世界是确定性的吗？量子力学升级你的“世界观”

在物质世界里，任何一个自然现象，如果层层追问下去，就一定会问到量子力学的领域来。 比如，为什么开车时一加速，就会感到“推背感”？物体的质量从哪里来？是从秤上称出来的吗？这些生活中很难解释的问题，量子力学会给你一个最终答案。 今天，我们邀请到理论物理学博士、中国科普作家协会会员、菠萝科学奖策划人李剑龙老师，推出了一门全新的「得到」课程《给忙碌者的量子力学课》，这门新课程，不仅能让你弄懂“量子隧穿”“量子纠缠”等常听到却不太理解的名词，还会带你看清世界运作的真相，升级你的世界观。 今天，我们抢先选出一讲，带你从量子力学的角度，重新思考世界是不是确定性的。

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“确定”意味着能准确预知 今天，我们来学习量子力学的一个重要原理：不确定性原理。 关于世界的不确定性， 很多科普文章是这么说的： 既然世界都是由原子组成的，原子都遵循量子力学，而量子力学又有不确定 性 原理，所以这个世界就是不确定的。 这段推理不能说完全没有道理，但答案并不完整，缺失了很大一部分。到底不完整在哪儿，学习完这一讲，我相信你就会明白。 我们先从“确定性”说起。 我们说“世界是确定性的”，指的是物理世界的确定性。社会经济、历史文化，还有人的精神世界等等，这些高层次的现象，都不在讨论范围之内。在讨论这类现象之前，都必须先搞清楚物理世界的确定性，否则谈论整体世界如何如何，都是不稳固的。 那物理世界的确定性是什么意思呢？ 请你想象一个场景。八月十五中秋节，晚上10点，我带你来到西湖旁边，问你三个物理问题：“你看见月亮了吗？你知道月亮在哪里吗？2个小时以后，月亮又会在哪里？” 我猜你会自信而坚定地回答：“我看见月亮了，我知道月亮在这里，2个小时以后，月亮会在那里。”你的手，指向现在月亮位置偏右的一个位置。 回答正确。这就是物理世界的确定性。我们可以指定一个物体，测量它现在的位置和速度，根据这2个物理量，我们就能知道下一时刻这个物体的位置。 事实上，我们今天还可以预测500年以后的月食什么时候发生，是发生月全食还是月偏食。我们都能准确知道。 你会来挑战一下：老师，抛硬币是正面还是反面，在硬币落地之前，你能确定吗？我也会自信而坚定地回答：那要看我想不想确定。 抛硬币是一个物理过程，只不过影响因素比较多，测量这些因素需要的精度比较高而已。我要是有这些设备，我就能在硬币落地之前，知道是正面还是反面。 所以，物理世界是确定的，能不能提前预测，只是我们能力的问题。这就是量子力学诞生之前人们对世界的信念。 不幸的是，要是把月亮缩小成一个电子，这个信念就守不住了。

