量子佛学- 第5部分

　　　　下面，描述一下不确定性原理产生的具体原因。为了便于理解，其中的数据为方便说明的放大数据。

　　　　假设电子的速度是100米／秒，而你在100米外测量由一台电子枪发射过来的一个电子。这时，因为你用来测量电子的光波波长是1米，因此，你测得的电子的真实位置就被限制在99~100米之间。从而就产生了一个基于对电子真实位置〃99~100米〃而带来的电子速度的〃99~100／秒〃的不确定性。因为动量=质量×速度，所以这就带来了一个基于速度不确定性所带来的电子动量〃（99~100）×质量〃的不确定性。这时，电子位置的不确定性就限制在1米区间跨度内，即这时动量的不确定性比较小。

　　　　那么，如同我们可以用0。01毫米刻度的游标卡尺去测量桌子一样，我们是否可以用更短波长的光波去测量电子，让电子的位置变得更准确，进而使其动量变得更准确呢？例如，我们用波长为1毫米的光波去测量电子，这样电子的位置就被确定在99。99~100。00米之间了？

　　　　图1…30更短波长的光子

　　　　答案是可以。但是会带来另外一个问题。就是说，对光波来说，波长越短，它所携带的能量就越大（见图1…30）。因此，假设你用一个波长为1毫米（波长为放大说明）的高能量的光子去测量电子的位置，你是可以将电子的位置精确到1毫米空间的区域之内的，但是由于电子被高能量的光波撞击了一下，这就让电子的真实位置变得〃不确定〃了。

　　　　具体原因用比喻来说明：假设你用低能量的、1米波长的光子去测量电子，就像你用乒乓球（光子）去撞击一个运动着的台球（电子）一样，由于乒乓球对台球的真实位置的撞击力很小，就是你就会尽最大限度地、更准确地测量到台球的真实速度。但是当你用高能量的1毫米波长的光子去测量电子时，就如同是用一个铅球（高能量的光子）去撞击一个台球一样，由于被铅球撞击的力量过大，以至于你无法真实测量到台球的真实位置，只能测量到台球被铅球撞击推移后所处的位置，也就是台球被强力干扰后的位置。

　　　　例如，这时假设你用高能量的光子（如同铅球）测量反馈给你的电子（如同台球）的位置在150。01米处，这样虽然对电子的最终位置获得了更准确的信息，但是，电子受光子撞击前的真实位置在100。00~150。01米之间就变得不确定了。就是说，这种对于电子的真实位置更精确的测量带来的结果是对电子真实速度测定的不确定性，因而对电子的动量的测量也就变得更加不确定了。

　　　　这真是一个两难的选择：为了不对电子造成更大的扰动，准确测量到电子的动量，你就得用能量更小的光波，但是能量更小的光波所带来的问题是其波长很长，因此对电子末位置的精准度测量就存在一个用来测量的光波波长区间的〃不确定性〃。这时，虽然对电子的动量的测量变得更准确，但是对电子的真实位置就变得不准确了——不确定。

　　　　如果你为了更精准地测量电子的精确位置（例如精准在1毫米以内），你就得用更短波长的光子去测量，但是因为更短波长的光子携带的能量更大，因此你测得的永远是被携带高能量光子撞击后的电子的末位置。因为无法更准确测量到电子的真实位置，只能测量到电子被撞击后的位置，这样对电子动量的测定又变得不准确了。

　　　　以上就是不能同时准确测量电子的位置和速度的原因。如果你对其中一项测量得越准确，对另一项的测量就越不准确。换句话说，你不可能同时知道电子在哪里以及它往哪里走。
第17节：概率
　　　　之所以会存在不确定性原理，根本原因就在于你用来测量电子的光子是个波，波不是一个无限小的点的东西，而是一个有着空间区间跨度的运动态势。如果说水波是水分子的运动态势，那么光波不是任何物质的运动态势，光波只是一种对虚无过程的表示法。不但光子是如此，电子也是如此，质子也是如此，原子也是如此！简单地说，不确定性原理是量子力学的根本原理，它保护着量子力学。不确定性原理直接带给我们的结果是，一切物质本质上都只是一种虚无的波动！

