量子力学没有那么神，理解不了，只是因为你没做过实验

　　#科学辟谣#
　　普通民众对于前沿科学的误解有很多，量子力学就是重灾区之一。比如：＂量子力学证明唯心主义是正确的＂、＂我们不看电子的时候，电子就不存在＂。其实这是对量子力学的测量和不确定原理的最常见误解，也可以说是一个谣言。本文以光的波长测量过程为例子，与您探讨一下什么是物理学中的测量以及不确定原理。
　　一、＂意识＂对实验不会产生任何影响
　　＂我们不观测电子，电子就不存在＂，实际上，我们不观测电子，不能确定的是电子的某些状态，例如动量、位置、自旋态等。但是这个电子的质量、电荷都是确实存在的，不会因为我们是否观察而消失。
　　量子力学中的观测并不是特指用人的眼睛看，指的是两个系统之间发生了相互作用。当一个电子打到了荧光屏上，我们就可以说荧光屏观察了电子，也可以说电子观察了荧光屏。
　　这与人是否用意识无关，不论是谁来做这个实验，不论带多少人来参与这个实验，只要实验条件完全相同，实验结果不会受到任何影响。
　　一个事实是，每个大学物理系本科生都会做的光学双缝干涉实验，大家得到的实验结果都是一样的。这可能是量子力学中重复做得最多的一个实验了，至今没有任何一个实验因为换了人，就得到不同实验结果的事情出现。
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　　二、＂观测＂是物理学上的一个术语
　　量子力学是非常强调＂观测＂的，如果您一直关注老郭的账号，可能您会注意到，我在写关于量子力学的科普的时候，经常会提到＂观测＂这个问题。一个物理量到底是不是可以＂观测＂是一个测量方面的技术性问题。
　　＂观测＂是数学和物理的本质区别——比如月球围绕地球公转，在地球上的人认为是月球在动，而在月球上的宇航员看来是地球在动。那么到底是谁在动呢？这是一个相对论里面最基本的问题，是不能用哲学思辨来找到答案的，只有通过测量地球和月球的四维加速度，才能够从物理上得到答案。关于相对论的测量问题，我们留在今后的文章里面另外讲述。
　　所以物理学上的观测实际上是用仪器对物理量进行测量，比如我们在牛顿动力学里面要测量质点所在的位置，运动的时间，速度、加速度这些我们特别熟悉的物理量。这些物理量都是可以用尺子和时钟测量后再做计算。
　　但在量子力学里面不行，那些＂可观测物理量（动量、位置、自旋态等）＂对应的是量子力学中的厄米算子。每个厄米算子其实就是一个矩阵，学过代数的人可以把这个矩阵用方程组来表示。这个方程组的解不是唯一的，也就是说，我们实际能测量到的结果不是一个，而是一组。
　　三、如何观测波长
　　量子力学中物理量很多，限于文章篇幅不能都写，就单独挑选大家容易理解的波长测量来谈一下测量对物理量的影响。
　　波长测量的准备工作
　　光源发出来的光，或者是物体反射的光进入眼睛之后，视神经上的离子受到刺激产生波动，光的信号被翻译成离子的振动，以波动的方式沿着神经进入到大脑的视觉中枢产生视觉。从这个意义上说，我们的眼睛其实也是一个仪器。虽然眼睛不能直接读出来波长，但它可以把波长翻译成不同的颜色。
　　而测量光波长的仪器可以看做是眼睛的扩展，如果我们要制作这样一台仪器，那么就需要了解光学、机械、电子等许多的学科。为了测量光的波长，就需要准备光源、单色器和检测器。接下来我们就通过阐述这三个方面的内容来说明物理学是如何进行光波长测量的，同时也来体会测量的意义。
　　没有绝对单色光的光源
　　光源的种类有很多，阳光、月光、星光，火光、物体的反射光，人造的光源就更多啦小伙伴们能举出更多身边的例子。但不论哪种光源都不是真正的单色光，也就是说，它们的谱线不是非常锐利的一条细线，都有一定的宽度。换成波长的说法就是，不论什么光源，其波长事实上都是连续分布的。
　　光源发出的光都是连续有一定宽度的谱线，这就是一个客观真实的情况，而物理学所反映的就是这种情况，那种具有固定值的绝对狭窄的谱线只能在数学中存在。对于物理学来说，任何涉及到无限的数量都不是物理学中的物理量。
