“量子力学”普及篇,文科生也能看明白

最近朋友圈四处都能看到这个名词“量子力学”。

甚至有一阵子,Facebook CEO扎克伯格的女儿出生的时候,大家都被一张照片刷屏了。

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瞧,这才是“起跑线”

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《宝宝的量子物理学》,貌似国内已经上架。估计都是给大“宝宝”们看的。

是不是有种,刚出生的婴儿都懂“量子力学”了,而我连它是什么都不知道?

别急,如果你翻一下微信,你会发现,

佛祖都被普及的已经比你更懂量子力学了。

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连“灵魂”都证明出来了?!

这就有种人类发明了新语言,而你却一点都插不上话的感觉。

实际上, 科学界研究“量子力学”,已经超过,100年了! 准确点,117年!到了2019年,不知道是不是就要报警了?

很多人看到量子力学的文章都觉得难以理解。一个是因为大家喜欢用各种公式表示自己很懂,另外,它也确实不好理解。其实,你不是第一人。

物理学家费曼说“我想我可以有把握地说,没有人理解量子力学”。另一个物理学家波尔曾说过“如果谁第一次接触量子力学,就说看懂了,那他是一定没看懂”。

如果看完这篇文章,你还是不懂,至少可以说:科学家都不懂的东西,我怎么会懂呢。人设依旧完美!Perfect!

不过作为普通人的我们,知道点基本概念,饭桌上不被人说晕,够发朋友圈就可以了。

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量子 ≠ 粒子

科学界对“量子”的定义是,能表现出某物质或物理量特性的最小单元。

大家都知道,我们所处的物质世界,所有的东西都是由原子、电子、中子等粒子组成的,但“量子”则不是指某一种具体的粒子,它甚至不一定是粒子。

“量子”这个词是在1900由德国的一位物理学家提出来的,但在最开始,“量子”是用来描述能量变化的一个词,还不是表示“粒子”的。

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按照我们一般人的理解,“量子”就是粒子,或者至少是粒子的最小单位。

比如光是由一个个的光子组成的,光子无法在细分为更小的粒子,那么光子就是光的量子。

同样的,物理形态的最小单位也可以是量子。

你可以想象,在我们现实的世界中,当一只狗在笔直的马路上向前奔跑的时候,它不可能不经过马路中间的某个路段,而直接出线在下一段马路上,它的特性一定是“连续的”。

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而在微观世界中,

科学家发现,粒子能量的变化不是连续的,而是某个基本单元的整数倍变化的。而

这种“跳跃”式的变化在微观世界却是普遍存在的。

更形象一点,你可以想象我们平时走楼梯,你在上楼的时候是一步一步的踏着台阶往上走。你每次不可能踏1/2个台阶,也不可能踏1/3个台阶,但可以踏2个台阶,如果腿长甚至可以踏3个台阶。而每个台阶就是一个基本单元,也就是所谓的“量子”。

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某种粒子的能量,只能是x电子伏特的整数倍,那么这个x电子伏特就是这个粒子能量的量子。

也就是“量子”可以指一种粒子,也可以是一种物理特性,但是是它们的最小单元。

所以下次,如果再有人跟你谈“量子力学”,你只要问问什么是“量子”,基本就能筛选掉一大波人了。

而“量子力学”也就是科学家们为了研究微观世界,创立的一门物理学理论。相对的,研究我们目测所及的这个宏观世界的理论,就是“经典力学”理论。

微观的世界,概率的世界

“量子力学”所处的微观世界,和我们肉眼看到的宏观世界,到底还有哪些巨大差异,为什么能够让这么多人迷惑?

在这个世界里,什么都是“概率”。

位置是概率的,状态是概率,什么都是概率的。

打个比方,你看见一个朋友,走进了一栋3层大楼。5分钟后,请问,他在哪一层?

按照我们正常的逻辑,他不是在1层,就是在2层,要么在3层。也就是,某个时间点,他只可能在某一层,并且,只可能在某一层的某个位置。

这么理解很正常,因为我们周围的世界(或者说宏观世界),就是这样的。

如果我们把人和大楼都缩小到电子级别,也就是同样的场景放到微观世界。此刻的他无处不在!他既在1层,也在2层,也在3层。确切点说,整栋大楼的任何一个位置都有他。只是他的状态是所有状态概率的叠加。

很诡异?

很多第一次接触量子力学的人,都有一种被刷三观的感觉,这其中包括那些研究物理学的科学家。

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大树两边都有痕迹,图右边的滑雪者到底是怎么滑过去的?

一盏灯,在我们的认识中,它只可能有2种状态。要么亮,要么暗。但在微观世界中,它同时是亮着的,也是暗着的,只不过可能亮多一些暗少一些,或者亮少一些暗多一些。灯的实际状态则是由这两者的概率叠加在一起。

如果说,我们所处的“宏观”世界是一个“确定”的世界。那么“量子力学”的世界,就是一个充满“概率”的世界。

好难理解?

