微观粒子的状态为何是不确定的？为何必须用概率才能描述？

在探究自然的神秘殿堂里，量子力学颠覆了人们对物质与能量行为的认知，这门科学向我们揭示了微观世界中那些有悖于直觉和经验的规律。因为其行为之离奇，有时甚至惊世骇俗，以至于有些物理学界的权威人士会这样评说：初探量子力学而未感到丝毫困惑的人，并非其智识超群，反而恰恰显示了他们对量子力学的无知，因为他们根本没搞懂量子世界的运作逻辑。

也就是说，那些对量子力学一无所知的人往往因为无知而无畏。而即使是物理学的专家学者，至今也对量子世界之奥秘难以理解，那里面充满了与我们日常生活中的常识相悖的现象，甚至挑战了人们一直认为铁板钉钉的因果律。

量子力学发展了一百多年，如今物理学界是如何来描述这门学科的呢？

波粒二象性被认为是量子力学的核心理念，但其“折中”的描述手法，其实正反映出人类面对量子现象时的无力与不甘。我们无法对微观粒子的奇特行为给出明确的解释，只能用这种含糊其辞的“波粒二象性”来定义。

在现实生活中，我们难以理解一个物体如何能同时表现出粒子性和波动性，有时像波，有时又像粒子，微观粒子的真正状态似乎取决于我们的观测行为。在未观测时，它处于一种模糊的波动状态，无所不在；而一旦我们开始观测，它便立即坍缩为一个确定的粒子。

让我们回顾一下经典物理是如何描述物体的运动状态的。

在物理学的课堂上，我们学过质点这一概念，即在研究物体运动时，可以将其简化为一个质点，这样便于我们建立模型并进行精确的物理量测量，比如质量、速度、加速度等，所有这些都可以通过牛顿经典力学或相对论进行计算。

我们中学所学的物理主要还是属于经典物理的范畴，没有涉及到相对论。但实际上，相对论也是经典物理的一部分，只不过它关注的是高速运动的宏观物体。

利用牛顿力学和相对论，我们能非常精确地描述宏观世界的运动规律。

然而，随着科学家们对微观领域的研究越发深入，他们发现了原子核、电子、质子、中子，甚至夸克的存在。当他们试图用牛顿力学或相对论去分析这些微观粒子的运动时，却发现这两套理论并不适用，因为它们的行为并不符合经典物理的预测。

比如，我们知道原子核带正电，电子带负电，按照牛顿力学的预测，电子在运动中会因能量衰减最终落入原子核中。但现实并非如此。

经典物理学遭遇了困境，该如何解释微观粒子的行为呢？

玻尔提出了“电子跃迁”的理论，指出电子可以在不同能级间跳跃，但只能吸收或释放特定的能量，即光量子的整数倍。因此，电子只能在特定的能级间跳跃，而非连续的能级之间。

但玻尔的理论也存在缺陷，它不能解释电子云的现象。

随着电子双缝干涉实验的进行，物理学家们揭示了更多令人费解的现象，认识到电子等微观粒子同样具有波粒二象性，这意味着电子可以同时存在于两个或更多不同的位置，甚至存在于任何地方。

那么，我们该如何描述微观粒子的状态呢？只能通过不确定性原理，即我们无法同时得知微观粒子的速度和位置，但它们的速度和位置的不确定性之间满足特定的关系：速度的不确定性与位置的不确定性的乘积不小于某个常数（尽管这个常数极小，但不等于零）。

此外，物理学家们还发现，尽管我们无法确定微观粒子的速度和位置，但我们可以用概率来描述微观粒子在某一位置出现的可能性。

这就是所谓的“概率波”诠释，它用来解释薛定谔方程中的“波函数”。也就是说，微观粒子的行为像波动一样不可预测，无处不在，只能用概率波来描述。

为什么会这样？人类目前仍不知道确切的原因，只知道微观世界确实是如此运作的，不确定性和概率波是微观粒子的固有属性，我们只能通过概率来描述它们的运动。

这就像掷骰子一样，最终的结果是几点，是不确定的，由随机决定。连爱因斯坦和薛定谔这样的物理学大师也无法接受微观粒子的概率性行为，爱因斯坦曾坚信“上帝不掷骰子”，但如今科学界的主流观点似乎更倾向于“上帝确实掷骰子”。

另一个问题是，既然组成宏观物体的微观粒子是不确定的，只能用概率来描述，那为什么宏观物体的状态却是确定的呢？

最关键的是，微观粒子的不确定性是“相对”的，因为任何观测行为都会导致微观粒子的“波函数塌缩”，从不确定性变为确定性，从模糊的波动状态变为现实的、确定的存在状态。

这意味着什么呢？难道世界的真实性取决于我们的观测吗？在不观测的时候，世界是否处于一种模糊不定的状态，而只有在我们观测的瞬间，世界才变得真实可感？

尽管这令人难以置信，但目前来看，事实就是如此。那么，为什么我们的观测会导致微观粒子的“波函数塌缩”，从波动状态变为粒子状态呢？

遗憾的是，人类尚未找到答案，我们只能观察到这一现象确实存在，并用“波函数塌缩”来描述它。简而言之，“波函数塌缩”只是科学家们根据观察结果倒推出的结论，本质上是一种假设。

网络上有人提出，观测之所以导致波函数塌缩，是因为观测行为必然会与微观粒子发生相互作用，从而影响其状态。

这种观点虽然易于接受，因为它符合我们的生活经验，但它并不成立，因为如果观测行为真的干扰了微观粒子的量子状态，那就意味着在观测之前，量子系统已经有了某种确定状态，这显然与“观测行为改变量子状态”是矛盾的。

尽管如此，物理学家们还是提出了许多假设，试图解释量子世界的“波函数塌缩”，包括平行宇宙假说、高维度空间，甚至还有“意识决定论”等。然而，哪一个才是量子世界的真正本质，我们尚未可知。

大自然总是这样，在我们以为即将触及大统一理论时，总会抛出更多不可思议的自然现象，让我们重新审视和思考这个世界的运作机理。