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位置和速度永远不能同时确定 再发挥一下你的想象力，我把你带到了原子核上，此时月亮成了一个电子。 我再问第一个问题：你能看见月亮吗？你会回答，我只看见了一团云雾。“一团云雾”是什么意思？ 意思是说，月亮同时在周围空间的任何位置、所有位置、每一个位置。这还不是最奇妙的，最奇妙的是月亮还在以各种速度、好多好多个速度，不止一个速度在同时运动。 这个场景违反我们的日常逻辑，这太诡异了。 这里稍微深入一点。 这种状态就是物理学家口中总在说的那个词：叠加态。 不严格地说，位置的叠加态是指粒子同时处于好多位置上，速度的叠加态是指粒子同时拥有好多速度。用叠加态这个术语，下面我就可以方便地说话了。 别忘了我们现在还一起站在原子核上呢。我接着问第二个问题：你看见月亮在哪了吗？你看不见是不是，没关系，我给你一个激光探照灯，你来照一照。 第二个诡异的事情发生了。 你会发现，你不能确定月亮到底处于什么物理状态。这个“物理状态”至少要包含2个信息，一个是位置，一个是速度。有了这2个信息，我们才能预测月亮下一个时刻的物理状态。 诡异事又来了。你用激光一照，确实能找到月亮的位置了，但是月亮有时候在这里，有时候又在那里。 更要命的是，你测量它的时候，一次只能确定一件事。就是你可以确定月亮的位置，你也可以确定月亮的速度，但是你不能同时确定这2个信息。 我们深入一点，用量子力学的术语再表达一下。 在你测量之前，月亮既处于位置的叠加态当中，同时也处于速度的叠加态当中。当你测量时，如果减小月亮位置的叠加程度，就是越来越确定地知道，月亮的位置在哪里的同时，会增加月亮速度的叠加程度，月亮会同时以更不确定的速度运动。 反过来也一样，我再说一遍反过来的情形。当你把速度的叠加程度减小，反而会增加月亮位置的叠加程度，月亮会同时处于更不确定的位置上。 这就是量子力学的不确定性原理。 别忘了，我们还在原子核上呢。我还有第三个问题：2个小时以后，月亮又会在哪里？我猜，这时你的回答一定是，我不知道，我不可能知道，没有人能知道。 在做出最终的结论之前，还有一个历史错误要得到修正。那就是，量子世界存在不确定性，是不是因为测量对它造成了干扰？ 你要测量一个粒子的位置，就必须发送光子去看，就像我给你的激光探照灯一样，光子一碰到要测量的粒子，就会改变粒子的速度，从而带来了不确定性。 我确定地告诉你，不是。 量子世界确实难以测量，但不确定性是它的内在属性，和测量没有关系。 曾经有人把不确定性原理翻译成“测不准原理”，这个翻译导致了理解错误，让人以为这只是个测量难题。 不确定性原理的本质就是，一个粒子身上，有很多一对一对的物理量，它们形成的叠加态都会这样此消彼长。 注意，这里的关键是“一对”。我刚才说的，位置和速度，是一对物理量，但是它们只是不确定性原理的一种情况。还有很多组成对的物理量，也符合这个关系。比如能量和到达时间、角动量和偏振角度等等。 我还要强调一下。我说“看见一团云雾”是一个比喻，是说粒子所处的位置画出来像一团云，而不是你真的看见了一团云。我说的“用激光照一照”，指的是实验测量，这才是你真正能看见的东西。

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世界确不确定，取决于你的视角 其实我们觉得不确定性原理非常诡异，只是因为我们总把电子想成单纯的粒子。根据波粒二象性原理，任何粒子，既是粒子又是波。从波的角度看，这个情况非常好理解。 如果你学过波动理论的话，就会知道，自然界的波本来就处于不同波长的叠加态，波长和位置本来就会形成不确定性关系。所以这个不确定，在具有波动性的电子那里也存在，是很自然的事情。 没有这个背景知识的同学接受起来会难一点，这很正常。你只要记住，这个不确定性原理，也是波粒二象性带来的就好了。 到此为止，我们可以放心地说物理世界的本质是不确定的吗？还不能，这个看法太简单粗暴了。 为什么呢？有三个理由可以帮你深入思考。 第一，单从粒子的视角看，量子世界当然是不确定的。 因为在每个时刻，粒子的位置和速度至少有一个是不确定的，那就意味着你永远也无法预测每个粒子下一时刻会跑到哪儿。 但这是单从粒子的视角看，如果从波粒二象性的视角看，这事又没那么悲观。这是我给你的第二个理由。 物理学家可以用一种数学公式来描述粒子的物理状态，也就是那团云雾的形状，这种数学公式叫作波函数。知道这一时刻的波函数，就一定能算出下一时刻的波函数，就能确定那团云雾下一时刻会跑到哪儿，会变成什么样子。 这团云雾的轨迹，既包含了粒子所有可能的轨迹，也包含了每种轨迹的概率分布。 从这个角度看，不确定性中又蕴含着某种确定性。 第三，如果这样的粒子有很多，形成了像月亮那样的宏观物体，那么粒子就会通过相互影响，把不确定性限制在一定范围内。 这个时候，它们相当于收起了波动性，只体现粒子性，于是就有了我们熟悉的经典世界。 所以我们仍然可以用经典力学，准确预测500年以后的月食。 你看，物理世界的有些事是不确定的，另一些事是确定的，这仅仅取决于你的视角是什么。 就本质而言，世界是不是确定性的，这个问题只和人类有关，而和世界无关。

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小 结

总结一下，我们一共讲了2个重点：
一个是不确定性是量子世界的基本性质，与测量无关，它是指粒子的一些成对物理量的叠加态，存在此消彼长的数学关系。 另一个是世界是确定的还是不确定的，取决于我们采取什么样的视角，任何简单粗暴的答案都会损害我们对这个世界的理解。 最后，欢迎你来留言里聊一聊： 你对什么样的事情感到绝对确信无疑？请你结合今天学到的知识，重新思考一下这件事情的确定性与不确定性。

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