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文科生也能理解量子理论:但是细思极恐(一)

上一篇推送《量子通讯是个什么鬼?能用来打仗吗?》在各个平台都引起了热烈讨论,这除了归功于黄种人智商普遍较高之外,还要归功于我国基础教育的普及,无论如何能全民参与量子理论的探讨,在任何国家都不可能做到。

确实,每天都关心世界和平是有点枯燥,既然大家对科学有这么强烈的兴趣,东升时评(微信公众号dssp99)就跟大家多聊聊科学、多动动脑,没准我们的整个视野都会开阔起来!因为你要知道,聪明的大脑在任何领域都不会笨。

 

同样,这篇文章笔者依然不会堆砌“哥本哈根解释”或者“贝尔不等式”等科学名词来装逼格很高,也不会拿出来“Ψ=δ(x1x2L)δ(p1+p2)”之类的老百姓连符号都认不全的方程或者搬出来“恩格勒-格林伯格对偶关系式”之类的术语来掩饰浅薄。


东升还是只用文科生都能看懂的语言展开对话,目的是让所有人甚至初中的小朋友都能看懂量子理论描述的是什么,如果你用心思考了,笔者保证你能看懂文章所表达的全部内容,但是,读完这篇文章你如果觉得自己能完全理解量子世界了,那么......

请在读一遍!


 

言归正传!上篇文章说到,爱因斯坦看了波尔的量子理论之后,实在是无法认可,爱因斯坦坚信这个宇宙不存在“鬼魅作用”,到死都没有跟波尔达成一致。这篇文章就聊聊量子世界到底有哪些“异灵事件”让爱因斯坦一辈子耿耿于怀的!

做好心理准备,细思极恐的哦。

 

“上帝说要有光,于是就有了光”,“光”这种东西太重要了,光到底是什么?人类也一直在思考这个问题,中国的墨子最早提出光沿直线传播的概念,并且最早发现小孔成像的原理,因此这次发射的量子通讯实验星也是以墨子命名,就是为了纪念他。


近代物理关于光最初的争论还是源自于牛顿,根据牛顿的解释,光这种我们熟知的东西是粒子形式的,也就是说我们平时看到的光束牛顿认为是一粒一粒的光子连续组成。这样就解释了为什么光会反射和折射,当然同时期还有惠更斯等科学家认为光是一种波动,但是由于牛顿的学术地位,当时的科学界也都更加倾向于牛顿的说法:光是一种粒子。

直到十九世纪托马斯杨为了更好的研究光学,进行了著名的托马斯杨双缝干涉实验,这才一步一步揭示了光的真相。

这个实验非常著名,因为它从此在物理学界释放出来一个“幽灵”,这就是量子幽灵,之后这个幽灵困扰了人类一个多世纪,直到现在不但没有被科学界彻底解读,反而越来越令人困惑。

 

首先我们看光是如何通过单缝的:

 

这个图很好理解,一束光被假设成一个个的光子,在通过一个缝隙后,射在后面的背景墙上形成一道光斑。

很容易想象,我们在傍边再加一条同样的缝隙之后,屏幕上应该有两道同样的光斑如下图:

 

但是事实上跟我们想象的结果完全不同,托马斯杨在现实中得到的并不是两道光斑,而是光的干涉条文,如下图:

 

这让科学家很迷惑,就尝试随时遮挡其中一个缝隙看看是什么结果,然后得到的仍然是一条光斑,不遮挡的时候就是干涉条文,也就是说,只要你是两条缝隙,光就能在屏幕上形成干涉条文。

为什么不是我们想象的两条光斑而是干涉条纹呢?这中间到底发生了什么?科学家一开始解释为:这应该是光子太多,同时通过两个小孔的时候过于拥挤造成的,然后科学家就一颗一颗发射光子,一颗光子打到对面屏幕上之后,再发射另一颗,看看会是什么情况!

 

然后让科学家抓狂的事出现了,每两颗光子无论中间间隔多长时间发射,甚至把实验装置搬到另外的地点再发射,每一颗光子看似随机落在对面的屏幕上,但是很多光子的累加效果,最终还是会形成干涉条文!

 

也就是说,光子在发射的一瞬间,已经“知道”自己要穿过的是两个窄缝而不是一个!

 

难道所有光子之间都有一种默契?不但在没有发生前“知道”要遇到的是一个还是两个“窄缝”,而且“知道”其它光子的路径?然后互相形成干涉?

 

科学家不满意这个解释,又把光的波动学说搬了出来,因为我们知道,波在传播的时候是可以同时通过两个窄缝的,如下图


 如图,然后在窄缝的另一侧形成两条波,互相干涉之后,波峰在对面的屏幕上产生亮度,波谷就暗了下来,这就是干涉条纹。

好吧,只要承认光是一种波,这个问题解释起来就非常完美,令科学家很兴奋,终于可以摆脱光子可以通灵的尴尬境地了。

 

但是好景不长,科学家陆续发现,不但光子,电子也有这种特性,难道电子也是一种波?光子是没有质量的,因此它能被看作是一种波也可以接受,但是电子可是有微弱质量的!这如何理解?

电子也就罢了,令人惊悚的事一件一件的出现,中子甚至原子都产生了这种干涉现象,难道这些超大的、有绝对质量的粒子也是波?

 

这太不能令人信服了,因为构成我们世界的就是原子,是切切实实能被我们看到的具体存在,如果把它们说成是由看不见摸不着的波构成,谁能相信呢?又该如何理解呢?

因此科学家就设计了巧妙的实验,想看看这些粒子通过窄缝的时候,到底会发生什么!

