第33章 量子筆記

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  第二十一年春,江臨第一次打開量子力學文件夾時,心裡並沒有太多恐懼。

  他以為自己已經習慣了難。

  高等數學難過,普通物理難過,線性代數難過……

  每一門課剛開始都像一面牆,冷硬,平直,沒有門。

  可這些年他已經摸出了一點方法。

  不要急著撞,先沿著牆走,找到裂縫,找到門縫,找到能把概念拖進廢土的地方。

  極限被他拖進了土豆產量,導數被他拖進了石屋冷卻,積分被他拖進了太陽能功率曲線,矩陣被他拖進了農田狀態,拉格朗日方程被他拖進了風力提水裝置……

  所以量子力學也應該一樣。

  再難,總有入口。

  至少剛開始,江臨是這麼想的。

  他坐在十五平方米的石屋裡,手邊放著一杯溫水。

  水是上午剛煮過的,帶一點過濾木炭留下的味道。

  爐灶里的火已經壓低,太陽能板還在外面接著雨後的冷光,控制器屏幕上的輸入功率不高,但足夠支撐電腦開一段時間。

  電腦屏幕上,是量子力學第一章。

  黑體輻射。

  光電效應。

  波粒二象性。

  江臨慢慢往下看。

  最開始,他自我感覺還好。

  黑體輻射,經典理論解釋不了,普朗克引入能量量子。

  光電效應,愛因斯坦解釋,光是一份一份的,E=hν。

  江臨對這些沒有太大障礙。

  太陽能板就在外面,光變成電,他靠它活了二十多年,光能一份一份打進半導體這件事,在他的直覺里有一個粗糙的落腳點。

  他在概念本上寫。

  【光電效應:像太陽能板一樣,光一份一份交出能量。】

  寫完,覺得自己已經理解了。

  繼續往下。

  德布羅意物質波,電子也有波動性。

  這裡他皺了皺眉,但還沒停下。

  量子力學第一章就這樣被他翻過去了。

  他合上電腦,覺得難是難,但沒有傳說中的那麼玄。

  真正的麻煩,從他第一次做題開始。

  那是第二十一年秋天。

  他從一本離線題庫里找到了量子力學基礎習題,準備檢驗一下自己的理解。

  第一題,算光電效應里逸出電子的最大動能。

  他提筆,代公式,寫出答案。

  翻到解析,答案對了。

  第二題,還是光電效應。

  題目把頻率和光強換了個問法,問在入射光頻率不變的情況下,增大光強,逸出電子的最大初動能會不會變。

  江臨把筆帽咬在嘴裡,感覺還不錯。

  第三題,給一個一維無限深勢阱,讓他寫出粒子的波函數和歸一化係數。

  江臨翻回教材,看了一眼例題。

  形式他認識。

  正弦函數。

  邊界條件。

  n等於1、2、3。

  他照著記憶寫下去,先把波函數寫成了Asin(nπx/a)。

  寫到歸一化係數時,他停住了。

  A是多少?

  他記得好像是根號什麼。

  根號二分之一?

  根號二除以a?

  還是根號二除以根號a?

  他翻了一下例題,才知道應該是根號2/a。

  這還只是第一處。

  後面題目問n=1和n=2的能量差,他又下意識以為能量是一倍一倍往上加。

  翻到解析才發現,能級和n^2有關。

  n=2不是n=1的兩倍。

  是四倍。

  江臨把筆帽咬得發白。


  明明每一步都在教材里。

  明明例題剛看過。

  可換成習題,他就像把一筐零件倒在桌上,知道它們都屬於同一台機器,卻不知道先擰哪顆螺絲。

  最後他對著解析,把整道題重新抄了一遍。

  抄完時,感覺又懂了。

  第二天重做,歸一化係數還是寫錯。

  ……

  第五題時。

  題目問:某粒子處於疊加態,測量能量,得到第一激發態的概率是多少?

