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量子力學為什麼讓人感到害怕?科學家到底發現了什麼?
2023/10/31

地球是一顆美麗的藍色星球,在地球上生活著各種各樣的生物,有海洋生物,有陸地生物,有兩棲生物和微生物等等,人類是地球上最有智慧的生命,從誕生以后,人類就開始不斷的研究和探索世界的奧秘,經過幾千年的科技發展,現在人類已經能夠走出地球探索宇宙,這說明人類科技發展的速度是非常快的,當人類走出地球看到宇宙之后,人類的好奇心被宇宙的浩瀚所吸引,人類想要知道宇宙到底有多大?在宇宙中是不是還存在其它的生命?帶著這些疑問,人類走上了探索宇宙的道路,人類之所以能夠有如此之快的發展速度,主要離不開科學家的貢獻,在人類科技發展的道路上,出現了很多偉大的科學家,比如說牛頓、愛因斯坦、哥白尼、霍金、伽利略、薛定諤等等,這些科學家為人類的科技起到了非常重要的作用。

俗話說,天不生牛頓萬古如長夜,牛頓的出現給人類打開了宇宙的大門,牛頓創立了經典力學體系,奠定了現代科學的理論基礎,是近代物理學和天文學的奠基人,在數學上,他創立了微積分學,為現代數學的發展奠定了基礎,在光學上,他創立了反射望遠鏡和光的色散理論,在電學上,他建立了最早的電與磁之間的聯系,牛頓于1727年3月14日生于倫敦的牛頓區,父親是一位律師,母親是家庭主婦,牛頓從小就非常聰明,五歲的時候就開始算術,八歲就能夠閱讀和計算,十歲就開始解答微積分,在1737年的時候,牛頓進入劍橋大學,并且在這里完成了他一生當中最偉大的成就,發現了萬有引力定律。牛頓寫道,宇宙中任何兩個物體之間都存在著相互的作用力,這個力與這兩個物體質量的乘積成正比,和這兩個物體之間的距離的平方成反比,這就是萬有引力定律。

如果沒有牛頓,人類科學可能要倒退幾百年的時間,在牛頓之后還有愛因斯坦,在1905年,愛因斯坦拋棄了以太假說,以光速不變和下一相對性原理的兩條基本假設推出了相對論,同時洛倫茲變換也被保留。縱觀狹義相對論誕生的過程,為狹義相對論做鋪墊的是麥克斯韋和邁克爾遜-莫雷實驗,幾乎摸到了門檻的是洛倫茲和龐加萊,但兩者仍然沒有打破陳規,死守以太假說,結果與狹義相對論擦肩而過,但不可否認洛倫茲和龐加萊是狹義相對論最大的助力者,甚至愛因斯坦也認為,即使他不推出狹義相對論,那麼最長5年后也會有人推出來!1905年被稱為是愛因斯坦奇跡年,在這一年內,他發表了四篇論文,提出了四個突破性理論,震撼了世界,1905年6月,愛因斯坦提出了光電效應,1922年,愛因斯坦憑借光電效應獲得了諾貝爾物理學獎。

同年9月份,著名的狹義相對論出現,同年11月份,他在狹義相對論的基礎上推導出了E=mc^2,解釋了物質和能量之間的關系,在19世紀的實惠,科學家們認為我們已經 解開了這個世界的全部奧秘,比如說在遠低于光速的情況下,牛頓的經典力學能夠解決所有的機械問題,電磁現象被總結為麥克斯韋方程,光現象能夠被波動定律完美解釋,熱現象被熱力學解釋,在光速情況下,相對論能夠解釋宇宙萬物,就在人類以為我們已經破解了世界的奧秘時,突然科學家們發現,這些理論只適合在巨觀世界中,一旦進入微觀世界,這個理論就不靈了,于是在19世紀的時候,眾多科學家普朗克、玻爾、海森堡、薛定諤、愛因斯坦等人一起創立了量子力學,量子力學是描述微觀物體的理論,它和相對論被稱為是現代物理學的兩大支柱。

量子力學的基本概念包括了量子態,測量,波粒二象性,不確定性原理,在量子力學當中,粒子不能夠像經典物理學那樣,能夠按照軌跡行動,而是以波的形式表述,其行為具有不確定性和統計性質,同時量子力學也描述了粒子之間的相互作用,以及他們如何通過發射和吸收光子等方式傳遞信息,在量子力學當中,有一句非常著名的話:上帝不擲骰子,這句話實際上是愛因斯坦用來反駁物理學家玻爾冠以量子力學的解釋,想要理解這句話還需要從牛頓開始說起,牛頓作為科學界的鼻祖,他認為光是一種粒子,當很長一段時間內,光是粒子的說法統治了科學界幾百年的時間。之后也有一些科學家認為,光是一種波,到底光是粒子還是波?這個問題困擾了科學家很長的時間,為了解開這個奧秘,科學家們還專門做了一個經典的物理實驗,這個實驗就是雙縫干涉實驗。

