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在量子力学的秘世界里,“测不准”(不确定)始终是令人困惑却又核心的概念之。
很多人初次接触这概念时,总会下意识地认为:所谓“测不准”,不过是我们当前的测量技术不够,只要未来发明出精密的仪器,就能同时精确捕捉量子的所有属。
但事实恰恰相反——量子的“测不准”,并非技术问题致,而是任何量子都与生俱来的内禀属,是宇宙底层逻辑的固有规律,与我们的测量手段关,即便人类拥有了对、不干扰观测对象的测量技术,依然法突破这限制。
为了让大轻松地理解这违背直觉的规律,我们不妨先从段物理学界的传奇历史说起。
物理学界从来都不是片平静的净土,就像人类历史上的思想交锋样,物理学内部也始终充斥着各种学术分歧,小到公式的修正,大到理论体系的颠覆,数科学为了捍卫自己的学术信仰,展开过数次激烈的争论。
而在这所有的争论中,具影响力、被后人津津乐道的,当属百多年前的索尔维会议——那场被称为物理学界“诸之战”的世纪论战,不仅重塑了人类对微观世界的认知,让量子力学的思想逐渐被整个科学界接受,其影响直延续到今天。
当我们如今回望这场旷古伦的史诗科学大战,就像凡人仰望架般,心中满是敬畏。那些在物理学史上留下浓墨重彩的名字,那些改变了人类认知边界的顶科学,全都汇聚在那场会议上,为了“我们的世界究竟应该是什么样子”这核心问题,展开了针锋相对的辩论。
这场争论,不仅是学术观点的碰撞,是两种宇宙观、两种哲学信仰的交锋,而量子派正是在这场论战中,逐步确立了自己的地位,也让“不确定”这量子核心特,走进了人类的视野。
要读懂这场“诸之战”,先要了解索尔维会议本身。
索尔维会议,是由位比利时实业欧内斯特·索尔维(Ernest Solvay)创立的物理学端论坛。索尔维本身并非物理学,却对物理学有着浓厚的兴趣和大的热情,他凭借自己在化工域(尤其是制碱工业)积累的巨额财富,创办了这会议,目的是为全球顶物理学提供个交流探讨、碰撞思想的平台,动物理学的前沿发展。
届索尔维会议于1911年在比利时布鲁塞尔召开,主题围绕“辐射理论与量子”展开,当时参会的科学包括因斯坦、普朗克、居里夫人、洛伦兹等,都是当时物理学界的军人物。这场会议的成功举办,让索尔维会议迅速成为物理学界具影响力的学术会议之。
不过,由于次世界大战的爆发,索尔维会议被迫中断,直到1921年才重新恢复,之后定期每3年举行届。
而真正奠定索尔维会议历史地位、成为“诸之战”主战场的,是1927年召开的五届索尔维会议。
这届会议的主题是“电子与光子”,恰逢量子力学快速发展的黄金时期,当时量子力学的两大核心分支——矩阵力学和波动力学刚刚建立,关于量子世界的本质,物理学们分歧巨大,因此这场会议吸引了当时几乎所有顶的物理学,堪称“物理学全明星梦之队”的聚。如今网络上流传广的那张“物理学全明星梦之集”的照片,正是这届索尔维会议的影。
在这张照片中,量子力学域的众星云集,因斯坦、玻尔、薛定谔、海森堡、泡利、狄拉克、德布罗意等名字,每个都足以撑起物理学的个时代。如果我们仔细观察这张照片,会发现很多科学看起来都十分年轻,但如果对比他们的学术成就,就会惊叹于他们的天赋与才华——大部分人在当时都还是气刚的年轻人,却已经做出了足以改变物理学发展轨迹的突破贡献。
在这张照片拍摄的两年前,也就是1925年,被称为“量子力学童”的海森堡,在量子理论面已经做出了革命的贡献,而那时的他,才刚刚24岁。
尽管在物理学域,海森堡拥有惊世骇俗的天赋,能够轻松破解困扰众多资科学的难题,但在生活中,他依然是个稚气未脱的大孩子。他喜欢跟着青年团去各地旅行,在哥本哈根逗留期间,还曾去巴伐利亚滑雪,结果不小心摔伤了膝盖,整整躺了好几个礼拜。
