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已經陷入停滯100年的現代物理學,難道真的被外星人鎖死了麼?
2023/10/26

大家應該都知道,我們現在生活在一個很神奇的時代,我們已經能夠對宇宙的大小有了比較清楚的了解,可以用牛頓力學和愛因斯坦相對論來解釋巨觀世界的物理現象,比如說為什麼地球圍著太陽轉,為什麼今天下雨明天晴,這些都可以用數學公式算出來。

我們也可以用量子力學和狹義相對論來探索微觀世界的奧秘,比如說原子是怎麼構成的,電子、質子、中子是什麼東西,這些都是量子物理學的魔法。

但是,這些理論都是上個世紀的老古董了,人類到現在還在用量子力學做電子產品,用相對論調整導航系統的時間誤差。而在微觀世界,人類的探險已經遇到了瓶頸。上個世紀中期建立的標準模型似乎已經把基本粒子都分門別類了,高能物理的熱鬧場面已經過去了,現在的實驗只能重復驗證標準模型,而不能發現新的東西。

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標準模型本身也有很多問題和不完善之處,讓物理學家很頭疼。所以,要想有新的科學革命,進一步深入微觀世界的秘密,可能就是下一個物理突破的關鍵。

為什麼人類在微觀層面的探索會遇到這麼大的困難呢?其實這跟微觀世界本身的性質有關。一直以來,人類科學認知的基礎都是從巨觀世界總結出來的。在巨觀世界,一切都是可以預測的,有因必有果,按照精確的物理規律運行。給出確定的初始條件,就可以通過物理方程精確計算出過程和結果。這種確定性支持了牛頓力學的建立,也使人類能夠從理性上正確解釋和控制巨觀世界。

但是,當科學家把目光放到微觀領域時,人類才發現這里的一切都完全不一樣。在微觀世界,不確定性成為根本特征。以電子為例,它既可表現出粒子屬性,也可表現出波動屬性,根本無法確定它到底是粒子還是波;在雙縫實驗中,單個電子看似可以同時通過兩條縫隙,它的位置和速度根本無法同時精確測定。

這種「模糊不清」為代表的不確定性特征,使微觀世界脫離了人類對巨觀世界的直觀認知。

我們可以用一個簡單的比喻來理解巨觀確定性和微觀不確定性的差異。想象一下計算機中運行的程序:在巨觀層面,計算機軟硬件的運作都是確定的,給出同樣的輸入,經過確定的指令運算,總會得到完全相同的輸出。這就像我們用牛頓力學來描述巨觀世界一樣,一切都是可預測的,有因必有果。然而,在微觀層面,計算機的核心部件cpu是由晶體管組成的,而晶體管的工作原理又是利用了電子的量子效應。所以在這個層面上,電子的不確定性會導致每一次運算的過程都略有不同,雖然區別非常細微,但確實存在。這就像我們用量子力學來描述微觀世界一樣,一切都是不確定的,有機率有偶然。

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可以說,確定性僅僅是巨觀效應的表現,而微觀本質一直都是不確定的。

正因為如此,人類在利用微觀知識推動科技發展時,也不可避免地受到了不確定性的約束。以電子技術為例,雖然我們可以做出運算速度極快的cpu和容量巨大的存儲器,但硬件的穩定性和壽命都受限于微觀世界的統計規律。任何精密的儀器都需要利用量子效應,但都不可避免地要受到海森堡不確定性原理的限制,無法做到完美精確。

海森堡不確定性原理是量子力學的基礎之一,它指出對于微觀粒子的某些互補變量,比如位置和動量,不可能同時得到精確測定。也就是說,你越精確地測量位置,對動量的測量誤差就越大;反之亦然。這個原理深深地影響了人類對微觀世界的認知方式。

在人類的理性認識中,空間可以無限細分,時間可以無限分割。但是在物理實際上,空間和時間都存在最小單位,這就是普朗克單位。普朗克長度大約是1.616×10-35米,普朗克時間大約是5.391×10-44秒。這是因為,當尺度達到普朗克量級時,就會出現明顯的量子效應,時空的連續性不復存在,這也是海森堡不確定性原理的一個直接結果。

可以說,海森堡不確定性原理導致了一個非常嚴重的后果:人類不僅無法完全確定或控制一個微觀粒子的性質,并且根本無法觀測或獲取比普朗克單位更小尺度上的信息。

這對人類科技發展形成了兩重限制:

第一,在微觀層面,我們永遠也無法實現「從零開始造物」。因為無法確定性地控制粒子,所以人類不可能通過直接操縱微觀粒子來進行各種物質的精準合成。

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第二,在更深的層面,普朗克極限讓我們無法觀測和認知超微觀世界的真實情況。人類不得不停滯在對現象的統計描述上,很難觸及量子世界的本質和規律。

簡而言之,海森堡不確定性原理將人類對物質微觀世界的認知和控制都限制在了一個尺度范圍之內。我們無法深入地了解更微小的結構,也無法從更基礎的層面自由構建物質世界。

理論上來說,如果人類能夠像寫代碼和3D打印一樣來精確控制物質的生成,我們就可以創造出「神奇物質合成器」。它的工作原理是先掃描任意一種物質的全部信息,包括各個原子的類型、數量和精確位置;然后,給出正確的原料,就可以根據這些信息指導原料原子重新組合,復制出完全相同的目標物質。

想象一下,如果有了這樣的技術,人類就真正做到了「從零開始造物」

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。要生成任何物質,只要提供其原子信息,就可以由合成器自動構建,而不需要研發專門的合成路徑。這可能產生巨大的經濟和社會影響。

但是,由于無法確定性地控制單個原子,這種「神奇物質合成器」很可能永遠停留在理論設想中,成為人類科技發展的極限。

長期以來,人類科學家更多地專注在如何利用已知的物質規律。很少有人感興趣于,在普朗克尺度以下,是否存在某種完全不同的結構或法則。這種關注不足也許會阻礙科學發現的大突破。

弦理論就是一次超越物質存在本身的嘗試。它設想在普朗克尺度附近,可能存在某種最小的、不可分割的「弦」結構,一切粒子都由弦的不同振動方式組成。這可能是突破普朗克極限,探索更深層次宇宙奧秘的重要途徑。但是目前弦理論還存在太多不確定性,還需要進一步的實證檢驗與發展。

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不過它啟發我們,也許只有突破對已知物質世界的著迷,才能取得新的發現。

要取得新的突破,我們必須正視并克服上面的核心困難。這可能會導致科學范式的大變革,甚至更改人類對自然和存在的根本認識。而唯有堅持不懈地探索,才能給這無窮的未知帶來曙光。科學發展的預設路徑并不重要,重要的是勇于和諧地面對難題,與宇宙奧秘共舞。

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