實驗過程是這樣的:一個電子發射器,一個擋板上面有兩條狹縫,擋板后面有接受電子的屏幕,屏幕上顯示出現明暗相間的干涉條紋,這說明電子不僅僅是粒子,它也具有波動性,穿過狹縫之后,發現了干涉現象,實驗開始的時候,科學家把光子一個一個的釋放出來,讓他們逐個穿過雙縫,最終的結果是形成了干涉條紋,後來科學家將光子換成了電子,也得到了干涉條紋,為了能夠看清楚光子到底是如何通過雙縫的,科學家們還專門安裝了探測器,用來觀測光子到底是從哪一個縫隙中穿過去的,就在這個時候,神奇的一幕出現了,干涉條紋居然消失了,這到底是怎麼回事呢?難道說觀測者能夠改變實驗的最終結果?有很多科學家認為,雙縫干涉實驗在沒有觀測者的時候,粒子處于疊加狀態,這個疊加狀態通過雙縫的時候,一半通過A縫隙,一半通過B縫隙。

在沒有觀測者的時候,就意味著沒有人能夠證明光子走了哪條縫隙,這個時候粒子就會處于疊加狀態,看到的現象就是粒子的形態,由于粒子非常小,沒有任何人能夠直接觀測它,所以它本身不構成觀測者,在這個實驗中,如果只看結果的話,那麼人類永遠都不會知道光到底是從哪一個縫隙中穿過去的,這會導致光子一直處于疊加狀態,最終形成干涉條紋,但是如果要使疊加態坍塌,就要對實驗進行觀測,看它到底是從哪個縫隙中穿過去,這時候光子的路線就被鎖定了,光子的路線被鎖定了,所以干涉條紋也就消失了。後來科學家總結出,光具有波粒二象性,在量子力學當中,有很多詭異的事情,曾經愛因斯坦在面對量子力學的時候,說過:上帝不會擲骰子,相信很多人都聽過這句話,然而這句話到底是什麼意思呢?

這一切還要從愛因斯坦和玻爾之間的爭論說起,在19世紀的時候,科學家們創立了量子力學,當時出現了兩個學派,一個是以愛因斯坦和薛定諤為首的決定論,還有一個是以玻爾和海森堡為首的哥本哈根學派,他們強調量子世界是不確定的,是隨機的,只能夠用機率去描述,作為量子力學的奠基人之一,愛因斯坦其實并不反對量子力學,他反對的只是哥本哈根學派的不確定論。愛因斯坦認為,世界是確定的,是可以描述的。之所以會出現「不確定性」,說明量子力學還不完備,很可能存在某種「隱變量」還沒有發現,結果導致了量子世界的詭異現象出現。而然以玻爾為首的哥本哈根學派堅持認為量子世界存在詭異現象,任何觀測行為都會導致波函數的坍縮,也就是從不確定性變為確定性。

我們可以舉個巨觀的例子,月亮一直掛在天空中,如果按照哥本哈根的意思解釋,月亮在天空中的狀態是不確定的,如果想要確定是不是在天空中,只有通過觀測,一旦實施了觀測,月亮的狀態就確定了,而沒有實施觀測前,月球的狀態就是不確定的,很明顯,用我們巨觀世界去解釋量子力學的不確定性,確實是非常詭異的,很多人都接受不了這個現實,愛因斯坦反駁玻爾,不看月亮,難道月球就不存在嗎?而玻爾反駁愛因斯坦,你不看月亮,怎麼知道月球在那里?愛因斯坦認為,之所以現在無法精準測量和預測微觀粒子的一些運動狀態,是因為其中有一些隱藏著的「隱變量」還沒有被發現,因此,這些理論是不完備的。通俗地說,就是愛因斯坦認為,量子理論還是一個不完備的半拉子理論,還有許多深層次規律沒有揭示出來,所以才會有一些奇異現象無法解釋。

