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奇异的量子力学

是什么让量子力学如此特别?为什么它会那么难以理解?人们很容易归罪于“它在数学方面太难”,这样说也有一些道理,但远非全部。物理学家之外的很多人也能精通经典力学和场论,所需的数学知识同样也很难。

量子力学研究的是微观粒子的运动规律,对于我们人类来说它们太小了,所以很难通过视觉感知。从尺度上来讲,单个原子大致接近了量子尺度的上限,而电子更是一个经常被研究的对象。我们的感觉器官中,没有任何一部分构造能够察觉出电子的运动,我们所能做的就是把电子和电子的运动理解为一种数学抽象。

“那又怎样?”持怀疑态度的人可能会问,“经典力学中也充满了各种数学抽象啊,比如质点、刚体、惯性系、位置、动量、场、波等,可以一直罗列下去。数学抽象可是一点都不新鲜啊。”实际上这正说到了点子上,确实,经典力学和量子力学在一些重要的地方上是共通的,但两者在两个方面有所不同:

1. 不同的抽象方式 :量子力学的抽象与经典力学的抽象有着根本上的差异。比如量子力学中对态(state)的理解,与经典力学中所对应的内容是完全不同的。为了表征量子态,要使用不同的数学对象,以及不同的逻辑结构。

2. 态与测量 :在经典力学世界中,一个系统的态,与对这个系统测量的结果之间的关系是直接明了的,甚至可以说是毫不重要的。描述一种态所用的符号(例如一个粒子的位置和动量),与测量该态所使用的符号是同一个。换一种说法就是,我们可以通过一次实验的测量来得到某个系统的态。但这在量子的世界里是行不通的,态与测量是两回事,两者的关系既微妙,又反直觉。

这些观念尤为关键,我们将会多次进行论述。 5cE2+giL2VNmwINX2bRTSIfmiC3g3mcxd26jXDei7t5Q1hVs9egZg7vNbmGc9RnY

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