每年七夕是牛郎織女相會(huì)的日子，它是中國(guó)四大民間傳說之一。在學(xué)習(xí)了物理之后，我發(fā)現(xiàn)了這個(gè)傳說符合量子力學(xué)的規(guī)則，這也注定了牛郎織女不可能在一起。

故事的內(nèi)容有多種版本，但基本情節(jié)是這樣的。織女本是天上的仙女，她擅長(zhǎng)織布，每天給天空織彩霞。不過她厭倦了這枯燥的生活，就偷偷下到凡間，遇到了河西的牛郎。牛郎和織女一見鐘情，私自結(jié)為夫妻，過上了男耕女織的幸福生活，并育有一對(duì)兒女。

天帝發(fā)現(xiàn)了織女的行為，大怒，把織女捉回天宮，責(zé)令他們永遠(yuǎn)分離。牛郎擔(dān)著一雙兒女，追到了天河邊，卻無法渡過。他們的堅(jiān)貞愛情感動(dòng)了上天，無數(shù)喜鵲飛來，用身體搭成一道跨越天河的鵲橋，讓牛郎織女在天河上相會(huì)。從此，每年七月七日，牛郎織女在鵲橋上相聚一夜。

所以，你可能會(huì)想問，這感動(dòng)人心的故事和量子力學(xué)又有什么關(guān)系呢？假如我們有一個(gè)量子系統(tǒng)，它處于基態(tài)。如果它想要躍遷到其他更高能量的態(tài)，必須有外界對(duì)它輸入能量。那么，如果沒有其他的能量輸入，它能躍遷嗎？在經(jīng)典的情況下，這個(gè)躍遷是不可能發(fā)生的，因?yàn)檫@違反了能量守恒。然而，量子力學(xué)中的能量-時(shí)間不確定性關(guān)系卻允許這種情況的發(fā)生。

可能許多人比較熟悉的是位置-動(dòng)量的不確定性關(guān)系，它告訴我們不能同時(shí)精確地測(cè)量位置和動(dòng)量，用公式表達(dá)為Δx·Δp≥?/2。同樣，能量-時(shí)間不確定性關(guān)系可以表達(dá)成ΔE·Δt≥?/2。這個(gè)關(guān)系意味著，如果一個(gè)量子態(tài)的能量很確定，那么它的壽命就很不確定，反之亦然。這個(gè)關(guān)系也可以用來估計(jì)一些量子過程的特征尺度，比如原子的躍遷時(shí)間、粒子的衰變時(shí)間等。

所以，我們可以讓這個(gè)量子系統(tǒng)的能量寬度ΔE等于兩個(gè)態(tài)之間的能量差，這樣它就能躍遷到那個(gè)能量更高的態(tài)。但是，它處于能量更高的態(tài)的時(shí)間Δt是非常短的，然后就要馬上跳回基態(tài)了。只要ΔE和Δt滿足我們上述提到的公式就行了。整個(gè)躍遷過程發(fā)生的時(shí)間是如此之短，以至于我們是看不到的，所以這個(gè)過程又被稱為虛過程。既然過程無法看到，那么我們?cè)趺创_定它的存在？因?yàn)樗鼤?huì)在實(shí)驗(yàn)上留下可觀測(cè)的后果，比如蘭姆位移。

現(xiàn)在，讓我們回到牛郎織女的故事。織女本是仙女，她處于“天上”態(tài)；而牛郎是凡人，他處于“凡間”態(tài)。織女私自下凡，從“天上”態(tài)跳到“凡間”態(tài)，量子力學(xué)允許這個(gè)過程發(fā)生。但是，為了滿足能量-時(shí)間不確定性關(guān)系，她來到凡間的時(shí)間是有限的，她注定要重返天庭，與牛郎分開。不過，織女的這一舉動(dòng)也產(chǎn)生了可觀測(cè)的后果，就是生兒育女。

同樣，牛郎從凡間追趕到天上，也是量子力學(xué)所允許的。不過，在滿足能量-時(shí)間不確定性關(guān)系的前提下，牛郎也只能和織女在七夕這天相會(huì)，之后就要返回凡間繼續(xù)生活了。