  江臨盯著這道題看了一會兒,感覺有點模糊,但好像知道要怎麼做。

  他開始寫,寫了一半,對不上,劃掉。

  又重寫,還是不對。

  他翻回教材,把疊加態那一節看了一遍。

  看完,覺得自己懂了,再回來做題。

  還是不對。

  他不知道到底哪裡錯了。

  概念好像有,步驟好像也有,但就是寫不出答案。

  最後他把解析翻出來,對照著把步驟重新抄了一遍,感覺:「哦,原來是這樣。「

  然後去做下一題。

  這種看解析恍然大悟,過幾天遇到類似題還是不會的循環,貫穿了他最初三年的量子力學學習。

  第二十二年,江臨開始認真看疊加態。

  他看了很多遍。

  每一次看完,他都覺得自己懂了。

  疊加態,就是粒子同時處於多個狀態。

  他在概念本上寫。

  【疊加態:粒子同時在好幾個地方,測量之後坍縮到一個地方。】

  寫完,滿意地合上本子。

  他覺得這個理解很直觀。

  粒子同時在好幾個地方,就像,他想了想,就像一顆種子還沒決定要往哪個方向發芽,等到你去看它,它才固定下來。

  他覺得這個類比不錯。

  於是他把這個類比也寫進概念本,旁邊還畫了一顆發芽的種子。

  然而這個理解是錯的。

  錯在哪裡,他當時完全不知道。

  他甚至用這個同時在好幾個地方的圖像,成功地解釋了好幾道選擇題,讓他更加確信自己懂了。

  直到第二十四年,他做到一道關於量子態疊加係數的計算題,怎麼也對不上,被迫把疊加態從頭學了一遍,才隱約感到哪裡不對勁。

  不是粒子同時在好幾個地方。

  不是這個意思。

  但他說不清楚到底是什麼意思。

  他把不同教材的表述拿出來對比。

  一本說量子態的線性疊加。

  一本說每種本徵態有對應的概率幅。

  一本說測量結果是隨機的,但概率可以精確預言。

  這些表述他都能看懂每個字,但拼在一起,總有一種微妙的脫節感。

  就像他明明認識所有零件,卻拼不出整台裝置。

  他在概念本上劃掉了那顆發芽的種子,寫了一句話。

  【疊加態不是同時在好幾個地方,但是什麼,我還不知道。】

  這句話寫完,他感覺很不舒服。

  不是因為不懂本身。

  是因為他之前一直以為自己懂了。

  第二十四年到第二十六年,江臨反覆在一個地方卡殼。

  波函數到底是什麼?

  他知道波函數是一個數學對象,知道它的模方給出概率密度,知道薛丁格方程描述它的演化。

  這些他都能背出來。

  但有一種感覺,像隔了一層薄膜,就是捅不破。

  他試圖把波函數拖進廢土。

  第一次,他把波函數比成蓄水坑裡的水位分布。

  某處水多,粒子就容易出現在那裡。

  他覺得這個類比挺好。


  但過了一段時間,他做題時發現這個類比幫不上什麼忙,反而有時候會把他帶偏。

  他把這個類比劃掉了。

  第二次,他試圖把波函數比成氣象預報里的降雨概率分布。

  某個區域降雨概率高,粒子就容易出現在那裡。

  他又覺得這個類比不錯,在概念本上寫了半頁。

  過了幾個月,他在一道干涉條紋的題目上又卡死了。

  降雨概率不能疊加出干涉,但波函數可以,因為波函數是複數,有相位。

  他把這半頁劃掉了。

  第三次,他乾脆不找類比了。

  他就盯著波函數的數學形式看。

  複數,模,相位,疊加,內積,期望值……

  這些東西他都學過,但量子力學把它們以一種他不熟悉的方式用在一起。

  他每次以為自己快要抓住什麼,一做題又發現沒抓住。

  這種感覺像什麼?

