量子物理的巅峰对决( 二 ) _小知识

但奇怪的是，就是这么一门了不起的理论，自诞生之日起，它的含义到底是什么，就费人索解。因为这涉及到一个重大的问题—如何看待实在？

文章插图

争议的核心—波函数
目前，对量子力学的解释至少流行着十几个版本。每一版本对实在的看法都不一样。争论的核心是一个叫“波函数”的东西。它是物理世界中某个实实在在的东西吗？抑或，它仅只是一个为预测结果而人为发明出来的抽象的数学工具？
让我们来解释一下，什么叫实实在在的东西，什么叫抽象的数学工具。你在中学物理课上，大概已学过诸如力、能量、电场、磁场等概念。虽然肉眼不可见，但你总不能否认，它们是实实在在的吧。但有些东西就不一样了。譬如，炒股的人爱津津乐道某只股票的曲线。但世界上当然不存在“股票曲线”这玩意儿，存在的只是一只只具体的股票和它们在不同时间的价格。至于股票曲线，那是人们为了方便起见，发明出来用于描述股票价格涨落的。换句话说，它只是一个抽象的数学工具。
那么，争论涉及的波函数又是什么呢？
在经典物理学中，用一组波动方程来描述电磁波的运动。我们把方程中出现的随空间、时间变化的电场或磁场，笼统地称作波函数。在这种情况下，很显然，波函数就是电场或磁场本身，是一种实实在在的东西。
在量子世界，由于粒子具有波粒二象性，物理学家借鉴经典物理学，也用一个叫波函数的量来描述微观粒子的运动。但是，当他们试图把波函数解释成像电场、磁场那样实实在在的物理量时，却遇到了巨大的困难。最后，他们不得不接受德国物理学波恩提出的一种解释：量子世界里的波，不是通常意义上的波，而是一种概率波，波函数用来描述粒子出现在空间某一点附近的概率，自身并不指任何可观测的物理量。原则上，只要知道了波函数，其他一切可观测的物理量，如位置、能量、动量等，都可以从它推导出来。但由于量子的不确定性原理，这些量不具有经典力学的确定值，波函数所能告诉我们的，只是一个概率的分布，比如粒子在某个位置附近出现的概率是多少，等等。
这个解释后来上升为量子力学的标准解释，秉持这种观点的是以丹麦物理学家玻尔为代表的哥本哈根学派。
既然波函数本身是不可观测的，按理说，它就不应该是一个实实在在的东西，而只是一种计算工具。（物理学史上，与此类似的一个例子是原子的概念。尽管科学家早在18世纪就已经提出了原子论，但由于原子实在太小，人们在很长时间内都没直接观察到它，于是一些人曾提出，原子或许并不是一种实际存在的东西，而只是一个有用的数学概念。直到20世纪人们直接观测到原子之后，这种质疑声才停止。）然而吊诡的是，在标准解释中，波函数还具有其他一些匪夷所思的特征。这些特征似乎又表明，它是一种实际存在的东西。

文章插图

匪夷所思的波函数
第一个奇怪的特征是，一个粒子的波函数是各种可能状态的叠加。换句话说，粒子处于一种“叠加态” 。
什么是“叠加态”？
举个例子。根据我们的日常经验，一个物体某一时刻总处于某个确定的状态。比如我说，狗狗现在“在”客厅里，或是说，狗狗现在“不在”客厅里。要么在，要么不在，两种情况必居其一。然而，在微观的量子世界里，情况却有所不同。例如，电子可以同时位于两个不同的地点：A和B 。也就是说，电子既在A ，又不在A 。电子的状态是“在A”和“不在A（在B）”两种状态按一定概率的叠加。微观粒子的这种混合状态，叫做“叠加态” 。处于叠加态的粒子，状态是不确定的，波函数只能告诉你，处于A状态的概率是多少，处于B状态的概率是多少，而不能确切地告诉你，粒子此刻到底处于A还是处于B 。