爱读书 读书有感 八分钟看完《上帝掷骰子吗?》| 量子力学告诉你,这个世界到底有多诡异!

八分钟看完《上帝掷骰子吗?》| 量子力学告诉你,这个世界到底有多诡异!

今天我又要和大家讲个故事了。

话说阿喀琉斯是希腊的一个大英雄,这家伙跑得很快。有一天他碰到一只乌龟,乌龟嘲笑他说:“别人都说你厉害,但我看你如果跟我赛跑,还追不上我。”

阿喀琉斯大笑:“这怎么可能,我就算跑得再慢,速度也有你的10倍,哪会追不上你?”

乌龟说:“好,那我们假设一下。你离我有100米,你的速度是我的10倍。现在你来追我了,但当你跑到我现在这个位置,也就是跑了100米的时候,我也已经向前跑了10米。当你再追到这个位置的时候,我又向前跑了1米,你再追1米,我又跑了1/10米…总之,你只能无限地接近我,但你永远也不能追上我。”

阿喀琉斯怎么听怎么有道理,顿时一脸懵逼。

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不过也不怪阿喀琉斯,按照乌龟的说法,即便是火箭也追不上它,这就是哲学史上著名的芝诺悖论。那么问题出在哪里呢?要想知道答案,你就必须了解20世纪物理学最伟大的发现之一——量子力学。

掐指算来,量子概念的诞生已经超过整整100年,但不可思议的是,它的一些基本思想却至今不为普通大众所熟知。究其原因,大概是因为它太过诡异,以致量子论的奠基人之一玻尔都要说:“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论。”

今天要介绍的这本书——《上帝掷骰子吗》,是一本关于量子论发展的科普史话,豆瓣评分高达9.2,超过14000人参与评价。由于本书对量子力学的发展史已经写得十分详尽,这里我不打算仍按照书中结构再费笔墨,今天我们主要来聊聊量子力学里面那些令人匪夷所思的现象,以及由此产生的各种光怪陆离的解释。

不过在此之前,我们先去看看传说中的量子论是如何诞生的。请大家坐稳扶好,系好安全带,我们要开车了!

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1. 黑体辐射和不连续性

量子论的诞生最初来源于著名的“黑体辐射”问题。科学家们在研究这个问题时发现采用经典物理方法根本解释不通,他们按照辐射出粒子还是波两种不同形式推导出了两个对应的黑体辐射公式,但都无法完全适用,一个适用于短波,在长波范围失效,另一个则适用于长波,在短波范围失效。

这就很尴尬了,就像你有两套衣服,其中一套上衣十分得体,但裤腿太长;另一套的裤子倒是合适了,但上衣却太小。这时候你可能会说,那么能不能穿第一套的上衣,然后搭配第二套的裤子呢?

答案是不行,因为这两个公式推导的出发点是不一样的,一个是从粒子的角度,另一个是从波的角度,两者完全不是一回事。

然而不行归不行,有没有办法在这两个公式的基础上变化一下再弄出一个新的公式出来,让它在短波和长波范围同时适用?一个叫做普朗克的小伙子决定试一下。

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(左为年轻时的普朗克,右边嘛…)

你还别说,真就让他搞出来了,那就是著名的“普朗克黑体公式”(公式有点复杂,略过)。但是有个问题,虽然公式搞出来了,但是背后代表的物理规律是什么我们完全不清楚啊!为什么会遵循这样一个公式?普朗克对此是知其然却不知其所以然。

为了能够解释他的新公式,普朗克决定抛却他心中的一切传统成见,于是他提出了如下假设:

在处理熵和几率的关系时,就必须做一个假定,假设能量在发射和吸收的时候,不是连续不断的,而是分成一份一份的。

能量不是连续不断的,但这有什么了不起呢?你还别说,它真的就很了不起!

自从伽利略和牛顿用数学规则驯服了大自然之后,一切自然的过程就都被当成是连续不断的。如果你的中学物理老师告诉你,一辆小车沿直线从A点行驶到B点,却不经过两点中间的C点,你一定会觉得老师应该“下课”了。

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自然的连续性是如此的不容质疑,以致几乎很少有人会去怀疑这一点。对能量来说,也是这样。我们总认为能量的释放是连续的,它总可以在某个时刻达到范围内的任何可能的值。这种连续性、平滑性的假设是微积分的根本基础,牛顿、麦克斯韦那庞大的体系便建立在这个地基之上。

