QA问答:物理学家为什么无法让一般人理解量子物理?
2021-12-13 木莲 16128
正文翻译


木蓮若葉

, 人工知能 教育学&言語学 修士号,雑学家,理屈っぽい中国人
一般人が理解できないだけでなく、実は物理学者自身も本当の意味で最先端の理論を理解していません。
現代の物理学は人の常識を遥かに超える領域に達しています。たとえば、一般人が想像する電子の様子は、電子という球体が一定な軌道に則って原子核を回ります。しかし、数式から見れば、どうだろう。電子が電子雲になります。どこにあるが、どこにもありません。間を通過していないのに、勝手に別のところに遷移してしまいます。私たちの常識では到底理解できないものになっています。
「電子の状態を想像するなら、私を殺したほうがいいです」とある物理学者も言っています。物理学者は常識ではなく、数式で物理を理解しようとしています。理解できなくても、計算ができればそれでいいです。よって、リアルと乖離するような理論が次から次へと誕生します。物理がますます砂の城になっていきます。

并非是只有一般人无法理解,实际上就连物理学家本身都无法真正意义上理解最先进的物理学理论。
现代物理学已经达到了远超人类常识的领域。比如,一般人所想象的电子是,名为电子的球体按照一定的轨道围绕着原子核转动。但是,从公式上看,又是如何呢?电子会变成电子云。既在任何地方,又不在任何地方。不通过中间的空间,却能擅自跃迁到别的地方。这不是我们的常识所能够理解的。
曾有一个物理学家说过,如果让我想象电子的状态的话,还不如杀死我好了。物理学家并非是通过常识,而是通过公式来理解物理的。就算无法真正理解,但是却可以进行计算。因此,和现实感官完全背离的理论才会不断诞生。物理越来越像砂子的城堡。

代表的な理論が弦理論です。弦理論が信仰であり、科学ではないと言う物理学者もいます。現在のところ、弦理論を実証するすべがありません。数学の推理と計算だけで、弦理論をここまで発展させました。しかし、弦理論が描く宇宙が私の住む宇宙である保証はひとつもありません。
現代物理学の研究において、人類の感性が役立つどころか、邪魔でしかありません。数式だけで築き上げた現代物理学に、無感情なロボットのほうが研究者に向いてると時々思います。どの道、一般人が理解しようとも、数式を理解する知識もなければ、自慢だった感性も使いようがありません。

代表的理论就是弦理论。有物理学家说弦理论是一种信仰,而非科学。现在,并不存在能够实际验证弦理论的方法。仅仅靠数学上的推理和计算,弦理论就发展到现在这个地步。不过,弦理论所描绘的宇宙,并不能保证一定是我们所生活的这个宇宙。
现代物理学的研究中,人类的感性不仅没有用处,反而会成为障碍。我有时候觉得仅仅依靠公式搭建的现代物理学,没有感情的机器人反而更加适合去研究。不管怎么说,一般人就算想要去理解,既没有能够理解公式的知识储备,自豪的感性也没有任何用处。

Y Mochizuki

, 東京工業大学 助教

一般的に量子力学が難解と言われる理由は、次の3つなのではないかと思っています。少々長文ですが、ご興味のある方は是非とも目を通してみてください。
1. 目で直接観測できることが限られるため、数式から想像するしかない。
化学の教科書でよく目にする、s,p,d,fのような原子軌道は、Schrödinger方程式から導かれたものであり、人が直接観察した訳ではありません。数式から導かれた原子軌道の形を用いて、化学結合や化学反応を考察すると、非常によく説明されます。直接観測できていなくとも、原子軌道の形の事実が覆されることはないと思っています。
一般人に説明する時、そういった数式からの想像を、言葉に変換して説明しないといけません。実際のところ、数式から想像できること、解釈できることは非常に多種多様ですが、言葉で表してしまうと「何を言っているのだ??」と思われてしまうんです。

一般人觉得量子力学很难的理由,我觉得有下面三条。虽然比较长,但希望感兴趣的人可以读一下。
1.无法直接用肉眼观测,所以只能从公式中进行想象。
化学的教科书中经常看到的s,p,d,f这种原子轨道是从Schrödinger方程中推导的,并非是人类直接观察到的。通过公式中推导的原子轨道的形式,再去考察化学结合和化学反应,非常能够解释现象。就算无法直接观测,我觉得原子轨道这个事实很难被推翻的。
对一般人解释的时候,从公式中可以想象到的,或者是可以解释的内容,是非常多种多样的。
但是一旦通过语言来表达,对方还是会感觉到迷惑。

2. 感覚的に扱ってきた物理量が分からなくなる。
物理学を始める時、最も初等的な概念は、質点の位置とそれに働く力(Newtonの運動方程式)です。量子力学においては、位置が明確に決まることがなく、速度も加速度も質点に働く力も定義できません。これがハイゼンベルグの不確定性原理です。
ここで、よく勘違いされてしまうこととして、量子力学と古典力学を二元論的に扱うことです。つまり、同じ自然を表現するのに、全く異なる物理学が2つ存在すると言及されることですが、これは違います。