 

如图,科学家在双缝傍边加上一个高速摄像机,想看看粒子是如何通过窄缝的,这一加不好!另一个量子幽灵又跳了出来:

实验结果令科学家无法相信!因为只要科学家一打开摄像机,干涉就鬼魅一般的消失不见了!屏幕上出现了两条光斑,完全没有干涉痕迹;关闭摄像机之后,干涉条纹又会瞬间出现!也就是说,粒子无论如何不让人类看到它是如何通过窄缝的。

这下又回到了起点!粒子是如何“得知”的科学家放了摄像机呢?难道不得不承认粒子是有意识的么?

那么既然原子、中子、微小到光子都有自己的意识,“意识”的真相是什么?科学家再次陷入“量子幽灵”制造的陷阱。

 

所有科学家都开始尝试解读这种现象,其中最著名的是玻尔的解释,他认为粒子同时具有波和粒子的双重属性,而且我们在准确得知其中一种属性的时候,另一种属性就无法准确测得。

但是爱因斯坦不这么认为,他认为只要是存在的东西,必然有它们的实在属性,不可能有无法确定的叠加状态存在,也不可能有超定域的关系存在,如果无法解释那就是还有隐变量还没有被我们发现,这个论断就是那个大名鼎鼎的:“定域实在性”!

薛定谔甚至用半死不活猫来讽刺玻尔,这个半死不活猫的“思想实验”流传很广,大家都听说过:


 大概意思就是,房间里有一只猫,还有一些可以衰变的放射物质,放射物质的衰变会引起毒气瓶的泄露而杀死猫,但是我们又不知道放射物质什么时候会衰变,这就形成了一个未知的叠加态,按照爱因斯坦的解释,猫的状态是肯定的,不管我们打不打开房间去看猫,它不是死的就是活的二者必有其一。但是根据量子力学的解释,猫只有在打开盒子的一瞬间(人类的观测)才决定了它的生死,也就是说,在没有打开房间门之前,猫处于一种半死不活的状态,这违反一般的常识和人类逻辑!,因此爱因斯坦和薛定谔当年用这个“思想实验”来嘲讽量子力学。

“上帝不会掷骰子!”爱因斯坦这样对玻尔说道,玻尔反击:“亲爱的爱因斯坦,请不要命令上帝做什么。” 


这种争论一直持续到爱因斯坦百年诞辰,在这次盛会上,约翰惠勒提出一个新的实验设计:我们在粒子通过窄缝后,再放上观测设备查看粒子曾经通过了哪条缝,这样就排除了人们观测对粒子通过双缝时的微弱影响!

如果爱因斯坦说得对,粒子既然已经通过窄缝了,肯定就固定了一种状态,这时候测量不会影响结果,反之,如果它还是测不准的话,那就是玻尔说得对!

没想到的是,这个实验又放出来另一个新的量子幽灵!实验结果发现:粒子通过窄缝之后,无论你什么时间打开观测设备,干涉就会瞬间消失,图像变成两条亮纹,当你关闭观测设备的时候,干涉景象又会瞬间出现!

也就是说,我们“后来”的观测动作,决定了“之前”的粒子通过窄缝的方式!我们现实世界的因果关系,都在这次试验中坍塌了。

 

是的,任何事情只有发生后才会有它的结果,这是我们所有“思考”的逻辑基础,也是我们引以为傲的“自由意识”存在的基石!

但是量子世界告诉我们,很可能我们看到的结果,决定了之前这件事的发生!

 

这下连逻辑都坍塌了!  


我们真实存在的世界真的是我们看到的那样么?当你看到月亮的时候,它是真切存在的,当你不看它的时候,它其实就是一个虚妄的概念或者一个“波函数”。

难道世界真的是因为我们的观测才“成为”它现在的样子,而不是真实存在之后任由我们随便观测都不会改变么?

难道我们睁开眼睛的时候,世界是一番美好的景象,但是只要我们把眼睛一闭上(包括五感),世界就变成了另外的模样?

 

这甚至解释了人类死亡后的世界:每个人死亡后,宇宙不是唯心主义描述的那样跟随着个体的死亡不存在了,自由意志也不是唯物主义描述的那样瞬间消亡于现实宇宙之中了,而是宇宙和自由意志在人类死亡之后都同时变成了能互相叠加的“波函数”!

这个观念太耸人听闻了!

人类通过量子世界是如此真切的第一次触摸到了死亡的真相,真的是令人脊背发凉,细思极恐!


自由意志是什么?是不是所谓的自由意志早就存在于宇宙之中了?自我是什么?是不是我们的一个错觉?我们生活的世界的真相又是什么?是不是只是一个波函数?物理学直接变成了哲学了!

 

更极端的唯心主义推想就不再陈述了,免得有世界观还没形成的年轻人受到本文误导。

 

每次科学翻过一座座大山以为来到了另一个科学的巅峰的时候,宗教就会笑眯眯的站在那里打招呼:“嗨,你好~等你很久了!”

 

最终科学还是要向宗教臣服么?要向迷信臣服么?要找出来一个能解释万物的神臣服么?

不!科学家们是不会接受这种结果的,很快,科学家就设计了新的实验来验证这一现象,但是结果不但没有让科学家走出困惑,反而又多放出来一个新的量子幽灵,下一篇咱们接着说!


在文章结尾,读者看到这句话的时候,一定要放下对这些科学知识的敬畏,对自己的大脑要充满信心,才能跟着东升一起,打破思想的桎梏和束缚,充分放飞自己无边的想象力,在头脑的天际中自由驰骋!最终,你一定会顿悟生命存在的真正意义!

但是前提是你要有坚定的科学信念,否则容易误入歧途,下一篇文章就对刚才所有的困惑一一做出解答。

 

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