|
量子力学一百多年前就已经诞生了，但是至今人们也不清楚量子力学的底层逻辑到底是什么。量子力学不仅让普通吃瓜种群感到困惑，即便是伟大的物理学家们，他们也无法理解量子世界里的运行规律。科学家们只知道量子世界里的确存在很多诡异现象，但并不知道那些诡异现象背后的本质到底是什么。  下面尽可能以通俗的语言来分享量子力学到底是一个怎样的理论。 首先，何为量子？ 量子是现代物理学中很重要的一个概念，任何物理量如果存在最小的不可分割的基本单元，就称该物理量是量子化的，最小的基本单元就是量子。可见，量子并不是电子和光子那样的基本粒子，它只是一个物理学概念。 量子力学是描述微观世界运行规律的理论，它与经典物理学有着本质的区别，这种区别是颠覆性的，可以说完全违背我们日常生活认知，甚至颠覆我们的世界观和宇宙观。  除量子力学之外的所有物理学，都是经典物理学，包括牛顿力学，爱因斯坦的相对论，麦克斯韦的电磁理论等。虽然相对论对我们的宇宙观也有很大的颠覆，但这种颠覆并不是最根本的，更多的只是时空观的颠覆，相对论也承认这个世界是确定的，可描述可预测的，因果律统治着我们的世界。 但是量子力学对人们世界观的颠覆是超乎想象的，在量子世界里，微观粒子完全不用遵循经典物理学定律，那里的一切都是模糊的，都只能用概率去描述，甚至连我们认为固若金汤的因果律，到了量子世界都不再适用了。 在我们的现实世界，除了最基本的因果律之外，还有光速限制，任何物体和信息的传播速度都不可能超过光速，但光速限制在量子世界，似乎也不再成立了。  最典型的例子就是量子纠缠，一个让爱因斯坦也感到无比困惑的诡异现象，也被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”。两个发生纠缠的粒子，不管相距多远，都可以瞬间感应到彼此的存在，如果某个粒子的状态发生改变，那么另一个粒子会瞬间做出相应改变，就好像两个粒子之间存在某种神奇的“心灵感应”一样。 这也是为什么量子纠缠被誉为量子世界里最让人难以理解的现象之一。物理学界是这样定义量子纠缠的。当两个或多个粒子发生相互作用之后，单个粒子原有的属性消失不见，只会体现出整体的属性。  可以用这种方式来通俗描述量子纠缠。纠缠中的粒子就像是一副手套，把两只手套放在密封的箱子里，我们并不知道箱子里放的是左手套还是右手套。现在把这两个密封的箱子分开，不管分开多远，哪怕是分别在宇宙的边缘，只要我们打开其中一个箱子，发现是左手套，那么立刻就能知道另一个箱子里是右手套。整个过程并没有任何信息传递，我们凭什么会瞬间知道另一个箱子里是右手套呢？ 两只手套是整体，可以认为是“纠缠关系”，相当于两只手套一直处在“纠缠”状态中。 说白了，纠缠中的两个或多个微观粒子，就相当于一个粒子，因为纠缠中的粒子只能描述整体性质，并不能描述单个粒子的性质。  虽然量子纠缠过程中并没有传递任何信息，但这种现象仍旧让物理学家们感到困惑。人们至今也没有完全弄明白量子纠缠的过程到底是如何发生的。不过，物理学家们利用诡异的量子纠缠现象，可以制造出强大的量子计算机，性能远超如今的电子计算机，甚至可以说是“降维打击”，为什么？ 因为现代电子计算机，不管性能多强大，计算速度多快，都不能超过光速。我举个例子来对比，就能知道电子计算机，也就是如今我们用的计算机，与量子计算机的差距了。  有两捆电线，每捆都有100根，我们对每捆电线中的100根电线标上记号，分别标注上从1到100的数字，我们并不知道每根电线的号码到底是多少。 现在，让两捆电线中数字相同的两个电线连接起来，我们该怎么做呢？ 由于不知道电线到底是多少号，只能一根一根去试。运气好的话，可能一次就成功了，运气不好的话需要尝试100次才能对接成功。而且每次尝试都可能需要很多次才能成功。 即使每次都运气最好，也需要100次才能对接成功，而如果每次运气都是最坏，,需要多少次才能对接成功呢？ 100乘99乘98......一直乘到1！ 这就是简单的数学运算，不用计算这个数是多少，但肯定很大很大！ 而实际上，这就是现代电子计算机的工作原理。虽然上述例子不太严谨，但本质没有什么不同，只是计算机的速度足够快，能够在很短时间里计算近乎无数次，相当于尝试无数次，当然可以在瞬间尝试出正确的答案。 