关于量子史话,已经写到了第29篇,如果你是从第一篇看到了现在,那么恭喜你,作为科普的目的,你已经大致上了解了整个量子力学诞生的过程,而且对其中的一些基本原理也已经有了一定的了解。

除了可以当作饭后的谈资和朋友们讲讲量子力学以外,还能在女朋友面前展现你的博学多才。更重要的是,让你对这个世界有了更深一层的理解。

我觉得人活一世,最大的糊涂就是,对我们来过的这个世界完全不懂,不知道太阳为什么发光,只知道它很亮,不知道为何会有四季变化,只知道天冷了穿衣,不知道玻璃为什么透明,只知道它可以为你挡风的时候,不妨碍你四处张望。

如果有人问你,知道这些有啥用,你可以直接说,这可以把人与动物区分开来。

好了,我们开始今天的主题!

我相信,你在看完了量子力学之后,也跟我一样陷入了沉思,感觉自己好像懂了些什么,但又感觉什么都不懂。

不要紧,毕竟费曼曾经说过,没有一个人真正懂量子力学!那更何况我们这些凡夫俗子呢。虽然量子力学诞生到现在已经快一个世纪了,但依然有很多难题,无法彻底地给出让每一个人都满意的答案。

比如波粒二象性,一个电子,或者说一个实物粒子,它既有波的性质也有粒子的性质,那么你如何去理解这种波粒二象性,这种波和粒子的叠加态?

我相信没有一个人能够在脑海中构建出一个既是波又是粒子的图景,为了回避这个波粒之间矛盾,波尔的互补原理说,在没有观察电子的时候,你不能对它是什么进行描述,也就是说,没有观察的时候,电子什么也不是。

只有在你通过特定的手段测量了电子以后,电子才会展现出波或者粒子的性质给你看,至于它会展现出粒子,还是波,这完全取决于你的测量手段。

所以玻尔更进一步否定了独立于观察者的客观现实性的存在,甚至认为,我们在没有观察电子的时候,电子都不具备位置,和动量这样物理属性。

为了回避波粒二象性的矛盾,我们不得不把观测者引入物理学,作为量子力学中的一个基本假设,那么玻尔的互补原理是不是真的描述了现实世界的本质?这谁也说不准,但就目前来看,没有任何问题。

再一个就是量子力学中的随机性,也就是波恩对波函数的概率解释,如果一个量子客体处在多种可能状态的叠加态当中,我们在没有观察它的时候,它并没有确定的性质,但是当我们测量以后,它的波函数就会随机的坍缩到一个可能的本征态当中。

至于是哪个本征态,这是完全随机的,这跟我们经典世界中的随机不一样,比如我们抛硬币,正面还是反面在我们看来就是随机的,但是这个随机的基础依旧是决定性的,只要我们愿意算,知道了银币出手那一刻的状态,知道了硬币落地过程中所有的影响因素,完全可以算出它是正面还是反面。

但是量子世界的随机那才叫真随机,没有任何因果的关系的随机。那么你如何解释,为何这个世界从本质上是随机的?

再一个波函数坍缩问题,波函数为什么会坍缩?是什么导致了波函数坍缩?波函数坍缩背后的机理是什么?波函数坍缩是一个变化的过程,还是瞬间完成的?

这些问题我们都无法解释,因为我们现在对波函数的坍缩无法进行数学描述,只认为它就是一个瞬间选择的过程,不对其进行描述。

如果你认为是观察本身导致了波函数坍缩,那看过上节薛定谔的猫以后,就会出现一个新的问题,你如何定义观测者 ?什么样的观测者会导致波函数坍缩?什么样的观测者不会?

如果你顺着这个思路往下思考,肯定会遇到意识难题,最后得出一个结论,有人参与的观测过程会导致波函数坍缩,由于唯独人有意识,所以是意识导致了波函数坍缩。

就这样意识恶魔,光明正大地走进了科学殿堂。只要是你信奉哥本哈根的解释,就难逃意识难题。

最后一个非定域性,先解释下什么是定域性,不存在超光速的相互作用就是定域性,我们现实世界的作用过程有光速极限的现实。那么非定域性,就是存在超光速的相互作用。

这说的是啥?量子纠缠的证明,意味着量子力学是非定域性的,两个纠缠粒子确实存在瞬时的某种联系。

测量一个,另外一个立刻会做出回应,不管相距多么遥远。人类目前还搞不懂,纠缠背后的机制是什么?是什么东西在纠缠?它们是如何做到瞬间相互作用的?

这些问题没人敢妄下结论。不过这好像也告诉了我们,宇宙本身就是一个存在某种内在联系的整体。

还有一个更为重要的问题,这种纠缠是否违背了相对论?不过我们现在认为,由于量子的随机性,导致了这种纠缠不能传递有效的信息,所以认为不违背相对论。

但这隐隐约约总让人觉得,好像事情没有这么简单,量子纠缠背后肯定包含着某种最高的真理,现在我们还不得而知。

虽然以上的问题还没有一个让所有人满意的答案,但是这也不能否认量子力学的成功,它现在已经成为了现代物理学的两大支柱之一,而且对量子力学的应用已经彻底了改变了我们的生活。

比如凡是现在用电的设备,都跟量子力学有关,因为什么半导体,激光,超导体都是以量子力学为基础弄出来的。

而且近些年,我们也常会听到量子力学在通信方面的应用,比如量子保密通讯,量子隐形传态,还有我们非常关注的量子计算机,它们的基础都是量子纠缠,虽然我们不懂其后的真理,但是这并不妨碍我们用它,就像你不会造汽车,但依然会开一个道理。

下个视频,我们说下,现在最尖端时髦的量子保密通讯,量子隐形传态,以及量子计算机。

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