第33章 量子笔记

    第二十一年春,江临第一次打开量子力学文件夹时,心里並没有太多恐惧。
    他以为自己已经习惯了难。
    高等数学难过,普通物理难过,线性代数难过……
    每一门课刚开始都像一面墙,冷硬,平直,没有门。
    可这些年他已经摸出了一点方法。
    不要急著撞,先沿著墙走,找到裂缝,找到门缝,找到能把概念拖进废土的地方。
    极限被他拖进了土豆產量,导数被他拖进了石屋冷却,积分被他拖进了太阳能功率曲线,矩阵被他拖进了农田状態,拉格朗日方程被他拖进了风力提水装置……
    所以量子力学也应该一样。
    再难,总有入口。
    至少刚开始,江临是这么想的。
    他坐在十五平方米的石屋里,手边放著一杯温水。
    水是上午刚煮过的,带一点过滤木炭留下的味道。
    炉灶里的火已经压低,太阳能板还在外面接著雨后的冷光,控制器屏幕上的输入功率不高,但足够支撑电脑开一段时间。
    电脑屏幕上,是量子力学第一章。
    黑体辐射。
    光电效应。
    波粒二象性。
    江临慢慢往下看。
    最开始,他自我感觉还好。
    黑体辐射,经典理论解释不了,普朗克引入能量量子。
    光电效应,爱因斯坦解释,光是一份一份的,e=hν。
    江临对这些没有太大障碍。
    太阳能板就在外面,光变成电,他靠它活了二十多年,光能一份一份打进半导体这件事,在他的直觉里有一个粗糙的落脚点。
    他在概念本上写。
    【光电效应:像太阳能板一样,光一份一份交出能量。】
    写完,觉得自己已经理解了。
    继续往下。
    德布罗意物质波,电子也有波动性。
    这里他皱了皱眉,但还没停下。
    量子力学第一章就这样被他翻过去了。
    他合上电脑,觉得难是难,但没有传说中的那么玄。
    真正的麻烦,从他第一次做题开始。
    那是第二十一年秋天。
    他从一本离线题库里找到了量子力学基础习题,准备检验一下自己的理解。
    第一题,算光电效应里逸出电子的最大动能。
    他提笔,代公式,写出答案。
    翻到解析,答案对了。
    第二题,还是光电效应。
    题目把频率和光强换了个问法,问在入射光频率不变的情况下,增大光强,逸出电子的最大初动能会不会变。
    江临把笔帽咬在嘴里,感觉还不错。
    第三题,给一个一维无限深势阱,让他写出粒子的波函数和归一化係数。
    江临翻回教材,看了一眼例题。
    形式他认识。
    正弦函数。
    边界条件。
    n等於1、2、3。
    他照著记忆写下去,先把波函数写成了asin(nπx/a)。
    写到归一化係数时,他停住了。
    a是多少?
    他记得好像是根號什么。
    根號二分之一?
    根號二除以a?
    还是根號二除以根號a?
    他翻了一下例题,才知道应该是根號2/a。
    这还只是第一处。
    后面题目问n=1和n=2的能量差,他又下意识以为能量是一倍一倍往上加。
    翻到解析才发现,能级和n^2有关。
    n=2不是n=1的两倍。
    是四倍。
    江临把笔帽咬得发白。
    明明每一步都在教材里。
    明明例题刚看过。
    可换成习题,他就像把一筐零件倒在桌上,知道它们都属於同一台机器,却不知道先拧哪颗螺丝。
    最后他对著解析,把整道题重新抄了一遍。
    抄完时,感觉又懂了。
    第二天重做,归一化係数还是写错。
    ……
    第五题时。
    题目问:某粒子处於叠加態,测量能量,得到第一激发態的概率是多少?
