为什么我怎么也理解不了波粒二象性，是因为智商不够吗？-技术圈

数学算法俱乐部

日期：2020年10月18日

正文共：5862字23图

预计阅读时间：15分钟

作者：爱小臭

大家好，各位观众。如果你们之前不能完全理解波粒二象性（现象本身，或者这个概念的内涵和外延）。不用担心，我认为十有八九不是智商问题：量子物理的内容有太多“反常识”了。很多时候，是我们的脑袋在排斥这些知识；有的时候，我们对这些概念理解有“缝隙”（也就是中途一两个概念跳过去没理解透）我的“常识”就又挤进来捣乱，指导我们“想当然”。所以你需要的是耐心、开放你的脑袋、想象你自己啥都不知道。

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也许大家不知道，著名的薛定谔的猫思想实验，薛定谔提出它的初衷并不是帮助大家理解量子力学，而恰恰是由于他无法接受量子理论里面诡异的“世界观”，提出这个思想实验的目的是告诉大家量子力学有多荒谬，所以他决定放弃。Well，从薛定谔到现在，发生了很多事。一些实验和理论的完善，让量子理论的说服力越来越强。这个回答中会讨论一些。能不能够说服你，就看你啦！有的时候你觉得你没理解，其实仅仅是你没被量子理论说服而已。好啦，我们来吧！

接下来的行走很长，但是它是分阶梯。如果你今天感觉不是很“求知”，可以先看第一个阶梯，等你准备好迎接挑战，再往下面看。

我非常清楚，每个阶梯的内容，带来新的疑问远远多于它能解答的疑问。所以欢迎大家在评论区交流。如果碰到我自己也不了解的知识，我会请教他人或自己读论文，并把信息和大家分享。非常理解量子物理的知友们，谢谢你们有耐心读这个入门级的答案，如果在阅读中发现了知识性错误，希望能抽出一小点时间指出；如果你心目中有更加容易让人理解的解释方法，我也希望你能慷慨得把它留在评论区，和大家一起分享，谢谢啦！

首先，要理解波粒二象性，你需要：

a.理解粒子的行为方式。举例：你家里有一只小狗，小狗跑来跑去，但是每一个固定的时候只能出现在一个位置；你去打靶子，枪法很烂，有的时候成绩好，有的时候成绩差，但是每发射一枚子弹，只能在落在靶子上一个特定的位置。

b.理解波的行为方式。举例：你喊大家去KTV：“走走走！！！”房间里面每个人都听到了；你划船，船荡开的涟漪扩散到湖面很大一片范围的每一个位置。

c.假如性质交换。如果子弹表现地像波一样会怎么样呢？你发射一枚子弹，房间里面每个人都死了。如果声音表现地像粒子一样会怎么样呢？你喊了一句话，只有一个人能听到你。

理解了这三件事，你检视一下宏观世界，你会发现，所有的事物，要么体现波的性质，要么体现粒子的性质。没有混淆。

实验一

到微观尺度，我们发现“波性质”和“粒子性质”在同一个“物体”上有着惊人的混合。比如电子，有的时候有表现出粒子的性质、有的时候表现出波的性质。

著名的试验：电子双缝干涉试验：

每发射一个电子，最终电子会落在挡板的一个位置，这表现了电子的粒子性质；

但是如果你重复试验多次，电子落后挡板的结果展示了干涉——波的性质:

挡住其中的一条缝，干涉波纹就消失了

如果电子每次只是随机通过其中的一条缝，那么最终的试验结果应该是挡板上的两坨电子，然而事实不是这样，我们看到了干涉条纹。所以一个电子在双缝干涉试验中，并不是通过了其中的一条缝，而是“同时”通过了两条缝，并和“自己”发生了干涉。但是落在挡板上，被我们观察到，它就只能有一个位置了，这也就是“粒子”的性质。它落在哪里呢？答案是“概率决定”，落点的概率分布符合“波”的性质。也就说，落点位置被“波”所指引。

