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以通俗易懂的方式解释——量子力学

好奇 爱 好奇 120浏览 0评论 来自微信:死磕冷知识 | xiaotaiyang900322

作者:晓太阳
原标题:带你到人类认知的边界,溜达一圈
发布日期:2018年2月4日
来自:死磕冷知识
微信号:xiaotaiyang900322


其实这篇文章,好几个月之前就该写了,很抱歉,拖了这么长时间,这全都是源于:

“被量子力学支配的恐惧”

为什么这么说?因为下面这些大科学家同样搞不懂:

如果谁没被量子力学搞得头晕,那他就一定是不理解量子力学。——玻尔

我思考量子力学的时间百倍于广义相对论,但依然不明白。——爱因斯坦

我想我可以有把握地说,没有人理解量子力学。——费恩曼

这篇文章在一定程度上,比较烧脑,如果你看不懂,不要责怪自己,这是「量子力学」的错。

当然,以下我会尽量写的通俗易懂,但总有一些避不开的概念与思维方式

如果你看不懂,不要责怪自己,这是「量子力学」的错。

在19世纪末,经典物理学(就是你我上学时学的)在解释微观世界物质状态上的漏洞越来越多。

就是说,物质细分到一定程度后,它所表现出的物理性质,可能违背了我们的经典物理学。

几千年以来,科学家们一直在探索我们的世界由什么组成?现在我们知道了物质是由「电子」与「夸克」组成。

 

它们是人类现在所知的“小的不能再小”东西,称之为「基本粒子」,这些东西组成了「原子」,比如「氢原子」、「氧原子」

「原子」组合成为「分子」,比如H₂O,再往上就组成了我们的大千世界。

你可以理解为:世界由一堆积木组成,而研究最小最小的那块积木,就要用到「量子理论」

「量子理论」有许多违反常识的,甚至“诡异”的猜想,但它是对的,而且非常重要。

首先,我们先来认识两位“朋友”:「粒子」与「波」

「粒子」的行为方式,举例来说:

你有一块蛋糕,房间里有三十个人,你扔过来砸在我的脸上,那么只有我被你砸中了。

你有一台手机,你看的时候拿在手上,不看的时候揣在兜里,或者掉在地上,或者被扒手偷掉。

粒子在一个时间只能出在一个地方,要么在这里,要么在那里。

「波」的行为方式,举例来说:

房间里有三十个人,你对三十个人说话,他们都听得见。

你房间里打开一盏灯,在没有遮挡的情况下,灯光会照到每一个角落。

波可以在同一时间出现在多个地方,同时在这里,又同时在那里。

你可以停下来想一想,我们大千世界的所有东西,要么按照「粒子的行为方式」来存在,要么按照「波的行为方式」来存在,没有例外。

那如果这两种行为方式反一反会怎么样?

你仍了一块蛋糕,房间里三十个人都被击中了,你对三十个人说话,只有一个人能听见,这是违反常理的。

那么接下来在微观领域的实验,这种事情真的发生了,首先,来个基础版:

1807年,托马斯·杨,进行了著名的光学实验——「双缝干涉实验」

这个实验中,光通过挡板上的两条缝隙,并没有和我们预想的一样,透过两条缝隙,形成两块光条,而是形成了几道光条。

这是由于「波」的互相干扰,导致光偏离了之前的轨道,「波」从哪里来?那是光本身的特性,光就是「波」

这也解释了光为什么会照到每一个角落,好,这个没有问题。

那么诡异的实验开始了「电子双缝干扰试验」这次用组成我们大千世界的电子。

在这之前,我们来预想一下,你现在拿着一些小球,扔过有双缝的挡板,最后小球的落点会是怎么样的?

应该是像下图这样:

但实验结果是:电子表现出了与光一样的特性,而且将电子单个单个的发射,最后还是会得到这样的条纹。

这让科学家们大为震惊,不是说好了粒子是粒子,波是波吗?单个电子怎么在实验中有波的行为方式?

难道说,在宏观世界中,投掷一块蛋糕,同时击中三十个人是可能实现的?

「量子力学」的解释是:单个电子同时通过了两条缝隙,并且自己和自己发生了干涉。

科学家将这样的现象称作「波粒二象性」意思是一个物质,同时表现出了波的行为方式与粒子的行为方式。

后来科学家慢慢发现,所有的基本粒子都具有波粒二象性,包括之前提到的光。

这和宏观世界里粒子是粒子,波是波的表现是截然不同的。

这是微观世界与宏观世界的相悖所在,也是量子力学与经典力学的矛盾之处。

诡异的事情还在后面,科学家们将一台高速摄像机加入实验,试图搞清楚有多少电子通过了双缝,以及电子的运动轨迹。

这次,波的特性消失了

注意!高速摄像机并没有影响双缝的位置以及大小,但电子却规规矩矩的只表现出了粒子的特性。

这到底是哪里有问题?难道说电子知道我们在试图观察它?电子是怎么知道的?

或者说单单观察这个行为,对物质的特性产生了影响?那么这个世界、这个宇宙是以人类的意识存在的?

但实验结果就放在那里,这太诡异了,甚至动摇了现代科学的根基——唯物主义。

还有更诡异的呢:

「量子隧穿」实验中「电子」有几率可以穿过绝缘层,那么也就是说,人类有一定几率可以穿墙而过?