2.靠感觉来衡量的物理量无法理解了。
开始学习物理学的时候,最初级的概念是质点的位置和驱动力。量子力学中,位置并非是明确定义的,速度、加速度和驱动质点的力都无法定义。这就是海森堡的不确定原理。
这里经常被人误解的是,将量子力学和古典力学当成二元对立。也就是说对于同样的自然现象存在两种完全的物理学。这是错误的。

3. 粒子の描く軌道が一意に決まらない。
量子力学に関して、意外と勘違いされていることは、“不確定性”の意味です。質量が小さくなるほど、量子的効果が大きくなると言及しましたが、スリットを通る粒子に関する考察で演繹的に導くことができます(下記の図を参照)。つまり、軌道は一意に決まらずとも、その軌道の確率は求まるということです。

3.描绘例子轨道并非是确定。
关于量子力学,很意外容易被误解的是不确定性的意义。质量越小,量子效果越大。不过是可以通过研究演绎通过狭缝的粒子轨迹的。也就是说轨道就算不是确定的,但是可以求出轨道的概率。
新田 光宏
原创翻译:龙腾网 http://www.ltaaa.cn 转载请注明出处


, プログラマー (2003年〜現在)
数式の難しさをあげている回答が多いようですが、それは本質では無いんじゃないかな。
力学の方程式を見ただけで逃げ出す人は多いですが、そんな人でもキャッチボールができる程度には理解してます。
量子力学が理解出来ないのは、産まれてから体験したことに、量子力学が含まれていないからじゃないですかね。
量子力学は全ての現象に関わってはいますが、顕微鏡でも見えないミクロな現象でなければ、全く分からないんですよね。
科学技術がもっともっと発展して、量子力学的効果を使った道具が増えてくれば、解消されるのかもしれません。
この計算をしている量子コンピュータは、一台に見えるが実は無量大数をはるかに越すコンピュータでね。ただ同じ場所に全部重なっているんで、一台に見えるんだ。
なんて説明が幼児に日常的にされる世の中になれば、理解する人も増えるのかもしれませんね。

虽然有很多人提出是因为公式太难了,但这并非是本质的问题吧。
看到力学的公式就想要逃走的人也很多,但是这些人也是可以进行一些基本的讨论的。
无法理解量子力学是因为出生之后体验到的现实并不包含在量子力学之中的缘故。
量子力学虽然于所有的现象都相关,但是如果不是显微镜都看不到微观世界,那么就完全无法理解。
等到科学技术继续发展,出现更多可以发挥量子力学效果的道具的话,那时候也许就会解决了。
进行计算的量子计算机,虽然看起来像是只有一台,其实是一个超过无限大的计算机,只是全部处于一个地方,所以看起来才像是一台。
如果等到有一天这些说明变成幼儿也能够日常听懂的话,那么理解的人也许就会变多了吧。

评论翻译
耀 未来

これもまたどの程度の理解かという問題になると思いますが、
量子物理学の考え方自体は、「難解」とか「数式でないと」とか「イメージできない」というものでは全くないと思います。
専門家が一般の人に説明できないというのは、そもそも当人が数式などで理解していて イメージ(あるいは体感)出来ていない場合ではないでしょうか。まあそれで困る事は無いのでしょうが。
また、イメージ・比喩、例などは理解を進めるのに大変効果的ですが、必ずしも正確ではないので抵抗がある人もいるかもしれません。
ちなみに、量子力学というネーミングも良くありませんね。まるで別世界の力学みたいです。 むしろこちらが基礎・本質なので、力学ではなく科学基礎としてこちらの概念を教えたほうが良いのではないでしょうか。 物質がある程度集積して現存し、時空も安定しているなど、むしろ古典力学を特殊力学理論とでも呼んだ方がいいかもしれません。

我觉得这个也是理解程度的问题。
我不觉得量子物理的思想本身是“非常难懂”“必须要依靠公式”“无法想象”的。
专家无法给一般人解释是因为一般人就算理解了公式,也是无法通过直觉来想象的。因此而会感到困扰的吧。
同时,通过想象·比喻·举例也是对理解非常有用的,不过因为不一定很正确,所以也许也会有人对此抵抗。
顺便一提,量子力学这个命名本身也不太好。好像是别的世界的力学一样。倒不如说这本身才是更加基础和本质的,不作为力学而是作为基础科学来教授概念比较好吧。物质在某种程度聚积在一起存在,时空是稳定的,这种古典力学的状态也许才更应该被称为特殊力学。
原创翻译:龙腾网 http://www.ltaaa.cn 转载请注明出处


