量子理论看世界——爱因斯坦相对论与霍金的黑洞!

原创
2020
01/19
09:39
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人的一生到底是提前被写好的还是可以由自己掌控的呢?有人认为是前者,也有人认为是后者。

经典物理学理论认为,一切都是早就划定好的,任何事物都遵循一定的纪律,从其泛起到消逝,人也不破例。而量子理论的看法则恰好相反,量子理论认为世界多元且具有高度不确定性。

要解读量子理论,首先要从“薛定谔的猫”说起。“薛定谔的猫”并不是一只普通的猫,它于1935年被奥地利物理学家薛定谔提出,在它身上,存在着生死叠加的诡异情况。对于这只置身于盒子内的猫,经典物理学理论认为,它非死即生,它的状态只会是两者中其中一种。当视察者打开盒子后,便可确定猫的状态。

但量子理论却不是这样分析这只纸猫的,量子力学理论认为,在量子世界中,盒子永远不会被开启,猫的状态永远是不确定的。即,猫的状态是生死叠加而不是生死中的其中一个。

同时,量子理论认为,从外貌来看,猫是一个处于某个空间内的事物。但实际上,“原子衰变,猫死了”与“原子未发生衰变,猫在世”划分属于两个差别的世界,这个两个世界完全独立,互不滋扰。

凭据量子力学,量子系统内事物所泛起的叠加状态可用波函数来形貌,该函数可通过薛定谔方程求解。当视察者泛起时,量子系统内的事物便从叠加状态转变为单一确定的状态,这称之为“波函数坍塌”。有人或会认为,猫的生死由人类意志决议,那么,波函数的坍塌也与人类意志有关,但量子理论并非如此界说。

量子理论指出,所谓的观察,只是一种普通的量子纠缠现象,猫的生死以及波函数并不由人类意志决议,而是受神秘气力利用。

试想,若量子理论完全正确,那么我们的人生是会越发精彩还是越发还是无趣呢?有人或认为,不确定的存在让世界变得多元化,且具有更多可能性;或也有人认为,事物的不确定性给生活也带来了诸多不确定性,或会让人越发忧虑。

多重宇宙Many-worlds interpretation

具有薛定谔猫同样神奇的一个情况是多重宇宙。我们现在讨论多重宇宙的内容是没意义的。如果有一天我们掌握了打开多重宇宙的方法,当你打开另外一个宇宙看它第一眼的时候,就决议了这个宇宙中每个生物的历史运气,因为你的视察让整个宇宙脱离混沌状态,“一时明确起来”。

如果多重宇宙真的存在,那么人类的终极能力恐怕就是有选择的打开一个最完美宇宙,在那里圆周率恰好即是3.1415926,光速恰好是每秒30万公里,量子常数恰好是普朗克常数....

维格纳的朋侪Wigner's friend

当我们还在为薛定谔的那只猫纠结不清的时候,1961年,匈牙利物理学家维格纳Eugene Wigner的假想实验又把他的一个朋侪放入了盒子里。

这下子搞大了。

处于生死叠加状态的人会是什么样的感受呢?当我们打开箱子的时候,朋侪将如何表述他的适才的生死状态叠加履历呢?

多宇宙理论给出的解释是,当我们打开箱子的时候,只是选择了箱内情况多个版本中的一个,对于箱内朋侪来说并没有什么不适应,如果他还在世那也是只是在这个箱子宇宙副本中他还在世。

这就像是如果其他高级生命掌握打开多宇宙技术之后,偶然的打开了我们的宇宙,它可能会以为我是从生死混沌中坍缩出来的,但我并没有什么感受,我的影象不会差别,我的历史过往也不会有歧义。

然而多宇宙解释并不能让人满足,每秒钟就有数十亿智慧生命在不停地提倡视察行为,而每个视察又可能导致无限多的其他宇宙版本泛起,这个速度是以几何级数增长的,实在大到无法想象。更无法想象的是,仅仅因为我们多看某个原子一眼,就导致整个宇宙的无限次破裂复制,这也太小题大作了。

当量子理论从微观世界进入到宏观世界,当智能意识体从科学的可选项变为必选项甚至前提条件的时候,科学界遇到了诸多灾题,或者说这些难题自己越来越清朗起来,而至于谜底,那么应该也不那么遥远了。

从生死叠加的猫在开箱一瞬间坍缩为现实,从概率波函数坍缩为粒子,这一瞬可能就是时间的最小单元。

量子的混沌随机性,到叠加状态,到统计学概率,以及这些属性如何在从微观到宏观的跃迁中逐渐消失,进而演变进化泛起智能现象,智能体再以视察行为导致其他量子的坍缩,这其中包罗的知识可能就是科学的终极谜底。

爱因斯坦的ERP佯谬

量子世界真的能够超光速远距离传输吗?