中国科学院院士,著名量子信息学家郭光灿在一个网络公开课上曾说过一句话,也是所有的导师都会对学生说的:不要问为什么,你只要知道它就是这样的。

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同学们,不是什么时候都要问“为什么,因为,没有人知道为什么。——郭光灿

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爱因斯坦那句著名的“上帝不掷骰子“,就是说的量子力学。上帝算概率吗?

量子力学是很不错,但我内心的声音告诉我,它不是事物真正的本质。这一理论能得到很好的结果,但它无法告诉我们上帝的秘密。

不管怎么样,我坚信,上帝不掷骰子。——爱因斯坦

但在过去的这一个世纪,科学家早就用各种实验,证明了微观世界就是这样的世界。

在高中物理有个实验“光的干涉”,用来研究光到底是粒子,还是波(光的波粒二象性),就是一个典型的实验。在这个实验中,科学家们证明了光既是粒子,也是波。听着很晦涩,一堆名词,所以对于我们普通人,姑且知道事实就是如此就可以了。

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甚至有人问,为什么微观世界会是这样的,而我们现实的宏观世界不是呢?人和我们周围所有的物体不都是有粒子组成的吗?为什么我们宏观世界里所有的事物都是确定的,但在微观世界里不是呢。

原因:不知道。

爱因斯坦在去世之前也没有想明白。他从最开始的不相信,到后来接受了这个理念。但一直到去世,他都没研究出背后的原因。按照爱因斯坦的说法就是:缺少了一点东西。

虽然科学家们连计算概率的公式都推演了出来了,但人类一直没解开这个谜底。这就仿佛上帝制造这个世界的时候,故意藏了一张牌一样。一个拼图,快拼完了,却发现少了一块。少了一个宏观世界与微观世界之间的理论桥梁。

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上帝掷骰子吗?

薛定谔的猫,不一样的猫

有段时间,不知道为什么,“薛定谔的猫”这个词很火。其实这就是人们在讨论量子力学时候一个非常形象的比喻。

薛定谔的猫,是奥地利著名物理学家薛定谔提出的一个思想实验。

薛定谔打造这个思想实验,是在1935年夏天与爱因斯坦的一场对话中。他是想从宏观世界的视角,阐述微观世界的量子形态。

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一只猫被关在一个密闭无窗的盒子里,盒子里有一些放射性物质。一旦放射性物质衰变,有一个装置就会使锤子砸碎毒药瓶,将猫毒死。反之,衰变未发生,猫便能活下来。
请问,猫是死了还是活着?

答案:它即是死了,也是活着!

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没有什么比一只既死又活的猫,让人感觉更荒谬了。不过,这就是量子力学。

人类崩溃了,怎么可能。

要么就是死了,要么就是活着。哪里还有既死又活的。你可能会说,那我把盒子打开看一眼不就能确定了?量子力学理论说了,不好意思,当盒子关闭的时候,猫会一直保持一个不确定的状态“既死又活”,也就是生死叠加态。但是,当你把盒子打开,因为引入了外面的观测仪器,一旦引入观测仪器,你就改变了它原有的状态,专业名词叫“波函数塌缩”(除非想在饭桌上显示自己有文化,不然就不要记了,因为写完这文章明天我也肯定忘了)。

这就是薛定谔的猫。

同样的,回到上面那个人在大厦哪一层的例子。有人说,如果我有个工具,可以捕捉到人。或者说我走进大厦去抓这个人,我如果在哪里抓到他,那他不就只可能在那一个位置吗?

量子力学说了,当引入观测仪器时,观测仪器本身的存在就改变了物体所处的状态。

著名投资大鳄索罗斯,在他的投资笔记《金融炼金术 》里就提到,他的经典投资理论“反身性理论”和量子力学是具有一致性的。

对,就是那个1997年横扫东南亚各国,又连番狙击香港股市,最后让中央不得不出手的索罗斯。

因为“人对投资市场的参与,本身就改变了金融市场的走势”。

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原来量子力学不单进入佛学界、哲学界了,连投资届也有它的影子

这就是量子力学,微观的世界,概率的世界。

虽然人类没有弄清楚这些现象背后的原理,但不懂但不妨碍我们对

量子力学在现实世界的应用,

从激光、电子显微镜、原子钟到核磁共振的医学图像显示装置。

其实,最近发现,书翻得越多,越能发现大家都在谈论量子力学,在各个学科。

量子力学,不了解,都看不懂书了。

就像现在如果不知道”第一性原理“都不好意思在互联网圈呆着一样,难道不是

“道生一,一生二,二生三,三生万物”中的“——《道德经》

或许,它也是这个世界的“道”,也或许像爱因斯坦说的,我们还未探究到这个世界的本质。只是,

上帝发牌时,真的少了一张吗?

引用参考
1.郭光灿,“奇妙的量子世界“,网易公开课
2.寰宇地理,"量子力学科教片,颠覆你对世界的认识“,爱奇艺
3.栋二 “如何给没有高中基础的人普及‘薛定谔的猫’”,知乎
4.马林昊,“量子力学是否符合常识”,知乎
5.张天蓉,“走进量子纠缠‘薛定谔的猫‘”,科学松鼠会
6.袁岚峰,中国科技大学副研究员,“什么是量子力学”,网络
7.中科院物理所,“什么是量子”,网络

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