　　　　（三）概率

　　　　1。概率计算

　　　　概率是对随机发生事件可能性的度量。例如，当你投掷一枚硬币时，你是无法确定硬币的哪个面会朝上的（见图1…31）。因为硬币只有两面：正面、反面，因此你只能计算每次投掷硬币正面或反面朝上的概率各是50％。假设你去投掷骰子，因为骰子有六个面，所以每一次投掷，其中一个面朝上的概率就是六分之一，即16。66％（见图1…32）。s米s花s书s库s ；http：//www。7mihua。com

　　　　图1…31投掷出的一枚硬币，其正面或背面朝上的概率各是50％

　　　　图1…32滚动着的骰子，每一个面最终朝上的概率是16。66％

　　　　对于硬币来说，其概率性表现在正、反的两面上，但是，对于电子来说，其概率性就表现在它所行走的路径上。例如，在双缝实验中，当你向双缝发射一个电子，你没有任何方法预测这个电子会穿过哪条缝，你只能通过挡板具有的两条缝去计算这个电子会穿过其中一条缝的概率是50％。如果你在挡板上开出6条缝，那么这个电子穿过其中一条缝的概率就是16。66％。如果开出100条缝，那么电子在每条缝穿过的概率就是相应地降低为1％。如果你在电子行走的路径上放上10000块、每块都开出10000条缝的挡板，那么又该如何计算电子穿过每条缝的概率呢？

　　　　例如，在实验中获得的数据是，如果你向只开了一条缝的挡板发射100个电子，你就会在第二块挡板上看到这一百个电子的分布情况是如小山一样——中间多，然后向两边逐步减少。

　　　　如果你将挡板再开出一条缝，这时你向双缝挡板再发射100个电子，那么你会看到这100个电子在第二块挡板上的分布情况就如同是两道水波发生干涉形成的〃干涉条纹〃一样的分布。

　　　　如果你不是一次性发射100个电子，而是只向单缝挡板发射一个电子，这时，这个电子会出现在第二块挡板的何处呢？

　　　　答案是，你没有任何方法可以进行预测，但是你却可以通过假设是一道波穿过单缝后在第二块挡板上形成的波的振幅高度来计算这个电子〃有可能〃出现在某一处的概率。计算的方法是：计算在第二块挡板上的电子波振幅的平方值。平方值越高的地方，电子存在的概率就越大，平方值越小的地方电子存在的概率就越小。

　　　　那么当你向双缝挡板发射一个电子，这个电子会落在第二块挡板的何处呢？又如何去计算呢？方法是，计算电子波在第二块挡板上形成干涉条纹后振幅的平方值。在波相干后振幅高的地方，电子出现的概率就高，振幅低的地方，电子出现的概率就低。

　　　　现在，在理解了以上的实验后，我们再问，如何去计算一个电子在10000块挡板×10000条缝隙出现的概率呢？答案是计算电子波在空间中由于发生衍射和干涉后的振幅的平方值。振幅平方值越高的地方，电子出现的概率越大，平方值越小的地方，电子存在的概率越小。

　　　　实际上，这时你会发现，放上这么多的挡板完全是多余的，你完全可以把空间中每一细小之处想象成一条缝，这样电子在空间中就以波的概率分布了。你要想知道电子在某一处空间出现的概率，你只要去计算波在这一处空间中振幅的平方值就可以了。

　　　　在物理学上，对于波的振幅用Ψ来表示，而对于振幅的概率则用Ψ的平方来计算（Ψ的平方就是波函数）。在空间中某一处Ψ2的数值越大，那么你就越有可能在这里发现电子。
第18节：量子的概率解释在解释放射性衰变中被体现出来了
　　　　2。量子的概率解释在解释放射性衰变中被体现出来了

