量子力学真的会出现吗（量子力学真的是科学吗）

你应该听过这样的话，遇事不决，量子力学。这句话的意思就是，遇到无法解释的事情，都可以扯到量子力学上面去，似乎量子力学在人们口中不像科学，而是玄学。那么这种说法到底对不对呢？

其实我们的世界分为宏观和微观两个领域，宏观领域我们非常熟悉，因为我们一直生活在宏观领域，所以会建立一些被认为是绝对正确的直觉。比如一个物体在同一个时刻，只可能处于某一个固定的位置，不可能同时处于多个位置。

宏观世界

再比如我们会认为任何物体的位置和速度，我们都能同时测准，如果遇到测不准的情况，我们会归结于测量技术不够先进，而不会认为这个世界本来就不确定。这些结论都是我们长期生活在宏观世界，所建立起来的直觉和经验，所以我们对刚才的结论深信不疑。如果有人怀疑刚才的结论，我们第一反应就是，这个人肯定是头脑有问题。

但是微观世界却与宏观世界有很大的不同，我们在宏观世界所研究出的很多物理规律，比如牛顿力学，在微观世界完全没办法使用，这到底是怎么回事呢？接下来我们就来揭秘微观世界的神奇之处。我们首先来研究一个电子的运动状态，在我们的印象中，电子似乎就是一个极其小的球体，除此之外与宏观的小球应该没多大差别才对。而你应该也听过这种说法，说电子和光子等这些微观粒子，其实不仅仅是一个粒子，同时又是一种波，所以才有了，微观粒子具有波粒二象性这个概念。

电子的运动

很多人一听说电子也是一种波，脑袋中第一个反应就是，电子的运动轨迹，就好像我们通常看见的波一样，是走一个蜿蜒崎岖的曲线轨迹移动下去的。其实这是对电子运动状态的一种极大的误解，我们之所以说电子也是一种波，这个波不是指电子的运动轨迹像一个波，而是说电子所处的位置是一个空间范围，而电子在这个范围内任意位置出现的概率值，会形成一个波。所以电子也是一种波，其实指的是一种概率波。

电子的概率波

可能你对电子的这种概率波无法理解，我举一个简单例子，假设此时我们有一个宏观物体的小球，我们还有一个检测小球是否存在的仪器，这个仪器可以在某一个小范围内，快速检测出小球是否当前正处于这个范围，如果检测到小球，仪器会显示Yes，如果没有检测到，仪器就显示NO。如果我让小球从X=0开始，以速度1米每秒开始运动，然后把仪器放到X=4的位置，并且仪器设定一个定时器，规定4秒以后仪器正式开始检测。

小球运动状态

这个实验我们可以先不执行，从理论上推理就可以得出结论，因为小球速度是1米每秒，所以经过4秒以后，小球肯定在X=4这个位置，而仪器恰好也放在这里，并且也是定时4秒后启动检测功能。所以就算这个实验我们还没做，我们也能提前知道答案，那就是仪器肯定会显示：YES。而这就是宏观世界的确定性。我们可以根据事物的初始状态，并借助于物理规律，对未来没有发生的事情做预测，并且有时这种预测是极其精准的。

但是如果把刚才的宏观世界的小球，换成微观世界的电子，请问你还能预测出4秒后，仪器显示的到底是YES还是NO吗？也许你会觉得，如果电子的初始位置与运动速度和刚才的宏观小球一模一样，那么4秒以后，仪器肯定也会显示YES才对。但如果你实际去做这个实验就会发现，电子首先就不会老老实实呆在X=0的位置，而是在这个位置周围的一个范围内随机出现，换言之电子不是处于一个固定的位置。

电子移动

所以我们就可以针对电子所有可能存在的位置都算出一个概率值，这样就形成了一个概率的波函数，通过观察可以看出，越靠近中间的范围，波函数越肥，这代表电子出现在中间的概率越大，越靠近两边，波函数很瘦，这代表电子出现在两边的概率很小。

了解这个知识以后，我们依然让电子开始向右边运动，我们可以通过技术手段，让电子所处的这个范围，整体以1米每秒速度前进，然后4秒后，仪器正式开始检测。此时你会发现，仪器是否能检测到电子，完全属于随机事件。我们甚至能计算出，4秒以后，仪器检测到电子的概率是多少，其实就是仪器的检测范围，占整个波函数宽度的比值。也就是百分之35，换言之，仪器检测不到电子的概率是百分之65。

发现电子的概率

这下大家就应该明白为何微观世界很多事情，我们都无法给出一个肯定性的结论，而必须用概率来诠释了吧。因为微观世界的物体，一直处于不确定的状态，我们根本无法拿到一个完备的微观粒子的初始信息，自然也就无法对其未来做一个确定性的预测。

