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鬼话连篇:荒诞量子力学

白素佳 摘录自 老和山下的小学僧 | 评论() 2017-12-13 14:20 [收藏]
  

        先来个绕口令渲染一下诡异的氛围,量子力学奠基人波尔曾曰:“如果你第一次学量子力学认为自己懂了,那说明你还没懂。”

    为了理解这个叹为观止的理论的伟大,只能把起点设得低一些,就从“认识论”说起吧!中学僧请跳过,直接看后半篇。


    人类为了生存,一直试图认识和解释这个世界。最早的“认识论”充满了想象,后来逐渐演化成了“宗教”,比如上帝创造了万物。过了一阵子,有些人发现这种“认识论”不靠谱,跪了半天祈雨,还不如萧敬腾管用!脑袋瓜好使的人就在思考“世界的本源是什么”、“东西为什么往下掉”,如此云云。早期的聪明人只是坐在办公室研究世界,于是这种单纯的思辨慢慢变成了“哲学”。

    大家围坐论道,逼格是挺高,但只能争个面红耳赤,张三说世界在乌龟背上,李四说世界在大象背上。我说哥们儿,你们就不能验证一下吗?当然不能!土鳖才动手,君子只动口,这种风气夸张到什么程度呢?亚里士多德认为“女性的牙齿比男性少”,就这么一个理论,愣是被奉为经典几百年。

        很长一段时间,大家就是这么靠拍脑袋研究世界。拍着拍着,突然有个家伙灵光一闪,拍出了逻辑思维,做起了实验,这就是“伽利略”。伽利略是第一个系统地用严密的逻辑和实验来研究事物的人,这便是“科学”的雏形,所以伽利略很伟大,属于“一流伟大”这个范畴。

    是不是觉得早生几百年,你我都是科学家?别天真了,其实经常以负面形象出现的亚里士多德,绝对属于当时最聪明的人,时代局限性造成的“无知”不是无知。

 

        打个补丁,本文说的“科学”是单纯的一门学科,而不是形容词。啥意思呢?因为某党的某些需求,科学这个词在国内的意义急剧扩大化,以至于现在“科学”就是“真理”的代名词,很多地方可以把“科学”和“合理”两个词互换。“你的做法很科学”,“你的做法很合理”,这两句话有区别吗?再看英文版:“你的做法很Science”,这可就是语病了。本文说的“科学”就是“Science”,是一门学科,而不是“理”。

 

    各位看官,“世界是由金木水火土构成”,这个题目是哲学还是科学?科学和哲学五百年前可真是一家人哦!伽利略去世后整好一年,牛顿诞生!有一句话叫:世界一片黑暗,于是上帝创造了牛顿。

    如果你认为是牛顿三大定律成就了牛逼顿,那就大错特错了。牛顿的代表作是《自然哲学的数学原理》,这名字就说明了一切,牛顿系统地把数学工具引入到研究中,用数学来解释实验现象,这才使“哲学”和“科学”彻底分开,揭开了经典物理学的序幕。所以牛顿很伟大,堪称“超一流伟大”!

    牛顿带头起了哄,往后数百年,各式牛人不断用数学解释这个世界的本质,逐渐构成了经典物理学的大厦。可惜,同时代的中国人热衷于考公务员、研究社会学,这也为东西方未来几百年的巨大差异埋下了伏笔。

        

        宗教:世界是上帝创造的。
    哲学:世界是物质的。
    科学:F=ma。
        宗教、哲学、科学,三驾马车拉着人类文明向前飞奔。科学的优势在于数学,数学使得科学的理论可以精确描述,精确重复,迅速传播,并在他人基础上快速发展。而宗教往往需要靠“悟”,比如“心静自然凉”,很多人就无法验证与学习,无法重复这个现象,所以这个理论很难进一步发展。

    最终,“科学”摧枯拉朽般统一了人类的认知论,占据了绝对主流地位。如今,无数个科学公式和科学理论交织在一起,相互印证,相互利用,自洽的解释这个世界。


    同学们注意,重点来了,什么是“自洽”?举个例子:
    小姑娘,体重多少?--50公斤。
    怎么知道的?--体重称。
    这个称准吗?--弹簧已校准。
    怎么校准?--用标准砝码。
    砝码哪里来?--单位体积的金属。

    体积怎么量的?--用刻度尺。

    刻度尺准吗?--激光校准。

    …………
    这个问题是无限循环的,不同的科学理论相互印证,但人类永远无法知道“小姑娘体重”这个真相。就如警察破案,100个证人和1000个证据,都完美无缺的相互解释,那么警察就认为这就是真相。
人类这样自洽的解释世界,靠谱吗?会不会出错?几十亿人,成千上万个理论,运行了三百年,从来没有出现丝毫的错误!对统计学稍微有点常识的人都知道,这个理论出错的概率实在太小太小太小了。

    没错,但再小的概率还是有可能。这个“可能”就是“量子力学”和“相对论”,这两个超一流伟大的理论将原先构建了几百年的经典物理学大厦彻底摧毁!

