谈谈量子力学

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黑科技1718
2022-07-15 · TA获得超过5876个赞
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        历史上,在自然科学界, 一直在争论一个重要的课题:光是粒子还是波。一吵吵了几百年。

        在牛顿时代,虽然波动说更加符合人们的经典思维,但牛顿一个人就扭转了整个战局,结果粒子说占了上风。在牛顿光辉的科学成就的背后,是一份沉重的情感代价:年轻的牛顿,在英国乡下的苹果园,同时收到了上帝砸来的两个苹果:一个是科学史上最著名的“万有引力”苹果,还有一个是他和美丽的小表妹的两情相悦。牛顿选择了科学的苹果,错过了亚当和夏娃的苹果,最终一生未娶。

        一百多年后,麦克斯韦优雅的电磁方程式问世,原来,光是电磁波的一种特殊形式。在赫兹用实验证明了麦克斯韦方程式后,光的波动说立刻获得压倒性的胜利,一统江山。

        麦克斯韦,一个典型的英国绅士:保守刻板,孤僻寡言。但这样一个保守的绅士,一生中却做了两件很不保守的事情:一件是推翻了牛顿关于光学的经典理论;还有一件,是玩了一场感人的姐弟恋。新娘子34岁,在维多利亚女王时代是一个典型的老姑娘。据说,这位老姑娘不仅比新郎大七岁,而且不穿高跟鞋也要比新郎高半个头。

        麦克斯韦在情诗中这样抒发他的情感:“你和我将长相厮守,在生机盎然的春潮里,我的神灵已经,穿越如此广阔的寰宇?”显然,他已经分不清爱情世界和电磁世界的界限了。

        但其实,无论粒子说,还是波动说,两家背道而驰却彼此纠缠的学说(这情形,让人想起“量子纠缠”。从大自然到心灵世界,宇宙的对称性无所不在),手上都握有能够彻底颠覆对方的致命的实验数据。这真是一件伤透脑筋的事。

        历史走到了光怪陆离的二十世纪。伴随着世界大战的脚步,物理学界也发生了两件地动山摇的大事:相对论和量子力学相继诞生。

        今天,我们都知道,相对论是和一个光芒四射独孤求败的名字紧紧联系在一起的:爱因斯坦。

        而量子力学更像是一次集体创作。故事的版本是这样的:

        二十世纪初叶,就在人们认为物理学已经成了鸡肋,再也没有什么新发现可以挖掘的时候,一个叫普朗克的德国年轻人仅仅出于个人兴趣,选择了物理学作为他的毕生事业。虽然他的老师劝告他,理论物理学家现在能做的事,就是在小数点后再多加几个零。但幸运的是,他是一个贵族,不需要为生存而学习。

        这个幸运的年轻人,在一次偶然的数学公式的推算中,得到了一个奇妙的常数:“普朗克常数”。它意味着,光和能量不是一个光滑的如同波浪的流线运动,而是被分割成一份一份的。—— “量子”诞生了,天下从此大乱!

        随着“量子”的诞生,理论物理学界被划分为两大阵营:以丹麦人波尔和德国人海森堡为首的正规军,集中在丹麦首都哥本哈根的大本营,坚持“光是一种粒子”;以爱因斯坦和薛定谔,以及浪漫的法国王子德布罗意为首的游击队,则分散各地,各自为战,坚持“光是一种波”。

        奇妙的事发生了!

