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量子物理学为什么这么诡异?不只是因为你不懂!

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量子物理学为什么这么诡异?不只是因为你不懂!

雪花又一年 2018-05-03 15:17:00 浏览370 评论0

摘要: 神奇诡异的量子力学         量子力学这个理论非常之怪,刚才说了二十世纪人类物质进步的每一个重大环节,都跟量子力学有关。量子力学也是自然科学史上被实验证明最精确的一个理论,但是量子的观念,没有人能够理解。



神奇诡异的量子力学



        量子力学这个理论非常之怪,刚才说了二十世纪人类物质进步的每一个重大环节,都跟量子力学有关。量子力学也是自然科学史上被实验证明最精确的一个理论,但是量子的观念,没有人能够理解。我说的没有人能够理解,绝不是指像我们这个层次的人,而是说连量子力学的创始人都不能理解。量子力学创始人有两个,一个是爱因斯坦,一个是玻尔。他们一辈子都在争论量子力学的问题, “世纪大辩论”,结果还是不能理解。玻尔就说了,如果谁说他懂了量子力学,他就没有真懂,因为量子力学连我们都没有搞懂,这就是他们的观点。那么量子力学最不好懂的是些什么问题呢?我先把量子力学中人们最不好懂的东西介绍给大家,而最不好懂的东西最后恰好是证明了:意识不能被排除在客观世界之外。一定要把意识加进去你才能够认识搞懂它。


        量子(quantum)是现代物理的重要概念。最早是由德国物理学家M·普朗克在1900年提出的。


        自从普朗克提出量子这一概念以来,经爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森伯、薛定谔、狄拉克、玻恩等人的完善,在20世纪的前半期,初步建立了完整的量子力学理论。绝大多数物理学家将量子力学视为理解和描述自然的基本理论。

        一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,并把最小单位称为量子。

        通俗地说,量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元。

        普朗克提出:像原子作为一切物质的构成单位一样,“能量子”(量子)是能量的最小单位。物体吸收或发射电磁辐射,只能以能量量子的方式进行。

        1905年,德国物理学家爱因斯坦把量子概念引进光的传播过程,提出“光量子”(光子)的概念,并提出光同时具有波动和粒子的性质,即光的“波粒二象性”。

        描写微观物理世界的物理理论是量子力学。量子力学是研究原子、分子以至原子核和基本粒子的结构和性质的基本理论,是近代物理的基础理论之一。20世纪前的经典物理学只适于描述一般宏观条件下物质的运动,而对于微观世界(原子和亚原子世界)和一定条件下的某些宏观现象则只有在量子力学的基础上才能说明。另一方面,物质属性及其微观结构只有在量子力学的基础上才能得以解释。所有涉及物质属性和微观结构的问题,无不以量子力学作为理论基础。


量子力学的三个诡异现象


迭加态与坍缩


        量子力学的第一个诡异现象叫做态迭加原理和坍缩。

        为了解释量子力学观念,我先说说普通人的日常经验。一个物体在某个时刻,一定会处在某个固定的状态。比如说,我的女儿现在在客厅里面,或者说我的女儿现在不在客厅里面,两者必居其一。只有一个对,要么在客厅里头,要么不在客厅里头。这就是普通人的关于状态的概念。一般人认为客观物体一定要有一个确定的空间位置,这种存在,是不以人的意志为转移的、是客观的。这个客观的定义,所有人都理解,而且认为这是天经地义的。

        但在量子力学里就不一样了。量子力学的基本原理就是微观粒子可能处在迭加态,这种状态是不确定的。例如电子可以同时处于两个不同地点,电子有可能在A点存在,也可能在B点存在,电子的状态是在A点又不在A点的迭加。这个话大家就不太理解了。聪明的人会说,你说电子既在A点又不在A点,就像说你的女儿既在客厅又不在客厅,女儿在不在客厅,你一看不就明白了吗?这还用辩论什么?但是恰好量子力学就认为,你要去看这个女儿在不在,你就实施了观察的动作。你一观察,这个女儿的存在状态就坍缩了,她就从原来的,在客厅又不在客厅的迭加状态,一下子变成在客厅或者不在客厅的唯一的状态了。所以量子力学怪就怪在这儿:你不观察它,它就处于迭加态,也就是一个电子既在A点又不在A点,既在B点又不在B点。好,你说我去观察一下它在A点还是在B点。你一观察,它这种迭加状态就崩溃了,它就真的只在A点或者真的只在B点了,只出现一个。那有人就会说了:你这是诡辩,你怎么知道电子不观察它的时候,它既在A点又不在A点呢?好,这就是量子力学发展过程中,很多实验确证的事情,其中一个最著名最重要的实验,就是干涉实验。




