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鬼魅的量子力学(1):你越相信科学,就越无法容忍它

2022-11-23科学

文/老余


写完【相对论】系列,很多朋友想让我写一写量子力学,说实话,这个主题比相对论的写作难度大太多了,因为:

微观世界依照的完全是另一套物理规则,而这套规则让身在大尺度世界的我们非常陌生,陌生到有一种怪逻辑:

——你越是科学的拥趸,受了越多的科学思维锻炼,你就越无法容忍它;而你越是鬼神论者,越喜欢超能力的东西,你却越能接受它。

如何以科学的态度和笔触去描述这「超能力」的现象,对我来说挑战很大;如何以科学的思维去理解这鬼魅般的量子世界,对你的挑战其实也不比我小。

所以,在和我一起探索的过程中,你要时时提醒自己两点:

1、无论我得出了多么离谱的结论,你都要原谅我,因为我只是知识的搬运工,我不是始作俑者;

2、无论物理学家们推导出了多么离谱的结论,你也都要原谅他们,因为科学之所以从神学的土壤中发芽、生根到长成参天大树,成为人类的第一生产力,是因为它是以「可重复的实验,可证伪的逻辑」为基础的,即使你再不喜欢这个结论,但无数次重复实验的结论就是这个,你也只能认命。

你可能会说:老余你太矫情了,我看你几篇文章而已,不可能会让我想骂人或者弄得我失眠的。

鬼魅的量子力学(1):你越相信科学,就越无法容忍它

我觉得你谨慎一点为好,真的不要太乐观,随便举几个例子,你就知道量子的世界会是怎么的存在?你就知道为何世上最聪明的头脑们为之疯狂了百余年:

  • 穿墙术,原来是真的
  • 我们在电影里经常看到主角隔山打牛、穿墙而过,而我们往往把这类称之为特效、真实世界中不可能发生的事在微观世界里,是电子最基本的本领。

    那你有没有想过这样一个问题?

    既然电子可以穿墙,那中子也应该可以,既然电子、中子都可以,那原子也应该可以,那按道理细胞也应该可以,那由细胞组成的人体,也应该可以... ...

    这么推导下来是没有逻辑问题的,只是每大一个数量级,穿墙的概率就会越小而已,到人体这个数量级,穿墙的概率是有的,只是非常非常非常非常小而已,但并非100%不可能。

    是不是非常反直觉?

  • 在同一时间,电子既可以出现在这里,也可以出现在那里
  • 在宏观世界里,我们从小就明白一条铁律,那就是「物质恒定」——一个物体不会凭空消失,它在一个时间点上,只能出现在一个地方。

    此刻,它不是在这里,就是在那里。

    比如我看蒙台梭利的【发现孩子】时,书上就说孩子在一岁左右喜欢往地上扔勺子,喜欢往沙发下藏遥控器,然后你一遍一遍地将勺子拾起递给他,一遍一遍地从沙发下将遥控器拿出来,这是孩子发现并验证「物质恒定」的感人过程(明白这一点,我们就不会觉得孩子是在淘气了)。

    但在电子的世界里,这条铁律消失了——在同一时刻,它既可以出现在这里,也可以出现在那里,它可以出现在所有地方,而且还可以同时沿着不同的路线前进。

    你说,这是不是非常诡秘难以理解?

    但这还不算啥,我们再看一个更不可思议的事。

    鬼魅的量子力学(1):你越相信科学,就越无法容忍它
  • 诡异的「波粒二象性」
  • 学过初高中物理的朋友对这个词儿不会陌生,说的是光既有粒子的特性还有波的特性(光的干涉衍射实验),我当时学这个的时候,还天真地以为是观察尺度的问题:

    1. 如果从宏观上看,一束光就会表现出波的特性,就像看水面的水波一样;
    2. 如果从微观上看一个光子,它就会表现出粒子的特性,就像看水分子一样。

    但这个认识不仅错了,而且错到了姥姥家去了,真实情况让我差点疯掉:

    1. 即使是一个电子,它也能表现出波粒二象性;
    2. 也就是说,它能自己干涉自己;
    3. 也就是说,它能在同一时间走在不同的路上(不然不会产生干涉条纹);
    4. 更让我要疯的是,两个观测者同一时间观测同一个电子,得出的结论往往还不一样:一个观测者想看这个电子的波动性,它就给这个观测者展现波动性;另一个观测者想了解这个电子的粒子性,它就给这个观测者展现粒子性;
    5. 物理学家甚至做过这样的实验:既然电子能感知到每个人想观测它什么,那我先假装要观测它的波动性,等它快要到达终点的那一刻,我突然改变主意观测这个电子的粒子性,会不会成功」骗过「电子呢?
    6. 你猜这个电子会怎么做?
    7. 它不仅能瞬间放弃自己的波动特性,表现出粒子性,还能改写它自己之前的行为特点,好让前后表现一致。这就好比你此刻看到高考卷子后,还能回到过去来为这次高考题做针对性的准备。
    8. 也就是说,电子好像有思想似的,它会投其所好地改变自己的现在和过去。

    怎么样?是不是诡秘得很?

    下面还有诡秘之极的!

    鬼魅的量子力学(1):你越相信科学,就越无法容忍它
  • 量子纠缠
  • 两个相互关联的粒子,其中一个的状态发生改变,另一个不管两者相距有多遥远,就能在瞬间发生改变。

    这意味着什么?

    这或许意味着某种东西或许能超光速,虽然在我们大尺度宇宙世界里,还没有发现任何物质可以做到这一点。

    ... ...

    以上,还只是说了量子世界里的冰山一角,这些现象如何解释?