 

    很多人不知道经典物理学的“经典”是什么意思,说白了,就是符合你想象的东西,比如:热学、力学、电磁学、光学、声学等,差不多就是中学的那些东西。就算物理学的再差,肯定会有基本的科学意识,比如大家都认为车库的车不会瞬移到客厅来。19世纪之前的所有人和现在99.99%的人,都是这个科学意识,这就是经典的含义,经典物理也叫牛顿物理。
 

    故事从这里开始。

    19世纪的最后一天,世界著名科学家齐聚一堂“总结旧世纪,展望新世纪”,这群智商最高的人做出了一个现在看来非常荒谬的结论:所有的科学都被咱搞的差不多了,天上飞的,地上跑的,水里游的,大到恒星,小到原子,看得见的,看不见的,“物理学大厦已经落成,就剩下一些敲敲打打的修饰工作,美丽而晴朗的天空只被两朵乌云笼罩”。然后这群自恋的人在感叹后人真幸福啊!

    这就是物理学著名的“两朵乌云”,当时的物理学家认为,所有的科学只剩下这两个问题了。现在我们再看亚里士多德同学,是不是觉得他也是一位好同学了?这叫时代局限性。

    那么问题来了,什么样的乌云才能遮住所有人的眼睛?


    第一朵乌云。

    古人以为空间里什么都没有,近代科学知道是有空气的,声音的传播需要空气。按照这个思路,是不是空间里还有其他不知道的东西,不然太阳光靠什么传到地球。后来实验来实验去,也弄不出个所以然。物理学家很难过,称之为物理学大厦的第一朵乌云。

  又飘来了第二朵乌云。
某人做实验发现辐射的能量是不连续的。白话文翻译一下:我们知道人是一点点长高的。如果有一天你发现,吃饭吃饭吃饭,没长高,再吃饭吃饭吃饭,突然长高了5cm,那么你的科学观是不是要崩溃了?第二朵乌云给当时物理学家带来的冲击和这个差不多。

看着这两个“怪胎”,人类文明的进步终于有了体现,和当年烧死“异教徒”布鲁诺的教廷不同,物理学家一直在想怎么样和“怪胎”和谐相处。(1592年布鲁诺因坚持“日心说”被烧死,直到1992年才被罗马教皇平反。)

  科学通常是:实验-观察-提理论-再实验-再观察-再提理论,如此螺旋上升。物理学家对这“怪胎”可谓百依百顺,提出各种荒诞的理论来满足他们的要求,其荒诞程度和“玄学”相差无几。终于,在大家的精心照料下,第一个“怪胎”生出了相对论,第二个“怪胎”生出了量子力学。

    先说第二个“怪胎”。

    量子力学几乎都是用数学描述的,物理研究生只考量子力学而不考数学,可见其数学功底之深厚。咱略过数学,用白话文说几个基本原理,看个热闹、品个味道就行。情节需要,略过很多重要人物和理论,时间先后也有点出入,多包涵。

  再强调三遍:数学!数学!数学!随手截取一段论文,给你们留个印象什么叫数学:


        注意,要展开剧情了!

  19世纪末,手欠的卢梅尔做了个“黑体辐射实验”,发现黑体辐射的电磁波能量是不连续,就像人是一段一段长高,而不是一点点长。大家瞬间懵逼了,称之为“紫外灾难”。普朗克挺身而出,勉强凑出了普朗克辐射公式:“大家别怕,能量这玩意儿本来就是一份一份传播的。”这就是量子力学的起点。

  爱因斯坦马上回过味儿来,照这个套路,那光是不是也一份一份传播的?然后巧妙解释了“光电效应”:光是由一份一份不连续的光子组成的,随后乐呵呵跑去领了个诺贝尔奖。
德布罗意一看,这还了得!光有干涉现象,早被证明是一种连续的波,怎么这会又变成一粒一粒了?然后一拍脑袋:光如果既是连续的又是一粒一粒的,那么反过来,一粒一粒的实体微粒(如电子、原子等)会不会也是连续的?德布罗意吓出一身冷汗,于是提出了“德布罗意波”压压惊(也叫物质波)。即,所有的粒子既具有粒子性也具有波动性。诡异的是,这居然被实验证明了!这和普通人看到鬼是差不多感觉的!