        我先说一下干涉实验的概念(如上图)。如果有一个波,经过了两个狭缝,出来就变成两个子波了,这两个子波在随后传播过程中就会出现干涉。干涉的意思就是这两个子波在每个点都迭加,在有些点上两个波的运动方向相同,波的振幅就加强;在有些点上两个波的运动方向相反,振幅就减低,或者抵消为零。所以最后你观察到的波就是一些干涉条纹。如果看到干涉条纹,你就知道你观察到的是个波,而且这个波是在两个狭缝同时出现的,也就是既在A点又在B点,因为只有这样的情况,波才能出现干涉。



        如果用电子来做实验(如上图),当每次只发射一个电子的时候,这个电子通过双狭缝打到电子屏上,激发出一个小亮点,这是电子的粒子性。但是事先也不知道电子会出现在屏幕上的什么地方,结果多次重复,经过大量的观察发现,这些电子不是完全没有规律的。它有时出现在这里,有时出现在那里,在某些地方出现的可能性要大一些,在另一些地方则小一些。电子的规律就是,它出现频率高的地方,恰好是波动规律所预言的干涉条纹的亮处,而它出现频率低的地方,对应于干涉条纹的暗处。所以,大量的实验证明:

        电子尽管是粒子,但是其运动像个波,而且每个电子必须同时出现在两个小孔。因为只有同时出现在两个小孔,它才能干涉。就如刚才说的,你没有观察它的时候,电子一定不会取一个确定的状态,它一定是所有状态都要同时存在,这样它才能干涉起来。这就是量子力学诡异的地方。这个性质,随后有很多很多应用。

        刚才说了,电子一定要同时存在于两个可能的状态,电子才能与自己干涉起来。那么如果我们观察它,比如在两个狭缝处设置探测器,电子会怎么样呢?电子一被观测,就只出现在一个狭缝上了,干涉条纹立刻消失。这个状态就叫做波函数的坍缩。就是你一观察,电子就在一个确定的地方出现了。那么有些人就想,我观测它出现在确定的地方,它是不是早就出现在这个确定的地方,只不过我们不知道而已?不对,刚才的干涉实验告诉我们,在没有干涉之前,它肯定出现在所有地方。假如, 当我们不观察时,电子真的存在于某个地方,它便只能通过一道狭缝,这就不能解释实验中观测到的干涉条纹。其实,严格的实验已经完全排除了这种可能。电子在没有观测的时候,没有确定的状态。所以这件事是量子力学最诡异的事情。懂了这个,就懂了量子力学最诡异的东西,而且随后我们就能来证明:量子力学离不开意识,意识是量子力学的基础。

单体的叠加态:薛定谔的猫


        刚才说的是量子力学第一个诡异之点,现在我们来看看这个诡异之点往下推论,能够推出什么结果。最后结果会使大家认识到,意识是量子力学的基础,物质世界和意识不可分开。

        这个实验是量子力学的创始人薛定谔提出的,被称为“薛定谔的猫”。薛定谔的本意是想批驳量子力学和量子力学的态迭加,他认为一个东西既存在这个状态,又存在那个状态,像女儿即在客厅,又不在客厅一样,那是荒谬的。他就想了个办法来批驳量子力学,结果没有批驳好,最后反而证明了量子力学最诡异的地方,也就是意识和物质不可分开。



        现在我来说薛定谔的实验是什么(如上图):把一只猫放进一个封闭的盒子里,然后把这个盒子接到一个装置上,这个装置包含一个原子核和一个毒气设施。原子核有百分之五十的可能性发生衰变,衰变的时候就会发射出一个粒子来,这个粒子一发出来就会触发毒气设施,毒气一触发就会杀死这只猫,这是他想象中的一个实验。根据刚才说的量子力学的态迭加原理,没有观察的时候,原子核是处于已经衰变和没有衰变的迭加状态,就是它既可能衰变了又没有衰变,它是两种状态的迭加,就像电子既在A点又不在A点一样,这个原子核既衰变又没有衰变,50%几率衰变,50%几率不衰变。这个时候猫的状态是可能活着,也可能死了,就是说猫也处于这种既死又活的迭加状态。

