量子力學為如此何離經叛道？

如果宇宙真的是受到量子定律的支配，那為何我們還會覺得這些定律是奇怪的呢？

        答案或許就在于我們對“奇怪”的定義：量子力學似乎看起來很奇怪，是因為它與我們的日常直覺背道而馳。我們發現的用來描述量子系統的行為的定律（比如薛定谔方程等），并不像我們用來描述日常物體的實體法則（比如牛頓的運動定律等）。在我們生活中的絕大多數情況，都隻與遵循牛頓定律的事物互相作用，這便定義了我們對事物“應該”如何行為的直覺。當量子實體學表現出“離經叛道”時，它在我們眼裡就變得奇怪了。

        但為什麼定義了我們直覺的日常實體法則與量子法則之間存在這樣的差別呢？哥本哈根诠釋的思路似乎基本上想表達的是“現實就是如此”，試圖在量子法則适用的微觀尺度與經典法則适用的宏觀尺度之間強加一個絕對的分離，但這一立場顯然是站不住腳的。薛定谔著名的思想實驗——薛定谔的貓，就精準地表達了：宏觀世界的貓的狀态，與微觀世界的原子的狀态，以一種超出哥本哈根诠釋的設定界限的方式糾纏在了一起。

○ 諾貝爾實體學獎得主 Philip Anderson 于1972年在《科學》期刊發表的《多而不同》（More is different）一文。| 圖檔來源：Science

        換句話說，就是适用于宏觀物體的法則和适用于微觀物體的法則之間并不存在真正的差別——宇宙在每個尺度上都是量子的。我們看到的“經典法則”隻是将量子實體應用于宏觀事物時的結果。從某種意義上說，這隻是實體學家 Philip Anderson 提出的“多而不同（More is different）”的觀點的另一應用。正如 Anderson 所指出的那樣，當我們研究大量物體的集體行為時，通常會發現個體間的互相作用可用一些簡單的法則描述，而大的集體行為則能用另一組簡單的法則來描述，并且這一法則未必與原始的個體互相作用的法則有關。這種從低級法則湧現出進階法則的想法造成了科學中的等級結構（hierarchical structure of sciences）——化學是有着很多原子的實體學，而生物是有大量分子的化學等等。

○ 科學中的等級結構。| 圖檔來源：Max Tegmark

        從某種意義上說，這就是事實：當将量子力學應用到一個由足夠多的粒子組成的可見物體時，粒子以及它們之間的互相作用都受到量子法則的支配；但是集體效應為我們提供了一副有着不同面貌的“經典”法則。日常生活中的現實就是當所有這些量子屬性模糊在一起時發生的事。

        在有些情況下，這種轉變相對比較容易看到。如果我們對一個單一量子粒子的行為進行觀測，會發現我們無法随時對它明确的位置和動量進行經典地軌迹追蹤。這就是導緻一些标志性量子現象出現的原因，例如物質粒子像波一樣幹涉。

        盡管如此，大量關于位置和動量測量的平均結果能完全反應牛頓定律的期望。從某種意義上說，當我們追蹤一個經典物體的軌迹時，例如一個正在飛行的高爾夫球，我們看到的正是構成那顆球的大量原子的平均位置。

        還有一些标志性量子行為的消失就比較難了解了，例如能量的離散性。如果觀測原子中一個電子的行為，會發現它非常的不經典：它的能量隻能在不同軌道之間的躍遷才能改變。但如果觀察導體中的宏觀電子行為時，就不會看到這種離散性：當對導體施加電壓而産生電流時，電子移動的方式看起來就非常經典——它們的平均速度似乎在平穩增加，沒有出現任何不連續的躍遷。

        那麼，躍遷去哪兒了？其實它們哪都沒去——導體中的單個電子仍在不同的能級間躍遷。隻是随着粒子的增加，能級的數量也變得越大，能級間的能量差就變得越小，直到它們開始一起運作時，原子中清晰的能級就變成了固體中的能帶。它們并非真正的連續能帶，但是在宏觀尺度下，它們徹底地模糊在了一起，真如一體一般。

        當然，僅因量子定律融入進經典定律并不意味着量子法則就完全消失了。如果仔細觀察，我們仍可以找到一些暗示基礎量子特性的微小行為。導體中的電子會以非常經典的方式移動，但絕緣體不會——這代表的是帶隙的存在，這轉而成為了電子波動性的證據。我們也可以設定讓大量的量子物體互相獨立作用，是以量子性不會被抹滅的情況，就能得到受激原子明亮的光譜線（預示着離散的能态）以及光電效應（光的粒子性質）等現象。這也正是我們最早知曉量子實體的原因——追蹤物體從日常行為走向奇異的量子世界的線索。

        再次說明，這并不是在說量子诠釋不能解決有趣的問題，也不是說量子實體并不奇怪。然而，鑒于大量的證據表明我們的宇宙受量子實體學支配，是以退一步思考——“作為量子世界中的我們，為何會對量子實體學感到驚訝”，是一件很有意思的事。

原文釋出時間為：2017-12-11

本文作者：量子君

本文來源：

量子科學

，如需轉載請聯系原作者。