　　　　（1）什么是衰变

　　　　任何一个放射性原子都有一个特定的生存期。半衰期的意思是放射性原子的原子核有半数发生衰变时所需要的时间。例如铀原子的半衰期为45亿年。意思是，如果你等一个铀原子发生衰变，要等上45亿年，它才有50％的概率发生衰变。衰变的过程是，铀原子核会释放出一个α粒子（见图1…33），然后把自己转变成钍（U（铀）…238→Th（钍）…234）。假设你有100亿个铀原子，那么在45亿年以后，就只剩下50亿个铀原子，而其他的铀原子则衰变成了50亿个钍原子。剩下的50亿个铀原子，需要再等45亿年，才会有25亿个铀原子再衰变成钍原子。然后剩下25亿个铀原子，需要再等45亿年的时间，才会由12。5亿个的铀原子再发生衰变。如此等等。对于铀原子来说，每隔45亿年就会有一半的铀原子发生衰变。对于半衰期，每种原子都是不一样的。例如，对于铀原子衰变而来的钍原子，只要等上8万年，就会有一半的钍原子释放出一个α粒子把自己转变成镤。由镤原子再经过一系列的几种原子的衰变过程，最终会成为不再衰变的铅原子。

　　　　图1…33一个α粒子射出铀原子核示意图

　　　　那么我们现在要问，为什么一块铀矿石每时每刻都在发生着衰变——放射着α粒子，而不是要等上45亿年呢？答案是：如果你有90亿个铀原子，就会发生平均每年有一个铀原子发生衰变，只是你不确定哪一个铀原子会发生衰变而已。如果你有90亿×365天×24小时×60分钟×60秒钟所等于数目的原子，那么平均每秒钟都会有一个铀原子会发生衰变。而在一块铀矿石中拥有的原子数目远远大于这个数字，因此，你会在一块铀矿石检测到几乎每时每刻都会有发生衰变的现象。

　　　　（2）为什么原子会发生衰变

　　　　在经典物理学中对衰变的解释是，原子核中的质子、中子依靠强力作用将它们牢牢地束缚在一起。强力是短程力，其力的相互作用范围比较小，只对相互靠近的质子、中子产生力。质子与质子之间同时也存在着相互排斥的电磁力。电磁力是长程力，力是可以叠加的。当电磁力和强力相互作用平衡时，原子核就是稳定的。

　　　　如果一个原子的原子核过大时，因为在原子核最外层的质子受到的排斥力最大，因此就会让这个原子变得不稳定。即便是在此基础上，经典物理学也不允许发生衰变事件，但是按照概率的解释，就会发生量子隧穿现象，因此让本来无法逾越势位的α粒子穿越〃势垒〃向原子核外崩飞出去。

　　　　那么什么是量子遂穿现象呢？

　　　　在经典物理学中，例如一颗台球是无法穿过墙壁到达墙的另一侧的。但是，在量子力学中，将光子、电子等粒子看成是波。波有一个特性，就是有一小部分可以穿过墙壁。例如，你对着一面墙壁大喊一声，99％的声音都被反射回来了，但是有1％的声波会衍射穿过墙壁。因为粒子，例如电子或中子是粒子也是波，因此假设你向一面墙壁发射100次的电子，按照假设波穿过墙壁的1％的概率，就会有一个电子穿过墙壁出现在墙的另一侧（见图1…34），而这在经典力学中是根本无法解释的。正因为有了这样的量子力学的遂穿现象，才会让一个铀原子核中的α粒子在45亿年中有50％的概率遂穿过本来无法逾越的〃位势〃（墙壁），跑到原子核外面去。总之，只有在对量子概率的解释为正确的前提下，才会发生量子遂穿效应，进而会发生放射性原子衰变的事件。

