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深度长文：如何理解量子世界的波粒二象性？万物都是波？

启示号
财经
3年前
533

量子力学诞生一百多年来，外界一直没有停止过对它的质疑。质疑量子力学是很正常的现象，某种意义上来讲，科学就是用来质疑的，尤其是量子力学这样颠覆我们日常认识的科学！

量子纠缠，量子隧穿，电子双缝干涉，波粒二象性，以及量子力学的核心“不确定性”，可以说量子力学完全颠覆了我们所在的经典世界，甚至让我们熟知的现实世界变得模糊，不确定。

在量子力学中，微观粒子都具有波粒二象性，相信大家都知道。那么该如何理解波粒二象性呢？一个微观粒子怎么可能同时具有粒子和波的特性呢？

首先，什么是粒子特性？

通俗来讲，就是确定性。举个例子，你此刻正在读这篇文章，你就是在读这篇文章（这不废话吗？），这是确定的。

什么是波的特性，通俗来讲，就是不确定的，只能用概率来描述。还用上面的例子，你在读这篇文章，同时你也有可能在月球上漫步，还有可能在比邻星上与外星人交流。也就是说你是不确定的，甚至可以同时身处两个不同的地方。

下面正式开始，看看到底什么是波粒二象性。

首先我们来看第一个实验，我们都很熟悉的实验：电子双缝干涉实验。

物理学家一个一个发射电子，电子通过双缝后，落在双缝后面的屏幕上。一开始我们会发现屏幕上出现的只有单个的条纹，这时候的电子表现出来的就是粒子特性。

这很好理解，也符合我们在宏观世界的认知。电子就像宏观世界的玻璃球一样，通过双缝后自然会在屏幕上形成单个的条纹。

但是，如果不断地发射电子，多次重复下去，我们会发现单个的条纹逐渐变成了明暗相间的多个条纹，干涉条纹。很明显，这时候的电子表现出了波的特性。

单个的电子通过双缝后为何会呈现干涉条纹呢？只有一种可能：单个电子“同时”通过了两条狭缝，然后自己和自己发生了干涉。

这太违背我们的日常认知了：单个电子怎么可能同时通过两条狭缝呢？

如果想要理解诡异的量子世界，必须彻底放弃我们的日常认识，必须放弃常识性的东西。你或许会为“电子同时通过两条狭缝”感到惊讶，但这仅仅是开始，让你更惊讶的还在后面。

科学家们总是对违反常识的东西充满好奇，与你我一样，他们也想知道单个电子到底是如何同时通过狭缝的。

他们自然会想到在两条狭缝附近安装摄像头，亲眼看看到底电子是如何做到同时通过两条狭缝的。结果不看不要紧，一看更懵圈了！

电子就好像能读懂人类的思维一样，好像知道有摄像头正在观测它，结果立刻恢复了粒子的特性，干涉条纹消失了。而拿走摄像头之后，干涉条纹又出现了！

不得不说科学家们很聪明：如果说观测行为可能会影响到电子的选择，等到电子通过双缝后再观察总该行了吧？

这就是电子双缝干涉延迟实验。

结果更诡异的现象又出现了。即使科学家把摄像头在电子通过双缝后再进行观察，电子仍旧乖乖地表现为粒子特性，干涉条纹同样会消失。

科学家们一脸懵逼：明明电子是先通过狭缝，然后科学家才进行的观测。电子通过狭缝在前，观测在后，后面的怎么可能影响到前面的呢？

也就是说，结果怎么可能影响到原因呢？如果是真的，显然违反了因果律。科学家们打死也不会承认。

科学家们仍然不死心，他们又进行了更为缜密的实验：量子擦除实验。

这个实验过程比较复杂，我尽量长话短说。通俗来讲，就是利用光子的偏振性和量子纠缠原理，利用两个处于纠缠态的光子（假设是A和B）进行实验。一方面，科学家用光子B进行实验，同时“偷偷地”观察光子A，利用A和B的纠缠态神不知鬼不觉地获取光子A的相关信息。

科学家之所以这样做，就是为了避免观测行为影响到光子A，所以采用了“间接观测”的行为：只观测光子B，利用光子A和光子B的纠缠态获取A的信息。

不得不佩服科学家们聪慧的大脑。但光子好像比科学家更聪明，好像早就识破了科学家们的一切“阴谋”：就算是科学家只观测B，不观测光子A，得到的结果仍旧没有改变：只要一观测光子B，光子A就会表现出粒子性，干涉条纹消失。否则就会表现出波的特定，出现干涉条纹。

是不是越看越懵逼了？甚至开始怀疑自己的智商了？

完全没有必要！因为懵逼的不只是你我，连爱因斯坦这样伟大的科学家也同样会懵逼！

那么该如何解释微观粒子的波粒二象性？如何解释量子世界的诡异现象呢？

目前来看，以波尔为首的“哥本哈根派”提出的“不确定性原理”更被物理学界认可，该原理认为量子世界的一切都是不确定的，我们永远无法同时观测到一个粒子的位置和速度，只能用概率去描述。

同时，波尔也提出了“互补原理”，简单讲就是粒子的波动性和粒子性不会在同一次测量中出现，波动性和粒子性在同一时刻是互相排斥的，但在更高的层次又是统一的。

专业点来说：不确定性从数学上描述了物质的波粒二象性，而互补原理更像是从哲学上解释了波粒二象性。不确定性和互补原理是“哥本哈根学派”的两大支柱。

德布罗意也提出了“物质波”概念，认为万物皆波，包括我们每天看到的宏观物体都具有波的特性，只不过由于质量太大，波的特性几乎不可能体现出来，只能以我们看到的粒子特性显现出来，所以我们会看到周围的物体都是确定的！