        几乎前后脚,海森堡发明了矩阵公式,而薛定谔发明了波动方程。两者分别从粒子说和波动说出发,却殊途同归,都能够从数学上完美地推算出所有的实验数据,就像一对孪生兄弟。

        自然科学史往往散发着浓厚的浪漫主义人文气息。根据历史记载,海森堡在一个美丽的海岛上闭关。在矩阵公式诞生的那个黎明之前,他终于“开悟”,兴奋的他爬上一块陡峭的岩石,迎接曙光的来临。而在世界的另一个角落,阿尔卑斯的雪山上,一生风流的薛定谔,因为和妻子吵架出走,带着一个神秘的老情人在小木屋里浪漫无限。薛定谔方程就是这段浪漫史的结晶。也许是受到了情爱的滋润,薛定谔的波动方程,远比海森堡的矩阵公式更加简洁优雅,讨人喜欢,乃至哥本哈根的同事们全都“背叛”了海森堡,纷纷采用薛定谔方程来推算他们的理论和实验数据。

        问题是矩阵公式和薛定谔方程,这两个“好基友”,在应用中就像一对孪生兄弟,在理论基础上却截然相反,背道而驰,似乎天生的一对死敌。——光到底是波,还是粒子?几百年的争论,走到了路的尽头,是时候让这两个孪生兄弟认祖归宗,携手相聚了。

        终于,一个幽灵,“波粒二象性”,横空出世。哥本哈根的教父玻尔和他的年轻教徒们,得到了一个惊人的结论:原来,光又是波又是粒子!

        这啥意思?简直是越听越糊涂了!这时候,作为量子力学的教父,波尔说话了:上帝在掷骰子。

        这句话,用量子力学的语言表达,就是:在没有人进行观测的时候,光是一种概率波;一旦被观测,它立刻坍缩为粒子。

        下面,我们试着换一个比较生活化的语言来解释:

        打个比方,在你没有结婚之前,你对未来的伴侣一定会有很多美好的憧憬。每一种憧憬都有实现的可能。你可以选择不同性格的人,作为你的恋人。你甚至可以把所有可能性的最美好的一面,都集中在一起,陶醉其中。总之,你拥有无限的可能性。

        但是,受限于你的长相,收入,谈吐,居住的城市等等,每一种可能性的概率是不一样的。比如,在我们多伦多,嫁给一位高富帅的可能性也许会比温哥华要小一点,而找个西方男朋友的概率要比中国国内大很多。你甚至有可能当一次灰姑娘,在古巴的某个海滩上遇到一个异想天开的沙特阿拉伯酋长的儿子,虽然这个可能性的概率很小,但谁也不能否认这种可能性确实存在啊。

        所有这些不同概率的可能性,汇聚成一个虚无缥缈的“概率波”,它弥漫在广阔的时空中,而不是集中于一个具体的点。这个人生未来的概率波,虽然不是真正的现实,却遵循着自己的发展轨迹。

        比如,在生活里,如果你不幸是一个丑小鸭,那成为灰姑娘的概率就非常非常小。但是,感恩韩国整容业的发达,你多了一次后天的选择机会:你可以选择去韩国整容,也可以选择保持原貌。如果你毅然选择了前者,让自己的脸蛋和钱包同时挨一刀,你的人生概率波,立刻会演化出新的可能性:你可能变成一道非常靓丽的风景,但你也可能彻底毁容,“变成”愤怒本尊金刚亥母。

        让我们乐观一点吧,假设你最近做了一次非常成功的整容。于是你心情大好,计划着独自一人到古巴的海滩上吹吹海风,顺便试试自己的手气。这时候,和最初的概率波相比,你遇见沙特王子的概率波立刻就会收获三个涨停板。

        然而,概率波毕竟只是一种可能性,并不是真正的现实。然后,作抉择的时刻终于来临。当你心甘情愿,或者心有不甘地,戴上钻戒的那一刻,你曾经拥有的美好的无限可能性全都坍塌了,化为一个非常真实的男人,站在你的面前。这个男人的长相性格收入可能还不错,但是和你曾经集中了无限可能性的美好想象中的那个“白马王子”形象,还是相去甚远。好在,荷尔蒙的麻醉作用还没有过去,你们还有一两年的时间可以慢慢磨合,然后一起慢慢变老。