  像用手指去捏一團水。

  手指碰到,水散了,手裡什麼都沒有。

  他在概念本上寫。

  【我不知道波函數是什麼。】

  【我知道它的數學形式,知道它怎麼用,但就是不知道它是什麼。】

  這句話寫完,他想起來學高中物理的時候,老師說場是什麼,先不管,會用就行。

  他以為當初自己沒管電場到底是什麼,結果也好好地用了很多年。

  也許波函數也一樣。

  也許不是每個東西都需要他弄清楚它是什麼。

  他把這個想法記下來,感覺鬆了一點。

  然後把下一道題翻出來,繼續做,又做錯了。

  第二十六年冬,江臨第一次暫停量子力學整整兩個月。

  不是計劃內的休息,是被迫停下來的。

  因為他發現自己陷在一種很奇怪的狀態里,看的時候有感覺,放下來什麼都剩不下。

  他總結不出來是什麼原因,也沒法分析自己哪裡出了問題。

  他只是某天翻開量子力學,呆坐了一個小時,然後關掉電腦,去修石屋西側的排水溝了。

  此後兩個月,他干別的。

  倒不是刻意迴避。

  他想起來的時候,只有一種模糊的、說不清楚的不舒服。

  像一道題做錯了,但不知道錯在哪裡。

  第二十七年春天,某個夜裡,江臨被一個夢驚醒。

  夢裡,他回到了十八歲那年。

  不是廢土。

  是現實世界的清晨。

  天還沒完全亮,屋裡有一點灰藍色的光。

  他坐在床邊,看見眼前那個莫名出現的倒計時。

  數字一秒一秒往下跳。

  他不知道那是什麼。

  不知道歸零後會發生什麼。

  不知道自己會去哪裡。

  他醒來時,爐灶已經滅了。

  石屋裡很冷。

  擋風簾垂在門後,南牆小窗封著夜擋板。

  外面風停了,有一種近乎空曠的安靜。

  江臨躺在睡袋裡,睜著眼睛,看了很久屋頂。

  然後,垂死病中驚坐起一般,突然爬起來把量子力學重新打開。

  他說不清楚為什麼。

  可能只是睡不著,需要找點事情做。

  他從疊加態那一節開始看,什麼感覺都沒有,讀到一半,把電腦關掉,繼續睡了。

  但從那之後,他開始重新來。

  第二十七年到第二十九年,江臨做了一件以前沒做過的事。

  他開始重新做題,把以前做錯的題全部找出來,一道道重新啃。

  啃的時候追著問一個問題:我上次到底為什麼錯了?

