以量子理论为基础的。之所以量子力学被夸大和神话，一方面主要是人们没有去了解这门学科，另一方面是因为一些人试图以我们宏观世界的经验主义来解释量子力学所支配的微观世界行为的物理意义，从而产生了一些与我们日常生活经验所冲突的现象，使量子力学充满了不可思议的玄学色彩。

20世纪最伟大的物理学家：其中多位为量子力学的建立做出了突出贡献

其实想要正确的了解量子力学，并不难，只需要沿着两个角度去看待它。

首先，也是最重要的一个角度是先认识量子力学所研究的内容，量子力学其实和我们学过的物理、化学、数学等学科一样，只不过量子力学所用到的数学知识比我们学习物理时所用到的数学知识更深入更难一些。就像牛顿力学运用代数微积分来描述我们所处宏观世界的物体运动规律一样，量子力学其实是用薛定谔方程或海森堡矩阵来描述微观粒子的运动规律。

薛定谔方程

不一样的地方是对于我们宏观世界物体运动规律，计算出来的是确定的运动轨道，因而可以准确预测物体的路径和位置。但对于微观领域，首先能量不是连续的，而是有最小能量单位一份一份的组成，打个比方，如果把宏观的能量比作用枪射出去的一条连续的线，那么在量子力学微观角度去看，就像是枪连续射出去的子弹，虽然这些连续射出去的子弹看上去也像一条线，但子弹和子弹之间并不是连续的。而光，在微观角度，就可以看做是由一个个光量子（光子）组成的。当然，宏观来看它仍然可以看做连续的电磁波，而这种粒子性和波动性并没有一个清晰的界限，而是同时具有粒子性和波动性（其实任何物质都同时具有波动性和粒子性，只不过越微观波动性越明显而越宏观粒子性越明显），因此，对于微观量子，无法再用牛顿力学来准确描述其运动规律，只能用薛定谔方程或海森堡矩阵来描述其运动规律，但是由于微观粒子的波动性比较明显，这种描述方法得到结果并不是像宏观粒子那样具体确定的运动轨迹，而是以微观粒子出现在不同位置的概率大小来表示的。我们再举个例子，就拿氢原子为例，我们知道氢原子外面具有一个电子，如果运用牛顿力学去描述这个电子的运动规律，那么就是围绕原子核做圆周运动，因此这个电子就有确定的轨道，后来随着人们对于微观领域的研究越来越深入，发现电子的实际运动并不是这么回事，而是以电子云的形式显示。

电子云

电子云密的地方放就说明电子在这出现的次数多，即出现在这的概率大，而通过量子力学的薛定谔方程或海森堡矩阵则能描述电子的这种存在状态，并且能够计算出这个电子出现在各个位置概率的具体值。这就是对量子力学最简单最没有玄学色彩的科学解释，也就是说量子力学是一门需要深厚数学功底去计算的一门学科。

但是，对于物理现象，人们通常会去解释原因，因此我们还要从另一个角度去理解量子力学。就是如何理解并解释一些量子力学现象背后所蕴含的物理意义。比如薛定谔的猫到底是怎么回事，双缝干涉实验为什么让人充满疑惑，量子纠缠真的能够实现超距传输吗等等。在理解这些问题之前，首先我们要明确量子力学所研究的范畴是微观世界，到底有多微观呢？微观到无法像看清所研究对象的具体样子，我们只能通过想象来构建它们的图像。而图像的构建都是基于我们所熟知的宏观世界为基础的。但是微观世界的样子可能无法再宏观世界找到与之对应的图形，从而就造成了种种我们认为的不可思议的现象，因此，我们需要刨除宏观世界的经验，重新建立微观世界的图像。说到这里可能会有同学反驳，你上面不是已经描述了在微观下电子、光子的形象了吗？的确如此，但我们描述它的样子时仍然是以我们宏观的角度去描述的，因为我们把它描述成了波或者点，而他们真实的样子可能并不是这样的，只是在莫方面显现出这样的特性。

下面简单的以双缝干涉实验为例来说，首先介绍下双缝干涉实验的奇妙之处在于一个光子一个光子（或者一个电子一个电子）的向双缝发射，后面的接受屏则显示出衍射条纹，这是波才具有的特性，证明了光或者电子具有波动性，而如果遮挡住双缝中的一个，则接收到的不是衍射条纹，有证明了他们的粒子性。也就是说它们同时具有波动性和粒子性，至此，我们都是以宏观的概念来描述光和电子所具有的的特性，接下来我们要做的就是完全抛弃这些概念，通过大胆的想象重新构造光子或电子的形象，就是在微观下，他们是一种东西，但这种东西不知道长什么样，不过他们具有一些特性而表现出与宏观世界不一样的现象。这样去看的话，量子力学是不是就没那么神秘了。薛定谔的猫之所以不好被理解也是同样的原因，就是它直接把微观的衰变和宏观猫的生死联系起来。虽然宏观是由微观组成的，宏观是大量微观的体现，但微观向宏观的过渡没有明显界限。当大量以概率的方式存在的不确定的微观集合在一起时，受相互作用的影响，就慢慢过渡到了确定的宏观世界。

双缝干涉实验

当然，以上内容只是抛砖引玉，仅仅为大家提供了理性看待量子力学的思路，只要我们通过科学理性的方式去看待它，思考它，它也没那么神秘。其实量子力学所涉及的内容很庞大和复杂，一些现象确实很难理解，不过同时也充满了趣味，同时也存在很多颠覆人类目前认识水平的现象。但纵观人类的发展史，不正是对当时一系列人类无法理解的事物的追根刨底的探索而发展到今天的吗？可以肯定将来的某一天，人类再回过头来看待我们今天的文明，就像现在的我们审视古代人不能理解电脑飞机卫星一样。路漫漫其修远兮，人类在探索世界的脚步不曾停歇。