        同样道理,在微观的量子世界中,在没有观测的时候,光就是一个有着无限运动轨迹的可能性的概率波。一旦被观测,它立刻随机选择其中一种可能性,坍缩为一个具体的粒子。

        在量子力学的微观世界里,光的概率波坍缩为某个特定粒子,这是一个随机性的选择,也就是说,这是一个有点碰运气味道的纯粹的偶然事件。此时此地,传统科学信奉的因果律失效了。这就是爱因斯坦非常不高兴的原因。他愤怒地对玻尔说,“老头子(指上帝)是不掷骰子的。”

        看似幸运的是,虽然你作为个体,最后选择的老公具有一定的偶然性。但是在多伦多这个城市,有无数像你一样的白领单身年轻女性。在每年的社会调查中,她们这个群体的婚姻统计数据,大体都是稳定的,有一定的必然性和因果规律。换句话说,无数偶然的个性选择,汇聚成一个有着必然性的宏观大数据。

        同样道理,虽然因果律在量子力学的微观世界里失去了管辖权,但是在宏观世界里,它依然有效。因此,我们可以继续坐地铁,不用担心突然爆炸,前提是安保措施非常严格;也可以继续喝昂贵的非转基因牛奶,不用担心会导致传说中的不育症甚至白血病。最重要的是,量子力学家们说,宏观世界的相对稳定,确保了“你坐在二楼的沙发上,不会因为地板的突然消失,而掉到一楼女主人的席梦思床上。”

        然而,事情的荒诞,远不止于此,量子理论对传统观念的颠覆性,远远超越了人们的想象力。玻尔曾经说过,如果你在公园里,和一个陌生人坐在一条长椅上,和他慢慢地慢慢地讲量子力学,他如果没有把你当成一个疯子而恐惧地一点点挪开自己的身体,那他一定是根本没有听懂量子力学。

        那么,量子力学最荒诞的地方究竟在哪里呢?根据量子力学,光其实只是一个特例而已。其实,所有的物质世界都在劫难逃。于是,真正的大麻烦登场了。

        让我们还是结合比喻,讲得尽量简单易懂些。

        物质世界是各种分子,原子组成的。分子和原子的多样性,造就了五彩缤纷的物质世界。对此,大家没有异议。继续往微观世界走,比原子更小的,是质子,电子,夸克等微粒子。再分下去,就是量子或能量场。

        我们曾经认为,世界的基本元素,那些秉性各异的微粒子,是实实在在的。这些实实在在的微粒子,组合成了我们实实在在的宏观世界。可是,我们突然意识到,在最微观的世界里,所有的物质的差别和多样性都消失了。取而代之的,是一片以类似光的形式(能量场)存在的能量的海洋。

        在这个光或能量的海洋里,因为观测的缘故,“随机出现了很多粒子”,而组合成了多姿多彩的宏观物质世界。其实,这些粒子,只是能量场或光的密集形式,从未改变过能量场的本质。

        关于能量如何聚集为宏观世界的理论可谓五花八门,但核心的内容,都可以归纳为一点:本质上,宏观的物质世界从来没有离开过光明或能量的海洋。并不是说,通过观测,能量转变成了粒子,将来粒子又通过衰变,逐渐变回能量。并不是这样。而是说,不管有没有观测,从来都是一片能量的海洋。有观测的时候,大自然会“聚集”为“粒子堆”,但本质就是能量的海洋。没有观测的时候,大自然就是一片如同虚空一般虚无缥缈的光明或能量的海洋。

        这样说,对很多人来说,还是有点“烧脑”。我们打个比方,事情的奥妙之处,就会非常清晰了:

        在一个亘古以来就一直存在却从来没有人闯入过的大沙漠里,到处都是沙子,一模一样的沙子。因为“风”,这些沙子堆积成了各种形状的小丘。有的像宫殿,有的像城堡。有的像老虎,狮子,有的像人。

        但是,沙漠自己不会有“老虎,狮子,人”的概念。沙漠没有任何概念。有的只是一模一样的沙子。沙子,沙子,除了沙子,还是沙子。没有老虎,没有狮子,没有人,只有沙子,这是一片沙子的海洋。