在山谷田野间畅游时,他会兴得忘乎所以,甚至坦言“我连秒钟的物理都不愿想”,这份纯粹的热与随,也正是那个时代年轻科学们的真实写照。
其实,不仅仅是海森堡,当时那些闪耀在量子力学域的年轻俊杰,大多都是如此。
1925年,被称为量子力学的“突破之年”,这年里,量子力学的核心理论框架逐步成型,而那些动这突破的年轻科学们,年龄都小得惊人:泡利25岁,凭借“泡利不相容原理”奠定了量子力学的基础;狄拉克23岁,提出了量子力学的基本程之,后来还预言了反物质的存在;乌仑贝克25岁,古兹密特23岁,两人共同提出了电子自旋的概念,解决了原子光谱的诸多难题;约尔当23岁,与海森堡、波恩共同创立了矩阵力学。
与这些年轻人相比,38岁的薛定谔、40岁的玻尔和43岁的波恩,都得上是“老爷爷”别的人物了。
不过,物理学界向来有“自古英雄出少年”的传统,纵观物理学发展史,许多重大突破都是由年轻人做出的:因斯坦1905年提出光量子假说、狭义相对论等系列革命理论时,年仅26岁;玻尔1913年提出原子结构模型,破了经典物理学对原子的认知,当时他28岁;就连非科班出身的德布罗意,1923年提出物质波理论,将量子概念从光子扩展到所有微观粒子时,也只有31岁,在当时的量子力学圈子里,已经是年龄比较大的了。
也正因为如此,当时的量子力学被人们戏称为“男孩物理学”,而波恩在哥廷根大学开设的量子理论班,是被人调侃为“波恩幼儿园”——班里的学生大多都是二十出头的年轻人,却个个都是天赋异禀的学术奇才。而1927年索尔维会议的那张影,在某种意义上,也可以看作是“波恩幼儿园”的校友聚会纪念照,这些年轻的科学们,日后都成为了量子力学发展的核心力量,撑起了现代物理学的半壁江山。
五届索尔维会议的议程,本身就像是部浓缩的量子力学发展史,每个环节都围绕着量子理论的核心争议展开,而从议程中,我们也能清晰地看出当时物理学界的三大派系,各立场鲜明,分歧巨大。
会议的议程安排十分紧凑:
先,劳伦斯·布拉格做了关于X射线的实验报告,详细介绍了X射线的衍射现象,为量子力学的实验基础提供了重要支撑;
随后,康普顿报告了自己的实验成果——康普顿应,这实验证明了光子具有动量,直接违背了经典电磁理论,为光的粒子提供了决定证据;
接下来,德布罗意做了关于量子新力学的演讲,阐述了自己提出的物质波理论,认为所有微观粒子都具有波粒二象,破了“粒子”与“波”的传统界限;
随后,波恩和海森堡联介绍了量子力学的矩阵力学,这理论抛弃了经典物理学的轨道概念,用抽象的矩阵来描述量子的状态,充满了数学的严谨;
而薛定谔则介绍了自己创立的波动力学,用波函数来描述量子的运动状态,加直观易懂巴中泡沫板专用胶厂,与矩阵力学形成了鲜明的对比;
后,玻尔在自己科莫演讲的基础上,再次做了关于量子假设与原子新理论的报告,进步总结了互补原理,为量子论奠定了完整的哲学基础,也明确了哥本哈根学派的核心观点。
从这份议程中,我们可以清晰地将参会科学分为三大派系:
派是“实验派”,以布拉格和康普顿为代表,他们关注实验结果本身,不纠结于理论的哲学意义,只通过实验数据来验证理论的正确,是量子力学发展的“坚实后盾”;
二派是“哥本哈根派”,以玻尔、波恩、海森堡为核心,他们是量子力学的坚定拥护者,提出了波函数的概率诠释、互补原理等核心观点,主张用全新的视角来理解微观世界,是当时量子理论的“主流阵营”;
三派则是哥本哈根派的质疑者和挑战者,以德布罗意、薛定谔为代表,他们虽然也认可量子力学的实验成果,但法接受哥本哈根学派的哲学诠释,认为量子世界应该具有直观的物理图像;而坐在会场中,全程脸不兴的因斯坦,则是这派系中具影响力的人物,也是哥本哈根学派强大的对手。
很多人都会好奇,因斯坦为什么会不兴?要知道,因斯坦本身也是量子力学的奠基人之,他1905年提出的光量子假说,是量子力学的重要开端,可为什么他会成为量子力学主流学派的反对者?
