量子那些事儿 关注
手机版

颠覆思维,你也能懂量子力学

  1. 云栖社区>
  2. 量子那些事儿>
  3. 博客>
  4. 正文

颠覆思维,你也能懂量子力学

雪花又一年 2018-05-17 15:51:51 浏览245 评论0

摘要: 星际旅行、时空穿越、瞬间移动……无数的文学和影视作品为我们展现着人类科幻的未来。这些并不是创作者们脑洞大开的随意想象,创作者们都有一个基本的理论基础——量子力学。量子力学,是当今物理研究的最前沿。但对于普通群众来说,量子力学看似高深莫测。

星际旅行、时空穿越、瞬间移动……无数的文学和影视作品为我们展现着人类科幻的未来。这些并不是创作者们脑洞大开的随意想象,创作者们都有一个基本的理论基础——量子力学。量子力学,是当今物理研究的最前沿。但对于普通群众来说,量子力学看似高深莫测。

5月3日,世界上第一台超越早期经典计算机的量子计算机在中国诞生,量子力学取得现实应用的重大突破。

那么,量子力学到底讲了什么?它的前世今生是怎样的?

怀着对科学的敬畏之心,本人希望化繁为简、以最平实易懂的语言,写下量子力学的发展以及普通人怎样能看懂量子力学,和大家一起掀开量子力学的神秘面纱。


1、

大地沐浴阳光,万物生长。

“光”是什么?却千百年来,人类受益于光的恩赐。却不知光到底为何物,只能做出一些猜想。

人类对于光的无知,直到1655年开始有所改变。英国的博物学家胡克,提出了光的波动说,他认为光是一种波,与水波相似。荷兰人惠更斯发表《光论》,发扬了这一理论。

他们的反对者,是牛顿。他提出了光微粒说,认为光是极小的微粒,遵循运动定律。

两派观点争执不下,但都有瑕疵。

按照牛顿的观点,光是微小的颗粒。他合理解释了光的直线传播和反射性质。对于光的折射和衍射,牛顿的解释并不令人满意。

惠更斯等人认为,光是波。那就需要有传播的媒介,像声波通过空气、水波通过水来传播。但是真空中没有物质,光是如何进行传播的呢?

他们说,在所有空间中都存在一种看不见的物质,叫做“以太”,光就是通过“以太”进行传播的。可是,如果“以太”真的存在,那么地球以每秒30公里的速度公转,我们应该可以感受到迎面吹来的“以太风”。大量的实验证明,并没有“以太风”吹来。

由于牛顿无与伦比的学术地位,他的粒子理论占据了主导。在此后100多年中无人敢于挑战,而惠更斯的理论则渐渐为人淡忘。

1801年,托马斯·杨进行了一项著名的实验——“双缝实验”。

624

实验很简单。

把一束光投射到一块背景板上,前边放置另外一块开有两个相邻缝隙的板子。

如果光是粒子,那么,实验的结果应该是背景板上投射出两条大约相同的狭窄光束。可实验结果大大出乎人们意料。

624

背景板上的投影却是很多条。这对于光粒子说就是灾难。

因为这样的现象,是波的表现。

当我们观察水波时会发现,两个水波重叠的地方,波峰遇到波峰时水波会更高,波峰遇到波谷时候,会相互抵消消失。这种常见现象叫做干涉。

541

只有波才会有干涉。

600

实验所使用的背景板上明暗相间的黑白条纹证明了光的干涉现象,从而证明了光是一种波。双缝实验彻底动摇了光粒子说的统治。

此后的50年间,光的波动说进一步发展。到十九世纪中期,开始主导科学思潮。人们认可了光是一种波,不是粒子。


2、

19世纪物理学大发展,科学家们认为人类对于物理学的掌握已经趋于完美,再进行研究,不过是在已知结果的小数点后加上几位而已。

德国人普朗克的老师也这样劝导他,奉劝他不要去学纯理论物理,他没有被两位导师的建议说服。

19世纪的最后一天,1899年12月31日,物理学家凯尔文发表迎接新世纪的演讲:“19世纪已将物理学大厦全部建成,今后物理学家的任务就是修饰、完善这座大厦了。”