　　所以，对于一个研究物理学的人来说，不可能找到纯净的单色光源，这就是我们在测量前必须要面对的客观实际情况。
　　用单色器制造单色光
　　从前面介绍的光源情况我们已经知道，没有一个绝对纯净的单色光源，所有的光源都有一定的带宽，也就是说，这些光源都是不同波长的光的复合。为了进一步得到更纯净的光，我们就需要用一个装置，把光源进行一下带宽展开来输出一个单色光，这就是单色器。
　　所谓的单色器，是一种可以将光源发射的复合光分解成单色光，并可从中选出一任意波长单色光的光学系统。需要注意的是，单色器输出的光仍然不是绝对的单色，也是有一定的带宽的，这是由仪器的原理决定的。我们来一同看一下一个比较简单的单色器案例。
　　这个单色器由入射狭缝、准直镜、色散元件、物镜和出射狭缝构成。其中色散元件是关键部件，作用是将复合光分解成单色光。入射狭缝用于限制杂散光进入单色器，准直镜将入射光束变为平行光束后进入色散元件。物镜将出自色散元件的平行光聚焦于出口狭缝。出射狭缝用于限制通带宽度。
　　在制作光栅的时候，物理学模型一般是按照傅里叶展开进行计算，不论按照什么方程去计算，都会与实际情况有误差，这是物理学理论上的限制。另外在加工光栅的时候，只要是操作过车床的朋友都有这个经验，每个车床都有自己的加工极限。
　　所以真实情况就是，所有的光栅都因为物理理论和加工能力限制产生误差，这就决定了，单色器也不可能输出绝对的单色光。
　　这就是不确定原理的真实体现，因为无论如何，你都得不到理论计算的绝对值的光栅。我们要想得到某个颜色的光的波长值，唯一的办法就是利用多次测量，然后求平均值的办法来得到，测量的次数越多，我们得到的值越接近真实值。
　　我们把这个过程翻译成量子力学的语言就是，真实值并不存在，因为你永远都测量不到真实值。
　　光波检测仪的工作原理
　　光波长检测仪的种类有很多，比如紫外检测仪（UV）、荧光检测仪（FD）、示差折光检测仪（RID）等等，但不论哪种检测仪，其基本原理都是通过检测入射在感光元件表面的光的功率，并且完成光/电信号的转换工作。
　　不论哪种检测仪，都存在着一个感光元件最低的响应度的限制，都只能对一定的入射功率输出足够大的光电流。同时，在电信号的处理过程中，都存在器件本身对信号的影响。我们用数学语言来说就是，任何检测仪都不是绝对线性的。
　　再有就是在信号处理阶段把模拟量（连续量）转化为数字量（离散量）的过程跟量子力学从经典跨越过来的过程是一样的。
　　还有一个需要补充的就是，做过前置放大器的人都很熟悉，那就是系统的噪声。尽管技术人员利用各种方法降低仪器自身的影响，仍然不能完全消灭这个噪声，换句话说，模数转换后得到的并不是真实光电转换后的信号。
　　波长检测仪器上的读数究竟是什么？
　　如果我们要测量一个光源发出的光的波长，这个光源会有一个光谱， 然后用单色仪产生一个更狭窄的待测光谱；这个待测光谱检测需要用一个光电器件去检测其强度，而任何一个光强检测器都是非线性的。我们能够得到的光谱，其实是入射光谱与光电检测仪响应曲线相乘以后的乘积曲线。
　　因此，当我们真的去探测一个光源的光谱的时候，我们在仪器上能看到的光谱图实际上并不是真实的，而是携带了仪器的信息。
　　结束语
　　读到这里的小伙伴们应该清楚了，真实的光谱并不存在。这个世界是基于观测的，而观测则依赖仪器。观测影响结果以及不确定性原理听上去很神奇，其实只是我们不可能测出真实值。尤其是对于包含粒子数较少的量子力学系统来说，测量仪器的介入会影响这个系统本身的行为。
　　基于上述两点：我们莫不如直接说，＂真实值＂并不存在，这就是量子力学中不确定性原理的由来。
　　尽管不确定原理是量子力学的基石，但量子力学仍然被称为是最精确的科学，量子力学的测量结果是值得信任的。这是因为当我们使用多次测试求平均的办法来逼近真实值的时候，符合概率论的大数定理。而概率正是构建量子力学的核心思想。
　　小伙伴们！关于观测和不确定原理您还有什么想说的吗？请在下方的评论区留言反馈。您的每一个意见都将得到认真的反馈，期待与您的深度交流。