新的理論趨勢(shì)指出：量子世界或許建立在虛數(shù)之上

這篇文章我們不從公式講。

從情緒講。

人類第一次聽(tīng)說(shuō)“虛數(shù)”這種東西的時(shí)候，其實(shí)很少有人是帶著敬畏感的，大多數(shù)人的第一反應(yīng)都差不多：

這玩意兒是不是數(shù)學(xué)家閑著沒(méi)事想出來(lái)的？

什么叫 √-1？

現(xiàn)實(shí)世界里有負(fù)蘋果嗎？
有負(fù)長(zhǎng)度嗎？
有負(fù)時(shí)間嗎？

沒(méi)有。

那憑什么會(huì)有“負(fù)數(shù)的平方根”？

這聽(tīng)起來(lái)不像發(fā)現(xiàn)，更像發(fā)明。

甚至有點(diǎn)像是，為了把算式繼續(xù)往下寫，人為補(bǔ)了一個(gè)“外掛設(shè)定”。

但奇怪的事情在于，這個(gè)看起來(lái)最像補(bǔ)丁的概念，最后卻被焊死在量子力學(xué)的核心結(jié)構(gòu)里。

而且不是裝飾件，是承重墻。

在電磁學(xué)里，復(fù)數(shù)只是方便。你不用它，照樣能算，只是過(guò)程更啰嗦一點(diǎn)。

但量子力學(xué)不行。

你一旦把虛數(shù)拿掉，這套理論就不是難看，而是直接失效。

當(dāng)年玻爾第一次看到薛定諤方程里那個(gè) i 的時(shí)候，也不是立刻接受的。

他懷疑，這可能只是記賬符號(hào)，是一種數(shù)學(xué)上的整理方式，而不是現(xiàn)實(shí)的一部分。

這其實(shí)是很典型的經(jīng)典物理直覺(jué)。

因?yàn)樵诮?jīng)典世界里，真實(shí)的東西都是可以“畫(huà)出來(lái)”的。

小球在桌子上滾，行星繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)，彈簧來(lái)回震動(dòng)。