由此,「上帝不會擲骰子」的意思就很明確了,就是說規律這個「上帝」不會隨機亂點鴛鴦譜,微觀世界的一些現象也有其遵從的自然客觀規律,只要找到還沒有弄清楚的那些「隱變量」,這些奇異現象就會變得可以理解和預見了。作為愛因斯坦的同盟軍,薛定諤弄了個「薛定諤的貓」思維實驗,想以此來諷刺哥本哈根詮釋的荒謬。當時愛因斯坦聽了之后非常滿意,薛定諤的貓大概意思是:將一只貓放在一個封閉的箱子中,然后把這個箱子里面放置一個裝置,其中包括一個原子核和毒氣設施,這個原子核有百分之50的幾率衰變,當原子核衰變時,就會釋放出一種毒氣,這時候貓就會被毒死,如果原子核沒有發生衰變,那麼毒氣就不會被釋放出來,這時候貓就不會死亡,而我們想要知道貓到底有沒有死亡,最直接的方式就是打開箱子,這樣我們就能夠清楚的看到貓到底有沒有死亡。

如果按照經典物理學來解釋,那麼貓只會出現一種結果,但是在量子力學中,貓會出現兩種結果,即死又活、非死非活的詭異狀態,這是因為疊加態的存在,支持量子力學的科學家認為,在我們沒有打開箱子之前,箱子里面其實存在兩只貓,一只是死亡以后的貓,另一只是活著的貓,這兩種貓處于疊加狀態,當我們打開箱子后,其中一種疊加態就會消失,這時候只會剩下其中一種結果,所以我們只能夠看到一種結果,這其實是因為觀測者導致波函數坍塌,另一種結果就會消失,疊加態原理是量子力學當中的一個基本原理,它說明了波函數的性質,如果ψ1是體系的一個本征態,對應的本征值為A1,ψ2也是體系的一個本征態,對應的本征值為A2,根據薛定諤方程的線性關系,ψ=C1ψ1+C2ψ2也是體系一個可能的存在狀態。

這個原理還有另外一層含義:當粒子處于態ψ1和態ψ2的線性疊加態時,粒子是即處于態ψ1,又處于態ψ2。簡單來說就是——微觀粒子可以同時位于兩個甚至多個地點的狀態!更加詭異的是,直到有觀察者去測量它時,疊加態才會坍縮成一個確定的狀態。相信很多人看到這里都覺得不可思議,別說普通人會為量子力學感到震驚,就連科學家們對量子力學也會感到震驚,愛因斯坦說過:「如果量子力學是正確的,這個世界就有點瘋狂!玻爾也說過:「誰要是不為量子理論感到震驚,那是因為他還不了解這個理論。別鬧了費曼先生曾說過:「我想我可以相當有把握地說,沒人能真的搞懂量子力學。疊加態理論認為,在微觀世界中,粒子能夠同時位于多個地點的狀態,更加詭異的是,直到有人觀察它的時候,疊加態才會坍縮成一個確定的狀態。

在玻爾的互補原理中,我們常說在沒有觀測單個量子客體的時候,它就處于波和粒子這兩種可能狀態的疊加態當中,這種波動和粒子的疊加態,我們無法想象是一種什麼樣的情況,因為在現實生活中,波和粒子是兩個互相排斥的現象,因此這種疊加態沒有實現對應物,所以我們無法對其理解,這就像一個硬幣的正反面一樣,它無法同時表現出正反兩面給你看,你也無法想象既是正面,也是反面的硬幣,因為在哥本哈根的解釋當中,在我們沒有觀測量子客體的時候,對他進行了描述是沒有意義的,所以我們常說的一個電子在沒有觀測它的時候,它既是粒子也是波,其實是不正確的,你只要試圖對他進行可能的描述,都是錯誤的,如果Ψ₁代表了電子粒子性的可能狀態,也就是一個本征態。

Ψ₂代表了電子波動性的本征態,那麼對于電子這個體系的態Ψ就處在態Ψ₁和態Ψ₂的線性疊加態當中。也就是Ψ=C₁Ψ₁+C₂Ψ₂,如果我們對電子進行觀察,那麼電子將表現出可能的本征態中的一個,這種線性疊加態到某個本征態轉變的過程,就叫波函數坍縮。再比如說,波動方程中的Ψ代表了電子的幾率幅,它模方也就是電子出現在某個位置的機率,那麼在沒有觀察之前,電子位置這個力學量就處在各種可能位置的線性疊加態當中。這個時候,一個自由電子可以同時處在任何可能的位置,這里「同時」兩個字相當重要,記住了這一點,對理解后面的雙縫干涉實驗很有幫助,以及雙縫干涉實驗的變種實驗,比如惠勒延遲選擇實驗有很大的幫助。