而且微观世界的诡异之处，还远不止这些，刚才针对这个电子，仪器如果显示了YES，这意味着说电子肯定处于仪器所检测的范围，那也意味着，此时电子处于这个范围以外的位置的概率瞬间就会变成0。而这也意味着，你的测量行为，已经改变了波函数的形状，原来的波函数比较宽，现在瞬间就变窄了，这意味着人类的观察行为，竟然改变了电子的运动状态，这显得非常不可思议。

观察

也许你会有疑问，刚才分析的过程，都是仪器显示YES的过程，如果仪器显示NO会怎样呢？其实很简单，如果仪器显示NO，这意味着仪器所检测的范围内，没有出现电子，那么此刻电子只可能出现在波函数的两侧，此时的波函数会瞬间变成两部分，而这也同样改变了波函数。换言之不管你是否观测到电子，只要你做了观测，电子的波函数就会瞬间发生改变，而这就是所谓的波函数坍缩。

波函数坍缩

在宏观世界里面，我去观测一个小球，并不会影响到小球的状态。但是微观世界里面，你的观测行为和粒子的状态会形成强烈的因果关系。换言之，微观世界里面，似乎观测会直接影响微观世界的进程，所以才有了这个说法，人的意识也许能直接影响微观世界的演化过程。这里我们暂时不讨论人的意识能否影响客观世界，但是可以确定的是，微观世界所遵循的物理规律，真的与宏观世界有很大的不同。

而且微观的不确定性，不仅仅体现在空间位置上，还体现在速度上，也就是任何一个微观粒子，此刻的速度是多少，也处于一个不确定的值。换言之，微观粒子此刻的速度，其实也是一个范围内的随机值，我们可以在这个速度范围内，把每一个速度对应的概率值都算出来，因此这又会形成一个波函数。此时我们相当于拥有了两个波函数，第一个波函数用于描述微观粒子所处位置的概率值，第二个波函数用于描述微观粒子速度的概率值。

两个波函数

而这两个波函数如果越窄，就意味着对应的物理量测量得越精确。比如针对位置波函数来说，如果越窄，这就说明微观粒子只可能出现在这个极小的范围内，那么微观粒子的位置就越确定。但是当你把一个微观粒子的速度波函数，和位置波函数都测量出来以后，你会发现一个惊讶的事实，那就是当你把位置波函数弄得很窄时，速度波函数会变宽。而当你把速度波函数弄得很窄时，位置波函数又会很宽。

也许这样表达非常抽象，举一个例子，假设此时你有一个容器，里面装了一个电子，当你的容器远大于这个电子时，电子所处的空间范围很广，容器里面的任意位置电子都可能出现，所以此时电子的位置波函数会很宽，位置就很不确定，但是此时你却发现，电子的速度似乎就确定下来了，你能测量出电子的速度信息，这意味着此时速度波函数很窄。

波函数变化

但是如果你的容器慢慢变小，变小到刚好容纳这个电子的情况，此时电子由于无法穿透容器跑到外面，电子就只可能在一个固定的位置存在，此时电子的位置波函数非常窄，但此时你再去测量电子的速度，你会发现，电子一会儿处于这个速度，一会儿处于那个速度，速度变得极大的不确定，这也意味着电子的速度波函数变宽了。

瓶子里的电子

所以分析到这里，你就会发现，你永远无法同时精确测量出一个电子位置和速度，当你位置测准了，速度就不准，当你速度测准了，位置又不准，而这就是著名的海森堡不确定性原理。这种微观粒子的不确定性，不是因为我们的测量仪器不够先进导致，而是微观世界本来就不确定。

但是我们好奇的是，为何宏观世界就很确定？其实海森堡不确定性原理，更为准确的说法是，你永远无法同时测准一个微观粒子的位置和动量，但是由于动量等于质量乘以速度，而每个物体的质量是固定的，所以你直接说位置和速度不可同时测准，也没有错误。但是海森堡不确定性原理的公式却是：位置不确定性，乘以动量不确定性，必须大于或等于普朗克常数除以4π。而这就能解释为何宏观世界非常确定。

海森堡

我们暂时把公式里面的动量改成速度乘以质量，那么这个不确定性公式就变成了：位置不确定性，乘以速度不确定性，乘以质量，必须大于或等于普朗克常数除以4π。由于宏观物体的质量都很大，所以对于宏观物体来说，速度不确定性和位置不确定性就都可以很小，也能满足这个公式，相当于为了满足这个公式，宏观物体的质量帮了很大的忙。

但是针对微观物体就完全不同了，由于微观物体质量都很小，所以要让这个公式满足，位置不确定性和速度不确定性，两者之中必须得有一个很大才行，如果两者都很小，这个公式是不可能满足的。所以速度和位置总得有一个非常不确定才行。

量子力学

分析到这里，大家终于明白为何我们的微观世界，永远都处于不确定的状态，因为它们的质量太小了，逼迫它们必须让位置和速度的其中一个，变得不确定才行。如果你看懂了以上理论，你就掌握了量子力学的核心，不知道各位网友怎么看，欢迎在评论区留言。

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