這些運(yùn)動(dòng)都可以用位置和速度描述。

你甚至可以畫(huà)出軌跡，畫(huà)出相空間圖。

系統(tǒng)的狀態(tài)，清清楚楚地活在“位置+動(dòng)量”這個(gè)二維結(jié)構(gòu)里。

這是一個(gè)干凈、直觀、完全實(shí)數(shù)化的世界。

但量子力學(xué)進(jìn)場(chǎng)之后，這種直覺(jué)開(kāi)始失效。

粒子的動(dòng)量，不再是一個(gè)簡(jiǎn)單數(shù)值，而變成一種對(duì)波函數(shù)的操作。

位置和動(dòng)量之間的關(guān)系，不再是簡(jiǎn)單比例，而是差著一個(gè) i。

換句話說(shuō)，一個(gè)粒子的存在狀態(tài)，不再完全待在“現(xiàn)實(shí)軸”上。

它的一部分，必須落在虛數(shù)軸上。

它不是存在于普通平面，而存在于復(fù)數(shù)空間。

這聽(tīng)起來(lái)就有點(diǎn)別扭。

就像突然有人告訴你，你的影子其實(shí)不在地上，而在一個(gè)你看不見(jiàn)的維度里。

但真正關(guān)鍵的問(wèn)題不是“聽(tīng)起來(lái)怪不怪”。

而是：

虛數(shù)在量子力學(xué)里，不是為了好看，而是為了讓世界運(yùn)轉(zhuǎn)得下去。

在經(jīng)典波動(dòng)理論里，我們用復(fù)數(shù)，是因?yàn)榉奖恪?/p>

就像用經(jīng)緯度比用直角坐標(biāo)更適合描述地球表面。

但量子力學(xué)里的虛數(shù)，承擔(dān)的是更深層的角色。

薛定諤方程中那個(gè) i，保證了一件非常重要的事情：

概率守恒。

如果沒(méi)有它，波函數(shù)的演化就不再是“保持能量”的旋轉(zhuǎn)，而會(huì)變成“逐漸擴(kuò)散”的衰減。

粒子的存在概率會(huì)像水一樣慢慢流失。

世界會(huì)變得不穩(wěn)定。

所以，虛數(shù)在這里起到的作用，不是簡(jiǎn)化計(jì)算，而是維持結(jié)構(gòu)。

它讓量子系統(tǒng)的變化，不是移動(dòng)，而是旋轉(zhuǎn)。

這點(diǎn)非常關(guān)鍵。

在經(jīng)典世界里，變化是“走”。

位置在變，速度在變。

但在量子世界里，變化更像是在某種抽象空間里的轉(zhuǎn)動(dòng)。

不是在空間里移動(dòng)，而是在“相位”里旋轉(zhuǎn)。

而相位這個(gè)概念，在日常生活中幾乎沒(méi)有存在感。

我們不會(huì)說(shuō)桌子有相位，也不會(huì)說(shuō)貓有相位，更不會(huì)說(shuō)人有相位。

但在量子世界里，每一個(gè)粒子都有。

正是這種“內(nèi)部節(jié)奏”，讓粒子可以疊加，可以干涉，可以糾纏。

雙縫實(shí)驗(yàn)中粒子和自己干涉，本質(zhì)上是相位疊加。

量子隧穿，本質(zhì)上是相位演化。

甚至像阿哈羅諾夫–玻姆效應(yīng)這種現(xiàn)象，粒子在沒(méi)有任何力作用的地方，仍然會(huì)被影響。

改變的不是能量，而是相位。

而相位，本質(zhì)上離不開(kāi)復(fù)數(shù)。

這意味著：

虛數(shù)不是計(jì)算世界的工具，而是描述世界運(yùn)作方式的一部分。

確實(shí)有人嘗試把量子力學(xué)改寫成純實(shí)數(shù)形式。

結(jié)果很有意思。

理論上可以做到，但必須引入額外結(jié)構(gòu)去模擬復(fù)數(shù)的效果。

就像把貓藏進(jìn)袋子里，然后宣布家里沒(méi)有貓。

名字變了，本質(zhì)沒(méi)變。

你可以不用“虛數(shù)”這個(gè)詞，但你無(wú)法擺脫“旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)”。

在量子信息里，這一點(diǎn)體現(xiàn)得更直觀。

一個(gè)量子比特，不是0或1，而更像一個(gè)方向。

它可以被畫(huà)在一個(gè)球面上。

隨著時(shí)間推移，它的狀態(tài)不是移動(dòng)，而是在球面上旋轉(zhuǎn)。

但一旦測(cè)量發(fā)生，它就突然跳到確定位置。

旋轉(zhuǎn)停止。

相位消失。

原本連續(xù)的結(jié)構(gòu)，被壓縮成離散結(jié)果。

這不是數(shù)學(xué)技巧，而是一種現(xiàn)實(shí)行為。

于是越來(lái)越多物理學(xué)家開(kāi)始意識(shí)到：

虛數(shù)或許并不“虛”。

它可能只是某種我們無(wú)法直接感知的結(jié)構(gòu)的投影。

就像時(shí)間曾經(jīng)只是參數(shù)，后來(lái)被理解為時(shí)空的一部分。

也許現(xiàn)實(shí)的底層，本來(lái)就帶有復(fù)數(shù)性質(zhì)。

只是測(cè)量過(guò)程，把它壓縮成了實(shí)數(shù)世界。

我們看到的，也許只是截面。

當(dāng)年玻爾說(shuō)，這些東西難以直觀，所以更像符號(hào)。

但歷史已經(jīng)證明，難以直觀，并不等于不真實(shí)。

畢竟，人類也花了很久，才接受時(shí)間會(huì)變慢、空間會(huì)彎曲。

量子世界的這種“旋轉(zhuǎn)式存在”，也許只是我們還沒(méi)學(xué)會(huì)如何真正理解而已。