當我們對電子進行觀察的時候,它就會隨機出現在一個確定的位置,這種從同時處在不同位置的疊加態到確定的本征態,就是波函數坍縮。對于我們普通人來說,我們簡單理解就好了,畢竟連科學家都覺得不可思議,量子力學的詭異之處,并不止這麼多,這也只是量子力學的冰山一角,即便是這麼少的理論,很多科學家都無法理解,這說明量子力學實在是太深奧了,很多科學家懂了量子力學之后,認為我們的世界并不是真實存在的,如果說按照量子力學的說法來看,只要我們閉上眼睛,那麼世界就是不存在的,當我們睜開眼睛的時候,我們的世界才會真實的展現在我們的面前,而這個說法相信很多人都無法接受,在我們的印象中,無論我們是不是閉上眼睛,世界依然是存在的,它不可能憑空消失。

然而我們所看到的一切事物到底是不是真實存在的?這個問題到現在科學家們也在積極的研究當中,曾經著名的企業家馬斯克認為,我們的世界可能是虛擬的,我們生活在真實世界的機率還不到十億分之一,這到底是怎麼回事呢?看到這里,可能很多人都會覺得馬斯克在胡編亂造,不過關于我們世界是不是虛擬的,在科學界也是有一定理論依據的,因為在我們的世界中,就存在虛擬世界,比如說游戲,游戲就是一個虛擬世界,相信很多人都喜歡玩游戲,游戲里面的世界對于我們來說就是虛擬的,這是因為我們身在游戲外面,能夠清楚的知道這一切,但是對于游戲里面的人物來說,它們如何能夠知道自己的世界是虛擬的呢?很明顯,它們是不可能知道的,既然如此,那麼我們又怎麼能夠確定我們的世界是真實存在的?而不是高級文明利用超級計算機制造出來的?

有很多科學家認為,在宇宙中除了地球生命之外,一定還存在外星生命,有一些高級的外星文明,它們完全有能力制造出一個虛擬的宇宙來,早在上個世紀60年代的時候,著名的科學家卡爾達舍夫建立了嚴密的宇宙文明等級制度,將宇宙中所有的文明劃分為三個等級,一級文明被稱為是行星文明,這種文明的一切活動幾乎全部圍繞著本行星的資源來開展,目前人類的文明還不到一級文明,只能夠算0.7級文明。畢竟人類現在還沒有辦法將地球上所有的資源全部利用。二級文明被稱為是恒星文明,當一個文明的科技達到二級文明之后,這個文明就能夠制造出戴森球來,這是一種能夠將恒星完全包裹起來的裝置,它能夠源源不斷的吸收恒星的能源,如果人類的文明達到二級文明,那麼人類也能夠制造出戴森球來,將太陽包裹起來,然后源源不斷的吸收太陽的能量。

三級文明被稱為是星系文明,當人類進入三級文明之后,人類對于生命的理解已經非常深入了,疾病或許不再是困擾人類的一大因素,甚至還會直接對個體的DNA進行修改,在移民擴張方面,也實現了恒星系之間的旅行,開始探索宇宙的本源和深層規律。而且人類還能夠利用銀河系中所有的資源。後來科學家發現三級文明顯然不夠,于是科學家又加入了四級文明,四級文明也被稱為是宇宙文明,如果人類能夠達到四級文明,那麼人類就能夠利用宇宙中所有的資源,不過科學家卻很少提及四級文明,有很多科學家認為,四級文明已經超出了我們的想象,四級文明能夠利用全宇宙的資源,而且它們完全有能力制造出一個虛擬宇宙來,如果說我們的宇宙真的是高級文明制造出來的,那麼我們如何才能夠找到宇宙中的BUG呢?

在上世紀80年代,互聯網還沒有全球大規模普及的時候,物理學家約翰.惠勒就提出了宇宙的本質是數學,一切物質本質上都是信息量不同的信息,除了一些物理學家之外,有很多哲學家都認為人類生活在高級文明的模擬世界中,只不過現在人類還無法確定我們的世界是不是被高級文明設計出來的,如果說有一架超級量子計算機,它是不是能夠模擬出一個足夠真實的世界,或者說模擬出一個現階段人類找不到破綻的虛擬世界,按照人類目前對世界的了解,在現實生活中,科學家能夠找到宇宙中的BUG嗎?有一些科學家認為,現在我們已經找到了宇宙中的BUG,只是還沒有辦法確認。比如說我們的世界是由公式制造出來的,科學家之所以偉大,是因為它們發現了宇宙中的公式。

