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上帝是个赌徒!玩弄一众科学家的量子力学
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2022.10.24 北京

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上帝是个赌徒,不仅喜欢掷骰子,还玩弄了 牛顿,笛卡尔,普朗克、爱因斯坦、狄拉克、薛定谔、德布罗意、玻尔、玻恩、海森堡、泡利、贝尔、费曼……等一众科学家

最后幽灵般地隐藏于量子纠缠

物理、化学和医学告诉我们:组成人体的物质与石头没有本质区别,都是质子,中子、电子。

那么意识呢?意识出现在什么位置?

一种观点认为意识是科学无法解释的事物,另一种观点认为意识不过是超级计算的结果,人脑产生意识是因为人脑中有上千万个神经元时刻在进行计算,只要计算机能够模拟这样的计算,一定有同样的意识产生,因此相信一切尽在当前科学掌握中。

量子力学告诉我们,意识是一种纠缠态!

今年的诺贝尔物理学奖颁给了研究量子力学的三位科学家,表彰他们通过光子纠缠实验,确定贝尔不等式在量子世界中不成立 ,并开创了量子信息这一学科。

对于我们大部分人来说,物理学似乎只能仰望,那些复杂的数学公式,高深莫测的实验结果似乎与我们日常生活的所见所闻毫不相干,与我们的感觉或情绪毫不相干,与我们个人与社会之间产生的诸多问题更是毫不相干。

你可能忘了,物理学与所有学科一样,都始于日常经验,始于我们对事物发生、发展的疑问和好奇,还有我们希望知道在这些事物中扮演什么角色,起到什么作用。

从微小的原子到浩瀚的宇宙,从每一滴水到闪亮的钻石,从划破夜空的激光到你身边的手机,互联网,所有事物的背后都是子力学在主宰

你以为这就完了吗?

量子力学为了让我们记住,他无时无刻不穿梭于我们的意识世界中,比如灵感,思考,记忆,说话,分娩,死亡,共情乃至心灵感应、我与他人之间的关系,等等

现在你还认为物理学只能仰望吗?

如果你想知道量子物理学到底是如何影响我们的生活,影响我们与自己,与他人以及整个世界的关系。推荐你一定要看这本《量子与生活:重新认识自我、他人与世界的关系》

接下来我尽量用通俗易懂的语言为你介绍量子力学的前因后果

如果说牛顿力学标志着工业时代的开始,那么量子力学则是信息时代的开端!

我们今天几乎所有的学科都建立在牛顿经典物理学之上。

牛顿力学并非是一门学科,更是一种世界观,在牛顿看来,物质世界中的一切都能代入公式中,世界像一个钟一样在走动,而人类可以预知未来的一切,这被称为机械论世界观。

而牛顿机械论世界观的三大理论分别是:1.二元论;2.还原论;3.决定论

二元论

科学的思维方式起始于古希腊人,薛定谔说科学就是用希腊人的方式来思考世界

古希腊人的思维对后来的科学有两个影响:

1.古希腊人认为世界是可以被理解的,这与今天的科学家对世界的态度是一样的

2.把认知主体我排除于客观世界之外,换句话说我可以在世界之外观察,测量这个世界,而不会对客观世界造成干扰,所以主体与客体二元分立。

还原论

古希腊本体论的第一条是质料因:即这个世界是由什么组成的呢?

我们把世界切割成最小单元时,这个最小单元就是世界的本体,而这个最小单元又能组成全部的世界。

如泰勒斯认为,水是万物之源;德谟克利特认为原子是组成世界的本体。

与本体论相对的形式论认为:这个世界真正的决定力量并不在于事物,而在于事物之间的关系,任何事物都会经历生生灭灭,但事物之间的关系永远不变,把这种现象称为罗格斯,就像老子的道微妙玄通。

决定论

决定论中最重要的是柏拉图的理念论,理念论认为人们相信宇宙是由一条或少数几条基本原理决定的,而这条基本原理可以用数学表达出来,换句话说,只要技术足够进步,我们就能了解这个世界,宇宙万物尽在我们的掌握之中!这个想法在西方根深蒂固。