但普朗克的方程倔强地要求,能量必须只有有限个可能态,它有一个最小的基本单位,不能是无限连续的。这个基本单位就是“量子”。

正是这个假定,推翻了自牛顿以来200多年,曾经被认为是坚不可摧的经典世界。这个假定以及它所衍生出来的意义,彻底改变了自古以来人们对世界的最根本的认识。

我们现在回过头来看一下文章开头提到的那个芝诺悖论,为什么阿喀琉斯会追不上乌龟?原因就在于在乌龟的说法中默认空间是可以无限分割的,阿喀琉斯在追的过程中每次必须到达乌龟的新一次起点才行。

但现在我们知道了,空间也是不连续的,阿喀琉斯最小的运动单位是“一步”,他根本不会走出乌龟所说的1/100米、1/1000米这样的尺度,因此超过它是分分钟的事,芝诺悖论也就game over了。

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了解完量子论的起源,接下来我们就要来说说量子领域里那些诡异的现象了。这里我需要先给你打个预防针,下面的内容极有可能会让你的世界观崩坍!如果你已经做好准备,那就深吸一口气,开始跃入神奇的量子世界。

2. 不确定性原理

不确定性原理说的是,我们不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度。

在经典力学中,一切都是确定的,完美遵循因果定律,但量子世界不吃这一套!你想知道一个粒子的速度可以,但你无法知道它现在在哪里,而一旦你想精确知道它的位置,那么抱歉,速度无可奉告!

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而除了位置和速度之外,能量E和时间t同样遵循不确定性原理。能量变化量ΔE和时间变化量Δt乘积必须大于普朗克常数h。这告诉我们,当时间极短时(Δt趋于0),能量的变化量可以趋近于无穷大,也就是说,在t非常确定的一瞬间,能量可以凭空产生和消失!

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看到这里你可能要说了,不确定性原理是有点奇怪,但完全没有达到你说的世界观崩坍的程度啊,糊弄谁呢,我要取关!

等等,你先别急,且听我继续往下说。量子力学真正诡异的不是不确定性原理,而是由此导致的一些推论和解释,首当其冲的就是量子的态叠加与塌缩。

3. 量子态叠加与塌缩

根据我们的日常经验,客观物体一定要有一个确定的空间位置,这种存在,是不以人的意志为转移的。比如说你现在在房间里,或者说你现在不在房间里,两者必居其一。但是量子世界可不是这样的,它就说你现在既在房间里,又不在房间里!

什么鬼?什么叫既在又不在?难道我精神分裂了不成?虽然不可思议,但量子力学还真有一种分裂的解释,这点后面我们会说到。

回到这个既在又不在的问题,量子力学告诉我们,在观察之前,粒子的位置是不确定的,它的位置分布遵循一个波函数,在所有可能出现的位置,它都会出现。当你没有观察的时候,它同时出现在所有可能的位置,处于所有位置的叠加态,而一旦你去观察它,这时候就会导致波函数塌缩,它瞬间就会选择在一个确定的位置出现。

这样的论述你可能觉得太抽象,没关系,我来给你举个例子你就明白了,还是用我们之前在《极简宇宙史》中说的那个例子。

假想一个情境,比如有一个电子要去北京,它可以选择坐飞机、高铁、自驾甚至走路过去,每种交通方式都有可能。现在,你在北京见到了它,你知道它是从上海过来的,但不知道它具体是怎么来的。那么我问你,它是怎么来的呢?

答案是:它同时坐飞机、高铁并且自驾还走路过去!这就是量子世界的诡异之处,从起点到终点,所有运动路径都有可能,并且都会发生!

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现在还是那个电子,还是从上海到北京,这回你想搞清楚它是怎么去的,于是你到高铁上去找它。结果,你真的发现它了!那么,这回它是怎么去的北京呢?没错,就是你所看到的,坐高铁!

飞机、自驾、走路等等方式统统不存在了!因为你观察了它,它就只有一种路径!这便是量子波塌缩。也就是说你的观察使它从一秒钟的许多分之一之前的所有可能同时位于的位置之中选出了唯一一个。

换句话说,量子波塌不塌缩取决于你有没有去观察它。这意味着什么呢?意味着经典理论中说的我们脱离一个绝对客观的外部世界而存在的说法不成立了!没有所谓的客观世界,因为我们自己也已经融入到这个世界中,我们的观测行为会对这个客观世界产生影响。

看到这里你可能又要说了,即使真的和我说的一样,观测本身会对客观世界产生影响,但你不能直接就推断说客观世界就不存在了啊,我们不去观察的话,客观世界不还是那个客观世界吗?

虽然你的说法有点道理,但我想告诉你的是,如果我们都不能去观测,那存在的那个客观世界是没有意义的。或者更极端一点,如果我们不能去观测,那么甚至可以认定它根本就不存在!

