科普:最接近神学的科学---量子力学

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我认为我可以肯定地说,现在没有人理解量子力学------理查德·费曼

直到现在,量子理论的神秘面纱依旧未被完全揭开,至于为什么会呈现出种种令人费解的的性质,就像理查德·费曼说的一样,没有人会知道。但是如果没有量子理论,太阳不会燃烧,原子会四分五裂,所有的物质都会崩解。接下来,我们通过一些简单的语言来描绘量子理论的冰山一角(注意:并不涉及数学知识与深奥的物理理论,内容较多,大概需要五分钟读完)。

在量子理论出现之前,牛顿力学统治世界几百年,牛顿力学体系几乎可以解释宏观世界所有的现象。牛顿力学的继承者拉普拉斯说:如果拥有无限的计算能力,并且知道某一时刻所有粒子的位置,人类就可以利用牛顿方程预测整个宇宙的未来,并且可以准确的反推宇宙的过去。这种言论当然是荒谬的,不确定性原理告诉我们:我们不可能同时准确地知道粒子的确切位置与速度(不确定性原理接下来我会说明)。甚至当时有一个年轻人被劝告不要再钻研物理了,一切注定都是徒劳,因为物理之路已经走到了尽头,我们需要做的就是继续完善细节,给已知量多算几位小数而已。这位年轻人就是量子力学的创始人之一------普朗克。经典物理的缺陷------紫外灾难

当时科学家试图找出不同频率辐射所携带的能量大小,但是计算结果与实验测量相当不符,甚至在高频区能量区域正无穷大,这显然是不合理的。

一年内,也就是当初那个被劝说不要再钻研物理的那个年轻人普朗克发现,只要将辐射看作是在确定能量包大小里间断进行发射和吸收的,那么紫外灾难就能非常完美的被解释。这些确定大小的能量包被称作量子。这是对经典物理(认为辐射是连续的,而且人们观念里认为任何事都是连续的)的极大挑战,甚至连普朗克自己都怀疑自己的发现。

量子的奇妙性质

微观领域很多事似乎都不可理解,让人感到非常的不可思议,甚至违反了我们的常识观念。

1、叠加态

经典理论是确定的,一个物体要么在这儿,要么就在那儿,在确定的时刻只能处于唯一的确定位置,这对于我们当然是不言而喻的,因为宏观物质就是这样。而量子理论告诉我们,它不仅可以在这儿,还能在那儿,甚至可以在这儿和那儿之间任何一个位置,此时量子处于这儿和那儿的叠加态。

为了更清楚地理解叠加态,我们来做一个电子干涉实验。电子枪发射电子,电子通过A、B狭缝,在屏上形成干涉条纹。假如此时我们让电子枪一次只发射一个电子,经过一段时间后,依然会在屏上形成干涉条纹。

那我们就要问了,一个电子要么通过A缝,要么通过B缝,它能和谁发生干涉呢?但是结果显示的确产生了干涉条纹,所以电子其实是同时通过了A、B缝,自己和自己产生了干涉现象。这与我们的观念是完全不一致的,一个东西怎么能同时从两个缝里通过呢?

2、观察

可终究还是有人不相信有东西能分身,所以就有人改进了实验,在两条缝旁边放上了两个探测器,如果电子从A缝通过,就会被a探测到,如果从B缝通过,就会被b探测到。接下来令人惊讶的事情发生了,干涉条纹消失了,此时电子要么就是从A缝通过的,要么就是从B缝通过的,电子貌似已经预知到我们会观察它的状态,所以呈现出来粒子的性质。

这就是物质与意识的相互作用,物质可以作用于意识,意识也可以作用于物质。我们观察电子的行为作用到了电子身上,改变了电子的状态。在未观察之前,电子处于叠加态,呈现波的性质;观察之后,叠加态坍缩为定态,呈现粒子性。

3、不确定性原理

“粒子的位置与速度不可能同时被精确测定,如果精确测定位置,那么速度就会非常不准确,如果精确测定位置,那么粒子的速度就会非常不准确”

这个原理可以通过一个实验简单的说明。

我们眼看到的东西都是通过光反射到我们的视网膜上形成的,所以如果想要探测一个基本粒子,我们就需呀一个更小的粒子作为“光”,最好的“光”就是γ射线,这是一种波长非常短的电磁波,所以能量非常高。我们让γ射线撞击待测粒子,通过反射。我们就能精确测定待测粒子的位置。但是就是因为这一撞,粒子的速度也就因此改变,所以说这两种物理量是不能同时精确测定的。

这只是为了说明这个问题而提出的一个实验,其实不确定性是量子的一个基本性质,并不依赖于我们的测量工具。

除了这些,量子还有好多奇妙的性质,比如说量子隧穿,量子纠缠,迟滞实验等,截止到目前,我们依然不理解这些性质背后的道理是什么,还有很长的路要走。

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