    江临盯著这道题看了一会儿,感觉有点模糊,但好像知道要怎么做。
    他开始写,写了一半,对不上,划掉。
    又重写,还是不对。
    他翻回教材,把叠加態那一节看了一遍。
    看完,觉得自己懂了,再回来做题。
    还是不对。
    他不知道到底哪里错了。
    概念好像有,步骤好像也有,但就是写不出答案。
    最后他把解析翻出来,对照著把步骤重新抄了一遍,感觉:“哦,原来是这样。“
    然后去做下一题。
    这种看解析恍然大悟,过几天遇到类似题还是不会的循环,贯穿了他最初三年的量子力学学习。
    第二十二年,江临开始认真看叠加態。
    他看了很多遍。
    每一次看完,他都觉得自己懂了。
    叠加態,就是粒子同时处於多个状態。
    他在概念本上写。
    【叠加態:粒子同时在好几个地方,测量之后坍缩到一个地方。】
    写完,满意地合上本子。
    他觉得这个理解很直观。
    粒子同时在好几个地方,就像,他想了想,就像一颗种子还没决定要往哪个方向发芽,等到你去看它,它才固定下来。
    他觉得这个类比不错。
    於是他把这个类比也写进概念本,旁边还画了一颗发芽的种子。
    然而这个理解是错的。
    错在哪里,他当时完全不知道。
    他甚至用这个同时在好几个地方的图像,成功地解释了好几道选择题,让他更加確信自己懂了。
    直到第二十四年,他做到一道关於量子態叠加係数的计算题,怎么也对不上,被迫把叠加態从头学了一遍,才隱约感到哪里不对劲。
    不是粒子同时在好几个地方。
    不是这个意思。
    但他说不清楚到底是什么意思。
    他把不同教材的表述拿出来对比。
    一本说量子態的线性叠加。
    一本说每种本徵態有对应的概率幅。
    一本说测量结果是隨机的,但概率可以精確预言。
    这些表述他都能看懂每个字,但拼在一起,总有一种微妙的脱节感。
    就像他明明认识所有零件,却拼不出整台装置。
    他在概念本上划掉了那颗发芽的种子,写了一句话。
    【叠加態不是同时在好几个地方,但是什么,我还不知道。】
    这句话写完,他感觉很不舒服。
    不是因为不懂本身。
    是因为他之前一直以为自己懂了。
    第二十四年到第二十六年,江临反覆在一个地方卡壳。
    波函数到底是什么?
    他知道波函数是一个数学对象,知道它的模方给出概率密度,知道薛丁格方程描述它的演化。
    这些他都能背出来。
    但有一种感觉,像隔了一层薄膜,就是捅不破。
    他试图把波函数拖进废土。
    第一次,他把波函数比成蓄水坑里的水位分布。
    某处水多,粒子就容易出现在那里。
    他觉得这个类比挺好。
    但过了一段时间,他做题时发现这个类比帮不上什么忙,反而有时候会把他带偏。
    他把这个类比划掉了。
    第二次,他试图把波函数比成气象预报里的降雨概率分布。
    某个区域降雨概率高,粒子就容易出现在那里。
    他又觉得这个类比不错,在概念本上写了半页。
    过了几个月,他在一道干涉条纹的题目上又卡死了。
    降雨概率不能叠加出干涉,但波函数可以,因为波函数是复数,有相位。
    他把这半页划掉了。
    第三次,他乾脆不找类比了。
    他就盯著波函数的数学形式看。
    复数,模,相位,叠加,內积,期望值……
    这些东西他都学过,但量子力学把它们以一种他不熟悉的方式用在一起。
    他每次以为自己快要抓住什么,一做题又发现没抓住。
    这种感觉像什么?
    像用手指去捏一团水。
    手指碰到,水散了,手里什么都没有。
    他在概念本上写。
    【我不知道波函数是什么。】
    【我知道它的数学形式,知道它怎么用,但就是不知道它是什么。】
    这句话写完,他想起来学高中物理的时候,老师说场是什么,先不管,会用就行。
    他以为当初自己没管电场到底是什么,结果也好好地用了很多年。
    也许波函数也一样。
    也许不是每个东西都需要他弄清楚它是什么。
    他把这个想法记下来,感觉鬆了一点。
    然后把下一道题翻出来,继续做,又做错了。
    第二十六年冬,江临第一次暂停量子力学整整两个月。
    不是计划內的休息,是被迫停下来的。
    因为他发现自己陷在一种很奇怪的状態里,看的时候有感觉,放下来什么都剩不下。
    他总结不出来是什么原因,也没法分析自己哪里出了问题。
    他只是某天翻开量子力学,呆坐了一个小时,然后关掉电脑,去修石屋西侧的排水沟了。
    此后两个月,他干別的。
    倒不是刻意迴避。
    他想起来的时候,只有一种模糊的、说不清楚的不舒服。
    像一道题做错了,但不知道错在哪里。
    第二十七年春天,某个夜里,江临被一个梦惊醒。
    梦里,他回到了十八岁那年。
    不是废土。
    是现实世界的清晨。
    天还没完全亮,屋里有一点灰蓝色的光。
    他坐在床边,看见眼前那个莫名出现的倒计时。
    数字一秒一秒往下跳。
    他不知道那是什么。
    不知道归零后会发生什么。
    不知道自己会去哪里。
    他醒来时,炉灶已经灭了。
    石屋里很冷。
    挡风帘垂在门后,南墙小窗封著夜挡板。
    外面风停了,有一种近乎空旷的安静。
    江临躺在睡袋里,睁著眼睛,看了很久屋顶。
    然后,垂死病中惊坐起一般,突然爬起来把量子力学重新打开。
    他说不清楚为什么。
    可能只是睡不著,需要找点事情做。
    他从叠加態那一节开始看,什么感觉都没有,读到一半,把电脑关掉,继续睡了。
    但从那之后,他开始重新来。
    第二十七年到第二十九年,江临做了一件以前没做过的事。
    他开始重新做题,把以前做错的题全部找出来,一道道重新啃。
    啃的时候追著问一个问题:我上次到底为什么错了?
