我此前寫過幾個有關量子力學的回答,我始終強調先應該去接受量子力學的基本假設。
我覺得理解量子力學,當然可以去讀一些書,理解某幾個基本實驗(雙縫干涉,糾纏態),但是也可以直接從基本假設出發來理解,因為這也並不比理解牛頓定律更困難,反正大多數時候大媽也不懂牛頓定律。從基本假設的角度出發(以下所寫不能嚴格滿足與基本假設的一一對應關係),不用任何數學,我單獨寫個答案:
經典世界中的薩特曾經説過:「如果我不在家,我就在咖啡館;如果我不在咖啡館,我就在去咖啡館的路上。」假如有一個基本粒子,也叫薩特,薩特只能處在兩個狀態,一個狀態是位於 A 點(家裏),另一個狀態是位於 B 點(咖啡館)。經典的薩特從家裏取到咖啡館必須經過「去咖啡館的路」,並且,在某個時刻,有可能在家裏和咖啡館都無法找到薩特。但是量子薩特就不一樣了,跟經典薩特最大的不同就在於,量子薩特完全可以説自己「如果我不在家,我就在咖啡館。」量子薩特可以處在家裏,或者處於咖啡館,並且它甚至可以以一定的概率既處在家裏,又以一定概率處在咖啡館,但是就是不可能處在去咖啡館的路上( A 和 B 位置之間的狀態)。在量子力學的世界裏,我們雖然可以按照不同的概率對態進行疊加,進而可以產生出無數新的狀態,但是説到底,這些狀態都是由那些基本的狀態疊加起來的。測量會改變系統的狀態,例如把「測量」看成是「採訪」,雖然我們不知道量子薩特在某個時刻究竟在哪,但是你要是去測量(採訪)他,量子薩特只會在家裏或者咖啡館裏接受你的採訪。不過如果你一直老在測量這位量子薩特,把這些測量結果統計在一起,求這位量子薩特的「平均位置」,這時候你會發現,平均的來看,他似乎總是在「去咖啡館的路上」,經典世界跟量子世界於是聯繫了起來。
薩特還説過一句名言,「他人即是地獄」。因此我們還可以考慮用「地獄」作為另外一個可觀測量來描述量子薩特,但是在用這個物理量之前,我們得考慮一個問題:「地獄」跟「咖啡館」是不是一碼事。考慮到真實情況可能會很複雜,薩特在家中,如果有人拜訪,他也有一定的概率處在「地獄」,在咖啡館裏,如果他一個人靜靜坐着,也有一定的概率處在暫時沒有「他人」的狀態——這時候,情況就變得有意思起來了。甲先測量了處在量子薩特處在咖啡館的概率,這次測量已經改變了量子薩特的狀態,然後接下來再來測量他是不是處在「地獄」;而乙先考慮測量量子薩特是不是處在地獄,在測量改變了量子薩特的狀態後,再來測量他是不是在家。因為測量會改變系統的狀態,那麼按照不同的順序來進行測量的話,這兩次得到的結果有可能會是不一樣的。正由於這種差異存在,所以我們無法同時確定粒子的速度(動量)和位置,也就有了量子世界的「測不準」。
量子態是可以線性疊加的,而且物理量(測量)的順序很重要。這種運算不能交換,而且又滿足線性,這讓我們想到了矩陣(線性算子)的運算。基於此,量子力學的計算可以用線性代數來描述,並且這些物理量所對應的矩陣還應該滿足一些特殊的特徵,這裏不再細説。
時間在量子力學中是一個參數,記者們還希望知道量子薩特先生一天的生活是怎樣的。薛定諤記者很想知道量子薩特一天中各個時刻的狀態是怎樣隨着時間演化的,於是他提出了一個方程,這個方程中,物理量的算符(即「測量」本身)是不隨時間改變的,是薩特先生的狀態在隨着時間改變。但是還要一個更能幹的記者叫海森堡,他認為薩特先生在家過夜的概率是很低的,為了反映出這個事實,他用一個隨時間改變的測量來觀察量子薩特的狀態(海森堡方程),此時一直改變的是物理量算子(測量)本身,而量子態不隨時間改變。薛定諤和海森堡分別用隨時間變化的量子態以及隨時間變化的算符描述了量子世界的演化規律,他們分別拍攝出了兩部不同的電影(picture),一部叫《量子薩特的一天》,另一部叫《我怎樣拍攝薩特不回家過夜》。