为什么这么说?著名的卡尔·萨根曾经在《魔鬼出没的世界》里举过一个很有意思的例子。

“我的车库里有一条喷火的龙!”他这样声称。
“太稀罕了!”他的朋友连忙跑到车库中,但没有看见龙。“龙在哪里?”
“哦,”萨根说,“我忘了说明,这是一条隐身的龙。”
朋友有些狐疑,不过他建议可以撒一些粉末在地上,看看龙的爪印是不是会出现。但是萨根又声称,这龙是飘在空中的。
“那既然这条龙在喷火,我们用红外线检测仪做一个热扫描?”
“也不行。”萨根说,“隐形的火也没有温度。”
“要么对这条龙喷漆让他现形?”
“这条龙是非物质的,滑不溜手,油漆无处可粘。”反正没有一种物理方法可以检测到这条龙的存在。
萨根最后问:“这样一条看不见摸不着,没有实体的,飘在空中喷着没有热度的火的龙,一条任何仪器都无法探测的龙,和‘根本没有龙’之间又有什么差别呢?”

同样的道理,你说的那个客观世界,如果我们都不能去观察,那它跟不存在又有什么区别呢?

这就好比牛吃草那个笑话,明明就是一张白纸,你非要说上面画的是牛吃草,问你草在哪里,你说被牛吃了,问你牛呢,你说吃完草走了!是不是这个道理?

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4. 薛定谔的猫与多宇宙解释

前面说的量子波塌缩的行为实在很匪夷所思,如果这种行为真的出现在我们宏观世界,又会是什么样的情景?当然,还真有人这样想过,他就是大名鼎鼎的薛定谔,不过,比他更出名的可能是他的那只猫。

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关于这个实验,我们在《极简宇宙史》中也已经进行了详细的介绍,大家可以再打开那篇文章温习一下,这里我就不赘述了。

今天我们要重点解决的是那篇文章留下的一个疑问,没打开盒子前,猫既死了又活着,如果你打开盒子后发现猫活着,那么之前那只死了的猫去哪里了?

要回答这个问题,我们需要来介绍量子力学的多宇宙理论。这个理论最主要的观点是,我们每一次观测其实并没有导致量子波塌缩,而是造成了一次分裂!

什么意思呢?就是说当我们打开盒子观测时,宇宙分裂为两个完全平行的宇宙了,在其中一个宇宙中,猫是活着的,而另一个宇宙中,猫已经死了。在活猫那个世界里的你,看到的就只有活猫,在死猫那个世界里的你,看到的就是死猫。

看到这里,我估计你又有疑问了,前面刚说观察会导致量子波塌缩,现在又说没有塌缩,而是分裂成两个宇宙了,到底哪一个才是正确的?

虽然我也很想告诉你一个正确答案,但实在是没办法,因为科学家们自己也不知道哪一个解释才是正确的。因为量子现象就是那么诡异,为了解释这种诡异的现象,科学家们不断提出各种可能的解释,而比起前面提到的量子波塌缩的哥本哈根解释,多宇宙理论还是相对靠谱的,因此现在也是得到了大多数人的支持。

为什么说多宇宙更加靠谱呢?如果要详细和你解释的话会很复杂,建议你去看原著,这里我大概几句话提一下。

首先,按照哥本哈根解释去推论的话,结果是只有我们人去观测才会造成量子波塌缩,但是动物去观测就不会,最终的结论是“意识导致量子波塌缩”!但是意识又是什么鬼?没人说得清楚。

这对物理学来说无疑是灾难性的,物理学是研究客观世界运行规律的,最后你竟然告诉我说一切都是由意识决定的,疯了吗?所以,哥本哈根解释这条路基本上已经快走不通了,越研究下去就越玄乎。

那么多宇宙解释又能好到哪里去?每观测一次就导致宇宙分裂一次,那现在到底有多少个宇宙?如果真有这么多宇宙,为什么我们一个也没看到?

