量子世界到底有多诡异?彻底颠覆了我们的世界观!
日常生活经验告诉我们,我们生活在一个经典世界里,何为“经典世界”?说白了,这个世界是确定的,可预测的,可描述的。这也是爱因斯坦一直坚持的“实在论”。
举个例子,很多人都打过篮球,投篮时只要我们控制好出手的力度,角度,然后综合当时的风速,湿度,温度等环境因素影响,就一定能投进篮。
而且,即使不能投进篮,我们也当然知道篮球不可能突然消失不见,更不可能突然出现在月球上或其他不可思议的地方。
如果真发生上述情况的话,我们肯定会认为见鬼了,被吓得六神无主。
总之就是,在我们生活的经典世界里,只要掌握了任何事物的所有运动参数,一定能预测事物的未来走向,同时也可以推算出事物过去的运动状态。
不过,这看起来坚不可摧的“实在论”,在量子力学出现之后,轰然倒地,实在论被彻底颠覆了。颠覆的还有我们几千年来的世界观和宇宙观。
还是拿打篮球举例子,你投篮时,无论投出去的篮球多么离谱,大体上总是朝着篮筐而去的,不可能径直飞向太空,然后飞到月球上,甚至飞向4.2光年外的比邻星。
但是,如果你在量子世界投篮,上面的一切都可能发生,不仅会发生,还有更不可思议的现象。篮球会同时出现在两个不同的地方,甚至在你还没有开始投篮之前,篮球就已经飞出去了!
这不是违反了因果律了吗?确实如此,在量子世界,因果律彻底失效了。
看到这里,你是不是彻底疯狂了?不要着急这么快疯掉,因为让你更加疯狂的还在后面。
在量子世界,一切都是不确定的,我们永远无法同时确定微观粒子的速度和位置信息,只能用概率去描述,也就是所谓的“概率波”,用波函数才能描述微观粒子的状态。
波,意味着不确定性,同时也意味着无处不在。理论上分析,微观粒子可以出现在任何地方,说白了微观粒子可以同时出现在宇宙的任何角落,因为我们只能用“波函数”来描述微观粒子的状态,而波函数可以呈现出任何状态,它是不确定的。
不过,任何形式的观测行为都会让微观粒子从不确定性坍缩为确定状态。当我们实施观测的一瞬间,微观粒子的波函数就会坍缩为某一种确定状态,波函数也随之消失了,从波的不确定性坍缩为粒子的确定性。
微观粒子的这种不确定性可以带来很多让我们意想不到的效果,比如说量子隧穿效应,微观粒子可以穿越它的能量势垒,直接穿越“无法逾越”的屏障。
何为“能量势垒”?可以用宏观世界来理解。你面前有一堵10米高的墙,赤手空拳的情况下,无论你如何努力,都不可能翻过那堵墙,那么“10米”就是你的“能量势垒”。
微观粒子也有自己的“能量势垒”,通常情况下,微观粒子是不能穿越能量势垒的。但是由于不确定性的存在,微观粒子有一定概率直接穿越能量势垒,看起来就像瞬移一样。
不确定性原理中,速度和位置具有不确定性,同时时间和能量同样具有不确定性,这意味着只要时间足够短,能量就可以非常大。所以,在足够短的时间里,微观粒子可以瞬间获取无比强大的能量,能够瞬间穿越不管多么高的能量势垒。
太阳内部的核聚变就需要这种量子隧穿效应,否则核聚变就不可能发生,因为太阳核心的温度和压力本来就不可能达到核聚变条件的,但是正是由于量子隧穿效应,即便环境达不到核聚变,但微观粒子仍旧有一定概率穿越能量势垒来完成核聚变。
除了量子隧穿效应,还有更诡异的量子纠缠。处于纠缠状态的两个微观粒子,只能体现出整体属性,于是两个粒子无论相距多远,都可以瞬间“感应”到彼此的变化。
当某一个粒子状态发生改变时,另一个粒子瞬间做出反应做出相应改变,爱因斯坦无法接受量子纠缠现象,称之为“鬼魅般的超距作用”!
爱因斯坦认为,我们生活的世界都是具有局域性的,说白了就是信息的传播速度不能超过光速。但是量子纠缠现象看起来打破了世界的局域性,表现出了非局域性,这是爱因斯坦无论如何都不能接受的。
事实上,量子纠缠并没有传递任何信息,微观粒子之间呈现出来的只是整体属性,并非是单独的属性,所以并没有违反爱因斯坦相对论中的光速限制。
经过一百多年的发展,量子力学的不确定性早就被主流科学界认可了,更重要的是,这种特性早就应用在了我们的日常生活中。
比如说,量子纠缠对于未来的量子计算机研发就非常重要。基于量子纠缠的量子计算机的运算速度,会比如今我们使用的传统计算机快亿万倍,两者完全不是一个档次。
具体差别在哪里呢?量子计算机的运算速度为什么会如此快呢?
举个通俗的例子来说明量子计算机与传统计算机的区别。假设有两捆电线,每捆都有一百根电线,分别用序号从1到100标识出来,我们并不知道每根电线的序号到底是多少。
接下来我们需要把两捆电线一一对应连接起来,序号1的电线连接到另外一捆的序号1电线,以此类推。由于我们不知道每根电线的需要,只能挨个去试。
就算你的运气好到爆表,也需要100次才能连接完毕。如果运气不好的话,每一次都要试到最后一根才找到对应的电线,最多需要多少次?
100乘以99乘以98乘以97......很显然,这是一个很大的数字,意味着你需要花费很长的时间才能完成。
但在量子世界里,根本不用这么麻烦,两百根电线就相当于两百个微观粒子,只要让它们发生量子纠缠,就可以瞬间完成连接,因为量子纠缠在一瞬间就能完成。
这就是量子计算机与传统计算机最大的区别。可以预见的是,量子计算机一旦完成,性能上肯定会质的突破,能够模拟更多更真实的环境,我们甚至完全可以在虚拟世界里感受现实世界的一切。
不过,以上只是理论上的分析,实际上是很难操作的,因为让微观粒子发生纠缠是很难的,操控一对粒子发生纠缠并不是很难,难的是让很多粒子发生纠缠。这也是量子计算机面临的难题。不过,万事开头难,任何新事物新理论的诞生都是充满曲折的,科学家一直在努力克服各种困难。
这就是诡异的量子世界和量子科技,虽然诡异,虽然完全颠覆了我们的世界观,但这些诡异现象真实存在,更重要的是,量子力学会发挥越来越大的作用,甚至直接引领人类文明完成蜕变!
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