诡异的量子力学,其本质或引领人类揭开宇宙的真面目!
说到量子力学,相信大家多少都有所了解,如果用两个字描述量子力学,那只能是“诡异”。量子力学到底有多诡异?一两句话是讲不清楚的,总之,量子力学完全违背了我们的日常生活认知。
举个最简单的例子,此刻的你坐在家里的沙发上,正在阅读这篇文章,你的状态就是确定的,你就是在沙发上,这点毫无疑问。
但如果你身处量子世界,结果就不一样了。你可能在任何地方,比如说在月球上,甚至会同时出现在两个不同的地方。总之你的状态就是模糊的,只能用概率去描述,也可以理解为你无处不在,而如果我想知道你到底在哪里时,只有通过观测,而一旦实施了观测,你就会从无处不在的状态“坍缩”为唯一的固定状态,这就是所谓的“波函数坍缩”。
说白了,只有观测才会让你的状态确定下来,在没观测之前,你就是不确定的。往深了讲,这意味着我们世界的真实性取决于我们的观测,显然这否定了世界的客观实在性。
但是,不管量子力学有多诡异,那些诡异现象的确客观存在,不确定性是量子力学的固有属性,也是核心法则。而且,量子力学不仅仅是一种概念理论,它的核心思想早就应用在我们日常生活中,比如说LED屏幕,激光扫描仪,还有手机电脑中的芯片等,其中都包含有量子力学。
量子力学甚至诠释了太阳为什么会发光,我们的眼睛为什么能看到东西。表面来看,太阳发光是因为核聚变,但更本质的原因还在于量子力学,如果没有量子隧穿效应,太阳根本就不会发生核聚变,这就说来话长了,暂且不详述了。
也就是说,如果没有量子力学,我们的电脑和手机就会彻底沦为一堆废铁。量子力学如此重要,早已成为了现代物理学大厦的基石之一,另一个基石也是我们熟悉的相对论。
那么,具体来讲,量子力学到底诡异在什么地方?为什么科学家无法诠释那些诡异现象的本质呢?
科学家们发现,用数学公式的确可以精确预测量子世界里面的运动情况,但数学并不等同于物理和现实,一旦科学家试图用物理法则去诠释量子世界的运动规律时,就遇到了麻烦。
那些看似非常简单的东西,用物理学竟然很难诠释。
举个例子,描述一个物体的位置和速度通常都会很简单,因为位置和速度是一个物体的基本物理量,很容易体现出来。
但是,当科学家们试图测量微观粒子的位置和速度时,就遇到了麻烦,他们发现很难同时测量出微观粒子的位置和速度信息。要知道在宏观世界,我们很容易做到这点,比如说一辆飞速行驶的小汽车,它在某个时刻的速度和位置信息很容易计算出来。
同时,在宏观世界里,一个物体的位置只需要用三个物理量就能描述出来,这就是“长宽高”三个维度。但是在量子世界就大不一样了,三个数字是远远不够的,我们甚至需要无穷多个数字。
说白了,我们只能用“波函数”来描述微观粒子的状态,所谓“波函数”通俗理解就是“所有数字的集合”。而描述波函数的方程就是薛定谔方程。
薛定谔方程并不复杂,看起来非常优美简洁,不过公式中的符号不太容易理解。这并不重要,我们只需要明白薛定谔方程的重要性就行了。薛定谔方程在量子世界中的地位,就相当于牛顿定律在宏观世界地位一样,这下应该明白薛定谔方程有多重要了吧,它就是描述微观粒子在量子世界里的运动状态的。
根据薛定谔方程,我们无法准确描述微观粒子的位置和速度信息,或者说需要无穷多个物理量才能描述出来。更诡异的是,当我们试图测量微观粒子的具体信息时,就会发现微观粒子就在某个地方,它的信息非常固定。
也就是说,观测可以让微观粒子的不确定性坍缩为确定性,在观测的一瞬间,波函数就坍缩了,不再遵循薛定谔方程。
有人试图用宏观世界的法则诠释量子力学,认为观测就意味着光子会与微观粒子发生某种作用,从而导致波函数坍缩。但这种观点其实并不严谨,支持这种观点的科学家很少,因为光子与微观粒子发生作用并不是波函数坍缩的充分条件,说白了,光子对微观粒子的干扰并不会让其坍缩为完全确定的状态。
随着量子力学的不断发展,科学家们有了新的发现:量子力学的法则在宏观物体上也同样适用,只不过体现的不是很明显罢了。
这种结果也是可以预料的,因为微观与宏观本来就是相对的,不会有明确的分界线,正如小与大不存在明确的分界线一样。
既然量子力学适用于所有物体,那么观测行为的意义到底是什么呢?
哥本哈根学派给出了这样的解释:其实测量问题是不存在的,因为只有测量才有意义,不测量就没有任何意义。
其实这就是哥本哈根学派提出的核心思想:不确定性原理,虽然这个原理很诡异,但已经被主流物理学界认可。
但这种对观测的诠释总给人一种“诡辩”的感觉,就像爱因斯坦怒怼波尔:不看月亮时,难道月亮就不存在吗?而波尔的解释是:既然没看月亮,你怎么知道月亮存在呢?
对于量子力学的诡异性,还有很多其他解释,比如说多世界诠释,甚至虚拟世界诠释。虚拟世界诠释认为,我们生活的世界其实是被高级文明模拟出来的,就像一个虚拟游戏一样。果真如此的话,很多诡异现象确实能解释得通。
比如说,在游戏世界里,只有游戏人物看到或者感知到的世界才真实存在,游戏人物看到的画面才会被渲染出来,而游戏人物外面的世界其实是不存在的,这样做的目的主要是为了降低游戏的荷载。
不过不管哪种诠释,都没有真正触及量子力学的本质,或许真如爱因斯坦所说,量子世界里有某种“隐变量”还没有被发现,一旦发现了“隐变量”,或许人类就能触及宇宙的本质!
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