有效理论：量子力学将来会被推翻吗？

你好，欢迎来到《给忙碌者的量子力学课》，我是李剑龙。

在前12讲中，我为你介绍了量子力学的核心知识。但是这些知识就是真理吗？这一讲，我们就来回答这个问题。在回答的过程里，你也会明白，怎样才是对待科学理论的正确态度。

很多人会说，今天的科学就是明天的谬误。那你说的这些知识，保质期能有多长时间呢？

对于这个问题，你可能会有两个截然相反的答案。第一个答案是，量子力学既然已经被实验证实了，那它的保质期就是永远。

第二个答案刚好相反，量子力学的保质期肯定没有多久。因为物理学的发展就是一个新理论不断推翻旧理论的过程。

比如牛顿推翻了亚里士多德理论，量子力学也推翻了牛顿理论，将来有一天，必然有新的理论出现，会把量子力学推翻。

在我看来，这两个答案都不对。量子力学的地位不是非黑即白的，它有它的局限性，有它的不完备性，也有它的正确性。我更愿意把这样的理论叫作有效理论。

知道这个能怎么帮我们理解量子力学的保质期呢？我给你讲三个故事。

1 高度决定了你的见识

第一个故事是说，村子里有个老头，日子过得很寒酸。你要是问他，将来发达了，当了皇上，他的生活会变成什么样？他可能会说，等他当了皇上，他吃白面馒头得用金碗，喝糖水得用银杯子。

这个故事是在说，高度决定了你的见识。如果高度不够高，你的见识只能被局限在一个层面，不能站在更高的地方看问题。

在量子力学里，这个高度还有更深的学科含义，它指的是能量的高度。

人类发现量子力学的契机，就跟能量的高度有关。你可能听说过，在20世纪初，物理学的天空飘着一朵叫作黑体辐射的乌云，它直接引发了量子力学的诞生。

当时有很多物理学家都在研究黑体辐射问题。简单来说，就是研究一定温度的物体，它发出的每种颜色的光，分别会包含多少能量。

当时不是没有人能解释这是怎么回事，只是解释不清楚。因为用经典理论解释时，物理学家发现只能描述能量比较低的可见光和红外线。如果把它向高能量的紫外线部分推，公式就描述不了了。

这就像老头想想自己发达以后的奢侈生活一样，说明公式描述的范围碰到了天花板。

后来，量子力学的创始人普朗克，猜出了一个新的黑体辐射公式，又从新公式中发现了量子假说。这个新公式既可以解释高能量的现象，也能解释低能量的现象。而且，如果你假设其中的能量趋近于零，就会发现，新的公式就完全变成了经典理论的旧公式。

这就相当于，旧公式是新公式的一个特例。它在描述低能量的光时，完全没问题，很有效。但它只能描述低能量的光，高能量的描述不了。我把这样的理论，叫低能有效理论。

和量子力学诞生初期相比，我们现在能解释的能量范围越来越大。到2019年为止，我们能达到的最高能量大约是紫外光的10万亿倍。

那么，在这个能量以上，有没有我们完全不知道的新物理现象呢？

答案是肯定的。量子力学是一门自带乌云，自带天花板的学科。从我们现在能描述范围最大的公式出发，只要沿着能量一向外扩展，公式就会失效。

这也就说明，我们现有的量子理论，一定是一个未知物理理论的低能有效理论。

这个未知的物理理论是什么呢？可能就是科普书中常说的，统一了强、电磁、弱三种基本相互作用的大统一理论（GUT）。

如果进一步提升能量，把能量提高到现在的1000万亿倍时，物理学家认为，粒子之间的引力效应就不能再忽略了。到时候，物理理论还得把第四种基本相互作用，也就是引力，统一进来，四力合一，这就是万物理论（T.O.E）。

好了，老头用金碗吃馒头的故事告诉我们，高度决定了你的见识。我们现在的高度不够，所以见识是有限的。量子理论是有局限性的，它只能解释一定能量范围内物理现象，是一个低能有效理论。所以说，它早晚会过保质期。

那么，量子力学是不是在低能区域就所向无敌了呢？我们来听第二个故事。

2 复杂度限制了你的解释力

第二个故事是韩信的故事。韩信说刘邦最多能管10万人的军队，但是他自己能管的人数多多益善。

为什么呢？因为管理能力不一样。管1个人和管10万人是完全不同的概念。人多了以后，事情的复杂度就变得不一样了。古代很多著名的战争，都跟将帅解决不了这个问题有关。

量子力学也一样。它目前只解决了一、两个原子的问题。原子一旦多起来，量子力学能解决的问题就有限了。

你可能听过一个笑话，说理论物理学家研究的鸡，都是真空中的球形鸡，必须把问题简化到不能再简化，物理学家才会算。这个笑话非常真实。

比如，凝聚态物理学的实验进展，大多是一小片薄片，或稀薄得接近真空的原子气体。他们要求的实验条件特别苛刻：不能有杂质，原子只能集中在一、两个量子状态上，温度只能在绝对零度附近。

这就是因为只有尽可能地把条件极端化，问题才能变得简单。只要条件稍微复杂一点儿，物理学家就不会算了。这叫复杂度限制了我们的解释能力。

那量子力学的复杂度能到什么程度？著名物理学家文小刚说，即使把全宇宙的原子全收集起来，造一台宇宙超级计算机，它也只能模拟100个原子的量子行为。

所以，你在简单问题、极端问题、理想问题上，应用量子力学是可以的。

但你要是听到有人说这样的话：人的意识是量子的、两个人的心灵感应就是量子纠缠、量子力学证明人死后有鬼魂，这只能是说话的人对量子力学一窍不通，因为这些问题太复杂了，我们还没研究到那儿呢。

