精選！對量子力學的認知存在哪些誤解

量子糾纏（圖源：諾貝爾委員會）

超越時空

近日，諾貝爾物理學獎授予了法國科學家阿蘭·阿斯佩、美國科學家約翰·克勞澤和奧地利科學家安東·塞林格三人，以表彰他們“用糾纏光子進行的實驗，建立了貝爾不等式的違反，并開創了量子信息科學”。

(相關資料圖)

大多數人都以為量子的那些不可思議的特性，如疊加態、量子糾纏、不確定性原理等，只是量子世界的特性，在宏觀世界中并不適用。其實這是一個誤解。所有量子理論中的數學公式，都可以用在宏觀世界之中，所有適用于微觀粒子的概率計算，也都可以計算宏觀物體。

舉一個實例。如果我們將電子的位置測準到1毫米范圍，那么它速度的不確定性將高達1米/秒；如果將原子的位置測準到約10-10米這一范圍的話，它的速度的不確定性，將高達1萬米/秒。

但是，如果測量的是一個重1公斤的鉛球，假如把它的飛行速度測量至小數點后24位這個精準度，即便在這個精準度之下，它的位置不確定性的范圍，也不會超過一個原子的大小。

再比如量子隧穿效應，質量越小，概率就越大。這個概率的數學計算，同樣可以用來計算一個棒球打到墻上，有多少幾率穿墻而過，只不過計算結果的概率可小到宇宙末日的到來，才有可能發生一次。

然而，在一些文章中，把不確定性定義為只存在于微觀世界，這是一個誤解。事實上，在真實的物理理論中，量子的不確定性原理，并不只適用于微觀粒子，宏觀物體也同樣符合不確定性原理。

而且可以定性地描述為一個公式，也就是：“一個物體的位置不確定性乘以它的速度不確定性小于普朗克常數除以物體的質量”。這是一個普世的公式，它表示物體的質量越小，不確定的范圍就越大；反之，則越小。

換句話說，不確定性原理是普世原理。只是體積越大，不確定性就越小。于是，任何人眼可見的物體的不確定性，就小到可以忽略不計了。不過，歸根到底，世界就是不確定的。

同時，疊加態也一樣，物理學家李淼曾說過：“任何物體可以處于不同位置的疊加態中”。不過，為什么在宏觀經典世界中，迄今為止，似乎并沒有發現像人體、貓等也具有疊加態呢？這也恰恰是量子力學最大的特點，即一旦一個系統足夠大，那么它的表現至少“看”上去，與經典物理系統就一樣了。

比如，著名的“薛定諤的貓”，盡管從量子力學的理論去觀察，這個“貓”可以同時處于生和死的疊加態。但是，由于“貓”太“大”了（相對量子力學所解釋的系統而言），“貓”通過呼吸和空氣發生了作用，即“貓”和外界接觸了。因此，波函數早就坍縮了，即“貓”肯定會要么生，要么死，不會同時處于生和死的疊加態。

20世紀初，由于相對論和量子力學的出現，人們普遍認為機械宇宙觀已經破產，甚至認為相對論和量子力學推翻了牛頓力學。

甚至在一些文章中還存在一個誤解：相對論只適合高速、大質量物體。而相對論在低速、小質量物體時，也是對的。就像在宏觀世界觀察不到量子現象一樣，相對論在低速、小質量物體時，也只是不明顯而已。

其實，愛因斯坦是在洛倫茲變換的基礎上，建立起來的一種新的時空觀，后來被稱為“相對論時空觀”。在愛因斯坦新的時空觀里，原有的力學定律都需要被修正，而牛頓定律不過是低速度空間里的特例。

這就是為什么亞里士多德的落體理論和托勒密的“地心說”早已成為歷史，而牛頓力學至今仍然是全世界所有物理學的基礎教程的原因所在，并且依然是現實生活中使用最廣泛的物理學知識。

顯然，不僅相對論和量子力學絕對沒有推翻牛頓力學，而且它們是以全新的方式，更精確和更清晰地再次證明了牛頓力學的科學性，因為低速空間是我們的常態。

標簽： 不確定性 量子力學 牛頓力學