量子叠加态怎么发现的(为什么量子力学的)

前面文章中我讲解了量子力学的一个概念:叠加态。也就是说一旦进入了微观世界,微观粒子的运动情况和我们宏观物体完全不一样,宏观物体在某一个时刻都永远只处于一个位置并且只拥有一个速度,但是微观粒子却是在某个局部范围内处于叠加态。但是叠加态本身是否是一种科学的论述方式呢?为啥这个叠加态概念很可怕呢?今天我们来谈谈这个问题。

首先宏观世界有没有叠加态?其实还是有的,只不过宏观物体的叠加态非常的微弱,微弱的让我们可以直接忽略掉而已。因为前面我专门写了一篇文章介绍“海森堡测不准原理”,宏观世界的物体波动性之所以不明显,就是因为质量的原因导致。如果你没看这篇文章,建议可以先去看看。

量子叠加态怎么发现的(为什么量子力学的)(1)

很多网友对叠加态有误解,比如当我描述一个微观粒子在某时刻所处的位置时,用量子力学的语言来表达就是:微观粒子此时处于A的概率是30%,处于B的概率是50%,处于C的概率是20%,也就是微观粒子同时处于A、B、C的叠加态。但是大部分网友会这样解释:因为微观粒子运动速度太快了,所以导致我们看起来微观粒子好像同时处于多个位置,如果我们的观察技术提升,那么还是可以看到微观粒子在某一个时刻其实只处于一个位置。

量子叠加态怎么发现的(为什么量子力学的)(2)

以上的网友解释应该说非常符合我们的常规和直觉对不对?可惜这个解释是错的,因为我们目前的观察技术而言,微观粒子的运动速度再快能快过光速吗?现在的科技发展测量高速粒子的运动速度技术已经非常成熟了,所以你首先要明白一个事实:微观粒子要用叠加态来描述,不是因为微观粒子的运动速度太快导致的。

其次你要明白一点,假设此时有一个电子,我们计算出来电子处于A位置的概率是20%,B位置的概率是80%,那么电子就同时处于A、B位置的叠加态对不对。此时再举一个类似的例子,假设宏观世界里面抛硬币,我往上一扔然后仍由硬币落地,但是我并不去看落地的结果,那么此时我们知道,硬币是正面的概率是50%,硬币的反面概率也是50%,那么请问:此时我们可以说硬币处于正面和反面的叠加态不?

量子叠加态怎么发现的(为什么量子力学的)(3)

大家可以好好思考这个问题,其实对于扔硬币来说,我们虽然知道概率是各占50%,但是我们未观察结果前,我们不能说硬币处于叠加态。但是面对一个电子,我们未观察前,我们却可以说电子的确是处于A和B的叠加态。大家明白这两者的差别没?

没错,电子处于微观世界,当你把一个电子控制在某个局部范围内(比如A和B位置),那么此时你不去观察时,电子的确是同时处于A和B两个位置的,只不过A和B两个位置分到的概率值不同而已。但是如果你再宏观世界去抛硬币,当硬币落地后,你如果不去观察硬币,那么硬币绝对不是同时处于正面和反面的叠加态,硬币肯定是只处于某一个状态且概率是100%,另一个状态概率是0%。所以理解叠加态的关键就在于:观察。没错!当你未观察前,你可以说电子同时处于A和B叠加,但是不能说硬币同时处于正面和反面的叠加。

量子叠加态怎么发现的(为什么量子力学的)(4)

而且最关键的问题在于,当你未观察前,电子的状态是不确定的,但是硬币正反面结果却是确定的。当你观察的一瞬间,电子的状态才确定,但是硬币的状态却是你观察前就确定了。当你再次不观察后,电子的状态再次不确定,硬币的状态依然是早就确定了。所以微观世界和宏观世界的差别就是:

量子叠加态怎么发现的(为什么量子力学的)(5)

微观世界:观察前电子状态不确定,观察一瞬间电子状态确定,观察后电子状态再次不确定。

宏观世界:观察前物体状态确定,观察一瞬间物体状态确定,观察后物体状态依然确定。

而且还有一个重点是:微观世界的物体,为啥观察的一瞬间状态就确定了,因为正是你的观察导致微观粒子的状态被确定下来。你的观察不仅仅是“发现”微观粒子的状态,你的观察还“创造”了微观粒子的状态。你对微观世界的观察不仅仅是“发现”,你的观察行为和看到的结果产生了因果关系。当你理解到这一层,你才算真正理解微观粒子的叠加态,到底是要表达啥意思。

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