你對(duì)量子物理學(xué)是不是也有這六點(diǎn)誤解

多年來，我一直在推廣自己的研究領(lǐng)域——量子物理學(xué)。一般公眾都覺得這是個(gè)很吸引人的話題，書籍和雜志封面也常常表現(xiàn)它的神秘。然而，在物理學(xué)的這個(gè)領(lǐng)域中出現(xiàn)了許多誤解，我寫這篇文章的目的就是要通過事實(shí)來揭穿這其中的6個(gè)錯(cuò)誤觀念。

別擔(dān)心，你并不需要了解多少的量子物理學(xué)知識(shí)才能閱讀這篇文章。我不是要解釋什么是量子物理學(xué)，而是主要要解釋它不是什么……

1、“量子物理學(xué)全都是關(guān)于不確定性”

并不是！事實(shí)上，量子物理學(xué)可能是人類創(chuàng)造的最精確的一門科學(xué)。它能夠以極高的精度預(yù)測(cè)某些性質(zhì)，甚至可以精確到小數(shù)點(diǎn)10位之后，這都在后來的實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)。

這種錯(cuò)誤觀念部分來源于海森堡的“不確定性原理”。海森堡指出，當(dāng)同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)量時(shí)，比如一個(gè)粒子的速度和位置，測(cè)量的精確性是有限度的。但是當(dāng)量子物理學(xué)被用來計(jì)算其他的物理量時(shí)，比如能量或者原子的磁性，它可以達(dá)到驚人的精確度。

2、“量子物理學(xué)無法被可視化”

量子物理學(xué)描述的對(duì)象通常有些“奇怪”，而且很難描述出它們的圖像，比如波函數(shù)、疊加態(tài)、概率幅、復(fù)數(shù)等等。人們常說，只有用數(shù)學(xué)方程和符號(hào)才能理解這些概念。盡管如此，我們物理學(xué)家在教導(dǎo)和推廣這些概念時(shí)，仍然會(huì)描述它們的圖像。我們會(huì)使用圖表、繪畫、隱喻、投影儀和許多其他設(shè)備。這些都沒什么，因?yàn)椴粌H是學(xué)生，甚至像我們這樣資深的量子物理學(xué)家也需要在頭腦中對(duì)正在擺弄的對(duì)象形成一幅圖像。有爭(zhēng)議的部分在于這些圖像的準(zhǔn)確性，因?yàn)槲覀兒茈y準(zhǔn)確地表示一個(gè)量子對(duì)象。

通過與設(shè)計(jì)師、插畫家和視頻制作者合作，PhysicsReimagined（重新想象物理學(xué)）研究小組試圖以所有可能的形式來“繪制”量子物理學(xué)：折紙、視覺文學(xué)、雕塑、3D動(dòng)畫等等。

3、“即使科學(xué)家也不懂量子物理學(xué)”

量子物理學(xué)領(lǐng)域的一位領(lǐng)軍人物費(fèi)曼曾說過：“我想我可以有把握地說，沒有人真正理解量子力學(xué)。”但他接著馬上補(bǔ)充說：“我將告訴你們大自然是如何運(yùn)作的。”這個(gè)學(xué)科的奠基人之一玻爾給出了一個(gè)很好的總結(jié)：“那些在第一次接觸量子理論時(shí)沒有被震撼的人，不可能真正理解它?！?/p>

當(dāng)物理學(xué)家在處理量子的數(shù)學(xué)形式描述時(shí)，他們確實(shí)明白自己在做什么。他們只是需要讓自己的直覺適應(yīng)這個(gè)新領(lǐng)域及其內(nèi)在的矛盾。

4、“少數(shù)幾個(gè)杰出的理論學(xué)家提出了量子物理學(xué)的整個(gè)概念”

量子物理學(xué)的整個(gè)歷史恰恰表現(xiàn)了完全相反的事實(shí)。一開始，在實(shí)驗(yàn)室中出現(xiàn)了一些意想不到的結(jié)果，比如光電效應(yīng)、黑體輻射、原子的光發(fā)射光譜。直到后來，當(dāng)愛因斯坦、普朗克、玻爾和其他人試圖提供解釋時(shí)，這一領(lǐng)域才有了杰出理論學(xué)家的加入。

隨后基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)繼續(xù)跟進(jìn)，包括會(huì)從鎳上詭異地反彈的電子，因磁場(chǎng)而發(fā)生奇怪偏轉(zhuǎn)的銀原子，以及在低溫下可以完美導(dǎo)電的金屬等等。然后理論和概念再次出現(xiàn)，出現(xiàn)了對(duì)偶性、自旋以及超導(dǎo)性等概念。理論與實(shí)踐之間這種富有成效的來回交流是建立物理學(xué)的根基。除了極少數(shù)情況外，通常都是實(shí)驗(yàn)最先出現(xiàn)。

5、“愛因斯坦是量子物理學(xué)最大的敵人”

愛因斯坦經(jīng)常被描述為一個(gè)對(duì)量子物理學(xué)充滿惡意的反對(duì)者，這可能是因?yàn)樗哪蔷涿裕骸吧系鄄粫?huì)和宇宙玩擲骰子?！比欢聦?shí)是，他不僅不反對(duì)量子力學(xué)，而且他還創(chuàng)造了量子力學(xué)！

1905年，在普朗克的工作基礎(chǔ)之上，愛因斯坦寫了一篇基礎(chǔ)性的文章——《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》。在這篇文章中，愛因斯坦提出，光是由小的、獨(dú)立的、一份一份的物體組成的，它們名為光子。事實(shí)上，讓他獲得諾貝爾獎(jiǎng)的正是這項(xiàng)工作，而不是他在相對(duì)論方面的研究。

愛因斯坦之所以留下這樣的“惡名”可能是源于他與玻爾關(guān)于量子力學(xué)的論戰(zhàn)，尤其是關(guān)于詮釋和量子實(shí)在的概念，因?yàn)樗唤邮芊嵌ㄓ蛐缘母拍?。后來，關(guān)于量子糾纏和違背貝爾定理的實(shí)驗(yàn)證明了愛因斯坦是錯(cuò)誤的，并證明了隱變量的缺失。愛因斯坦完全理解量子物理學(xué)的相關(guān)性，他只是對(duì)它的一些含義有所疑慮，特別是在于定域性有關(guān)的問題上。

6、“量子物理沒有實(shí)際用途”

量子物理學(xué)可能是現(xiàn)代物理學(xué)中最有用的學(xué)科。一旦物理學(xué)家理解了光、原子和電子的工作原理，就能對(duì)它們進(jìn)行操縱。激光、醫(yī)院里的核磁共振成像、LED燈、閃存、硬盤，還有更重要的晶體管和電子器件，所有這些技術(shù)都是量子物理學(xué)家發(fā)明的。