比如說薛定諤方程,在這個方程中,描述了物體的狀態不能夠像經典力學中一樣用位移,速度等等,而只能夠用一個物體的量的函數來描述。這個物理量不再是某個確定的值,而是一個隨著時間分布的機率,每一個微觀系統都有相對應的薛定諤方程,薛定諤方程在量子力學中的意義就相當于牛頓第二定律在經典力學中的意義一樣,除此之外,愛因斯坦的質能方程式也解釋了宇宙萬物之間相互轉化的關系,在經典力學中,質量和能量是兩個完全不同互不相通的概念,它們之間沒有確定的當量關系,認為一定質量的物體可以具有不同能量,這種能量以動量、沖量、動能、勢能來表示。愛因斯坦的貢獻就是把質量和能量這兩個東西糅合在一起了,劃了一個等號,即質量和能量是等價的,而且可以互換的,其簡化出來的公式為:E=MC^2,這就是偉大的質能方程。

這個公式里的E表示能量,M表示質量,C表示光速。當年愛因斯坦創立狹義相對論之后,認為經典力學是建立在絕對時空觀基礎上的,將物質運動的時間和空間分割來考慮的,解釋世界采用的是伽利略變換,簡單來說就是1+1=2,伽利略變換能夠解釋巨觀世界低速系統中的大部分現象,畢竟在低速參考系中,很多誤差能夠忽略不計,但是在接近光速的情況下,伽利略變換就不行了,這是因為時空是不能夠分割的,相對不同的時空,觀測物質運動的時間性也是不一樣的,在質能方程式中,物質動能量是和速度成正比的,速度越大動能量就越大,這一點在經典力學中也是一樣的,所謂動量、沖量、動能、勢能就是這個道理,愛因斯坦的質能方程式解釋了太陽燃燒的奧秘。

太陽之所以能夠燃燒這麼多年,就是因為質能和能量的相互轉化,根據這個公式,1公斤物質的能量全部釋放,就約等于9*10^16J(焦耳),相當250億度電能。而現在人類掌握的最大能量釋放是核聚變,其質能轉換率只有約0.7%,也就是1公斤質量(氫)通過核聚變,質量虧損只有約7g(克),這7g質量可以轉化出6.3*10^14J的能量,相當1.75億度電能,約合15萬噸TNT炸藥爆炸威力。而太陽燃燒是內部核聚變的反應,所謂的核聚變反應指的是在一定條件下(高溫和高壓狀態下)原子核相互發生碰撞產生的,正在這些原子核發生碰撞的過程中,不僅會生成新的更重的原子核,還會因為質量虧損釋放出巨大的能量,簡單來說就是核聚變反應根本不需要氧氣也能夠產生,只要處于高壓或者高溫狀態下就能夠發生變化。

我們的太陽內部中心溫度高達1500萬攝氏度,是一個集高溫、高壓、高密度的一個區域,在這個核心部位,太陽將會通過氫核聚變反應變成氦元素,并且釋放出巨大的能量。地球每秒鐘接收到的太陽能量大約只有22億分之一,對于人類來說,太陽的能源取之不盡用之不竭。從這些案例中我們就能夠知道,宇宙是一個有規律的星際空間,在宇宙中很多天體都在遵循規律運動,現在人類還無法解開宇宙的全部奧秘,這是因為人類還沒有發現宇宙中的全部公式,如果人類發現了宇宙中的全部公式,那麼人類或許能夠解開宇宙中所有的奧秘,換句話來說,既然我們的宇宙全部是由公式組成的,那麼這些公司的創造者會不會就是我們所說的造物者?

曾經著名的物理學家楊振寧教授在接受采訪的時候被問道:你相信這個世界上有上帝嗎?楊振寧回答道:如果你所謂的這個上帝是人形狀的,那我想是沒有的,如果你問我這個世界上有沒有一個造物者,那我想是有的,因為我們的世界并不是偶然存在的,雖然現在科學家還不知道這個造物者是什麼,但是我們的世界一定不是憑空出現的,即使宇宙來自于奇點大爆炸,那麼在奇點之前又是什麼呢?小編認為,在宇宙大爆炸之前,一定有一股神秘的力量,促使了這一切的發生,未來隨著人類科技的進步,說不定人類能夠解開這個奧秘,小編希望人類能夠早日實現自己的夢想,對此,大家有什麼想說的嗎?

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