最让人无法理解的就是:

「量子纠缠」处于纠缠状态的两个粒子,即使相隔整个宇宙,只要对其中一个进行观测,可以马上影响另一个的状态。

简单说,比如我两只手中分别有红色、蓝色两个小球,我抓着不让你看见,你只要看见其中一颗,就知道了另一颗的颜色。

这个例子在量子力学下会复杂很多,比方说我左手里的小球,在没有被观测到的情况下颜色是随机的。

观测抹杀了左手小球颜色的随机性,同时不论距离多远,右手小球的随机性也被抹杀,成为确定的一种颜色。

那么问题来了,两个小球是如何做到无视空间、时间的联系?没有人知道,科学家将其称之为“幽灵般的超距作用

不论距离多远,影响会同时发生,这违反了爱因斯坦「相对论」所限制的宇宙极限速度——光速。

1927年,比利时,第五届索尔维会议。

以爱因斯坦为首的经典物理学大佬,以「因果论」为武器对量子力学提出了质疑,以玻尔为首的量子力学新秀以「概率论」应战。

薛定谔也提出了著名的薛定谔的猫:

一只猫被关在一个密闭的盒子里,盒子里有一些放射性物质,在进行观测之前我们无法知道它是否衰变。

所以,盒子里的放射性物质处于衰变/不衰变的量子叠加状态

盒子里的放射性物质一旦衰变,有一个装置就会使锤子砸碎毒药瓶,将猫毒死。反之,衰变未发生,猫便能活下来。

薛定谔的本意其实是通过这样的构想,来质疑量子力学的,但没想到成为了量子力学中最脍炙人口的构想。

按照量子力学的解释,在打开盒子看猫之前,这只猫非生非死,处在典型的量子态,即活与不活叠加的离奇状态。

这样的争论最终没有结果,最后爱因斯坦说出了那句经典的话:上帝不会掷筛子!而玻尔回答到:请不要去教上帝应该怎么做

当然,爱因斯坦并没有否认实验所得出的客观结果,他只是认为,量子力学的理论还不完整。

科学家的争论可不是流氓打架,两波人的都在努力使这些诡异的结果得到合理的解释,但是进展并不如人意。

各路科学大咖各显所能,提出了一系列猜想:

模拟宇宙猜想,就是猜想我们的世界是由一台超级计算机模拟出来的,我们人类的一举一动都在它的掌握。

平行宇宙猜想,还记得薛定谔的猫吗?这种猜想表示,在打开盒子看猫的时候,我们的宇宙分解成了两个平行时空A和B。

A宇宙的放射性物质没有衰变,猫活着;B宇宙的放射性物质衰变了,猫死了。

那么,有多少种选择,就有多少个平行宇宙,我们的这个世界只是无数的平行宇宙中的一个。

在其他平行宇宙,你可能真的是世界首富,也可能是街头流浪汉。

你可能发动了世界大战,又可能和现在一样,只是早饭吃的是包子,而不是煎饼。

又有膜理论、弦理论这种玄而又玄的东西,有人表示:这些东西怕是一周没合眼,再灌上两瓶伏特加后,想出来的吧?

比较靠谱,或者说比较容易让人接受的猜想是爱因斯坦提出的「隐变量假说」大意是:

什么观测导致随机性的抹杀、意识影响物质的性质,都是一派胡言,这是开历史的倒车。

我们难道要回到「地心说」的时代吗?这么些诡异的结果只是有些变量,我们仍然没有找到。

学识渊博的读者们一定想到了,上图的这句话,好像另一个伟大的思想先贤「苏格拉底」也说过——“我唯一知道的,就是我一无所知

没错,「量子力学」在某种意义上来说,已经上升到了哲学层面的争论,这已经到达了人类的认知边界。

当然,即使科学家们搞不懂其中的奥秘,也不影响利用「量子力学」为人类造福,所谓:

别问为什么,用了再说

量子计算机:

我们都知道,我们现在用的计算机是二进制的,你可以把它想象成两个“开关”就像下面这样:

传统计算机速度越快,“开关”越多,那么量子计算机就是将这些“开关”换成了「基本粒子」比如「光子」、「电子」

还记得上面的“虐猫狂人薛定谔”所提到的「量子叠加状态」吗?在这种状态下一个「基本粒子」既是ON(1),又是OFF(0)

那么也就是说一个处于「量子叠加状态」的「基本粒子」就可以代表两个“开关”,那样,计算能力会爆炸式的增长,而且体积会非常之小。

简单点说,传统计算机计算怎么走出迷宫,会把所有的路一条一条的都走一遍,最后找到了出口。

量子计算机,会同时将所有的路都走一遍,找到出口。

哪个更快,可想而知,当然,量子计算机因为量子算法的关系,现在只能处理特定的「大型并行计算」,普通人是绝对用不着的。

量子加密通讯:

上面的量子计算机用到了「量子叠加」,而量子加密通讯则用到了「量子纠缠」。

用「量子纠缠」那“幽灵般的超距作用”为通讯双方分配“打开信息的密码”利用量子的「不可分割」、「无法克隆」的特性,保证信息的绝对安全。

这里有一点必须说明,所谓「量子通讯」并不是用「量子」来交流信息,而是用「量子」加密信息,保证安全。

好了说了这么多,其实是带大家到“人类的认知边界”溜达了一圈,只是溜达了一圈,真正的量子力学,可不是这区区4000字能讲清楚的。

大家如果真的感兴趣,可以将上面的内容作为线索,再去扩展阅读一下,不过记住!不理解是正常的,那都是量子力学的错。

最后,和大家分享一个成语「不自量力」什么意思呢?意思就是“永远不要自学量子力学

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