所以，量子力学不但是一个低能有效理论，还是一个简单有效理论。在保质期内，也不一定能保证它靠谱。

听完这两个故事，你会不会觉得有点儿悲观？觉得量子力学不过如此，没那么厉害？如果你这么想，那就想得太简单了。我们来听第三个故事。

3 角度决定了你的表述形式，它们都是真理

第三个故事是霍金在《大设计》这本书里讲的。

他说鱼缸里有一个金鱼物理学家，鱼缸外有一个人类物理学家。人类物理学家研究自由落体运动，总结出了匀加速直线运动公式。金鱼物理学家也研究自由落体运动，但是因为鱼缸会扭曲物体的运动轨迹，所以它研究出来的不是匀加速直线运动公式，而是一种变加速的曲线运动公式。

你看，人类和金鱼看事情的角度不一样，描述物体运动的公式就不一样。那现在我问你，这两个公式哪个代表了真理？

霍金认为，这两种公式都是对的，都代表了各自的真理。

因为这两种公式都符合各自已知的实验，而且这两种公式对未知实验的预言能力是一样的。如果你做一个数学变换，金鱼的公式就能变成人类的公式，两个公式本质上是等价的。

那么这能说明什么呢？这说明，真理只有一个，但是真理的表述形式可不止一个。而且在同一个物理现象上，不同的表述形式一定存在等价性。有了这个结论，量子力学的问题就好理解了。

我们刚才说的高度决定了见识复杂度限制了解释力，说的都是走出量子力学现有的解释范围后，会出问题。但金鱼缸的故事告诉我们，只要在量子力学的解释范围内，你不用担心会出错。

量子力学历史上还真的发生过类似的事情。要知道，量子力学最早的成熟理论，可不是我们讲的这一套关于波粒二象性和薛定谔波动方程的理论，而是海森堡提出的另一套完全不同的理论，叫作矩阵力学。

你不用管那套理论是什么，只要知道，后来理论物理学家狄拉克等人证明，那套理论和我们现在讲的量子力学理论，其实是完全等价的。

事实上，有人指出，量子力学一共有9种不同的表述，面对同一个现象时，他们的公式都不太一样，讲故事的逻辑也不太一样。但是就像金鱼缸的故事，他们所有人的公式都经过了实验验证，而且相互之间能通过数学进行转化。

所以，我们根本不用纠结我们到底是鱼缸里的金鱼，还是鱼缸外的人。人的观察不也是基于晶状体、视网膜、视神经，然后再由大脑神经网络处理的结果吗？人的认知不也是真理众多表述形式中的一种吗？

现在你知道我们该怎么对待一种科学理论了吗？

虽然角度决定了表述形式，但这个表述形式只要是个有效理论，哪怕低能，哪怕简单，它在它叙述的范围内，就是真理的一种形式。

如果你收集了好几种有效理论的形式，那么它们之间的交集，就是真理。所以，量子力学在这个地方，保质期就是永远。

 划重点

1. 量子力学是一种未知理论的低能有效理论，同时也是一种只能描述相对简单现象的简单有效理论。

2. 量子力学有9种互相等价、又截然不同的表述形式，这些不同的表述形式都经过了大量实验验证，我们依然可以把量子力学当作一种真理来对待。

我再给你留一个思考题。其实我们学过的大部分知识，都是有效理论，都有各自的适用范围。请你以其中一个知识为例，说说它可能存在的天花板，或者有没有其他表述形式？

知道了这个，量子力学的未来应该往哪儿发展，我们心里就有数了。我们下一讲就详细来说说，量子力学的前沿进展。

网友互动

经典力学就是有效理论。以及经济学上的供求效应，我认为这个供求关系太过理想化了，比如菜价高低，如果每个种菜的人素养提高，每个人都有理性的话，那就是博弈论解释的了。

作者

回复

赞同。我认为微观经济学供需关系的理论，是一个适用范围非常窄的有效理论。

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感觉听您说：简单有效就是真理，哈哈????

作者

回复

1. 有效 2. 尽可能的简洁 3. 理论的多种表述形式之间，存在数学上的等价性 4. 与其他已经建立的学科存在明确的联系

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什么是科学？

1）质疑精神

2）观测与实验

3）猜想

4）推测与逻辑

5）精准的概念（定义）

6）分享与传承

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管理学，其实还可以表述为领导力学。

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这一讲很棒，现在被证实的科学理论也都是有适用范围的，描述微观粒子我们用量子力学，大尺度天体运动我们会用广义相对论，但是我们并没有抛弃牛顿的经典力学，牛顿力学在一定范围内也是准确的，只不过相对论更加精确。物理学家为了描述那些未知的乌云，引入新的理论和解释，各种弦理论、暴胀理论、暗物质暗能量，只要能有效解释物理现象，可证伪且还未被证伪，那就能代表真理的一部分。

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思考题

(学过本课后我要记住的)

像是现在，埃隆马斯克发射火箭，所用到的物理定理就是牛顿力学。

假设这枚火箭能有接近光速的速度，那这就是爱因斯坦的相对论领域了。

这就能说爱因斯坦的相对论干掉了牛顿力学吗，不能，只能说，牛顿力学是相对论低速领域的特例。

后来的人都是站在巨人的肩膀上，科学的大厦是一砖一瓦牢牢实实搭建起来的。

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欧几里得几何，适用于第五条平行线公里的情况。

第五条一改变，就是黎曼几何或者罗氏几何。