怎么会这样呢？这里有很重要的一点，需要你放弃一个很重要的“常识”，你才能真正理解，为什么电子既是“波”，又是“粒子”。当你看你的小狗的时候，它是一条活泼的小狗，下次再看它的时候，它还是一条活泼的小狗，于是，你的大脑自动填补了中间的空白：哦，我不看的时候，它肯定还是一条活泼的小狗。我们对物质世界的认识有一定连续性。在电子的情况下，你看一眼，它是一个粒子，你转过头去不看它，再看它，它还是粒子。但是在中间你不看它的这个过程中，它已经不是粒子了，它变成了一个波函数，是你的观测，让波函数坍缩成了一个粒子：电子。实际情况是，我们被一锅浓浓的“汤”所包围，我们叫它量子场。观测这个动作，便是从这锅汤里面召唤了一个粒子：电子。

这提出了一种完全违背我们常识的，对于物质的认识。但是这是目前能提出来的最可信的，符合双缝干涉试验结果的解释。但是，我们该相信这个解释么？我们怎么知道，我们扭过头去不看的时候，这个粒子就变成了一锅“汤”？我的有办法在不“看”的情况下，“评估”它到底是不是“汤”么？观测这个动作真的有这么神奇么？它能影响物质世界？观测这个动作又怎么界定呢？如果你愿意接受挑战。请往下看。

实验二

下面，就是一个更加的诡异的试验：量子擦除试验。如果你理解双缝干涉试验还有些吃力的话，回头再仔细看看，理清头绪，然后闭上眼睛，按摩一下太阳穴。继续。

其实这个试验就是更加聪明的双缝干涉试验。在这个试验中，我们使用的是光子，而非电子。注意，光子有着和电子一样的波粒二象性。之所以使用光子，是因为光子有个非常好的性质：偏振性。所以你可以想象这是带着3D眼镜的双缝干涉——试验双缝干涉3D版！

理解这个试验还有一个重要的预备知识：量子纠缠态。这里不详细解释了，总之你需要知道，处于纠缠态的一对粒子，只要测量了其中的一个，另外一个粒子的状态也就是确定的，不需要测量我们也知道它的状态。就好比你只有2只袜子：红袜子和绿袜子。在观测之前，你每只脚上的袜子都处于“薛定谔猫”的混合状态，但是我观察了你的一只脚，这只脚的袜子状态就坍缩为单一的颜色：要么绿，要么红；但与此同时，另外一只脚的袜子颜色也混合状态也同时坍缩了，虽然我没有直接观察它。

试验中，光子的偏振性有四种：水平、垂直、顺时针、逆时针；

下面就是3D眼镜啦！四分之一波长片：

3D眼镜的功能如下图所示：垂直的通过红色片变成了顺时针，水平的通过红色片变成了逆时针；绿色功能相反。

现在，我们的光子发射枪要开始试验了。它通过一种叫做下转换（down-conversion）的方式，一次发射两枚处于纠缠态的光子：光子进入我的探测光子偏振性的探测仪，假如说叫做M1，光子B进入双缝干涉试验装备，最终落到挡板上，挡板后面有个偏振性探测仪，假如叫M2.

嘻嘻，不过是带上3D眼镜的双缝干涉试验！

带上3D眼镜后，光子通过眼镜的偏振性改变了，但是并不会改变试验结果的干涉条纹：

下面就是真正让你脑子烧糊的部分啦！

假如我们打开M1：M1测量光子A的偏振性。由于A与B处于纠缠态，他们歧是是一个垂直一个水平，当光子B通过一个偏振片之后，偏振性就改变了。这个时候就与纠缠态，A的状态也会改变，测量A，我们就能知道光子“B到底”是通过了两个缝中的哪一条。这时候，惊人的结果发生了。只要打开M1，干涉条纹就消失了，挡板上的光子痕迹变成了两坨。而关闭M1，干涉条纹就又回来了。