阿尔伯特·爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基和纳森·罗森在1935年针对量子力学的哥本哈根解释,提出了一个假想实验,希望借此实验证明量子力学的不完备性,厥后以三位科学家名字的首字母组合将这个实验称之为EPR佯谬Einstein-Podolsky-Rosen paradox。

延迟选择悖论Delayed-choice paradox

如果一个光子体现为似乎是通过一条通向探测器的路径,那么它必须作为粒子进入双缝装置;如果一个光子体现为似乎它是由两条难以区分的路径来体现的,那么它必须以波形进入双缝设备。

这里就存在一个悖论:如果在光子处于航行中途时改变实验装置,则光子应该反转其关于是波还是粒子的原始“决议”。当这些假设应用于星际维度的装置时,地球上关于如何视察光子的最后决议可能会改变数百万甚至数十亿年前做出的决议。

可是,当光子处于航行中途的时候,如果我们把它视为一种未知的叠加状态Superposition of states,这种状态既可以体现为颠簸,也可以体现为粒子,那么这个时间悖论就可以获得解释。

量子事实

当我谈到量子事实时,我所指的只是涉及量子实体的履历事实。这样的事实将包罗有关电子、中子、质子和其他亚原子粒子的实验效果;有关光子,也就是光线单元的实验效果;以及有关放射性衰变时释放出的粒子等的实验效果。

下图是广为流传的原子结构模型,只管它是错误的,但其中也包罗了许多关键的正确信息:

原子由更小的粒子组成,即不带电的中子Neutron、带正电的质子Protron和带负电的电子Electron。

中子和质子组成原子核Necleus,原子核集中了原子绝大部门的质量。

电子漫衍在原子核周围的空间中。

大多情况下电子数量和质子数量相同,否则原子就会酿成带电离子。

这图的错误有许多,比力显着的有:

这种电子轨道的表现法险些可以说完全错误,下面我们谈判论更多。

在原子级别上没有颜色观点。

电子不行能这么大,电子实际上还不到质子或中子的千分之一,固然真根据比例画,如果我们用1个像素表现电子,质子就差不多要撑满我们整个屏幕。

整个原子的巨细和原子核巨细的比例要比这个大许多,实际上相差数十万倍,相当于足球场和一只蚂蚁的巨细,如果我们用屏幕上一个像素表现原子核,那么它的电子就可能在屋子外面的屏幕上。

原子半径一般数十到数百皮米(pm),而原子核只有数个飞米(fm)。1毫米=1000微米,1微米=1000纳米,1纳米=1000皮米,1皮米=1000飞米。1立方厘米的铁或许包罗10的23次方

个铁原子。

Orbit vs Orbital

这两个单词翻译过来都是轨道的意思。但在物理和化学中却是差异很大的两个差别单词。

Atom原子的orbit是指约莫100年前丹麦物理学家Niels Bohr尼尔斯波尔确立的,他所描绘的原子结构和上面图中所展示的基本一样,主要差别之处是,波尔原子模型的电子是运行在差别层级的轨道上,而且能够在差别轨道上举行“跃迁”并同时释放或吸收能量(或光子)。

Atomic orbital波尔原子轨道模型

Orbital则是指厥后被德布罗意(Louis de Broglie)、波尔、海森堡(Werner Heisenberg)以及薛定谔(Erwin Schr dinger)等人革新获得的新的量子力学原子模型。

量子力学原子模型

量子力学指出,电子的位置是不能确定的(Uncertainty),只能通过一个波函数方程推算出电子在某个位置泛起的可能性,没有哪个位置是电子百分百确定泛起的位置,也没有哪个位置是绝对不会泛起。

这是什么观点?可以说,电子无所在,也无所不在,对于任一个原子,它的电子可能在全宇宙任何一个地方泛起,而我们平常所认为的原子巨细,只是它泛起概率比力高的一个空间区域。

氦原子构想图

如上图所示的氦原子,原子核周边黑灰色区域代表了电子最可能泛起的规模,颜色越黑表现电子在这里泛起的可能越大,这像云雾一样,称之为电子云。

无轨道、不确定,另外一个更颠覆的区别是并非所有原子的形状都是球形的。

更多电子云形状

如上图所示,凭据量子力学波函数方程盘算获得的种种电子云的形状,请注意虽然图上看起来是二维的,但实际是三维立体形状。

对于推翻了伟大的艾萨克牛顿关于光的本质的想法的演示,它很是简朴。英国物理学家托马斯·杨在1803年11月对伦敦皇家学会的成员们说,“无论阳光照到什么地方”,它都可以“很是容易地重复”,形貌现在被称为双实验的实验。他提出了一个优雅、自然而然的实验,以显示光的波形性质,并驳倒了牛顿关于光是由小体或粒子组成的理论。

可是,20世纪初量子物理学的降生清楚地讲明,光是由微小的、不行支解的能量单元或量子组成的,我们称之为光子。托马斯·杨的实验,当用单个光子或甚至单个物质粒子(如电子和中子)完成时,是一个令人费解的难题,它提出了关于现实的本质的基本问题。有些人甚至用它来论证量子世界是受人类意识的影使我们的头脑在宇宙的本体论中占有一席之地。可是,这个简朴的实验真的证明晰这一点吗?