虽然多宇宙看起来也怪异得很,但是却有一定程度的理论支撑,其中最主要得就是相干性。下面我简要介绍一下,更多精彩内容还需要你移步原著阅读。

假设有A、B两个质点人,他们生活在一维世界里,其中A生活在x轴,B生活在y轴,因为x轴和y轴互相垂直,因此他们对于对方生活的世界是一无所知的,原因很简单:x和y互相垂直,x轴在y轴上没有投影,反之亦然。

对于A来说,他完全无法得知B的世界发生了什么事情,这时候我们就说两个世界是正交的、不相干的。但是x轴和y轴垂直正交是非常极端的例子。事实上,如果我们在二维平面里随便取两条直线作为“两个世界”,则他们很有可能并不互相垂直。那样的话,B世界仍然在A世界上有一个投影,这就给了A以一窥B世界的机会(虽然是扭曲的),这时候A、B世界就是相干的,B和A在一定程度上仍旧能够“互相”感觉到对方。

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在平面上取两条直线,它们有极大的可能性不相垂直。在三维空间中任意取两个平面作为两个“世界”,情况也好不到哪里去。但是,当维度很高时,我们随便取两个切片,其相互垂直的程度就很可能要比二维中的来得大。因为它比二维有着多得多的维数,亦即自由度,彼此在任意一方向上的干涉程度自然大大减小。

懂得了这一点,我们就可以来解释为什么你看不到分裂的宇宙了,因为你一观察,引入了一个极为复杂的态矢量和一个维度数极高的希尔伯特空间,原本较低维度、相干的微观世界,瞬间就退相干了,你只能在自己所处的那个世界里看到对应的结果,其他世界里你无法感觉到!

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哈哈哈不管了,反正我能解释的就这么多,如果你还是不懂的话就去看原著吧,我已经尽力了。总之,多宇宙解释告诉我们,量子的叠加态一直都存在,没有因为你的观测导致塌缩,而是退相干了,此时你只能看到你的那个世界里的结果,其他结果在别的世界里存在,但是你看不到。

5. 量子自杀

前面说到哥本哈根解释和多宇宙解释,我们暂时不知道哪种说法是正确的,那么有没有办法设计个实验验证一下呢?事实上还真有,但是这个实验有那么一点点奇怪…

这个实验叫量子自杀,是薛定谔猫实验的一个真人版。假设有一位勇于为科学献身的仁人义士,他自告奋勇地去代替那只倒霉的猫,为了让他少受痛苦,我们把毒气瓶改为一把枪。如果原子衰变,则枪就“砰”地一声送我们这位朋友上路,反之,枪就只发出“咔”地一声空响。

现在关键问题来了,根据哥本哈根解释,你有一半可能听到“咔”一声然后安然无恙,另一半可能会听到“砰”一声然后什么都不知道了。而根据多宇宙,必定有一个你听到“咔”,另一个你在另一个世界里听到“砰”。

但问题是,听到“砰”的那位随即就死掉了,什么感觉都没有了,这个世界对“你”来说已经没有意义了。对你来说,唯一有意义的世界就是你活着的那个世界。

所以,从人择原理(建议百度下)的角度上来讲,对你唯一有意义的“存在”就是那些你活着的那个世界。你永远只会听到“咔”而继续活着!

如果我们多次重复这个实验,此时哥本哈根的预言是:就算你运气非常好,你也最多听到好几声“咔”然后最终死掉。但多宇宙的预言是:永远都会有一个“你”活着,而他的那个世界对“你”来说是唯一有意义的存在。只要你站在枪口面前,那么从你本人的角度来看,你永远只会听到“咔”的声音,你永远不死(虽然在别的数目惊人的世界中,你已经横尸遍野,但那些世界对你没有意义!)

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但是要你从枪口移开,你就又会听到“砰”声了,因为这些世界重新对你恢复了意义,你能够活着见证它们。总而言之,多宇宙的预言是:只要你站在枪口(对你来说)它就绝对不会发射,一旦你移开,它就又开始随机地“砰”。

所以,对这位测试者他自己来说,假如他一直听到“咔”而好端端地活着,他就可以在很大程度上确信,多宇宙的解释是正确的。假如他死掉了,那么哥本哈根解释就是正确的。不过这对他来说已经没有意义了,人都死掉了。

但很可惜的是:就算你发现了多宇宙解释是正确的,这也是对你自己一个人而言的知识,因为对于我们这些旁观而言,你总会在若干次“咔”后被一枪打死,虽然你可能在某个世界里活得逍遥自在,但是我们这些“外人”被投影到你那个世界的概率极低,而对你来说你存在在那个世界的概率是100%。

饺子曰

看完上面这些内容,不知道你现在处于什么样的状态,反正我已经濒临精神分裂了,如果你现在感到头晕目眩、身体不适,建议去看一场世界杯压压惊。

不过我要提醒你的是,即使是世界杯,在C罗射门的那一瞬间,存在着进球和不进球两种可能,并且都会发生,如果你看到没进球,那么在另一个平行宇宙里的你,看到的必然是C罗进球了。

同样的道理,你思考一下,到底还要不要赌球?

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原文始发于:八分钟看完《上帝掷骰子吗?》| 量子力学告诉你,这个世界到底有多诡异!

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