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量子力學為什麼讓人感到害怕?科學家究竟發現了什麼?
2023/04/01

地球是一顆美麗的藍色星球,在地球上生活著很多生物,有海洋生物、有陸地生物、有兩棲生物和微生物等等,根據達爾文的進化論我們能夠知道,地球上的生物都是由簡單生物進化而來的,由最初的單細胞生物進化為多細胞生物,由多細胞生物進化為海洋生物,由海洋生物進化為兩棲生物,由兩棲生物進化為陸地生物,人類就是由陸地生物猿類進化而來的,不過人類和其他動物最大的區別在于,人類誕生了智慧,生命的出現給地球這顆行星增添了很多色彩,尤其是人類出現以后,解開了地球上很多的奧秘。在人類科技發展的道路上,出現了很多偉大的科學家,比如說牛頓、愛因斯坦、哥白尼、伽利略等等。

這些偉大的科學家給人類的科學發展做出了很大的貢獻,尤其是在19世紀的時候,人類科學發展幾乎達到了頂峰,這個時期出現了很多著名的科學家,比如說普朗克、玻爾、海森堡、居里夫人、薛定諤、德布羅意、費米、狄拉克、愛因斯坦等等,這些科學家是繼哥白尼、伽利略、牛頓之后,又一批偉大的物理學家,牛頓被稱為是人類科學史上的鼻祖,牛頓在數學、科學、力學等多個方面都做出了巨大的貢獻,牛頓的萬有引力定律揭示了天體運行的基本規律,牛頓認為,天體運動主要是因為引力,任何有品質的物體都是有引力的,物體的品質越大,它的引力就越大。

牛頓以一己之力創立了經典物理學,所以他被后人稱為是科學史上的鼻祖,在19世紀的時候,人類一直認為我們已經解開了世界上所有的奧秘,比如說在遠低于光速的情況下,牛頓的定律能夠解決所有機械運動的問題,電磁現象的規律被總結為麥克斯韋方程,光現象能夠被波動定律完美解釋,熱現象能夠被熱力學完美解釋,就在人類認為一切問題都可以解決的時候,科學家突然發現,在微觀世界中,這些理論都無法適用,于是在19世紀的時候,眾多科學家一起建立了量子力學,量子力學是描述微觀物體的理論,和相對論一起被認為是現代物理學的量大支柱。

一提到量子力學,很多人的第一反應是微觀、不連續、不確定、奇怪、詭異等等,畢竟它和經典物理學不太一樣,玻爾曾經說過:如果誰不為量子力學感到困惑,他就還沒理解它。量子力學和經典力學最大的區別就是不確定性,在經典物理學中,想要知道一個物體會如何運動,就要看它受到什麼力,根據牛頓第二定律F=ma,就能夠知道這個物體的運動狀態和變化,簡單來說在經典力學中,只要我們掌握物體的受力情況,就能夠根據它的初始狀態知道它任意時刻的狀態,比如說蘋果從樹上落下來,一定會掉到地面上,而量子力學中,事物的最終結果和觀察者有一定的關系。

在量子力學當中,有很多著名的實驗,比如說雙縫干涉實驗,這個實驗的主要目的是為了證明光到底是粒子還是波,這個實驗過程其實很簡單,就是利用光源朝擋板進行發射,然后看光子穿過擋板之后墻上面的形狀,如果墻上面出現了兩道杠,那麼就說明光是粒子,因為光在經過擋板的同時,有一部分光子會被擋住,這時候光子就沒有辦法全部打在后面的墻上,這時候墻上就會留下兩道杠,如果光是一種波,那麼它會在墻上留下斑馬線,第一次實驗之后,科學家發現墻上留下了兩道杠,這時候科學家認為光是一種粒子,後來第二次實驗時,科學家在旁邊安裝了一個探測器。

這個探測器的作用主要是為了看清楚光子是從哪一個縫隙中穿過去的,就在這時候,意想不到的事情發生了,干涉條紋沒有了,這時候光就變成了一種波,科學家認為,當實驗沒有觀測者的時候,粒子處于疊加狀態,這個疊加狀態通過雙縫的時候,有一半通過A縫隙,另一半通過B縫隙,在沒有觀測者時,就意味著沒有人知道光從哪個縫隙穿過,這時候粒子就處于疊加態,由于觀測者的原因,所以光子的路徑被鎖定了,最終干涉條紋消失了,最后科學家得出,光既是粒子也是波,因為它具有波粒二象性。

相信很多人都無法想象,觀測者能夠改變事物的最終結果,在經典物理學中,這是不可能存在的,但是在量子力學中,它就是這麼神奇,為什麼量子力學有這麼多不確定性?到現在為止,科學家也無法真正的解釋量子力學的奧秘,就連著名的物理學家愛因斯坦都認為上帝不會擲骰子,但事實上,上帝有時候也會擲骰子,愛因斯坦的這句話是在一次科學峰會上,針對哥本哈根詮釋來說的,在上個世紀30年代,很多研究量子力學的科學家,發現量子世界中有很多奇怪的特性,和經典物理學完全相悖,比如說:無法精準的測量微觀粒子的動量和位置,這也被稱為是所謂的不確定性原理。

在一個系統的量子態可以用波函數來描述,但是這只是機率描述,觀測會導致波函數的坍塌,粒子具有波粒二象性,但是不能同時展現出兩種行為,為了解開量子力學的奧秘,眾多科學家聚集在丹麥首都哥本哈根大學進行研究和討論,當時科學家們一共分為兩派,一派是哥本哈根學派,另一派是經典物理學派,主要以愛因斯坦和薛定諤為首,當時愛因斯坦認為之所以現在無法精準測量和預測微觀粒子的一些運動狀態,是因為其中有一些隱藏的變量還沒有被人類發現,所以經典物理學派認為,量子力學是不完備的,簡單來說就是,經典物理學派認為,微觀世界的一些規律和經典物理學是一樣的,也需要遵循自然的客觀規律。