在现代量子形式中,杨的实验包罗将光或物质的单个粒子在两个狭缝或开口处照射,这些狭缝或开口被切割成一个不透明的屏障。在屏障的另一边是一个屏幕(例如,光子情况下的照相板),记载粒子的到达。知识告诉我们,光子应该经由狭缝,然后聚集在每个狭缝后面。

相反的,他们走到了屏幕的某些部门,而避开其他部门,缔造出交替的光带和暗带。这些所谓的干预干与条纹,就是当两组波重叠时所发生的干预干与条纹。当一波的波峰与另一波的波峰排成一行时,你会获得相长干预干与,当波峰与波谷一致时,你会获得相消干预干与。

倘使把光视为波,如下图所示,则可以解释这种现象。

平面波的双缝干预干与图案示意

双缝实验

在前一篇文章量子化的原子结构中,除了概率与随机,其实还提及了一个更深层恐怖的事情:世界的本质是个波函数,它形貌了宇宙最基本粒子(如电子和光子)的泛起方式。

世界是个函数?这是什么鬼!科学家怎么会获得这么奇葩的结论?

这个诡异的实验纠缠了全人类顶尖科学家300多年,至今仍然没有足够让所有人满足的谜底。

实验很简朴,最左侧一个发光光源,光线穿过一个不透光纸板上的小孔,这样模拟点光源,然后再穿过第二个不透光纸板上的两条竖缝,你认为最右侧灰色纸板上会出现什么图形呢?两条竖线或者是?

正确谜底不是A,而是B。

如果你还没感受到意外,那么实验料想,你用自己替换掉第一块小孔遮光板,不停地向两条细缝投掷飞镖,你的飞镖最后都市落在最右侧的灰色板上,板上许多飞镖会形成什么样的图案?肯定是A,而不是B。

为什么会形成B图那样的图案?因为光是一种波。

水波相互干预干与形成条纹

如果我们把两个球同时左右丢入水面,激起的两个水波相互交叠扩展开来,就会形成一条一条的纹样。这和我们双缝实验的效果类似。

视察者影响

如果我们堵住一条竖缝,效果会怎样?

效果会酿成一条很普通的竖条,只有一条,因为没有了干预干与。

光是粒子,也是波,具有波粒二象性,这不是什么新科学知识。

但当科学家们实验每次一连发射单光子的时候,双缝实验带来更多启发:

单光子仍然会发生干预干与条纹,自己和自己干预干与,这意味着必须光子同时通过两个裂痕。你同时通过左右两道门!

光子到达屏幕的时候酿成一个粒子,虽然穿过双缝时候它是同时穿过两道缝的波,但如果我们期望它是一个粒子用屏幕来捕捉它的时候,它就酿成了一个粒子。

光子在我们视察的时候会从波坍缩为粒子,如果我们在双缝处添加粒子检测装置,那么光子就会变为典型粒子,只通过一个缝,也不再形成干预干与条纹。

科学的解释是,在我们观察之前,光子具有量子属性,它像水波一样既穿过左侧竖缝,也穿过右侧竖缝,也就是说它可以同时通过了两条竖缝。如果从李子角度看,它的路径就是穿过左右双缝的两条路径的叠加。

这就像说一个飞镖同时穿过了两条竖缝一样不行思议。但在我们观察之后,光子的量子属性坍缩了,酿成确定的只通过一条裂痕典型粒子。

你未看此花时,此花与汝心同归于寂;你来看此花时,则此花颜色一时明确起来。这是明朝哲学大家王阳明的一句名言,粗粗拙说这句话就是在讲,你看或者不看的视察行为会对花发生影响。

量子力学中世界的纯粹客观性不复存在。

结语

双缝实验和许多量子实验并不是只泛起在光子,许多量子现象还泛起在更多粒子(电子、中子、原子),甚至分子水平上,好比由60个碳原子组成的巴基球(即富勒烯C60分子),而太空中的巴基球很可能是地球生命的起源。

巴基球

我们的世界也是量子化的,只是宏观世界中无数量子波函数的坍缩,形成现实中足球无限靠近100%简直定性运行轨迹,以至于我们基础没有可能视察到一个足球同时通过两扇门的现象。

生命的庞大性无疑由细胞的庞大性组成,而细胞由分子组成。细胞的功效依赖于其分子的化学性质,而分子的化学性质依赖于电子的数量和运行机制。归根结底,生命的机制泉源于量子世界,整个世界的运转都受量子理论驱动着。

细胞的尺度一般在0.1~1微米(μm,10的-6次方米),分子的尺度一般在0.1至几十纳米(nm,10的-9次方米),原子的尺度一般在数十到数百皮米(pm,10的-12次方米),电子仅有原子的数十万分之一。

量子到底是什么?现在仍是未解之谜,波粒二象性之外是否另有更多未知可能?也许量子只是更高维度时空某种工具在我们世界的一个投影,它不停地略过我们的三维时空,形成我们所知的世界。

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THE END
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