原创2023-03-25 17:24·
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【第七课：宏观世界的量子退相干】
为什么宏观世界没有量子纠缠和波粒二象性呢？按常识，宏观世界的一切都由微观世界决定。
既然宏观都是由微观决定的，那么微观规律也一定也适用于宏观现象
如果我们能完全掌握微观世界的所有知识，那从微观一定可以推导出宏观规律。而反过来，从宏观规律就未必能推导出微观规律。这一论断不仅适用于物理学，也同样适用于经济学，历史学，生物学等所有学科。
如果微观和宏观出现偏差，那只会存在一种可能，那就是我们对微观世界的认知度还远远不够！
在物理学中，宏观理论的基石是牛顿力学和广义相对论；微观理论的基石则是量子力学。
现在很多人都有一种错觉，认为牛顿力学和量子力学存在难以逾越的隔离带，两者没有什么关联。因为微观世界的波粒二象性，量子叠加，以及不确定关系在宏观世界貌似并不存在。
但要是仔细一想，这根本就不可能。因为宏观世界也都是由无数个微观粒子构成。那量子力学一定是决定牛顿力学的，而牛顿力学则很难作用到量子力学中的。
物理学史也正好验证了这一点。
1924年，德布罗意提出了物质波的概念，认为所有微观粒子都具有波动性。
随着量子力学的发展，物理学家渐渐发现微观粒子的粒子性只是表象，所有微观粒子本质上都是波。波动性才是微观粒子的本质。
所以如何描述微观粒子的波动性才是真正量化微观粒子运动的基础理论。
既然粒子都是波，那波就有波状，而且波状会随着时间不断变化，我们只需描述波状随着时间如何演变就能掌握微观粒子的运动规律。
而薛定谔方程正是用于描述粒子波动性随时间变化的数学模型。毫不夸张的说，薛定谔方程在微观世界的重要性绝不亚于牛顿三大定律在宏观世界的重要性。
可即便微观世界的“牛顿力学”已经诞生，但问题依旧存在，这是因为粒子的波动性会随着测量而坍塌，薛定谔方程虽然可以很好地计算出粒子波动性坍塌的结果，但却无法解释波动性坍塌的内部机制！
熟悉电子双缝干涉实验的小朋友们都知道，只要我们去探测电子，电子就会丧失波动性，从而表现出类似宏观世界的实体粒子。
并且在测量前，这些所谓的“实体粒子”并没有明确的位置，测量行为也只能预测粒子出现在某一位置的概率。
所以波恩才认为，我们不应该把薛定谔方程中的波动性只看成是波，这种波的本质应该是几率波，也就是粒子出现在某一空间是概率随机的（概率波和几率波并不一样），这种随机性在空间表现上就特别像是波的形状。
在电子的双缝干涉实验中，如果我们测量电子，就会发现电子的波动性丧失，从而表现成粒子，这种粒子性就具有比较确定的位置，所以电子此时的状态更接近我们熟知的宏观规律。
而我们不去测量电子，电子的波动性就会呈现出干涉条纹，此时电子的状态就更像量子世界难以理解的反常识现象。
所以我们可以大胆设想，在微观粒子的波粒二象性中，如果波粒二象性更偏向粒子性，那这时候微观粒子就更像是宏观物质，如果更偏向波动性，那么微观粒子就更像是量子状态。
那么这时候问题就来了，如果我们可以一直让微观粒子丧失其波动性，而表现成粒子性，那是不是就意味着微观状态就开始过渡到了宏观状态？
答案是肯定的！
那我们应该怎么做，才能让微观粒子一直保持粒子状态。答案只有一种，那就是外界能量干扰，能量干扰的本质其实就是波叠加。
比如，在电子的双缝干涉实验中，之所以测量会导致电子丧失部分波动性（削减），本质是用于探测电子运动的手段是利用微观粒子去撞击电子。比如光子，光子打到电子上，电子会吸收光子的部分能量，从而导致电子的波动性降低。
那为什么电子吸收能量后，波动性就会降低？
这就要从粒子波动的性质说起。依旧以电子举例，按照波恩几率波的说法，电子的波动性其实是电子出现在某一空间的概率，这种概率可以分布到整个宇宙空间，但并不是毫无规则地平铺到整个宇宙中，而更像是无数个谐振子相互作用，电子绝大部分可能出现的空间会表现成一种波形，而电子则可以被认为是波形上的所有集合。
当我们不去测量电子时，电子的波形可以按照理想模型用完美的正弦波表示。
这种正弦波可以传播到宇宙中的任何一个位置。所以理论上，电子就可以同时处于宇宙中不同的位置，但这时候电子的位置就具有十分大的不确定性。
而完美的正弦波意味着我们知道这条波的波长，根据德布罗意的物质波公式，代入波长λ后，就可以计算出这条波的动量P。
电子的位置不确定性越大，波长λ就越确定，所以通过确定的波长计算出的动量也就比较确定。