  事情发展成这样,大家都觉得很棘手,你想想,如果所有的粒子都有波动性,那由这些粒子组成的人、房子、甚至地球……都不敢往下想了!更关键的是,粒子为什么会变成这样!这和大家原先认识的电子、质子、原子完全不同,仿佛所有的物理学家一夜之间都失恋了,对着女朋友说:我从来没想到你居然是这样的人,你变了,变得我完全不认识了!没错,我想当时的物理学家一定是这种感觉!
哥们儿我学过物理,失过恋,这真是两件痛苦的事情,于是物理学家都疯了,提出无数荒诞的原子模型,和酒后胡话相差无几。放纵之后,一个叫波尔的人终于把狗屎一样的理论“波尔模型”,在氢原子上解释成功了。即,电子轨道也是不连续的,也是一段一段的。(各位,对“量子”是不是有概念了?就是不连续的,一段一段的意思。本文开头嘲笑大家学不会量子力学的,就是这个波尔,别不服气,人家还是足球队主力,当年丹麦报纸的标题是:“我国著名足球运动员获得诺贝尔奖。”(中国国足掩面奔走……)

  大家一脸惊奇的看着波尔,发酒疯讲胡话,也能撩到妹子!于是,大家纷纷回头开始研究自己之前吹牛的那些胡话,说不定妹子已经在里面了呢!可惜波尔模型虽然成功解释了氢原子的各种特性,把“氢原子”这个妹子吃的死死的,波尔模型完美解释了氢光谱的巴耳末公式,各常数e、m、h和里德伯常数之间取得了协调,还解释了诸如“电子绕着原子核为什么不会被吸到原子核上”此类的问题。但当波尔模型把魔爪伸向其他妹子的时候,突然不灵了!哪怕只是多了一个质子的氦原子。


  既然这撩妹技巧也不是老少通吃,大家松了口气,看来还有机会!其中,冷艳高贵的“反常塞曼效应”妹子始终不理睬玻尔模型,甚至连正眼都没看一眼。其他物理学家各种献殷勤,还是没能博得美人一笑。
正当大家一筹莫展时,荷兰的两个名不见经传的博士生(在物理撩妹界属于小学僧级别),提出:电子具有内禀运动——自旋,而且只有2个方向。这俩娃还写成论文发表,不过随即就后悔了,自己也觉得太扯蛋,想找导师撤回论文,导师安慰他们,年轻人闹点笑话没关系。大跌眼镜的是,“反常塞曼效应”妹子回眸一笑!
整个撩妹界都沸腾了!这两个娃一带头,大家马上就顿悟了,一起高唱:“对面的女孩看过来!看过来!看过来!”各种高冷妹子一个个转过头来!不止电子,质子、原子、甚至光子,所有粒子都有自旋。电子自旋最终成为量子力学最重要的理论基础之一!

        然而,自旋让事情变得更加扑朔迷离,这种诡异的生俱来的角动量,却不能用经典物理中的旋转去描述,因为这不但违反相对论,还不能解释为什么旋转只有2个方向!不过这拯救了一直纠结电子如何分布的科学家泡利。

    泡利茅塞顿开,说道:一山不容二虎,除非一公一母。这就是“泡利不相容原理”的精髓:同一电子轨道只能容纳1个电子,除非电子自旋态是相反的,也就是说一个轨道最多只能容纳2个电子。一个电子轨道凭啥只能放2个电子,没道理啊!这居然也成了量子力学的重要理论


    这一堆荒诞的理论,把牛顿他们好不容易收拾的规规整整的科学又弄得面目全非。撩妹撩成这个德性,确实有伤风化!尤其是那个历史专业出身的文科生德布罗意,提出物质波概念后,因为数学功底不足,写的论文狗屁不通,差点毕不了业。

    接着,这篇论文传到了德拜手里,德拜眉头一皱,这论文实在有辱撩妹界的斯文。于是找来了撩妹界不得不提的大帅哥薛定谔(不是薛定谔长得帅,而是他的巨大贡献)。此时的薛定谔还是德拜手下一个默默无闻的小学僧,德拜说:小薛啊,赶紧给物质波凑个方程,让德布罗意那文科生的论文更体面一点吧!