さて、質問のような事が起こる一番の問題は、初等教育でこの基礎概念を教えずに古典力学を最初に刷り込む事ではないでしょうか。 ある時、教科書で未だに月の周回軌道のような電子周回モデルが記載されているのを見かけて驚いたことがあります。 このような原子こそ全く想像する事ができません。かなり不自然で気持ち悪いモデルだと思いませんか。 雲状の3D殻・軌道モデルを普通に見せてあげる方が子供たちにとってもはるかに理解しやすいのではないかと思います。 子供の脳を侮ってはいけません。虚数空間、時空の歪み、並行世界、多次元、エネルギー衝撃波、等々、 アニメ・ゲーム・ラノベでおなじみの、かつ即ちこれらは人間の脳に親和性の高い考え方ではないでしょうか。

那么,引起提问这种事情发生的最大问题,是因为初等教育种没有教授基础概念而直接加入了古典力学的缘故吧。有时候,我现在还能从教科书上看到将电子模型描绘成为围绕月亮转这样的描述。真是让人震惊。这样的原子才是完全无法想象的。不觉得是非常不自然让人恶心的模型吗?将云状的3D壳·轨道模型直接教给孩子不是更加符合常理更容易理解吧。不要太小看孩子的大脑了。虚数空间、时空扭曲、平行世界、多维、能量冲击波等等,动漫·游戏·小说种经常出现,已经是对人脑非常有亲和力的想法了。
田口 善弘
, Professor (1997年〜現在)

この世界の本当の基本法則は量子力学です。あまり強調されていませんが、量子力学の世界には「力」は存在しません。「加速度」もありません。だから高校で習うF=maという運動方程式も当然ありません。つまり、ですね、高校でならう「力学」って全部嘘っぱちなんですよ。じゃあ、なんでそんなものが学問として成立したのか?実は、僕らの持っている「力学」感って、犬や猫も共有しています。有体にいって、生命は量子力学を理解できる脳をつくれませんでした。なので「力」とか「加速度」っていう「幻」を作って世界を何とか解釈してきたのです。僕らの脳はしょせん、進化の上に作られたものです。その長い歴史で生命は一度も量子力学を認識できる脳を作れませんでした。そんな僕らなので、当然、量子力学を理解できる脳を持っているわけはないんですよね。高度な数学が使えない人に量子力学を説明するのが難しいのはそのためです。

这个世界真正的基本法则就是量子力学。虽然没有被强调,但是量子力学的世界里并不存在“力”。也没有“加速度”。所以高中学习的F=ma这种运动方程也当然不存在。也就是说,高中学习的“力学”全部都是谎言。那么,为什么那种东西会作为学问而成立呢?实际上我们所有的那种“力学”的感觉,猫狗也是有的。生命没能创造出可以理解量子力学的大脑。因此,通过“力”和“加速度”这种幻想来试图解释世界。我们的大脑都是在进化种产生的。在这个漫长的历史中,生命一次也没有产生出可以理解量子力学的大脑。不能使用高度的数学工具的人,想要理解量子力学是非常困难的。

Furukawa Isao
, 某IT系企業に勤務
どんな学問であっても、専門化が進むほど素人への説明は難しくなっていきます。このため、説明者に必要な技量も上がっていきます。
ここで、量子物理学が他の学問と比べて「知らない人に理解させる上での特殊性を持っているかどうか」が問題になるのですが、どうもそれが思いつきません。確かに個々の説明が難しいのは分かるのですが、それは普遍的な意味で特殊なのか(他の難しい学問と本質的に違うのか)と言われると自信がありません。
一方で自信をもって言えることは、それは一般の人の生活には関係ない、知らなくても支障ない、ということです。どんなに説明しても、聞く側にその気が無ければ理解は進まないでしょう。

不管何种学问,越专业对外行解释就越困难。因此,解释的人也必须要提高水平。
量子物理学和其它的学问相比,在对不懂的人解释上是否有特殊性这点,我并没有想到任何点。确实我也知道具体的解释是非常困难的,但要说在普遍的意义上是不是特殊的,我并没有断言的自信。
另一方面,我能够有自信说的是,这是和一般人生活无关的,不知道也不会有任何问题的事情。不管如何解释,只要听的一方,没有想要理解的意思,那么自然也就不会有进展。

Kato Akihiko
, 学士 一応数学科だが落ちこぼれ
直観がなかなか働かないからではないでしょうか。
ヒルベルト空間(などと大袈裟なことを言わなくとも、2次元複素ベクトル空間)で、(これは射影作用素を真理値とする多値論理と見ることもできます)射影作用素A、B、に対して「AならばB」を表すような(3段論法が自由に使えるような)A→B という射影作用素を作る演算→は一般に存在しません
つまり、三段論法さえ通用しないわけです。そんな恐ろしい世界は怖くて量子力学はまだ勉強していません。

这是因为人的直觉不怎么起作用的缘故吧。
希尔伯特空间中对于投影的元素A、B,进行表示“是A则B”的A→B 的投影作用的演算是不存在的。
也就是说,三段论法都是无法使用的。因为对这样恐怖的世界感到害怕,所以我才没有去学习量子力学。

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