概率是我们认识量子世界的钥匙 06

本系列文章预计会有30个章节，这套文献将系统的讲述物理学本身，今天是第三季第7篇

这一节我们谈谈薛定谔的动力学方程，我们无需管方程内部是怎样的，这里我们只需要谈谈这个方程给量子世界的冲击！

回到1926年，当年薛定谔连续发表了4篇论文，其中核心部分是提出了量子力学的波动方程。而薛定谔波动方程的思路来源于物质能量守恒，其实也就是总能量= 动能 + 势能。

而这个方程核心起点是曾经爱因斯坦看过的那篇德布罗意写的论文（即所有的物质【电子、质子中子...】都有波动性）。

当年玻尔的原子模型是不完善的，因为玻尔无法解释为什么原子的能级必须是一个一个的。而薛定谔用这么一个简单的方程解出来，说为啥只有那几个能级呢？

为什么电子轨道只有那么几个呢？简单来说，薛定谔的数学方程能满足能级和轨道精确地计算和存在。

有了薛定谔方程，我们就可以精确地知道波函数在任何时间任何位置的数值。什么双缝干涉也好、单缝衍射也好、原子的能级也好，都可以用波函数计算出来。这时候物理学家们感慨终于对量子世界有了一点掌控感。

但是这时候，薛定谔仍然不知道波函数到底是什么东西。

因为物理学家一般会从数学公式中去寻找数学公式背后的物理实体，如何用语言去描述，这是个什么？

薛定谔的方程中有一个虚数，得出来的解是一个复数，而复数无法测量，那么如何解释这个复数。后来还是德国物理学家马克斯·玻恩（Max Born）提出了一个解释 ——波函数绝对值的平方，等于粒子出现在那个时间和那个地点的概率。

没有被观测到的粒子就好像是一片云，它可以既在这里又在那里，但是它在各个位置被发现的概率并不是一样大的。

现在有了波函数，我们可以说，波函数在一个地方的绝对值越高，粒子在那里被发现的可能性就越大。如果波函数在这里是 0，粒子就绝对不会在这里出现。

这个解释叫做玻恩解释，它完美地符合实验结果。很多人相信，波函数，包含了一个量子系统所有的物理信息。

但是这个解释还存在两个问题：第一、量子世界难道是概率的世界吗；第二，波函数的存在本来就很怪异；

01  量子世界是概率的吗?

爱因斯坦坚持认为：“上帝不会掷骰子的”。

玻尔说，“爱因斯坦，你不要告诉上帝该怎么做。”

因为这对很多物理学家来说，只能算概率可是太难受了。你要知道物理学原本是一个确定性的科学。

你给我个台球，只要我精确知道这个台球此时此刻的速度和位置，我精确知道它的周围环境，我就可以精确计算它在未来每时每刻的速度和位置。当然绝对的精确是做不到的 —— 但那只是技术问题 —— 经典物理学在原则上，没有任何不确定性。

02 怪异行为是什么？

当电子一旦打在屏幕上，它的位置就固定了，波函数瞬间就在周围其他位置都没有存在了，都变成了 0。这叫做“波函数的坍缩”。电子从一个“波”，坍缩成了一个粒子。

那么在这个坍缩的过程中，波函数发生了什么呢？

本来是全局的，现在突然变成了一个点。这个过程是非定域性的，是突然发生的，是不可逆的，是不连续的。你不觉得这太突兀了吗？世界上有什么东西，会突然间在各个地方消失？一个真实的物理存在怎么能这样做事呢？

物理学家总是认为什么事情都应该是逐渐地、连续地变化的，这种突变太怪了。薛定谔就非常不喜欢像氢原子的电子能级跃迁那样的突然变化，他有一次跟海森堡和玻尔争论的时候说：“如果量子跃迁这种东西还继续存在，我就很后悔自己参与了量子力学！”

总结：无论怎样薛定谔算是给量子世界带来了一丝丝掌控感，虽然问题依然存在，但是问题的优化才是解决问题的实际意义！

声明：本文核心内容来自《万维钢精英日课》

往期推荐