对量子力学的认知存在哪些误解

• 2022-11-07 09:42:18 来源：科普时报

量子纠缠（图源：诺贝尔委员会）

【资料图】

超越时空

近日，诺贝尔物理学奖授予了法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·塞林格三人，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”。

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10-10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，如果测量的是一个重1公斤的铅球，假如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，在一些文章中，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，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乘以它的速度不确定性小于普朗克常数除以物体的质量”。这是一个普世的公式，它表示物体的质量越小，不确定的范围就越大；反之，则越小。

换句话说，不确定性原理是普世原理。只是体积越大，不确定性就越小。于是，任何人眼可见的物体的不确定性，就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，物理学家李淼曾说过：“任何物体可以处于不同位置的叠加态中”。不过，为什么在宏观经典世界中，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（相对量子力学所解释的系统而言），“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。

甚至在一些文章中还存在一个误解：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。

这就是为什么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。

标签： 不确定性 量子力学 牛顿力学

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