        猫可能处于这种状态吗?聪明人可能会说:那你打开盒子一看不就行了吗?但是打开盒子一看,就是作了观测,猫就只能是死或者活了。这个问题一提出来,物理学家一个个都惊呆了,原来以为只有微观世界才有这种态迭加,就是状态不确定,既处于这个状态,又不处于这个状态。现在宏观世界也一样了,猫不就是这样吗?有一只既死又活的猫。大家都不承认有这种状态。但是量子力学的诡异之点,量子力学的态迭加原理就是说:你在观察之前,猫就是处于既死又活的状态。这个问题争论了很长时间。怎么办?量子理论很确定,这是毫无疑问的,如果没有揭开盖子没有观察,那薛定谔的猫的状态是死与活的迭加,这只猫永远处于同时是死又是活的迭加态。这与我们的经验严重违背。这个实验实际上就是“女儿在客厅里,女儿不在客厅里”变了个样子说出来。这个猫是死了还是活着?既死又活是同时存在的,量子力学就认为两者同时存在。那么怎么可能既死又活同时存在呢?人不能想象这种状态,于是大家就把这个实验进一步讨论下去。

        1963年获得诺贝尔物理学奖的维格纳想了一个新的办法,他说:我让个朋友戴着防毒面具也和猫一起呆在那个盒子里面去,我躲在门外,对我来说,这猫是死是活我不知道,猫是既死又活。事后我问在毒气室里戴防毒面具的朋友,猫是死是活?朋友肯定会回答,猫要么是死要么是活,不会说是半死不活的。他这个说法一出来大家就发现,问题在哪儿呢?一个人和猫一起呆在盒子里,人有意识,意识一旦包含到量子力学的系统中去,它的波函数就坍缩了,猫就变成要么是死,要么是活了。也就是说猫是死是活,只要一有人的意识参与,就变成要么是死,要么是活了,就不再是模糊状态了。维格纳总结道,当朋友的意识被包含在整个系统中的时候,迭加态就不适用了。即使他本人在门外,箱子里的波函数还是因为朋友的观测而不断地被触动,因此只有活猫或者死猫两个纯态的可能。

        维格纳认为,意识可以作用于外部世界,使波函数坍缩是不足为奇的。维格纳这个认识已经是量子力学界的共识了,确实只能这样认为。因为外部世界的变化可以引起我们意识的改变。大家想过没有,牛顿第三定律说作用力与反作用力是相等的。我们的意识能够受外部世界的影响而改变,大家都觉得没有问题,对吧?人的意识就是受外界客观世界的影响改变了,随时都在变化。那为什么客观世界就能改变意识,意识就不能改变客观世界呢?他就说意识是能够改变客观世界的,意识改变客观世界就是通过波函数坍缩,就是使不确定状态变成确定的状态,这样来影响的。所以波函数,也就是量子力学的状态,从不确定到确定必须要有意识的参与,这就是争论到最后大家的结论。

        自然科学总是自诩为最客观、最不能容忍主观意识的,现在量子力学发展到这个地步,居然发现人类的主观意识是客观物质世界的基础了。因为量子力学是我们客观物质世界最基础的理论。刚才说过了,二十世纪人类技术进展都跟量子力学有关,而且量子力学经过了最精确的实验验证。量子力学的基础就是:从不确定的状态变成确定的状态,一定要有意识参与。这是物理学的一个重大成就。

多体的迭加态:量子纠缠


        现在再来讲量子力学第三个诡异之点,这个和前面讲的状态有关,是它们的直接结论,叫做量子纠缠。现代科学发现,对物质的研究,在进入分子、原子、量子等微观级别后,意外非常大。出现了超导体、纳米级、石墨烯等革命性的材料,出现从分子水平治愈癌症的奇迹。而最神奇的是——量子纠缠。


什么是量子纠缠?


        量子纠缠与“薛定谔的猫”是类似的,只不过“薛定谔的猫” 讲的是同一个东西处于不同的状态的迭加,量子纠缠讲的是如果有两个以上的东西它们都处于不同的状态的迭加,它们彼此之间有什么关联。



        科学实验发现,二个没有任何关系的量子,会在不同位置出现完全相关的相同表现。如相隔很远(不是量子级的远,是公里、光年甚至更远)的二个量子,之间并没有任何常规联系,一个出现状态变化,另一个几乎在相同的时间出现相同的状态变化,而且不是巧合。这就是量子纠缠。

        量子纠缠是经理论提出,实验验证了的。科学家已经实现了6-8个离子的纠缠态。我国科学家实现了13公里级的量子纠缠态的拆分、发送。

        发展到今天,我们看到的世界,仅仅是整个世界的5%。这和1000年前人类不知道有空气,不知道有电场、磁场,不认识元素,以为天圆地方相比,我们的未知世界还要多得多,多到难以想像。也许以后我们将面临更多的物理坍塌和心理崩溃,但是,我们依然还要前行,探索和体验更多的未知和奇妙。


原文发布时间为:2017-12-11
本文作者:量子君
本文来源:量子科学,如需转载请联系原作者。

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