    这件事比他想像中难得多。
    有的题,他以为自己当时只是计算失误,仔细看才发现,自己根本就搭错了框架。
    有的题,他发现自己套了正確的步骤,但说不清楚每一步在做什么。
    有的题,他发现自己用了一个类比,类比把他带偏了,但他之前没有意识到这一点。
    发芽的种子那个类比,他在错题本里发现了它的影子。
    那个类比让他把叠加態的係数当成了在各个位置的概率,而不是各本徵態的概率幅。
    这两件事差一个字,但本质上差得远。
    他在错题本里写了一行字。
    【这道题错,是因为发芽的种子。】
    他觉得有点荒唐,但確实是这样。
    就是这颗两年前画在概念本上的种子,悄悄地把他带偏了两年。
    第二十八年,江临开始对我懂了这个感觉產生怀疑。
    以前,他读完一节,感觉懂了,就合上电脑,去做別的。
    现在,他每次感觉懂了,都会逼自己再做一道题。
    通常,这道题会告诉他他没懂。
    他慢慢摸出了一个规律。
    他有两种懂。
    一种是能把教材的句子换个说法复述出来的懂。
    一种是遇到新题,知道该从哪里下手,能做对的懂。
    这两种懂,相差很远。
    他在概念本上写。
    【题也不能全信,但不会做题,基本就是没懂。】
    这句话看起来很朴素,但江临花了將近七年才把它真正当成原则。
    第二十八年夏,他终於把波函数的东西基本理顺了。
    不是因为哪一天突然开窍。
    是某一次做完一道计算本徵值的题,他发现自己做对了,而且做的时候没有那种模糊的不安。
    他知道自己在算什么,知道每一步为什么这么写,知道结果意味著什么。
    这个感觉,和以前套公式得出答案不一样。
    他说不清楚哪里不一样,只是感觉稳一些。
    像以前站在泥地上,现在站在石头上。
    不是飞起来,就是稳一点。
    他翻开概念本,找到那句我不知道波函数是什么。
    在下面补了一行。
    【第二十八年:仍然说不清它是什么,但知道怎么用它了,这大概是我目前能达到的程度。】
    第三十年,他才开始真的去碰双缝实验和测量的问题。
    以前他也看过这部分,但看不进去。
    不是內容太难,是他的底层工具还没到位,看进去也是假懂。
    现在工具稍微有一点了,他才发现这块內容有多难咬。
    他在双缝实验这里卡了將近一年。
    不是卡在数学上。
    数学他能跟著算。
    是卡在一个问题里:电子到底走了哪条缝?
    他知道正確答案——测量之前不能这样问,这不是经典问题。
    他知道这句话。
    他能把这句话写出来。
    但他没有真正接受它。
    他心里有一个声音一直在说,它肯定走了一条,只是我不知道。
    他知道这个声音是错的。
    可他压不住它。
    他试过用教材上的措辞说服自己,试过用不同老师的讲解,试过从数学上绕回来。
    都没用。
    那个声音还在那里。
    它走了一条,我只是不知道。
    他在概念本上写。
    【我知道这样想是错的,但我不知道怎么停止这样想。】
    写完,他看了一会儿,没有继续往下写。
    第三十年,他去做了一件有点傻的事。
    他从头把测量那一节的数学部分全部推了一遍。
    不是第一次推,是第十七次还是第十八次,他数不清了。
    这一次,他没有急著找概念上的落脚点,只是一行一行地往下走,看数学本身在说什么。
    算符,本徵態,本徵值,概率幅,投影……
    走到一半,他忽然想起以前学矩阵的时候。
    矩阵乘法,刚学的时候,他对行乘列这件事完全没有直觉,纯靠背规则。
    后来他学到矩阵表示线性变换,把矩阵和空间里的拉伸旋转联繫起来,才慢慢有了一点感觉。
    但那个感觉也不是一下子来的,是他把同一件事算了很多遍,某次算的时候忽然感觉顺了一些。
    他不知道为什么顺了,那个顺本身也没持续多久,但確实有过。
    量子力学的测量,也许也是这样。
    也许不是靠想明白,是靠算到一定程度,某天感觉就顺一点了。
    他把这件事记下来,然后继续算。
    第三十年秋到第三十一年,江临在做一件他自己都觉得有点笨的事。
    他把量子力学基础题库里所有他做过的题,按错误类型重新分类。
    分了五类。
    第一类:套错公式。
    第二类:概念用对了,计算抄错了。
    第三类:用了一个听起来有道理但实际上错误的类比。
    第四类:会算步骤,但不知道步骤在做什么。
    第五类:根本不知道从哪里开始。
    第三类和第四类最多。
