《青春猪头少年不会梦到兔女郎学姐》终于完结了，这部2018年的10月番可以说总算是给了今年一个完美的句号。鸭志田一大概是学了两年的量子力学写出了这部作品吧，不过时隔多年再次见到鸭志田的作品，他的文笔可以说一下子从二流作家跻身一流行列了。

对于这部高分作品，赞誉之词大概都已经被写完了，所以这次我就不写影评了，我们就来聊一聊《青春野郎》中的量子力学吧，UP只是一个学了一个学期量子力学和一个学期固体物理的学生，并且我们其实不是物理专业，我们是电子系的，所以肯定会有一些理解不到位，欢迎指出。

不过量子的知识实在是太多了，这篇文章从开篇到完成写了两个多月，但是仍然无法面面俱到，本来想着是一期直接全部写完了，但是这些理论太多了，而且实际上相互联系，每个理论都是解释另一个理论的基础，所以，就只能以动漫为线索慢慢往下写了，其他的一些补充内容大概就放在第二期了。

薛定谔的猫

首先要讲的就是学姐篇出现的第一个量子力学理论“薛定谔的猫“

“薛定谔的猫”是由奥地利物理学家薛定谔于1935年提出的有关猫生死叠加的思想实验，实验试图从宏观尺度阐述微观尺度的量子叠加问题，以此求证观测介入时量子的存在形式。

我们先回顾一下实验内容

在一个盒子里有一只猫，以及少量放射性物质。之后，有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫，同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。

若根据经典物理学，猫必然是死或生的一种状态。而在量子的世界里，若盒子一直关闭，整个系统就会一直保持不确定性，即猫处在既生又死的叠加状态。猫到底是生是死必须打开盒子后才能知道，也就是说，只有当其被观测时候，物质（猫）的状态才被确定。

注意这里说的是“被确定“而不是”能被确定“，就是说，在观测的瞬间，叠加态就结束了（波函数坍缩），猫的生死也在这一瞬间被决定。

而双叶所说的“观测理论”指的就是：微观物质通常以波的叠加混沌态存在；一旦观测后，它们立刻选择成为粒子。

单粒子双缝干射实验

为了理解观测对粒子行为的影响，这里就不得不提到另外一个经典实验：单粒子双缝干射实验，可以说这个实验几乎是量子力学问题的精髓所在，大部分的量子理论都能通过这个实验得到解释。

在中学我们就学过了双缝干射实验，即单缝中通过的粒子如同经典力学中的解释一样，会集中在缝的中心，而双缝中通过的例子却会形成了干射图样。

对于干涉现象，一般的解释是：电子双缝干涉实验中，任何通过双缝的电子对屏幕图像的贡献是不分通过狭缝的时间先后的（任意两个电子之间都是有某种关联的），每一个粒子通过狭缝的行为都会对其他所有粒子的行为产生影响，因此每个粒子互相干涉而产生了干涉图样。

为了解释一般双缝干涉实验中粒子的相互影响，我们先引进一个概念：量子纠缠（由于这个概念比较复杂，这里仅做科普性解释，就不开新的标题了）。

在量子力学里，当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这现象为量子纠缠。而这种纠缠是具有不可分性质的，即是说一旦纠缠，这几个粒子就必须作为一个系统，而不再可能对其中的子系统进行研究。这就解释了为什么每个粒子，即使是一个一个地通过双缝，他们仍然能形成干涉图样。

但是粒子之间又是如何影响的呢？为了解释电子如何互相干涉形成干涉条纹，科学家又设计了一个单电子通过双缝的实验，我们以为这个粒子一定会出现在某个特定的地方，但奇怪的是，当只有一个电子通过双缝时，竟也出现了干涉条纹。当试图用摄像机去观测单粒子干涉原因时，另一个奇怪的现象出现了——干涉条纹消失了，不再观测时，条纹又再次出现。观测行为确确实实地影响着电子行为。

不确定性原理

为什么观测行为影响了粒子行为呢？对此我们需要引进一个新的知识：海森堡不确定性原理

所谓不确定性原理说的是：你不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度，粒子位置的不确定性，必然大于或等于普朗克常数除4π