而量子计算机完全不用那么麻烦，那么“笨拙”。那分别有100根电线的两捆线，就相当于处于纠缠状态的两百个微观粒子，它们可以瞬间感应到彼此，因此两个号码相同的电线可以瞬间找到对方，然后连接起来，根本不用任何时间。 这就是量子计算机的厉害之处。 当然，以上只是理论上分析，现实中很难制造出如此强大的量子计算机，因为要让很多微观粒子处于纠缠状态是很难的，因为微观粒子很容易受到外部环境影响，从而发生“波函数坍缩”，中断纠缠状态。  除了量子纠缠之外，量子世界还存在着更让人无法理解的现象：叠加态。 所谓的“叠加态”，就是说微观粒子具有某种叠加属性，比如说电子的自旋方向，其实是处于同时朝上和朝下的叠加态。我们可以用宏观世界来打比方就能知道叠加态到底有多诡异了。  很多人都玩过掷硬币游戏，当硬币在空中转动时，我们并不知道硬币是正面还是反面。但我们知道的是，不是正面，那肯定是反面，也就是说，硬币的状态只能有一个，要么是正面，要么是反面。而且不管是正面还是反面，其实早就确定了，只是我们不知道而已。 但如果这枚硬币来到了量子世界，一切都不同了。硬币的状态发生了本质变化，不再处于“要么正面，要么反面”的唯一状态，而是一直处在“既是正面又是反面”的叠加状态。 当我们想知道“既是正面又是反面”到底是一个什么状态时，只能去观测，但奇怪的是，只要我们以观测，硬币就会从“既是正面又是反面”的叠加态，瞬间坍缩为“要么正面，要么反面”的唯一确定状态。 可以看出，这就是一个“鱼和熊掌不可兼得”，或者说“矛盾”的无解情况，我们永远不可能亲眼看到所谓的叠加态到底是什么状态，只能去想象或者用理论去强行描述，为什么？  因为要想知道，就必须进行观测，但任何形式的观测，都会导致硬币的“波函数”发生坍缩，从所谓的叠加态坍缩为唯一的确定状态。要想不破坏硬币的叠加态，就不能做任何观测，但不观测就不可能具体了解叠加态！  虽然叠加态看起来很“无解”，但是物理学家们有的是办法确定叠加态真的存在，著名的电子双缝干涉实验就是最好的证明，不观测电子时，电子就会呈现无处不在的叠加态，波动状态，或者说“既是粒子又是波”的叠加态，只要观测，电子就会坍缩为确定的粒子状态。 量子力学中的这种叠加态，实际上也是不确定性的另一种表现形式。而爱因斯坦和薛定谔等物理学界大佬对不确定性和叠加态非常厌恶，于是也有了著名的思想实验，薛定谔的猫，那是薛定谔专门用来讽刺并质疑哥本哈根学派关于量子世界的不确定性诠释。  薛定谔的猫这个思想实验，其实早就被说“烂”了，我也曾经科普过多次，今天实在不想再多说了。总之就是，该思想实验试图把微观世界与宏观世界建立联系，然后把量子力学中的叠加态引入到宏观世界，结果带来了与现实世界相悖的结果，这个结果就是“既死又活”的猫，这只猫处于“既死又活”的叠加态。 当然，我们都知道，现实中不可能存在这样一只猫，无论是在科学上还是哲学上，这样的猫都不可能存在。随着越来越多的物理学界大佬试图诠释薛定谔的猫，也在一定程度上推动了量子力学的发展，提出了很多很多疯狂的理论，比如说平行宇宙理论，甚至还有虚拟世界理论，当然也有更具说服力的退相干理论。 总结 量子力学为什么如此诡异，其实我们并不知道，这也是很多物理学界大佬都表达了这样的观点：如果你第一次读到量子力学，认为自己明白了量子力学，恰恰说明你对量子力学完全不了解！ 虽然量子力学很诡异，但物理学家们知道所有的诡异现象并不是猜测，更不是假说，而是真实存在的。更重要的是，虽然量子力学的核心思想是不确定性，但毫无以为量子力学是一门最精确的理论，能够在最基础的层面描述微观粒子的运行规律。 更很重要的是，虽然物理学家们不理解量子力学的最底层逻辑，但这并不影响量子力学走进我们日常生活，除了上面所讲的量子计算机之外，量子力学早就广泛应用在很多其他领域，比如说量子化学，超导磁体，二极管，晶体管和半导体等，我们日常生活中离不开的手机和电脑芯片，就包含有量子科技！ 也许，我只是说也许，微观世界的不确定性和随机行为才是世界的真相，而我们每天看到的所谓客观真实世界，只是我们的错觉而已。 完！ |
|
|
