SPEC:好些量子力学的科普中，存在哪些误解？_XSPEC币

北京时间10月4日下午，瑞典皇家科学院决定将2022年的诺贝尔物理学奖授予法国科学家AlainAspect、美国科学家JohnF.Clauser和奥地利科学家AntonZeilinger，以表彰他们“用纠缠光子进行的实验，建立了贝尔不等式的违反，并开创了量子信息科学”。

——量子力学中那些“奇特”的现象，其实在宏观世界中也一样存在

文/陈思进

之前，我曾在专栏文《量子力学并没有否定客观世界》中提及：不确定性原理听上去神奇，其实倒也并不神秘，它是某些成对出现的物理量，术语叫共轭物理量的逻辑必然。不确定性原理是普适的原理。不管在微观世界还是宏观世界，不确定性原理具有明确的数学法则，即质量越大和体积越大的物体，其不确定性就越小。所以，任何肉眼可见的物体，它的不确定性可小到完全可以忽略不计。

文章发表之后，收到好些读者的询问，说他们看到的一些科普文章，都把量子力学描述得非常得“神奇”，甚至感觉“超自然”了。那我就再详谈一下吧。

最近，牛津大学量子信息学教授VlaskoVidral表示，“很少有现代物理学认同牛顿物理学可以和量子物理学相提并论，即便在日常生活的‘真实世界’中，也是如此。牛顿的理论只是一种近似，在任何尺度上世界都是量子的。”

也就是说，量子力学非但适合量子世界，也适合“真实世界”——我们可见的宏观世界。大多数人都以为量子的那些不可思议的特性，如叠加态、量子纠缠、不确定性原理等，只是量子世界的特性，在宏观世界中并不适用。其实这是一个误解。所有量子理论中的数学公式，都可以用在宏观世界之中；所有适用于微观粒子的概率计算，也都可以计算宏观物体。

举一个实例。如果我们将电子的位置测准到1毫米范围，那么它速度的不确定性将高达1米/秒；如果将原子的位置测准到约10的-10次方米这一范围的话，它的速度的不确定性，将高达1万米/秒。

但是，如果我们测量的是一个重1公斤的铅球，假如我们把它的飞行速度测量至小数点后24位这个精准度，即便在这个精准度之下，它的位置不确定性的范围，也不会超过一个原子的大小。

再比如量子隧穿效应，质量越小，概率就越大。这个概率的数学计算，同样可以用来计算一个棒球打到墙上，有多少几率穿墙而过，只不过计算结果的概率可小到宇宙末日的到来，才有可能发生一次。

然而，注意到，在一些科普文章中，把不确定性定义为只存在于微观世界。这是一个误解。事实上，在真实的物理理论中，量子的不确定性原理，其实并不只适用于微观粒子，宏观物体也同样符合不确定性原理。而且可以定性地描述为一个公式，也就是：“一个物体的位置不确定性X它的速度不确定性<普朗克常数/物体的质量”。这是一个普世的公式，它表示物体的质量越小，那么不确定的范围就越大；反之，则越小。

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换句话来说，不确定性原理是普世原理。只是体积越大，不确定就越小。于是，任何人眼可见的物体的不确定性，已小到可以忽略不计了。不过，归根到底，世界就是不确定的。

同时，叠加态也一样，物理学家李淼先生曾说过：“任何物体可以处于不同位置的叠加态中”。不过，为何在宏观经典世界中，迄今为止，似乎并没有发现像人体、猫等也具有叠加态呢？这也恰恰是量子力学最大的特点，即，一旦一个系统足够大，那么它的表现至少“看”上去，与经典物理系统就一样了。

比如，著名的“薛定谔的猫”，尽管从量子力学的理论去观察，这个“猫”可以同时处于生和死的叠加态。但是，由于“猫”太“大”了，“猫”通过呼吸和空气发生了作用，即“猫”和外界接触了。因此，波函数早就坍缩了，即“猫”肯定会要么生，要么死，不会同时处于生和死的叠加态。

20世纪初，由于相对论和量子力学的出现，人们普遍认为机械宇宙观已经破产，甚至认为相对论和量子力学“推翻了”牛顿力学。

其实不然。

众所周知，量子力学的发展是从因应19世纪末物理学上空的二朵乌云中的“黑体辐射”问题开始的；而反映经典物理学中的另一基础性矛盾——另一朵乌云“以太漂移”，则被爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论所诠释，揭示了空间、时间、物质和运动之间的内在联系，带来了整个物理学和人类认知领域的革命。

我还注意到，在很多科普相对论的文章中，也常有个误解，就是说相对论只适合高速、大质量物体。而相对论在低速、小质量物体时，也是对的。就像在宏观世界观察不到量子现象一样，相对论在低速、小质量物体时，也只是不明显而已。

其实，爱因斯坦是在洛伦兹变换的基础上，建立起来的一种新的时空观，后来被称为“相对论时空观”。在爱因斯坦新的时空观里，原有的力学定律都需要被修正，而牛顿定律不过是低速度空间里的特例。

这就是为何亚里士多德的落体理论和托勒密的地心说早已成为历史，而牛顿力学至今仍然是全世界所有物理学的基础教程的原因所在，并且依然是现实生活中使用最广泛的物理学知识。

显然，不仅相对论和量子力学绝对没有推翻牛顿力学，而且它们是以全新的方式，更精确和更清晰地再次证明了牛顿力学的科学性，因为，低速空间是我们的常态。

最后，用李淼先生的一句话作为此文的结语：“量子力学的世界是一个神奇的世界。这个世界再神奇，也不会神奇到没有意识就不存在。它只是告诉我们，一个粒子可以处于不同位置的叠加态中，甚至任何物体都可以处于不同位置的叠加态中。”

2022年10月05日写于多伦多安大略湖畔

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