    他盯著这两类看了很久。
    第三类很好理解,他已经吃过发芽种子的亏。
    第四类更麻烦。
    会算步骤但不知道在做什么,这种题他以前会当成对了,因为答案確实出来了。
    但这种题是最危险的。
    换一道题,步骤变了,他就又不会了。
    他开始针对第四类题,逼自己在每一步旁边写一句话,这一步在做什么。
    不是写公式名称,是写它在做什么。
    比如,归一化那一步,他写,让所有地方找到粒子的概率加起来等於一,不然概率就不是概率了。
    比如,取模方那一步,他写,把复数变成实数,因为概率不能是复数。
    这些话写起来很笨,他有时候写到一半,觉得自己在解释一件很傻的事。
    但写完再回头看,他发现这些笨话比他之前那些漂亮类比有用得多。
    第三十二年,他第一次做完了自己筛出来的那一批基础题,正確率勉强过七成。
    他翻到最后一道题,把答案填上,合上文件。
    没有什么特別的感觉。
    不是因为不在乎,是因为太累了。
    那天下午,他去浇了南侧黄豆,把蓄水坑的泥沙清了一遍,吃了饭,睡觉。
    第二天早上,他翻开概念本,想写点什么。
    他坐了好久,想了好久,憋出来一句话。
    【量子力学基础题,七成了。】
    然后他停了一下,又加了一行。
    【不知道算不算入门?应该还差很远,但比第二十一年强了。】
    写完,他说不清楚是什么滋味。
    不是高兴,或者不只是高兴。
    是有一种很旧的什么东西,悄悄鬆动了一下。
    他用了十二年,才从感觉自己懂了,走到了真的能做七成的题。
    这十二年里,他犯过的最多的错误,不是不努力,不是方法不对,是他很多次以为自己懂了,但实际上只是懂了一层皮。
    然后用那层皮在废土里活了好几年,没出什么大问题,反而让他越来越確信自己懂了。
    一直到做题,一直到那颗发芽的种子。
    他翻到概念本很早以前的那一页,找到那颗被划掉的种子。
    铅笔画的,已经有点淡了,但还能看见。
    一颗发芽的种子,旁边写著叠加態:粒子同时在好几个地方,测量之后坍缩到一个地方。
    他看了一会儿。
    这句话现在看起来错得很明显。
    但二十二年的那个他,写这句话的时候,真的觉得自己想通了。
    这不是愚蠢。
    这是他那时候能做到的最好程度。
    他在那颗种子旁边,补写了一行小字。
    【这是第二十二年的理解,那时候我以为懂了。】
    写完,合上本子。
    第三十二年冬,他翻开了量子力学进阶部分的第一个文件。
    角动量。
    轨道角动量算符,量子化,l和m量子数,球谐函数……
    他看了第一段,皱了皱眉。
    这里的数学比基础部分复杂,而且有一些他还没见过的东西。
    他打开空白文档,在顶部写。
    【量子力学进阶,第一轮,第一节,角动量。】
    【预计会很久。】
    【先把不懂的词都列出来,再一个个查。】
    然后开始列。
    第一个词,球谐函数。
    他不知道这是什么。
    他打开另一个文件,搜了一下,找到球谐函数的定义,看了一遍,没懂。
    他在空白文档里写。
    【球谐函数:暂时不懂。先放著,继续往后看。】
    他已经学会了不在第一个不懂的词上死磕。
    有些东西看多了自然就懂了,有些东西需要先看后面才能回来懂前面。
    他不知道球谐函数属於哪种。
    所以先放著。
    继续往后。
    角动量第一节,看了三遍,大概只有一半明白。
    他把不懂的地方全部画了出来,列成清单,存到文件里。
    清单有九条。
    他看了一遍,在最下面写。
    【今天:九个不懂。】
    【明天:爭取变成八个。】
    然后他关掉电脑,把明天的维护清单写完。
    第一项:检查蓄水坑水位。
    第二项:清理太阳能板板面。
    第三项:量子力学进阶第一节,继续啃。
    第四项:给南侧三垄黄豆补水。
    写完,他看著这张清单,忽然觉得有什么东西很稳。
    不是量子力学变简单了。
    是他不再以为它会变简单了。
    他已经知道,这条路会很长,会很慢,会有很多次以为懂了但其实没懂。
    下一次大概还会有颗新的种子,在某个他没注意到的地方悄悄画下去,等他三年后回来划掉。
    他接受这件事了。
    不是喜欢,是接受。
    再怎么慢,黄豆还是要浇水。
    量子力学,明天继续啃。
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