这三大理论将一切事物都纳入了确定不变的运动规则中,让曾经丰富多彩,浩瀚无比的宇宙顿时被寂寞、寒冷所笼罩。

随后,马克思描述了亘古不变的历史规律,达尔文创建了被动进化论,弗洛伊德提出了“黑暗灵魂之暴力”学说,这些多多少少都是受牛顿物理学启发而产生的。

直到20世纪初,新物理学的两大支柱相对论和量子力学彻底颠覆了牛顿经典物理学。

需要说明的是,相对论在宇宙尺度上发挥着重要的作用,在地球上,在人们的生活中,很难发挥作用,尽管小学生们都知道空间是弯曲的,时间如我们所知,“仅仅是一种错觉”,但普通人对日常现实的理解,基本不会受到爱因斯坦理论的影响。

量子物理学则完全不同,它用于描述我们所能看到的,至少是物理的角度上所能看到的一切事物的内部运作方式。与经典物理学的根本区别是物质的存在以多种形式表现出来,具有不确定性

量子力学提出 4大理论:1.量子跃迁:非连续性;2.量子测量:不确定性;3.量子叠加:破二元论;4.量子纠缠:超时空性。

量子起源于对黑体辐射的研究,当时德国物理学家普朗克用两个公式来研究黑体辐射,但这两个公式不相容,最后他把两个公式合二为一后能够解释黑体辐射,但是这个新公式提出了一个巨大的挑战,带来的新结果是能量不是连续的,而是一份份传输的,而能量的最小单元称为量子。比如风能,电能,热能,等,组成他们的最小单元就称为量子。

而在牛顿经典力学中,认为能量是不可分割的,是连续的。

普朗克提出了量子力学公式,但他终身不敢相信的是,量子竟然是一个实体!

因为普朗克一直认为量子就是数学的一个计算工具,这也难怪,毕竟普朗克处于经典力学范式中,作为量子力学的发明家,他没有打算挑战经典力学这个范式,更不敢大胆宣称这个新现象是颠覆牛顿经典力学的。

量子跃迁:非连续性

量子跃迁,属于突然的,非连续的变化。

科学家发现,电子从一个轨道可以突然跃迁到另一个轨道上,连过度的痕迹都没有,简直就是现实版穿越!

我们都是由原子组成的,根据还原论,当我们相信原子的时候,我们以为我们能掌握这个宇宙的终极规律,而这个世界发展的本质却是非连续性的,我们以为物种是一点一点进化的,但如果你看过考古学家的研究,你会发现在一个足够大的尺度中,物种的进化是非连续性的,物种一旦形成,长期保持稳定,随后突然在一个短时间里发生重要变化,一批新物种会出来,然后再保持长期稳定,再过一段时间,突然又出现一堆物种。


从亚里士多德的元素论到牛顿的机械论再到爱因斯坦的相对论,我们以为科学发展是继承,是改良,事实上,每一次的科学发展是革命性的颠覆和突破。

量子测量:不确定性

量子力学曾被称为幼儿园科学家做出来的,当时,研究量子力学的科学家在玻尔的带领下年龄最大的不超过27岁。

海森堡是其中之一,在他24岁的时候,终于把量子力学表达了出来,他称之为矩阵力学,在他26岁的时候提出了不确定性原理,这个原理告诉我们主体不能测量客体,测量本身是不确定的。

与海森堡不确定性原理同等重要的是哥德尔的不完备性原理,他认为人类理性思维具有不可克服的逻辑悖论,也就是说任何一个系统,如果他的内部是完备的,是逻辑自洽的,那么系统外一定有个与其不自洽的东西会破坏掉原有的系统。

根据牛顿定律,只要我能测量今天所有粒子的速度和位置,原则上,未来一切时候我都能预测出来,实际上这个世界是复杂的,是不可预测的,决定论根本不成立!