普朗克无心为此高兴,他正在为一个6年还没有解决的计算问题头疼不已。

当时的物理学家总结出的两个公式,都不能准确的计算物体发出的辐射。一个可以在辐射的长波部分计算出结果,另外一个公式可以在辐射的短波部分算对,可是一旦到相反的波段,答案就谬之千里了。

普朗克不能理解其中奥义,他的研究陷入了长期的困局。

“走投无路”的普朗克想,不然先强行的把两个公式凑成一个满足所有波段的公式吧,然后倒着推理,看看是什么结果。

结果是,如要想让组合在一起的公式成立,那么物体发出辐射时,能量就不能是连续的,而是以一个微小数量的整数倍跳跃式的变化,也就是说能量的变化是一份一份的。

1901年,他把计算的结果发表,在论文中,他把这一份一份的能量起名为“量子”。

其他的科学家验证出了普朗克的正确性,量子力学自此诞生,普朗克成为了“量子之父”。


3、

1880年之后,爱迪生改良后的电灯泡开始大面积的推广。人类对于光的利用达到了前所未有的高度。

德国人赫兹发现,用紫外线灯光照射金属,里边的电子会被激发出来形成电流。光生成了电。

赫兹称其为“光电效应”,他却做不出解释。

1905年,在物理学界被称为“爱因斯坦奇迹年”。爱因斯坦在这一年中,发表了5篇划时代的重要论文。其中一篇关于“光电效应”的论文,直接成就了爱因斯坦获得诺贝尔奖。

爱因斯坦在论文中,重新提起光的粒子说。按照光粒子说和量子概念,光应当是由一份一份不连续的微小颗粒组成,他起名叫“光量子”,简称光子。

当某一光子照射到灵敏的金属上时,它的能量被金属中的某个电子吸收。电子的动能增大,克服了原子核对它的引力,飞出了金属表面,成为光电子,形成光电流。

爱因斯坦对于光电效应的解释,震动了已经普遍认可光波动说的物理学界。

一系列实验验证了爱因斯坦的正确性,人们开始意识到光同时具有波和粒子的双重性质。对于光是什么,这一持续近300年的争论,终于以一个神奇概念的产生而宣告终结——光的波粒二象性。

科学家获得了新的思路,原来一种物质是可以同时具有两种截然不同性质的。波粒二象性就像一把钥匙,微观世界的大门被打开了。物理学家进一步发现,基本粒子都是具有波粒二象性的。

经过几十年孜孜不倦的研究,量子力学与已经沿用近300年的经典物理理论之间的矛盾日益明显。

之所以出现这样的局面,是因为科学家发现的量子现象,在宏观世界中都不曾出现。量子力学和经典力学的对立,实质是微观世界和宏观世界对立的缩影。

难道同一个世界,不应该有同一个理论吗?

爱因斯坦开始提出质疑。量子力学过于玄幻,提出的概念实在令人费解。爱因斯坦是量子物理的奠基人之一,但此时,他站出来对量子力学本身的一些基本概念和完备性提出深刻的否定。

量子物理学家们却并不认同他。新兴的量子力学成绩斐然,不容置疑。在各种学术期刊中充斥着火药味,好像这些科学家万一碰面,必然会有火星撞地球般的激烈雄辩。很快,这样的会面,真的来了。


4、

“地表最强”物理学家大辩论

615

1927年,比利时。著名的第五届索尔维会议。

这是物理学史上最伟大的一次聚会。如华山论剑,江湖上顶尖高手悉数到场,都是物理学各个分支的旗帜性人物。照片中与会的29人,有17人都先后获得过诺贝尔奖,被称为物理学的“全明星”盛会。

在照片中,爱因斯坦居中而坐,可见其当时在学术界的地位。他以因果论为武器,展开对量子力学现状的分析,指出量子力学研究不尽如人意。

所谓因果论,就是任何事物的产生和发展都有一个原因和结果。这是天衣无缝的真理。

爱因斯坦的支持者有薛定谔和德布罗意。

他的反对派人数众多,他们有个统一的名号——哥本哈根学派。掌舵人是波尔,他为量子力学奠定了重要的理论基础。特别值得一提的是,波尔曾经到访中国,他在自己的族徽中,放上了中国的太极图。波尔认为太极完美的诠释了自己的互补原理。好像光的波粒二象性,波和粒的属性是互补的。

