没了量子力学 你连手机都玩不了

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  无论是否真的接触过量子力学,很多人都会用“遇事不决,量子力学”这句话,对一些难以解决的问题插科打诨一番。其实在真正的量子力学里,也有一些“不决”,比如大家可能听说过的“测不准原理”。

  不过,“测不准原理”是个不正确的名字,并且会造成对这个原理本质的误解,它真正的名字叫做“不确定性原理”。

  对原理的建议解释

  不确定性原理的意思是说:粒子的位置和动量不可能同时确定。它的位置越清楚,就越不确定它跑得到底有多快。反之亦然,它的快慢越确定,位置就越模糊。

  并且,这种不确定性是个量化了的具体值,并非一个拍脑袋的哲学概念。

  刚才我们说过,“测不准原理”这个名字不对。

  但是,从这个错误名字的含义入手,来了解不确定性原理,是许多科普书籍(包括霍金的著作)以及大学物理基础教学的迅速简易的方法,甚至是海森堡本人最初的理解。

  我们不妨也从这里开说。想象我们测量一个粒子的状态,测量之前,我们对它一无所知——就像黑屋子里有只黑猫,我们得拿灯照着,才知道它在哪里。

  可是,如果这只猫弱不禁风,一开灯它就被灯光撞飞了。那么,我们就无法判断它本来就在飞,还是被灯光撞飞的。所以我们得把灯光的能量调低一些,别干扰我们的观测对象。

  灯光的能量不是由亮度决定的,而是它的频率。

  在可见光的波段,就表现为光的颜色:紫光比绿光的能量高,绿光比红光的能量高。

  这一点可能有点反直觉,不过大家想想X射线胸透:用来胸透的 X 射线其实很微弱,但是 X 射线频率很高,比紫外线还厉害,每个光子的能量都是电离辐射的级别,照得多了足以出健康问题。

  回到正题上来,调低能量的意思就是降低光的频率。比如本来用紫光照明的,就改成红光照明,这只弱不禁风的小黑猫就不会被撞得太狠,我们就知道它本来的运动状态了。

  可是,改成红光之后又出了个新问题:红光的波长太长,超过了黑猫的尺寸,从它身上绕过去了。

  或者,即使发生反射,我们所探知的位置,取值范围也在一个波长以内,误差挺大的。

  所以,要么我们看不清黑猫在哪里,要么我们不知道黑猫的运动状态。

  一个精度上去了,另一个精度就会下来,“测不准原理”也就出现了。

  这个解释虽然比较易懂,给大家的感觉却是:人类的科技能力不够,假如我们找到新方法,或许可以在不打扰观测对象的情况下获取它的状态。

  实际上的不确定性原理说的则是:不确定性是粒子的内在属性,不管你测不测量,它的位置和动量都不可能同时确定。

  要注意,是“不可能同时确定”,不是“不可能同时被确定”。

  两个简易推论和其他影响

  大家曾经以为,假如我们能测量一切粒子的状态,那么根据一组物理定律,就可以推演它们的未来状态,那么世界的未来演化也就了然于胸了。这甚至包括我们的思想,因为思维的物质基础也是神经元的电脉冲呀。

  但不确定性原理则直接否定了整个前提,粒子的状态本身都不确定,再多物理定律也没什么用了。

  量子力学的发展揭示了更多事实,比如状态本身并非“非黑即白只是我们不知道它是黑还是白”的不确定,发展到后来“既是黑又是白只有看一眼才勉为其难给你一个黑白”的叠加态(量子态测量随机性),就更是把科学决定论逼上了绝路。

  热力学第三定律从纯经典的角度来说:绝对零度无法到达。而从不确定性原理来说,也是一个直截了当的推论:所谓绝对零度,就是组成物质的分子原子位置确定,并且不再移动。

  这样就同时确定了每个粒子的位置和运动状态,和不确定性原理相违,所以是不能达到的。

  不确定性原理的提出,更是引发了更多著名事件,例如爱因斯坦和玻尔在索尔维会议上的论战、“薛定谔的猫”、EPR佯谬、暗戳戳拉偏架支持爱因斯坦的的贝尔不等式、以及贝尔不等式被证实不成立。2022 年的诺贝尔物理学奖颁给了三位实验推翻贝尔不等式的科学家,就是这一系列的余波。

  2022诺贝尔物理学奖,以纠缠光子验证贝尔不等式不成立。

  对物理热词的误解

  量子力学揭示的物质世界基础,和宏观世界的表现太不相同,非常反直觉,所以遭到种种质疑和误解。这一点很正常,作为量子力学的奠基者,连爱因斯坦和薛定谔都疑虑重重,大家有什么不可置疑的呢?

  不过,对爱因斯坦和薛定谔的质疑,大家也是有很多误解的。很多人以为他们两位反对量子力学,其实他们并不反对量子力学本身,而是反对海森堡所在的哥本哈根学派对量子现象的诠释。也就是说,如何用宏观世界的语言来解释量子力学研究中看到的现象。

  正如上面的不确定性原理一样,如果解释“测不准原理”,大家都比较容易接受,而如果说粒子本身就不确定,就需要用数学来表达,在宏观世界里找不到可以类比的具体东西。

  另一个误解就是认为量子力学就是“这也不确定,那也不确定”,其实并不是这样。即使不确定性原理否定了精准测量粒子状态的可能性,粒子状态的概率分布及其演化过程却可由薛定谔方程精密确定。该有粒子的地方就可能会有,不该有的地方就绝不会有,一点都不含糊,只是当你去观察测量它时,它会按确定的概率分布,随机地给你一个结果。

  正是因为量子力学非常反直觉,它被包括爱因斯坦在内的物理大神们狠狠检视过,是史上被审核得最严厉的学说,但是(目前)实在挑不出错,它所作出的预言也被实验一一证实,而“这也不确定,那也不确定”的打哈哈理论是不可能有什么预言的。

  举两个关乎我们生活的量子力学的实例:第一是半导体理论。半导体的能带概念是量子力学延伸出来的。

  如果量子力学不成立或者无法做出精确预言,那么半导体物理也不可能成立,咱们用来看这篇文章的手机、电脑就不会存在。

  第二是太阳发光。爱因斯坦的质能方程只揭示了一个方面,而太阳的温度太低,远远达不到氢核聚变所需要的温度,如果没有薛定谔方程所揭示的隧道效应,太阳是不可能发光的;

  或者,即使达到了核聚变所需温度,聚变反应也会是氢弹爆炸式的,整颗恒星瞬间灰飞烟灭,而不是现在这样,既能发生反应,又保证反应率极低,像个堆肥一样稳定产能。

  还有一个误解,是量子力学就是“这也量子,那也量子”,什么都是一份一份给的,是个不连续的数字世界,进而脑补“我们都是程序,生活在一个巨大的操作系统中”。其实看似不连续的量子世界是由各种连续的方程算出来的,被概率分布的波峰波谷约束的看似不连续而已。

  许多媒体提起量子力学里的概念时,喜欢用“双缝实验有多恐怖?”“智子通信要实现了吗?”“掌握量子纠缠,你也能瞬移!”这样一惊一乍的标题。

  我们对量子力学要以平常心来看待,微观世界是整个世界的物质基础,量子力学预言的范围也覆盖了宏观世界,我们不妨认定它的奇妙表现是世界本来该有的样子,再好好反思一下:

  “数学计算出来这么自然而然的东西,为什么宏观世界却这么不好打比方呢?”


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