        这时候,沙漠里闯入一个旅行家或探险者。他被眼前的壮阔景象惊呆了,他忘了饥渴和生命的危险,只顾着欣赏落日余晖下的沙漠风情。他指着一座座沙丘说,这是老虎,这是狮子,这是男人,这是女人,这是老人,这是孩子。—— 于是,借助于他的眼睛和意识的想象力,多姿多彩的宏观世界诞生了。

        其实,大自然没有颜色,没有声音,没有形状。所有的颜色,声音,形状,都是观测者自己创造的,只存在于观测者自己的意识里。过去,科学家们虽然也承认,我们眼睛看到的世界,其实只是光线的压力,通过视网膜和复杂的神经系统,在我们大脑中产生的一个脑电波;但是科学家们依然相信,外面肯定还有一个实实在在的精彩世界,和这个脑电波丝丝入扣地对应着。但是,如今,不管我们如何喜欢齐秦的歌声“外面的世界很精彩”,量子力学已经明确地告诉我们,离开了我们的观测,外面的世界根本不存在。

        在著名的索尔维会议上,量子力学的大腕们几乎全部聚齐。玻尔和爱因斯坦代表两个阵营,进行了最后一次华山论剑。玻尔的哥本哈根量子力学大获全胜。在会议的间隙,爱因斯坦曾经和玻尔一起在月光下散步。爱因斯坦问,“亲爱的玻尔,按照你的理论,难道我们没有人看这个月亮的时候,它就不存在了吗?”玻尔说,“我不得不说,是的。至少,它的边缘会变得模糊,并逐渐消失。”

        如果说,量子力学中还隐藏着比这更加荒诞的结论,那就是:不仅眼前的世界,在无人观测时是一个虚无缥缈的概率波;而且人类的古代历史,因为离开了我们今天所有活着的人的视线,也成为一个虚无缥缈的概率波。从某种意义上说,是今天的我们,创造了古代的历史。——这正是那只著名的“薛定谔的猫”想要展示给人们的量子力学的“荒诞之处”。

        让我们回到光的“波粒二象性”。现在,我们来总结一下,它有两个重要的结论:

        1. 在没有被观测时,光的本质,其实只是一个虚幻的概率波,是很多不同可能性的概率分布而已。由此引申,离开了所有的观测,整个世界会变得虚无缥缈。

        2. 这个概率波“坍缩”为粒子的关键原因,是观测。换句话说,一个具有意识,能够感受和思考的观测者的介入,是“现实世界”最终获得定型的核心因素。

        大家对此是不是有些似曾相识呢?

        是的。在人类历史上,至少有三个富有影响力的学说,都提出过同样的结论,可谓异曲同工。这三个理论,分别代表了西方神学与哲学,古典佛学。

        一个是和牛顿同时代的英国主教贝克莱,也是西方唯心主义哲学的鼻祖。贝克莱认为,世界只存在于我们的感知中。离开了我们的感知和经验,根本找不到一个外面的物质世界。

        在贝克莱之后,西方哲学分成了两个大阵营:坚决反对贝克莱的人,叫做唯物主义;支持和修正贝克莱的人,叫做唯心主义。当然,还有一些试图投机取巧,弥合两个阵营之间裂缝的人,比如黑格尔的辩证唯心主义。

        有趣的是,十九世纪的唯物主义学者狄德罗,曾经非常气愤地说,“贝克莱的观点,是人类历史上最荒谬的观点,但是在逻辑上却根本无法推翻。这不能不说是人类理性的一个耻辱。”

        其实,天真可爱的狄德罗,不小心说出了一个事实:既然贝克莱的观点,逻辑上无法推翻,那恰恰说明,它的背后,一定隐含着某个更深刻的真相,只是我们的智慧还没有做好迎接这个真相的准备。这不是人类智慧的耻辱,而是人类智慧的一道曙光。

        原文出自于:www.sohu.com/a/247673326_505927
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希卓
2024-10-17 广告
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