279

波尔带领着一批30岁左右才华横溢的年轻人,玻恩、海森堡、泡利、狄拉克等都是这个学派的主要成员。他们对量子力学的解释被称为量子力学的“正统解释”。

哥本哈根学派的辩据,是基于计算的概率论。在量子世界里,结果经常不是明确的,而只是一种概率。

我们举例来说明,例如“量子隧穿效应”。

在两块金属中间夹一层绝缘层,一般都认为电子不能通过绝缘层。但哥本哈根学派说,电子通过绝缘层是存在概率的。经过计算,可以得出概率的数值。这就是“量子隧穿”。如果放到宏观世界,人能不能穿墙?按照量子隧穿,宏观物体也能发生隧穿效应。人也可能穿过墙壁,但要求组成这个人的所有微观粒子都同时穿过墙壁,实际上几乎是不可能的。但从概率上说,人可以穿墙。

爱因斯坦对于这样的概率说嗤之以鼻。概率的存在,只是量子力学理论不完整的证明。量子力学并没有找到完整描述微观和宏观世界的理论。

“上帝不会掷骰子”,爱因斯坦这样说。

“爱因斯坦,别去指挥上帝该怎么做!”波尔回击。


5、

在第五届索尔维会议上,爱因斯坦没有取得胜利,甚至可以说失败了。他并不甘心,三年以后的第六届会议,他卷土重来。

624

爱因斯坦总结经验,放弃了对于具体案例的探讨,把矛头指向哥本哈根学派的理论基础——“测不准原理”。

我们简单介绍下这一原理。人们为了直观理解原子内部,会画一个这样的示意图。

电子围绕原子核旋转,看上去像行星围绕太阳旋转。

624

但这是错误的,轨道根本不存在。事实上,原子内部的样子更像这样。

624

像一团云雾,科学家形象的称之为“电子云”。这看上去密密麻麻的云雾,其中的电子其实只有极少的几个,甚至是1个。

出现云雾状,是因为电子在原子狭小的空间内以接近光速运动,看到的只能是一团云雾。

测不准原理说的是,在原子内部,电子的运动毫无规律,我们知道电子的位置时,却不可能知道它的速度。位置和速度,不能同时知道,这与描述宏观世界的经典物理学是相悖的。例如我们可以计算出任意时刻,地球围绕太阳轨道运行的速度和位置。

爱因斯坦相信,只是我们缺乏观测的手段和合理的公式,不存在这样的测不准原理。

每天在旅馆用早餐时,科学家们见面,爱因斯坦就描绘一个思维实验,他认为从中可以清楚看出哥本哈根学派解释的矛盾。

玻尔在傍晚的时候就对这些理想实验做出了解释,他会在晚餐时分析给爱因斯坦听。

爱因斯坦对这些分析提不出反驳,但在心里他是不服气的。

第六届索尔维会议,爱因斯坦再次以失败告终。

由于第二次世界大战一触即发,爱因斯坦被德国纳粹迫害而逃亡美国,没有出席三年后的第七届索尔维会议。

量子力学的索尔维会议结束了,然而关于量子力学的争论仍在继续。


6、

1935年,爱因斯坦和他的支持者向哥本哈根学派发起了总攻。

爱因斯坦围绕量子纠缠展开质疑。

所谓量子纠缠,是量子世界中又一奇妙的现象。科学家发现,在同一特殊反应中能够生成两个且只有两个相互纠缠的量子,这两个量子如孪生一般,对其中一个发生作用,另外一个会同时做出相同的变化。比如一对相互纠缠的电子,如果他们的纠缠方式是反向纠缠,一个正向旋转,那么另外一个必然反向旋转。假设你将前边的电子改为反向旋转,那么另外一个会同时变为正向旋转。而且,这两个电子无论相聚多远,哪怕是银河系的两端,也不能阻碍他们同时发生变化。

他们之间是如何联系的呢?这种联系速度甚至达到光速的十倍。这不科学。因为按照相对论,光速无法被超越。爱因斯坦把这种鬼魅般的联系称为“幽灵作用”。

诚然,直到今天,我们还没有确凿证据找到能超越光速的物质。所以,哥本哈根学派告诉爱因斯坦,世界本来就是这样的。

爱因斯坦的主要支持者薛定谔,更是提出了一个对于哥本哈根学派如同噩梦的实验——“薛定谔的猫”。

624

既然量子力学的理论都是解释微观状态,那如何与宏观世界结合呢?薛定谔假设,在一个箱子里,放一个原子核,原子核是个量子级概念,它在不确定的时间内会自发的产生衰变,谁都无法预测衰变的准确时间。箱子内设计一个机关,当原子核衰变时,将联动一把锤子,打破装有可以毒死猫的毒气瓶。箱子里边放一只猫,然后把箱子盖上。请问,过一段时间后,箱子里装着的是一只活猫还是死猫?