注意，M1与试验设备没有任何物理联系，事实上，你可以把它放到宇宙的另外一端。它仅有的工作就是观察光子B兄弟的偏振性。所以这个试验说明了“观察者效应”。另外一个有趣的事实是，只要M1打开，条纹就消失了，并不需要一个穿着白大褂的科学家去看结果：到底哪个光子经过哪条缝啊？所以“意识”在这个试验中不扮演任何角色，你不需要一个有意识的观察者才能让量子混合状态坍缩为一个状态。在这里，冰冷的M1充当观察者的角色。真正的观察者的定义，还是个开放问题，现在还没有答案。

实验三

准备好了么？如果准备好了，请往下看。下面是最让人震惊的部分。如果你对上面的部分还有疑惑，请务必理清头绪再往下看！

这个试验来自博士2000年发表的一篇论文：

(Phys. Rev. Let. 84,1（2000)

延时量子擦除试验，它甚至让我们对“因果关系”产生了怀疑。

上面的图是试验台，下面的解释很重要。一定要搞清试验台是如何运作的。

1. 一道激光通过双缝版，打到BBO上，形成了两对纠缠态的光子；红色的光路表示光子通过了上面一道缝（缝A），蓝色的光路代表光子通过了下面一道缝（缝B）。请注意，光子的波长是完全一样的！不同的颜色只是为了逻辑的区分它们通过了哪一道缝；

2. D0的角色是上一个试验中最后观测挡板的角色，D1~D4是感光元件，图中的光路，从BBO至D1、D2、D3、D4的距离是完全一样的。是BOO到D0的两倍；

3. 如果没有D1~D4所有的设备，那么参考上一个试验，我们没办法知道某一个光子是通过红色光路到达D0、或是通过蓝色光路到达D0，光在D0上，形成了干涉的条纹；

4.BSa ，BSb，BSc是三面半银透镜，它有50%的几率使得光子透过，50%的记录使得光子反射。

红色光子的纠缠兄弟，有50%的几率击中D4，25%的几率击中D1,25%的几率击中D2；

蓝色光子的纠缠兄弟，有50%的几率击中D3，25%的几率击中D1,25%的几率击中D2；

5. A情况。 假如D4感光，那么我们就明确的知道，它的红色纠缠兄弟击中D0；假如D3感光，那么我们就明确的知道，它的蓝色纠缠兄弟击中D0。如此，我们就知道了D0上面每一个光子是通过哪条缝的了！这个时候，D0上的干涉条纹退化了，变成了两坨光印！

6. B情况。 假如D1或者D2感光，那么我们还是不可能知道D0上光子的光路情况，观测信息相当于被擦除了。干涉条纹就被复原了！

7. 注意这个试验很重要的一个暗示：D1D2感光和D3D4感光唯一的区别是，通过光路知识，我们能提取光子信息。没有观测者，没有观测意识，仅仅是知识本身，仅仅使我们可能知道的潜能，就导致了混合状态的坍缩；

8. 最最重要的一点，所有D1~D4的感光信息的产生，都是发生在D0感光之后的！！仿佛光子预知了未来，决定了自己在通过双缝之前是否坍缩。

这对量子力学，甚至哲学上的因果关系，都引发了广泛的讨论。有时间，我会继续更新有关这个令人震惊的试验可能产生的内涵。

思考，可能的解释，实验的含义

感谢大家的有益的思考！大家的问题都提得非常棒！问题我都看了，请允许我慢慢更新。

思考一

先给大家提一个有趣的问题让大家思考：

量子力学每有一个新的实验或发现，宗教教徒就如获至宝的说明这是上帝存在的证据！

如果你是其中之一，我邀请你思考如下问题：实验2和3中的“纠缠光子副本”（纠缠兄弟）路径对于全知的神，是已知的还是未知的？以基督教的神耶和华为例，他存在于时间和空间之外，所以他（她）对所有已经发生的事情，和即将发生的事情都了解。