    薛定谔无奈只能接了这个擦屁股的活,憋出个“薛定谔波动方程”,粒子以概率的方式出现。这时上帝又开了个玩笑,谁也没想到,用来擦屁股的方程直接成了撩妹基本指南薛定谔方程系统的阐述了微观粒子运动状态的基本规律成为量子力学最重要的公式,没有之一!


    看晕的同学快醒醒,咱还是说薛定谔撩妹指南吧。

    问:妹子在哪里?

    答:妹子在学校。

    这是经典物理。


      问:妹子在哪里?

        答:妹子30%在学校,40%在路上,30%在家里。

    再问:妹子到底在哪里?

    再答:就是30%在学校,40%在路上,30%在家里。

    再再问:难道妹子分成三截了?

    再再答:妹子还是一个啊,但就是30%在学校,40%在路上,30%在家里。

    崩溃中……

        薛定谔方程牛逼到把薛定谔自己都整懵了,最后大当家波尔整明白了方程的意义,提出了“几率波”的概念,即,粒子会随机出现在任何地方,这个概率用“几率波函数”计算。

    如果放在宏观世界看,大概就是:车库的车有多少概率会瞬间出现在客厅?这个是量子力学的课后作业。当然,不用算也知道,这个概率肯定小到即便用宇宙时间来衡量都不一定会发生,但如果把车缩小到原子核那么大,波函数的计算结果就很不一样了。前文说了很多的核裂变,就是因为原子核中不同的粒子随机出现在不同的位置上。

 

    海森堡看了之后深以为然,认为撩妹就是靠运气的,于是提出“不确定性原理”(也有人叫“测不准原理”)粒子的动量和位置是无法同时测准的,两者的乘永远大于h/4π。注意,这不是技术上做不到,而是理论上做不到。测量会不可避免地影响被测量者,这种原理造成的测不准叫“观察者效应”。不确定性原理与观察者效应是两码事,这是事物自身的属性也是量子力学的重要理论。

    海森堡是个看热闹不嫌事大的主,把不确定性原理翻译成一句意味深长的白话文,抛给了哲学家:“在因果律的陈述中‘若确切地知道现在就能预见未来’,这句话错误的并不是结论,而是前提,因为我们不能知道现在的所有细节,这是一种理论原则。”没看明白这句话的,再细细品味一下。


        都说撩妹靠运气,风流倜傥的爱因斯坦不干了,他认为撩妹当然靠实力,爱因斯坦说:“上帝不掷骰子。”波尔针锋相对:“亲爱的爱因斯坦不要指挥上帝做什么。”

    随后爆发了旷日持久的关于“隐变量”的著名争论,以爱因斯坦为代表的经典物理学派认为,之所以有“不确定性”,是因为很多“隐变量”没发现而已,咱姑且称之为“决定论”。以玻尔为代表的哥本哈根学派,则坚持认为“不确定性”是事物的基本性质,姑且称之为“随机论”。

    “决定论”和“随机论”的争论,使得“科学”和“哲学”有点合并的味道。话说,你们看出来“决定论”和“随机论”背后所代表的毛骨悚然的意义了吗?稍微起个头哈:假设爱因斯坦的“决定论”成立,也就是说,一个系统的所有参数都确定的话,下一刻的状态也是确定的。那么把全宇宙看作一个系统,宇宙这一刻的状态是由上一刻的状态决定的,继续往前推,一直推到宇宙大爆炸的那一刻,或者再往后想想……明白了吧,既然这一切在大爆炸那一刻都已经确定了,还有你什么事儿?认命吧!

        当然了,“宿命论”无论如何无法符合人类的伦理道德,但这事就和“白马非马”一样(白色的马不是马,著名的哲学思辨问题,没办法验证,所以永远不会有结论,于是两派人吵得天昏地暗。


    吵了几十年后,吵出个牛人叫贝尔,提出了“贝尔不等式”,这估计是人类首次用定量化的实验去验证一个哲学思辨问题,不得不佩服这群异想天开的物理学家!最终的实验结果表明,哥本哈根学派的“随机论”击败“隐变量”获胜!也就是说,这个世界是“随机”的。提醒一下,爱因斯坦是失败的一方,所以不能用“对错”来衡量一个物理学家的意义。

