第30章
经典粒子与量子粒子：冲击认知

物理研究世上各种各样的“存在”，而人们假定世界上的一切物质都是由粒子组合而成，粒子被认为是存在的基本形态。

物质世界有三个层次：第一层是宏观世界，遵循牛顿运动力学法则；第二层次是热力学世界，遵循热力学法则；最深的、最广泛的是第三层量子世界，分子、原子及以下微观粒子都完全遵循量子规则。

我们通常讲的粒子，一般就是指存在状态可以被精确描写的、有惯性的粒子，严格叫做经典粒子。事实上，经典粒子在世界并不存在，其纯粹来自人们的想象。而如今我们知道，世界中真正存在的，是状态不可能完全确定的量子粒子。

经典物理在日常生活中的几率，基于对细节的忽略，是粗粒化描述。如扔硬币统计正反面一样，每个面朝上的几率大概是二分之一。

量子力学中，描述粒子的可能位置，是位置的波函数。处于某个位置的量子几率，等于波函数在此位置幅值大小的平方。描述粒子速度，需要速度波函数，其幅值大小的平方就是粒子每个可能的速度几率。但不同于经典世界，量子世界的速度波函数与位置波函数，相互关联、不独立！由其中一个可推算出另一个。当量子粒子处于某个确定的位置时，再去测量它的速度，有可能得到各种结果，反之亦然。这导致著名的海森堡测不准原理的诞生，其结果竟然是，粒子表现出波动性，波表现出粒子性，即“波粒二象性”。

量子波相干。量子是粒子也是波，想看到奇异量子效应，所有波必须具有确定的相位关系，这被称为“相干性”，就像是合调的音符。如果波没有很好重叠，波峰和波谷互相抵消，就什么奇怪的事情都也看不到了。对同一个粒子的不同波，很容易保持合调，只要和自己排好队。但要让成千上万粒子的波排列整齐，几乎不可能。这样一来，量子效应这样的怪事，在大物体内部就被轻易抵消化解掉了。

薛定谔方程。全面描绘了量子粒子的态（波函数）如何随时间变化，即知道现在这一时刻的波函数，就能知道下一时刻的波函数，呈现了量子力学的预言能力，就是量子力学理论和对粒子存在的新认知，导致了对世界的新认知，导致了新的量子世界观。

量子隧穿。传说中的崂山道士，能不可思议、毫发无损地穿墙而过。而事实这个“穿墙而过”在微观世界完全可以发生。“波粒二象性”告诉我们，除了“粒子性”，还有“波动性”，量子粒子如果想要去“山”的那一头，它根本不需像经典粒子那样翻山越岭，却可打穿山脚建个隧道以波性穿越而过，这一过程称为“量子隧穿”。对微观粒子而言，穿越也不是随随便便，成功的概率不高，其穿越的概率高低取决于山体厚度（对应于势垒的宽度）。相比于粒子一个一个各自穿越，如果要让一大堆不同粒子作为一个整体集群穿越，可能性近乎为零，这也正是宏观人类无法穿墙的原因。

量子真的是波吗？以电子为例就可以说明。扫描隧穿显微镜有一个很尖的针尖，针尖顶上只有一个原子。当它在金属表面扫描时，可以看到原子移动一个个原子，扫描可以组成各种图形。仔细观察可以发现，在这些原子的周围有缓缓的金属中的电子波波形，这是金属中跑动的电子和针尖原子相互干涉所形成的驻波。这就是极微小观察、极微小获得的结果。

量子的理念，让人理解起来，到底有多难，听听大师们的评价吧！诺贝尔物理学奖得主费曼说：“我想我可以有把握地讲，没有人懂量子力学！”他会在第一堂课时告诫学生，不要问量子力学“为什么”，因为没人知道。诺贝尔物理学奖得主、量子论创始人之一玻尔说：“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。”