    一百多年来,地球上最聪明的头脑一直在思考它、钻研它、怀疑它、反对它、运用它、推广它... ...

    这是一个让人不能善终地学问:比如爱因斯坦,虽然他的「光电效应」理论洞开了量子力学之门,但他一直在反对量子力学,以至于同行绝大多数人不愿意接近晚年的他;

    这是一个让人一战成名的学问:波尔、薛定谔、海森堡、泡利、狄拉克等等都因此而星光熠熠,他们的名字将永远闪耀;

    这是一个让人为之沉沦的学问:看看普朗克(发明普朗克常数的那个)在研究量子力学前后的照片,你就能管中窥豹,从侧面略知一二了。

    鬼魅的量子力学(1):你越相信科学,就越无法容忍它

    研究量子力学前后的普朗克

    前提交代完毕。

    我们就从物理学晴朗天空远处的两朵小乌云开启这趟思想旅程吧,请系好安全带,坐稳,我们出发了!

    鬼魅的量子力学(1):你越相信科学,就越无法容忍它

    两朵乌云

    物理学晴朗天空边上的两朵小乌云

    1900年,东方古国发生了两件大事:

    一是正在经历一场史无前例的浩劫——八国联军侵华;二是义和团打着扶清灭洋的口号,说自己神功护体刀枪不入,就问你们洋人怕不怕?

    正当义和团以血肉之躯抵挡洋枪洋炮之时,大洋彼岸的热力学之父汤姆森在一个演讲中说:「物理学的大厦已经基本建成了,后辈的物理学家们就等着享福吧,你们只要做那么一点点修修补补的工作就行了,但在物理学晴朗天空的边上,还有两朵令人不安的小小乌云。」

    这两朵乌云就是:

    1. 光速到底是相对于谁的?
    2. 经典物理学为何无法解释黑体辐射?(不反射光,发出的都是自身热量导致的热辐射,比如夜视镜下的人体辐射)

    现在看来,热力学之父实在是太乐观了,这两朵哪里只是小小的乌云,简直就是两片无边无垠的天空,因为:

    「第一朵乌云」直接导致了爱因斯坦【相对论】的诞生(如果你对相对论感兴趣,文末点击查看)

    而「第二朵乌云」直接洞开了量子力学的大门,门边‬的主角,一个是开普勒,另一个还是爱因斯坦。

    在普朗克上大学时,老师就劝他不要搞物理,理由与汤姆森一样,说是物理学低垂丰满的果实已经被摘完了,即使你的天才、运气、努力比前人多几倍,也难取得像样的成就了。

    像现在的大多数年轻人,把长辈的苦口婆心当做耳边风一样,普朗克对物理学有种至死不渝的纯粹。

    1900年的一天,普朗克和一个同行聊天,同行说物理学已经发展到现在这样了,就连气体的热运动都能精准地用公式表达,但解释一块固体烙铁的热运动时,我们所有的理论都不适用,也就是说:

    ——经典物理学可以描述万物,但在描述黑体辐射时,失败了!

    同行走后,普朗克就一直琢磨这个问题,他数学很好,他就想换一个思路:我能不能先不管物理意义上的事,我就用纯数学的方法去凑一个公式来描述黑体辐射曲线,而后再寻找物理意义,是不是也可以?

    普朗克如上帝附体,真的很快就凑出了一个公式能精准地描述黑体辐射曲线,但让普朗克异常烦恼的是,上帝只附体了他一次,虽然这个公式能完美描述黑体辐射,但普朗克始终无法赋予这个公式意义,也就是他不知道为何黑体辐射的公式会是这样?

    鬼魅的量子力学(1):你越相信科学,就越无法容忍它

    帅气的普朗克

    但普朗克并非毫无进展,他发现要推导出这个公式,除非光满足一个假设前提,那就是:

    ——光的能量不能是连续的,而是要一份一份的(普朗克因这个公式和这个假设,获得了1918年的诺贝尔奖)。

    但普朗克不知道这一份一份的能量到底是什么意思,而此刻物理界还有一个疑问:

    当一束光打在金属板上,金属板有相当概率会往外发射电子,本来这事很好理解,因麦克斯韦的电磁理论已经普及——光也是电磁波的一种,当光打在金属板上,电磁波能量转化为电子的动能,电子就跑出来了。

    按照麦克斯韦的理论,电子跑不跑出来只与光的强度有关系,而与光的颜色(也就是频率)没有关系。

    但实验结论却恰恰相反——电子是否跑出来与光的颜色有关,而与光的强度无关。

    比如用红光(频率低)打金属板,无论亮度如何,都不会有电子跑出来;但如果用蓝光(频率高)打,即使光很暗,都会有电子跑出来,且速度非常快。

    为何会是这样?

    把这个问题讲明白的,是爱因斯坦。

    鬼魅的量子力学(1):你越相信科学,就越无法容忍它

    1905年,东方世界发生了对后世影响深远的很多大事:

    日俄战争中,俄国战败退出旅顺口岸;慈禧委派五大臣准备去西方考察宪政到底怎么搞;几千年的科举制度寿终正寝;孙中山合并兴中会、华兴会、光复会,同盟会正式成立;【革命军】的作者邹容死于狱中,【猛回头】的作者陈天华,为唤醒国人,跳海自杀。

    此时的东方古国,正在经历「千年未有之大变局!」

    而在这一年,爱因斯坦发表了六篇重量级论文,其中一篇叫做【关于光的产生和转变的一个启发性观点】,正是为解决以上问题而写。

    这篇论文主要写了些什么?爱因斯坦是如何完美地解决那两个问题的?为何说这篇论文洞开了量子力学的大门?

    篇幅有限,请看下篇分解。

    (完)



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