其原因在于，测量一个粒子的位置和速度，其办法是将光照到这粒子上，一部分光波被此粒子散射开，由此指明它的位置。而人们不可能将粒子的位置确定到到光的两个波峰之间距离更小的程度，故必须用短波长的光来测量。但普朗克的量子假设，人们至少要用一个光量子。这量子会扰动粒子，并以一种不能预见的方式改变粒子的速度。

简单来说，就是若要精确测量量子的位置，必然需要使用短波，此时量子的扰动变大，，而使得对速度的测量不准。相反若想精确测量量子的速度，必然使用长波，而使得对位置的测量不准确。

海森堡写道：“在位置被测定的一瞬，即当光子正被电子偏转时，电子的动量发生一个不连续的变化，因此，在确知电子位置的瞬间，关于它的动量我们就只能知道相应于其不连续变化的大小的程度。于是，位置测定得越准确，动量的测定就越不准确，反之亦然。”

不确定原理还涉及很多哲学问题，用海森堡的话说：“在因果律的陈述中，即‘若确切地知道现在，就能预见未来’，所得出的并不是结论，而是前提。我们不能知道现在的所有细节，是一种原则性的事情。”

拉普拉斯妖

说到这里大家肯定想到了，拉普拉斯也提出了一个类似的假说，没错，那就是“拉普拉斯妖”。

拉普拉斯妖（Démon de Laplace）是由法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯于1814年提出的一种科学假设。此“恶魔”知道宇宙中每个原子确切的位置和动量，能够使用牛顿定律来展现宇宙事件的整个过程，过去以及未来。

这个假说其实就是说，所谓的预言，其实就是现在细节的堆砌，由此说来，其实只要细心的观察，每个人都能够预见未来，就像是天气预报一样，只是推测而已。

不过拉普拉斯以后，近代的量子力学诠释使得拉普拉斯妖的理论基础受到质疑。

比如有人对拉普拉斯妖分析数据的能力提出一个极限。这个极限是由宇宙最大熵、光速、以及将信息传送通过一个普朗克长度所需要的时间得来的，约为10^120比特。在宇宙开始以来所经历过的时间以内不可能处理比这个量更多的数据。

但存在极限就会存在假说，比如违反热力学第二定律的麦克斯韦妖，但要说的话又得很久了，就留到不知道是否存在的第二期来讲吧。还有四大神兽中的最后一个神兽芝诺的乌龟也留到第二期吧。

青春猪头少年会梦到兔女郎学姐

那么青春猪头少年到底会不会梦到兔女郎学姐呢？（微观理论是否真的能用在宏观世界呢？）

这里可能有人会说，“啊，这一点都不马克思，这是主观唯心主义论“。确实这有点像是贝克莱所说的“存在即被感知”，然而事实上，现在人类已经能在光子、原子、分子中实现薛定谔猫态，甚至已经开始尝试用病毒来制备薛定谔猫态。

这也让我想到了刘慈欣在《三体》中写到的经由”球状闪电“变成量子态的人，其中的漏洞到底有多少我们不去讨论，但是人类确实已经越来越接近实现生命体的薛定谔的猫。

“当我们不观测时，月亮是不存在的”

除此之外，在量子派中也流传着一个论调：“当我们不观察时，月亮是不存在的”

即是说，如果我们转过头不去看月亮，那一大堆粒子就开始按照波函数弥散开去。于是，月亮的边缘开始显得模糊而不确定，它逐渐“融化”，变成概率波扩散到周围的空间里去。 

但一个月亮完全弥散需要相当长的时间，但这个问题说明的是，不观察月亮时，它就从确定的状态变成无数不确定的叠加。不过实际上，量子力学定律将巨大质量物体的波函数限制在很小的区域中，所以即使月亮弥散开去，弥散的程度也不是人眼能看出来的。

从不确定性原理来解释的话：月亮不观测时不是不存在，量子态在观测时由于观测力的相互作用而使波函数坍塌为确定值，微观粒子整体呈现规律性，宏观尺度下观测力几乎对其不影响。

当然还有“平行世界“说、量子自杀等等的说法，量子的世界丰富多彩，肯定不是三言两语能够说完的，而且事实上，在量子的世界里”上帝掷不掷色子“到今天为止也还是众说纷纭，所以有兴趣的话一定去读一读量子相关的书籍。

好了，那么双叶课堂的第一期也就到此为止了，虽然不知道第二期是什么时候，但是还是让我们下期再见吧。