我们一直以为科学是万能的,虽然今天有些问题还没有办法解决,但随着科学的发展,总有一天能解决所有的问题,但量子力学告诉我们,科学本身是不完备的,科学并不能解决自己给这个世界带来的问题!

还记得培根那句话,知识就是力量。这似乎在告诉人们,只要我掌握的知识越多,我越能了解自然,征服自然,为我所用。

量子叠加:多元论

原子论告诉我们,他的终极是一个原子,而原子拆到最小单位是一个质点,而量子力学告诉我们,量子拆到最小单位的时候可能是点,也可能不是点,可能是波,也可能不是波......

这就是著名的波粒二象性,他的经典实验就是双缝干涉实验,是量子力学的核心,也是严重的挑战了原子论的假设。

在牛顿经典力学中,人是独立于自然之外的观察者,主体和客体二分,主体对客体的测量不影响客体,但双缝实验告诉我们的是,如果科学家想研究粒子,基本粒子就会呈现出粒子的状态,如果想研究波,就会呈现出波的属性,主体对客体的观察,会导致他用不同的形态呈现给你,在微观世界,客体存在状态取决于主体的观察。

在海森堡提出矩阵力学的第二年,爱因斯坦的挚友马克斯·伯恩提出了概率波,告诉我们这个世界的本质是概率的,我们不是生活在一个确定的世界中,而是生活在或然的世界中。

当时爱因斯坦代表着哲科思维所能达到的极致的顶点,但是爱因斯坦对量子力学提出了质疑:上帝不掷骰子( tóu zǐ)!

后来薛定谔做了一个假想实验,这个实验的伟大之处在于他将现实世界与微观世界联系起来,在量子世界里,既衰变又不衰变,伴随着猫的状态就是既死又活的叠加状态,而一旦你去观测他,就注定了不是衰变就是不衰变的状态。

这太可怕了!听起来很像老子的道可道,非常道!

量子纠缠:超时空性

爱因斯坦提出一个著名的EPR 佯谬( yáng miù),一个粒子分裂成两个粒子时,具有自旋状态,当一个粒子在做向上旋转时,根据角动量平衡定律,另一个粒子会做相反方向的运动。如果这两个粒子分别在银河系两端,相隔10万光年以上,当你观察其中一个粒子时,另一个粒子不可能在一瞬间做出反应。因为没有超光速信号,这违背了定域实在论,量子理论本身不完备。

1964年,贝尔根据爱因斯坦的EPR实验,推导出一个数学公式,它就是著名的贝尔不等式:

简单来说,这两个具有相反自旋方向的粒子如果同我们的世界一样,那就要同时满足定域性和实在性,他的运动运动必定受限于不等式,否则微观世界和我们的世界不一样,不等式不成立!

万万没想到啊,量子纠缠竟突破了定域实在论,实属鬼魅般的超距作用!两个粒子之间存在于一个超越时空的场里,而在这个场里,时间和空间的概念被严重质疑了。

牛顿认为时间是绝对的,整个宇宙有一个绝对的时间,时间像河流,是均匀的,有方向的,没有起点和终点。

爱因斯坦的相对论认为,时间和空间都是相对的,没有一个绝对不变的时间尺度,但时空作为一个整体是绝对的,物质的存在会使时空弯曲,如果没有物质,时空依然存在,只不过是平坦的。

但在晚年,爱因斯坦的观点发生了变化,他认为不存在一无所有的时空,没有物质就没有时空,时空与物质同生同灭。

霍金的奇点时空说认为时间一定有奇点和结束,奇点就是时间开始或结束的地方,时空与物质同时从宇宙大爆炸中产生。

当下,量子力学或许能够解释我们回忆和想象在内的很多现象,从某种程度上说,人一生中获得的思想启发确实很像是量子态的隔空纠缠。

我们自以为高冷的新物理学中其实栖息着一种富有诗意的探索方法,它为我们展现了另一种大开脑洞的方法,推动着我们跳出樊笼去看待自我,社会和物质世界,进而改变我们与物质世界的关系。

END

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