  這件事比他想像中難得多。


  有的題,他以為自己當時只是計算失誤,仔細看才發現,自己根本就搭錯了框架。

  有的題,他發現自己套了正確的步驟,但說不清楚每一步在做什麼。

  有的題,他發現自己用了一個類比,類比把他帶偏了,但他之前沒有意識到這一點。

  發芽的種子那個類比,他在錯題本里發現了它的影子。

  那個類比讓他把疊加態的係數當成了在各個位置的概率,而不是各本徵態的概率幅。

  這兩件事差一個字,但本質上差得遠。

  他在錯題本里寫了一行字。

  【這道題錯,是因為發芽的種子。】

  他覺得有點荒唐,但確實是這樣。

  就是這顆兩年前畫在概念本上的種子,悄悄地把他帶偏了兩年。

  第二十八年,江臨開始對我懂了這個感覺產生懷疑。

  以前,他讀完一節,感覺懂了,就合上電腦,去做別的。

  現在,他每次感覺懂了,都會逼自己再做一道題。

  通常,這道題會告訴他他沒懂。

  他慢慢摸出了一個規律。

  他有兩種懂。

  一種是能把教材的句子換個說法複述出來的懂。

  一種是遇到新題,知道該從哪裡下手,能做對的懂。

  這兩種懂,相差很遠。

  他在概念本上寫。

  【題也不能全信,但不會做題,基本就是沒懂。】

  這句話看起來很樸素,但江臨花了將近七年才把它真正當成原則。

  第二十八年夏,他終於把波函數的東西基本理順了。

  不是因為哪一天突然開竅。

  是某一次做完一道計算本徵值的題,他發現自己做對了,而且做的時候沒有那種模糊的不安。

  他知道自己在算什麼,知道每一步為什麼這麼寫,知道結果意味著什麼。

  這個感覺,和以前套公式得出答案不一樣。

  他說不清楚哪裡不一樣,只是感覺穩一些。

  像以前站在泥地上,現在站在石頭上。

  不是飛起來,就是穩一點。

  他翻開概念本,找到那句我不知道波函數是什麼。

  在下面補了一行。

  【第二十八年:仍然說不清它是什麼,但知道怎麼用它了,這大概是我目前能達到的程度。】

  第三十年,他才開始真的去碰雙縫實驗和測量的問題。

  以前他也看過這部分,但看不進去。

  不是內容太難,是他的底層工具還沒到位,看進去也是假懂。

  現在工具稍微有一點了,他才發現這塊內容有多難咬。

  他在雙縫實驗這裡卡了將近一年。

  不是卡在數學上。

  數學他能跟著算。

  是卡在一個問題里:電子到底走了哪條縫?