而如果想要电子更为确定的位置，则需要在电子波中加入不同波长的波，刚才已经讲了，微观粒子的本质就是波，所以加入不同的波长，就相当用不同的粒子撞击电子。之后不同的波（粒子）会相互纠缠，从而导致所有波形成一个更加局域化的波，也可以理解成波包。
这个局域化的波包会“收紧”，这样就会呈现一个更加精确的位置，也就更像是粒子。
但是这个已经“收紧”局域波中拥有很多不同的波长，我们如果要利用德布罗意的物质波公式计算这个局域波的动量时就很难下手，所以计算出的动量反而就不精确了。
不同的波长相互缠绕的越多，局域波就越发“收紧”，位置越精确，更像是粒子。
但是在计算动量时，由于局域波中存在众多不同的波长，计算出的动量就越不精确。这也是不确定性原理的另一种诠释。
现在回到一开始的问题，为什么电子吸收能量，波动性就会降低？
这是因为电子吸收能量的本质就是与光子波叠加，
光子波和电子波叠加就会形成局域波，从而导致位置越精确，所以在双缝干涉实验中，电子在被测量时才像是粒子。
如果这时候你在往深处想一下，就会明白宏观世界为什么没有显著的波粒二象性。
宏观物质本质上都是由无数个基本粒子构成，夸克构成了质子和中子，质子和中子又构成了原子核，原子核和电子又构成了原子，原子之间通过化学键又构成了分子，然后分子又构成了宏观物质。
从夸克这样的基本粒子出发，到质子，再到原子。越往上，物质的波动性就越来越小。那是因为基本粒子很少会和其他波（粒子）相互叠加，而质子内部有三个夸克，这时候三个夸克的波已经叠加过了。
所以到质子尺度，其波动性就没有夸克那么显著，所以位置就相对精确。如果到原子尺度，原子内部已经叠加过更多的波了，位置不确定性就更精确了。
这里有个问题需要注意一下，既然位置越精确，动量越不精确，为什么宏观物质的位置如此精确，同时动量也如此精确。
其实，宏观物质的动量精确也只是近似值，从夸克到宏观物质，越往上，动量的不确定性的确越低，但动量不确定性的增加远远落后于物质质量的增加，即便宏观物质动量不确定性相对于基本粒子来说十分大，但是相对于宏观物质来说，这种误差可以忽略不计，与此同时，宏观物质的波长也已经短到忽略不计了。
从本质上来说，宏观物质依旧遵守不确定性关系和波粒二象性。
如果以上都听懂了，那接下来你就明白为什么宏观世界“没有”量子纠缠和量子隧穿了。
刚才我已经讲了，对于像电子这样的基本粒子，它的波形由于没有任何干扰，所以波形十分完美，可以理解成正弦波，并且扩散到整个宇宙空间。要注意，波动性只是说电子可能出现的位置绝大部分是遵守波型的，但这并不是意味着电子出现的位置不会跳跃到整体波形之外。
即便在电子波中创建一个势垒，电子依旧有概率穿过势垒出现在其他地方。宏观物质之所以不存在量子隧穿，主要有两个原因！
第一个原因就是：对于宏观物体内部的基本粒子来说，它们的波已经叠加过很多次了，波动性本来就没有那么强了，所以穿过势垒的概率就更低。
第二个原因是：宏观物体要整体发生量子隧穿，就要求宏观物体中所有微观粒子都同时发生势垒贯穿，这在概率上几乎为0。
所以人体才不会像电子那样，出现隔空穿墙般的量子隧穿效应。
说完量子隧穿效应，我们再说量子纠缠。
刚才已经说过了，电子这样的基本粒子在不被测量时，就可以理解成一个可以弥漫整个宇宙的完美正弦波。波即是粒子，粒子即是波。而一旦有其他波（粒子）与其叠加，那么这时候两条波就会形成一个共同的局域波，而这个局域波其实就是由两个粒子组成的一个整体，两个粒子共享同一条波。
这时候它们就会形成纠缠态，也就是纠缠粒子。这时候对其中一个进行测量，另一个肯定会同时作用，这就是量子纠缠。
由于局域波是多个波叠加之后的形成的，所以位置不确定性相对就更加精确。
如果波（粒子）叠加的越来越多，它们之间形成的局域波的位置就越来越精确，所以纠缠粒子的空间范围就越来越小！
对于宏观物质来说，由无数个波（粒子）叠加形成的局域波，其位置精确度导致纠缠粒子的活动范围会缩小到纳米尺度。即便宏观物质内部依旧存在量子纠缠，但是纠缠的范围已经小到足以忽略不计。
所以尺度越大的物质，量子纠缠越不显著。
讲到这里，你就会明白微观世界拥有的波粒二象性，量子纠缠，不确定性关系在宏观世界依旧存在，只不过小到我们无法观察到而已！
如果量子力学对微观世界的描述是完全正确的，那么量子力学就是宇宙规律的基础，宏观现象必然是基于量子力学来演化的，牛顿力学只不过是量子力学的真子集，是量子力学在宏观世界的近似理论！