按照哥本哈根学派的理论,观察行为会改变物质变化的状态。好,那不观察呢?

对此,哥本哈根学派只能吞下苦水,承认那只猫是处于半死不活的混合态。

波尔和爱因斯坦的论战,也是量子力学和经典力学的论战。争论虽然直到今天输赢也没有定论,却促进了量子力学的发展和完善。

论战使哥本哈根学派的思想广泛流传。

科学家们并未停步,他们聪明的绕过了研究谁对谁错,而是选择忠于实验结论和计算结果。问到量子力学的原理,大多数物理学家会说“闭嘴,乖乖计算”。

波尔说:“我们称之为真实的一切,都是由我们不能称之为真实的东西组成。”量子力学,充满许多匪夷所思的怪论,但是,一切的实验和计算,都验证出它是对的。原理如何,无人知晓;事实证明,爱因斯坦错了。

根据量子力学的方程,人们设计了可以控制微小电流的开关,应用到激光、晶体管、集成电路等电子工业的大多领域。可以说量子力学如果不成立,那么我们的电脑、手机、相机等等电子元器件将统统失灵。没有量子力学的世界,我们只能回到蒸汽时代。


7、

以上就是简单的量子力学发展过程。近年,量子力学一词,出现的越来越频繁。我们普通人,怎么能够容易理解量子力学呢?如果我们能够打破几个定势思维,同样可以走进量子力学的奇妙世界。

颠覆思维之一、量子化无处不在

从量子的名字看,很多人看到叫“子”,就认为是一种微小颗粒。在理解量子时,请忽略后边的“子”字,而看前边的“量”字。量子,拉丁语本意为“有多少”,代表“一定数量的某物质”。

量子力学,虽然研究基本粒子,但是量子化,却是宇宙的属性。大到行星、小到细胞,最终分解都是可以量子化的。甚至人类的思维,科学证明,我们的意识同样不是连续的,每隔0.042秒就有微小的断开。那么我们的意识就可以视为以0.042秒为一份的量子化意识。

我们所处的宏观世界是由微观世界组成的,两者并无清晰的界限。哪怕我们人体,同样由微小的原子组成。按照波粒二象性,如果告诉你,人同样是由波组成的,也并不需要意外。这在德布罗意的“物质波”理论中,已经有了答案。

另外,抽象到如空间,也可以量子化。空间的量子化,产生了虫洞。虫洞的概念,是说我们只要有足够大的能量,就可以打开单位空间之间的间隙,依靠这样的虫洞,可以进行时间旅行、空间转移。这并不是科幻,至少从数学的推算中可行。虫洞也叫“爱因斯坦-罗森桥”,由爱因斯坦及罗森在研究引力场方程时推算得出。

如太极的玄妙,宏观和微观相互交融,并非对立。解释宏观世界的经典物理学,和解释微观世界的量子力学,现在还极不相融,没有达成一致,但已有科学家通过实验开始把彼此归于统一。由此,可能会产生更加奇妙又伟大的理论。

颠覆思维之二:没有唯一的真理,甚至在科学中

苹果砸到牛顿的头时,他发现了万有引力。今天我们知道,扔一个苹果,只要有足够大的能量,甚至可以把苹果扔出地球。这对于古代人,无法想象。

认知没有止境时,真理就是相对的。

假设世界只是一个平面,我们都是二维平面人,那么我们甚至都不能理解,在一个三维世界的地上出现了两个脚印是什么原理。还好,我们本身是三维的,知道脚印的上边是一个完整的人。那量子纠缠的超远距离“幽灵作用”是什么原因呢?科学家目前的解释有分歧,有些认为光速并不是极限速度,“幽灵作用”是超光速传导产生的;而也有科学家认为,宇宙本身是11维度的空间,“幽灵作用”是由于那些被压缩在空间内的、我们看不到的维度影响产生的。