    有意思的是,爱因斯坦在反击波尔时,提出了一个悖论:难道一个粒子态波函数的塌缩会导致与之处在纠缠态的另一个粒子态波函数塌缩吗?别装了,我知道你看不懂这句话,通俗一点讲就是:多个量子系统之间存在某种联系,这种联系不受距离和时间的限制。比如,扇了双胞胎哥哥一巴掌,天涯海角的弟弟瞬间就会疼,这种信息的传递是瞬间的,和相对论严重不符。

    “量子纠缠”的概念就这么被提出来了,爱因斯坦的本意是想用量子纠缠来证明波尔他们不靠谱。类似的场景大约是:爱因斯坦搂着自己的妹子质问波尔,难道她会喜欢上你吗!悲催的是,妹子动心了啊!居然真的观察到了量子纠缠现象!这一局爱因斯坦算是彻底输给了波尔。

 

    但这事还没完,在爱因斯坦100年诞辰的活动上,爱因斯坦的同事约翰·惠勒提出了“延迟实验”的构想,再次对波尔为代表的哥本哈根学派发起了挑战。大家做好心理准备,这和见鬼差不多!


    如图所示,当入射光子经过半透镜的时候,要么向前走,要么90度反射,概率各50%。然后再放两个反射镜,把光子反射到一起,通过两个探测器,就可以知道光子从哪一路过来。

    比如,D1有信号而D2没有信号,就说明光子从路径1走。然后,改一下实验装置,在终点再加一块半透镜。根据量子力学概率波的描述,光子既走路径1也走路径2,那么通过第二块半透镜时就会产生干涉现象。

    实验结果显示,没有插入第二块半透镜时,光子只走一路;一旦插入半透镜,就有干涉现象,也就是说光子同时走了两条路。这已经很见鬼了,观察者的观察决定了实验结果,马上还要更见鬼!

    就此,惠勒提出了一个无比诡异的设想:先不插入第二块半透镜,当光子经过第一个半透镜,已经决定只走一条路、还跑在半路上的时候,瞬间插入第二块半透镜,那么请问,这时已经选择走一条路的光子难道还能返回去重新选择走两条路吗?

    惠勒提出“延迟实验”后,觉得应该能帮爱因斯坦掰回一局,这世界总不至于那么扯蛋吧!5年后,马里兰大学有个小组真的做了“延迟实验”,结果显示,原本走一条路的光子就因为插入了半透镜,又变成了走两条路。

    天哪!这个世界到底怎么了!已经发生的事情还能被改变吗!波尔给了个玄之又玄的解释:任何一种基本量子现象只在其被记录之后才是一种现象。

        这让我想起了一个故事。风吹着树在动,老和尚问:什么在动?一答:树在动,二答:风在动,老和尚曰:是心在动。乍一看,这明显是唯心主义嘛!但细细一想,这可不就是延迟实验嘛,观察者的观察决定了实验结果。佛学有很多类似的似是而非的理论,所以物理学有个趣言:当我们努力攀登科学高峰的时候,发现佛教徒早就在山顶等我们了。

 

  整个时代的物理学家就在这种头脑风暴中,逐渐构建了量子力学的一系列理论基础。每每回顾,都无比佩服那个年代物理学家的智慧和胆魄。非常遗憾的是,中国在人类文明跨出如此重要的一步时,建树寥寥。

    至此,自牛顿以来构建的物理学大厦,轰然倒塌。


        量子力学的份量有多重?最底层的基础理论出现了如此之多的变化,对科技树上层的影响可以用匪夷所思来形容!可以说,今天的科技,仍然在消化100年前量子力学的理论。量子力学推动人类科技爆炸式增长100年,最大的成果当数计算机,如今终于看到了一丝疲倦的迹象。所以我常说,基础物理不突破,很多技术马上就会遇到瓶颈。


    很多同学觉得,这样看起来,量子力学也不过如此,但请别忘了这些理论背后强大的数学解释和巧妙的实验。现在很多“民间科学家”经常提出天马行空的理论,总是依靠最简单的现象,运用最简单的数学,去推翻最基础的理论,这年头还会有这么便宜的事情吗?说真的,理论物理已经是奢侈品了,我不认为平民百姓能做出什么有价值的事情。

    喜欢物理是好事,可别走火入魔哦!

 

 

    附一张有史以来智商最高的合影,就连鬼遇见他们都会被公式算出轨迹,过年的时候贴门上辟邪吧!



    这张放床头:

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