作為愛因斯坦的同盟軍,薛定諤提出了一個思想實驗,這個思想實驗就是薛定諤的貓,其大概意思是:將一只貓放在一個封閉的箱子中,這個 箱子中裝有少量的鐳和氰化物,鐳存在一定的衰變幾率,這個幾率是百分之50,如果鐳發生衰變就會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子,這時候毒氣就會被釋放,貓就會死亡,如果鐳沒有發生衰變,那麼毒氣就不會被釋放出來,貓就不會死亡,按照經典物理學的解釋,貓只能夠有一種可能性,要麼死亡,要麼活著,但是按照量子力學的解釋,由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變的兩種疊加態中,所以貓也處于死亡和活著的疊加態當中,當時愛因斯坦聽了這個思想實驗后非常高興。

畢竟在經典物理學中,不可能存在一只既死又活的貓,但是哥本哈根學派認為,如果在微觀世界,沒有打開盒子之前,貓就是處于死亡和活著的疊加態當中,在打開盒子的一瞬間,所謂的波函數坍塌,量子回歸到本征態,貓的生死就確定了,按照哥本哈根學派的觀點,我們能夠認為,當沒有打開箱子的時候,其實箱子里面有兩只貓,一種是死亡以后得貓,另一種是活著的貓,因為這時候兩只貓處于疊加狀態,但是打開箱子后,其中一種疊加態就消失了,也就是說其中一只貓就消失了,剩下的另一只貓就是我們看到的結果。後來薛定諤的貓還被用于證明平行宇宙論當中。

這場爭論經過了很長時間,直到愛因斯坦在1955年去世,都沒有分出對錯,不過在1964年,英國物理學家約翰.斯圖爾特.貝爾發表了貝爾不等式,這才使得愛因斯坦和玻爾的爭論告一段落,貝爾證明了定域性和隱變量不相容,如果一個隱變量定理是正確的,那麼一定會出現一個滿足物理現象,一個會限制物質現象,如果該不等式給出了這個限制不滿足,那麼就不存在正確的隱變量,貝爾不等式還說明了一個問題,局域性和實在性至少有一個問題,或者兩個都有問題,不可能同時存在,這在後來證明了量子力學中的不可觀測性,貝爾不等式的出現證明了愛因斯坦錯了。

在貝爾不等式中,存在三個機率值,它們分別是Pxz、Pzy、|Pxz-Pzy|表示求兩個機率的差值的絕對值,絕對值其實就是把負的變成正的,正的依然保持正的,這樣才能夠保證最終的結果是正的。這個不等式的含義也非常簡單,就是兩個機率差值中的絕對值必須小于或者等于1+第三個機率值,貝爾不等式能夠作為人類區分巨觀世界和微觀世界的一個分界線,雖然貝爾不等式證明了玻爾的理論是對的,但是在量子力學當中,仍然存在很多無法解釋的問題,既然微觀世界和巨觀世界是同一個世界,那麼為什麼兩者之間的差距這麼大?從根本來說,巨觀世界就是由微觀世界組成的。

但是目前人類的科學無法將微觀世界和巨觀世界結合在一起,現在愛因斯坦的相對論和量子力學已經成為了人類科學界的兩大支柱,但是這兩個理論卻無法融合在一起,在相對論中,引力能夠被完美的解釋,但是在量子力學中,無法解釋引力的存在,而量子力學能夠解釋強相互作用力、弱相互作用力和電磁力,但是相對論卻無法解釋著三種基本作用力,這說明量子力學和相對論中間一定還存在某種漏洞,只是我們沒有找到而已,為了能夠將量子力學和相對論融合在一起,科學家提出了弦理論,弦理論認為,世界萬物都是由振動的弦組成的。

不同的弦振動會產生不同的粒子,而且弦不僅僅能夠在三維空間中存在,它還能夠在高緯度的空間中振動,如果弦理論是正確的,那麼在我們的宇宙中就存在多維空間,而我們的三維空間只是其中一種,科學家將維度空間提升到11維度之后,才完美的將量子力學和相對論融合,難道說我們的宇宙真的是由11個維度組成的?曾經愛因斯坦提出了四維空間,他認為在三維空間的基礎上加上一個時間維度就變成了四維空間,在四維空間中,時間是可以量化的,我們能夠隨意的控制時間,但是在三維空間中,時間是沒有辦法量化的,我們只能夠依靠自身的感覺來判斷它。

雖然現在科學家還沒有發現其它的維度空間,但是未來隨著人類科技的進步,說不定人類真的能夠找到更高維度的空間,時至今日,還有很多人不愿意相信量子力學,因為量子力學實在是太詭異了,量子力學甚至讓我們懷疑世界的真實性,我們的世界可能是高級文明制造出來的,科學家認為,當一個文明的等級達到四級文明以后,它們完全有能力制造出一個虛擬宇宙來,只要將大量的公式輸入超級計算機當中,就能夠創造出一個虛擬宇宙來,雖然有很多人不愿意相信,但真相或許就是這樣,目前很多科學家也在尋找宇宙中的BUG,如果說我們的宇宙真的是虛擬的,那麼人類能否突破虛擬世界的限制?

量子力學能夠發展到今天,說明它是非常重要的,盡管有很多人不愿意相信它,但事實擺在我們面前,我們只能夠接受,人類作為地球上最有智慧的生命,在短短幾千年的時間內,能夠走出地球探索宇宙,這說明人類科技發展的速度很快,只要人類能夠堅持不懈的努力下去,或許我們真的能夠解開宇宙的奧秘,希望這一天能夠早日到來!


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