原理虽没澄清,但利用量子纠缠现象,我国已经于去年8月发射了量子通讯卫星,领先全球。

量子力学正在渗透到科学的各个领域。例如生物学家甚至证明,我们的嗅觉,不是由我们一般认为的,闻到物品的分子产生,而是像我们的耳朵一样,“听到”了物品中亚原子颗粒的波动来加以区分。量子生物学正在颠覆传统生物学。

科学的研究还在继续,可以肯定的是,我们看到的世界,并不是它的全部。

颠覆思维之三:没有绝对的存在,概率才是真实的面貌

如果你在北京,对于我来说,你在北京的哪里呢?量子力学的解释是,你在北京的任意一个地方。就如我们想知道一个电子在原子中的位置,电子是以波的形式存在于整个原子空间里,直到你去观察时,才会具体的出现在一个点上。同样,我没有观察或者没有被告知时,你就如电子一般,在北京的任意一个角落都有存在的概率。

量子力学目前不能准确的解释这种逻辑,他们说这就是真实的世界。

这种概率存在的意义,目前在量子计算中显的更为实用。

我们都知道,现代计算机的数学基础是二进制。计算机二进制中,一个单位信息叫一个比特。一个比特可以是0,或者1。如果我输入2个比特01,通过传输后,它依然是01。量子比特则不同,我输入两个最小单位的量子比特,这两个量子比特都有可能是0,也都有可能是1,概率均等。这时,输出的结果也不再是单一信息,而是四个可能,00、01、10、11。量子计算给了我们四个概率相等的、可供选择的、不确定的答案。这可以简单认为就是量子计算的原理。

2个量子比特信息,答案是2的2次方个;3个量子比特,就是2的3次方个;……20个量子比特,就是2的20次方个,也就是100多万个。

量子计算,会随着量子比特增加,呈几何级数增长。比如我们想从100万个不同比特信息中找到我们想要的一个,量子计算机不会像经典计算机一样逐个检索,而是同时检索100万个答案。只要设定一下条件,计算机可以在一秒内找到这个比特信息。

这就是在5月3日我国宣布研发成功的量子计算机的计算能力。因为我国科学家,实现了10对纠缠状态下的量子计算,10对——20个量子,在计算中就是20个量子比特。

想要判断量子计算到底牛不牛,学术界有三个达成共识的指标性节点:计算能力超越早期经典计算机是第一步,再是超越我们使用的个人电脑,最后是超越超级计算机。

我国科学家在全球率先完成了最困难的第一步。

量子计算机离我们已经如此之近。

量子力学理论从量子一词诞生,到今天有117年的历史。量子力学已让我们的生活翻天覆地。随着对于量子力学研究的深入,实用化的量子产品终将迎来井喷的一天。

波尔说:“如果谁不曾对量子论感到震惊,他就根本没有理解它。”

我们对于量子的无知,就像300多年前,人类对于光的无知一样。人类探索量子世界秘密的过程,智慧之花也在悄然绽放。

也许,在未来的某一天,人类完全理解了量子的世界,才发现量子力学这门超现代科学本身,正是生命古老的事实。



原文发布时间为:2017.05.01
本文作者:夜二郎
本文来源:简书,如需转载请联系原作者。

用云栖社区APP,舒服~

【云栖快讯】诚邀你用自己的技术能力来用心回答每一个问题,通过回答传承技术知识、经验、心得,问答专家期待你加入!  详情请点击

网友评论

雪花又一年
文章1320篇 | 关注29
关注
快速、完全托管的TB/PB级数据仓库解决方案,向用户提供了完善的数据导入方案以及多种经典的分... 查看详情
GPU云服务器是基于GPU应用的计算服务,多适用于视频解码,图形渲染,深度学习,科学计算等应... 查看详情
阿里云流计算(Aliyun StreamCompute)是运行在阿里云平台上的流式大数据分析... 查看详情
为您提供简单高效、处理能力可弹性伸缩的计算服务,帮助您快速构建更稳定、安全的应用,提升运维效... 查看详情
阿里云9.10会员日

阿里云9.10会员日