那么这说明了纠缠兄弟的路径对于他不是秘密。对于全知的上帝来说，光子路径永远已知。这就带来的一个悖论，上帝永远不可能获得“波函数”的任何知识，因为在他（她）眼里，波函数总是坍缩为粒子的，与“全知”矛盾。更重要的是：试验3说明了仅仅是有人类知道路径信息的“潜能”就导致了波函数的坍缩，如果这样的上帝存在，他（她）的知识应该腐化了宇宙中所有的试验环境，人类应该也永远无法获取波函数的知识。所以从这一点可以看出来，如果量子力学解释正确：符合圣经描述的上帝是不存在的。哎，量子力学原来不是上帝的盟友呐！

思考二

下面这一点非常重要！！！！！

仔细观察实验3的第二张图，结果图。R01 表示了落到D1上的纠缠兄弟在D0上的分布的D02 表示了落到D2上的纠缠兄弟在D0上的分布。请注意这个细节：他们差了半个相位！当他们叠加的时候猜猜发生了什么？分布结果变成了波函数坍缩时的结果！！！

为什么会这样，你能给出一个优雅的猜测么？

思考三

实验三真的违反了因果关系么？

如果按照经典物理的假设，是的，违反了。但是实验结果结结实实的就在那里，怎么办呢？我们又需要扔掉另外一个重要的“常识”。这可能是一个比较难以咽下去的结论：粒子是个伪概念。

粒子这个概念不存在，我们的测量并没有导致波函数严格意义上的坍缩，只是概率的波峰坍缩到一个范围内，让我们产生了“粒子”的幻觉。粒子的所有行为，都可以用特定的波函数取值来描述。信息超光速传播，或者回到过去，这个假象只不过是两个波函数的“纠缠态”。

直觉好像告诉我们，擦除器是否激活真的把信息送到了过去，导致了波函数行为的变化。那么，在这个试验中，到底有没有“有用的”信息回到过去，而违反了爱因斯坦的理论了呢？这个时候，也许是读者拿起笔算算的时间了。毕竟科普到一定阶段，文字和绘画就再也不能解释问题了，我们需要方程式。你准备好迎接挑战了么？或者，你可以尝试使用思考二的结果。

千万不要走火入魔！

评论中有些读者问道：这可不可以证明世界是唯心的呢，这可不可以证明我们生活在虚拟的世界中呢？你们的这些“思考”并不新鲜，很多人开过这样的脑洞。

首先要说的是，不，当然不能证明。这种观点的支持者们的“证明”其实是个伪概念，只是一种看起来轻松的“解释”而已。然而真正的证明，讲究的是证据。而且，如果你硬要说，量子力学也是让“我们生活在虚拟世界”中这种解释的可能性变得更加高，因为量子力学允许的真正的“随机性”的存在。计算机模拟最害怕的就是“真正的随机”。再说，为什么想象模拟一定要套用人类的计算机概念呢？太没有想象力了吧！

最重要的一点，如果你仔细想，“我们生活在虚拟世界中”这种问题本身，就是不可证伪的。由于科学的可证伪性，它根本就算不上一个“科学问题”，而落入了哲学的领域。

然而在哲学领域中，对于不可证伪的事情，我们有“剃刀原则” Philosophical razor：由于“解释”的方式是无穷无尽的（everything can be explained away ），我们必须允许有这样的规则，让我剔除可能性极低的“解释”，否则所有的哲学讨论都会陷入无意义的诡辩。

最著名的哲学剃刀：奥卡姆剃刀

When faced with competing hypotheses,select the one that makes the fewest assumptions.Do not multiply entities without necessity.

面对相悖的两种假说，选择所需要假设最少的哪一个；如无必要，勿增实体