  他知道正確答案——測量之前不能這樣問,這不是經典問題。

  他知道這句話。

  他能把這句話寫出來。

  但他沒有真正接受它。

  他心裡有一個聲音一直在說,它肯定走了一條,只是我不知道。

  他知道這個聲音是錯的。

  可他壓不住它。

  他試過用教材上的措辭說服自己,試過用不同老師的講解,試過從數學上繞回來。

  都沒用。

  那個聲音還在那裡。

  它走了一條,我只是不知道。

  他在概念本上寫。

  【我知道這樣想是錯的,但我不知道怎麼停止這樣想。】

  寫完,他看了一會兒,沒有繼續往下寫。

  第三十年,他去做了一件有點傻的事。

  他從頭把測量那一節的數學部分全部推了一遍。


  不是第一次推,是第十七次還是第十八次,他數不清了。

  這一次,他沒有急著找概念上的落腳點,只是一行一行地往下走,看數學本身在說什麼。

  算符,本徵態,本徵值,概率幅,投影……

  走到一半,他忽然想起以前學矩陣的時候。

  矩陣乘法,剛學的時候,他對行乘列這件事完全沒有直覺,純靠背規則。

  後來他學到矩陣表示線性變換,把矩陣和空間裡的拉伸旋轉聯繫起來,才慢慢有了一點感覺。

  但那個感覺也不是一下子來的,是他把同一件事算了很多遍,某次算的時候忽然感覺順了一些。

  他不知道為什麼順了,那個順本身也沒持續多久,但確實有過。

  量子力學的測量,也許也是這樣。

  也許不是靠想明白,是靠算到一定程度,某天感覺就順一點了。

  他把這件事記下來,然後繼續算。

  第三十年秋到第三十一年,江臨在做一件他自己都覺得有點笨的事。

  他把量子力學基礎題庫里所有他做過的題,按錯誤類型重新分類。

  分了五類。

  第一類:套錯公式。

  第二類:概念用對了,計算抄錯了。

  第三類:用了一個聽起來有道理但實際上錯誤的類比。

  第四類:會算步驟,但不知道步驟在做什麼。

  第五類:根本不知道從哪裡開始。

  第三類和第四類最多。

  他盯著這兩類看了很久。

  第三類很好理解,他已經吃過發芽種子的虧。

  第四類更麻煩。

  會算步驟但不知道在做什麼,這種題他以前會當成對了,因為答案確實出來了。

  但這種題是最危險的。

  換一道題,步驟變了,他就又不會了。

  他開始針對第四類題,逼自己在每一步旁邊寫一句話,這一步在做什麼。

  不是寫公式名稱,是寫它在做什麼。

  比如,歸一化那一步,他寫,讓所有地方找到粒子的概率加起來等於一,不然概率就不是概率了。

  比如,取模方那一步,他寫,把複數變成實數,因為概率不能是複數。

  這些話寫起來很笨,他有時候寫到一半,覺得自己在解釋一件很傻的事。

  但寫完再回頭看,他發現這些笨話比他之前那些漂亮類比有用得多。

  第三十二年,他第一次做完了自己篩出來的那一批基礎題,正確率勉強過七成。

  他翻到最後一道題,把答案填上,合上文件。

  沒有什麼特別的感覺。

  不是因為不在乎,是因為太累了。

  那天下午,他去澆了南側黃豆,把蓄水坑的泥沙清了一遍,吃了飯,睡覺。

  第二天早上,他翻開概念本,想寫點什麼。

  他坐了好久,想了好久,憋出來一句話。

  【量子力學基礎題,七成了。】

  然後他停了一下,又加了一行。

  【不知道算不算入門?應該還差很遠,但比第二十一年強了。】

  寫完,他說不清楚是什麼滋味。

  不是高興,或者不只是高興。

  是有一種很舊的什麼東西,悄悄鬆動了一下。

  他用了十二年,才從感覺自己懂了,走到了真的能做七成的題。

  這十二年裡,他犯過的最多的錯誤,不是不努力,不是方法不對,是他很多次以為自己懂了,但實際上只是懂了一層皮。

  然後用那層皮在廢土裡活了好幾年,沒出什麼大問題,反而讓他越來越確信自己懂了。

  一直到做題,一直到那顆發芽的種子。

  他翻到概念本很早以前的那一頁,找到那顆被劃掉的種子。

  鉛筆畫的,已經有點淡了,但還能看見。

  一顆發芽的種子,旁邊寫著疊加態:粒子同時在好幾個地方,測量之後坍縮到一個地方。


  他看了一會兒。

  這句話現在看起來錯得很明顯。

  但二十二年的那個他,寫這句話的時候,真的覺得自己想通了。

  這不是愚蠢。

  這是他那時候能做到的最好程度。

  他在那顆種子旁邊,補寫了一行小字。

  【這是第二十二年的理解,那時候我以為懂了。】

  寫完,合上本子。

  第三十二年冬,他翻開了量子力學進階部分的第一個文件。

  角動量。

  軌道角動量算符,量子化,l和m量子數,球諧函數……

  他看了第一段,皺了皺眉。

  這裡的數學比基礎部分複雜,而且有一些他還沒見過的東西。

  他打開空白文檔,在頂部寫。

  【量子力學進階,第一輪,第一節,角動量。】

  【預計會很久。】

  【先把不懂的詞都列出來,再一個個查。】

  然後開始列。

  第一個詞,球諧函數。

  他不知道這是什麼。

  他打開另一個文件,搜了一下,找到球諧函數的定義,看了一遍,沒懂。

  他在空白文檔里寫。

  【球諧函數:暫時不懂。先放著,繼續往後看。】

  他已經學會了不在第一個不懂的詞上死磕。

  有些東西看多了自然就懂了,有些東西需要先看後面才能回來懂前面。

  他不知道球諧函數屬於哪種。

  所以先放著。

  繼續往後。

  角動量第一節,看了三遍,大概只有一半明白。

  他把不懂的地方全部畫了出來,列成清單,存到文件里。

  清單有九條。

  他看了一遍,在最下面寫。

  【今天:九個不懂。】

  【明天:爭取變成八個。】

  然後他關掉電腦,把明天的維護清單寫完。

  第一項:檢查蓄水坑水位。

  第二項:清理太陽能板板面。

  第三項:量子力學進階第一節,繼續啃。

  第四項:給南側三壟黃豆補水。

  寫完,他看著這張清單,忽然覺得有什麼東西很穩。

  不是量子力學變簡單了。

  是他不再以為它會變簡單了。

  他已經知道,這條路會很長,會很慢,會有很多次以為懂了但其實沒懂。

  下一次大概還會有顆新的種子,在某個他沒注意到的地方悄悄畫下去,等他三年後回來劃掉。

  他接受這件事了。

  不是喜歡,是接受。

  再怎麼慢,黃豆還是要澆水。

  量子力學,明天繼續啃。

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