　　　　图1…34一个粒子会有一定的概率穿过墙壁，这在经典物理学中是绝对不可能发生的事情

　　　　量子遂穿现象在许多分子中都在发生。例如，如果没有量子遂穿现象，宇宙中就不会合成任何的有机分子。又如，在人体葡萄糖氧化酶中的氧原子核也会发生量子遂穿效应。

　　　　那么我们要问，你是否可以像电子一样遂穿过一面墙壁呢？答案是〃可以〃。你可以穿墙而过，但是因为需要你身体中的所有电子、原子同时发生遂穿才可以。但这就需要你站立在墙壁前面等许多年才会发生这样的遂穿。要等多少年呢？宇宙至今的年龄是137亿年，而你至少需要等100亿个137亿年以上的时间，才会发生存在这一概率的事件。

　　　　总结：原子发生衰变的根本原因是，电子、质子等粒子必须既是粒子也是波。一个粒子会以其波函数的概率性出现在空间中的某一处，因此才会发生一个α粒子穿越原子核的束缚跑到原子核以外的概率事件。
第19节：薛定谔的猫
　　　　3。薛定谔的猫

　　　　爱因斯坦一点也不相信概率的解释，他不相信世界上竟然存在一个无法预测和确定的事件。同时爱因斯坦及一般大众认为，外在世界是独立存在的，观测者通过观察就能够观测到真相。因此，他对概率的解释说了一句著名的话：〃上帝不掷骰子。〃正因如此，追随爱因斯坦的薛定谔也绝不同意这一荒诞的想法，即观测会影响被观测事物的本质特性，因而在1935年，薛定谔专门发表了一篇论文。在论文中，他假想了一个实验用来说明哥本哈根诠释中对概率的解释是多么荒谬。这个实验就是后来非常著名的〃薛定谔的猫〃。具体假想实验如下：

　　　　如图1…35所示，想象有这样一个密封的盒子：在盒子中放上一只猫、一小块放射性铀矿石。这块放射性铀矿石在一小时内会有50％的概率发生一次α粒子的衰变事件。在盒子中有一个残忍的释放毒气的装置与α粒子衰变事件联动在一起。如果一小时内发生了α粒子衰变事件，这个装置就会触发毒气装置释放出毒气，将猫毒死。如果没有发生，猫就是活的。

　　　　图1…35薛定谔猫的假想实验装置

　　　　现在一切准备好了，然后要问两个问题：

　　　　问题1：在一小时内，盒子内的猫会处于什么状态？

　　　　问题2：在打开盒子时，你会看到什么？

　　　　对于第2个问题容易回答。按照概率的解释，如果你把这个实验进行100次，那么你在50次打开盒子时会看到一只活猫，50次会看到一只死猫。然而，对于只是打开一次盒子的第一个问题就很难回答了。

　　　　因为按照经典物理学的解释，以及爱因斯坦、薛定谔和一般人的理解，在打开盒子之前，猫的死活是已经被确定了的。就是说，猫的死活与打开盒子这个观察行为无关。猫的死活是在打开盒子之前就已经确定了的事实。但是按照概率的解释，在没有打开盒子之前，猫是处于死活重叠状态的。是因为观测这一决定，才让猫的〃波函数〃发生了坍缩，瞬间让猫确定了或死或活的状态。就是说，在打开盒子之前，猫是处于半死半活状态的，即，猫的死活是处于概率状态的。

　　　　半死半活是什么意思呢？即，猫的死活是被〃看〃这个动作给确定的。就是说，一个事物的存在是被〃看〃出来的，而不是与看无关的〃客观〃存在的。

　　　　这个实验的目的是将微观的量子行为直接转化为宏观的经典力学的直接效应模式。

　　　　到底哪个理论是正确的呢？经过近一百年的科学实验，没有一个实验支持爱因斯坦和薛定谔的想法。爱因斯坦错了。事物存在与否是因看而决定的。物理学从此不再描述波或粒子，只是在描述如何观测。