答案很简单:因为这群量子论的开创者们,正在破坏他心中那个“的世界”。
因斯坦生都坚信,我们的世界是“定域且实在”的。
通俗地说,“定域”就是指任何信号的传播速度都不能过光速,不存在距作用;而“实在”则是指,事物的存在和属是客观的,与我们的观测关——论我们是否观测它,它都具有确定的状态和属。
这是因斯坦对世界的基本认知信仰,也是经典物理学的核心思想,就像牛顿力学所描述的那样,宇宙就像个精密的钟表,切都按照既定的规律运行,只要我们掌握了足够的信息,就能精确预测未来的切。
但哥本哈根学派的观点,却恰恰挑战了因斯坦的这信仰。
以玻尔和海森堡为代表的哥本哈根学派,提出了套看似“科幻”的理论,来解释各种诡异的量子现象,其中核心的观点有三点:
,微观粒子可以用波函数来描述,但波函数本身只是个抽象的数学概念,除了用来计概率之外,不具有任何真实的物理存在;
二,实验可以展示物质的粒子行为,也可以展示物质的波动行为,但法同时展示两种行为,这就是互补原理;
三,在量子系统中,个粒子的共轭物理量——比如位置和动量、能量和时间——法同时被精确确定,我们法同时精确测量两者,这就是所谓的“测不准原理”。
这三点观点,每点都严重冲击着因斯坦的认知。
他法接受个“没有真实物理存在”的物质世界,法接受种“与观测关就没有确定属”的观点,当然,他不肯承认,我们法精确同时测量某种微粒的两种属。
因斯坦始终坚信,世界是真实的、确定的,切事物都按照固定的规律演化,他曾多次公开表示“上帝不掷骰子”,这句话背后,正是他对决定论的坚守,对量子力学中“概率”和“不确定”的质疑。
信仰的冲突,从来都是不可调和的。于是,各大们纷纷亮出自己的“招式”,展开了场物理学界水平的论战,这场论战由因斯坦率先发起,也就是被后世称为物理学界“诸之战”的大论战。
与我们印象中的学术争论不同,这些顶科学们的“过招”式十分特别——他们不争论实验数据的对错,也不纠结于公式的,而是通过构想“思想实验”,给对的理论体系出难题,通过证伪的式来击垮对的理论,从而赢得胜利。而因斯坦,正是构造思想实验的顶,他凭借自己凡的想象力和逻辑思维,次次向哥本哈根学派发起挑战。
在听完量子派各位大将的演讲后,因斯坦终于决定率先出招。
他仔细研究了哥本哈根学派的三大核心观点,发现:
点关于波函数的诠释,像是种哲学观点,很难直接反驳;
二点互补原理,已经被数实验验证过,想要翻难度大;
而唯可以挑战的,就是三点——测不准原理。而这点,也正是我们这篇文章想要探讨的“不确定”问题。
测不准原理,是由德国物理学海森堡在1927年的篇论文中提出的,因此也被称为“海森堡测不准原理”,是量子力学中重要的基础规律之。
海森堡在论文中指出,任何测量行为,都会对量子的状态产生干扰,正是这种干扰,致我们法精确测量量子的某些数值属。
比如,当我们想要测量个电子的位置时,就需要用光子去照射它,而光子与电子的碰撞,会改变电子的动量,因此我们法同时精确知道电子的位置和动量——这就是海森堡初对测不准原理的解释,从这个角度来看,测不准似乎真的是“技术问题”,是测量行为本身造成的干扰。
那么,测不准原理,或者说量子的不确定,到底是什么?
很多人对它的理解都存在误区巴中泡沫板专用胶厂,认为“不确定”就是“我们法确定量子的某个属”,但事实并非如此。
真正的不确定,并不是说量子的某个属法确定,而是说量子的某对共轭属,法同时被确定。比如,我们法同时确定个电子的位置和速度——因为速度和质量的乘积就是动量,所以物理学们通常会用动量来替代速度进行表述:粒子法同时被精确测量其位置和动量。我们如果把其中个属测量得越精确,那么另个属的测量结果就会越粗略,两者之间存在种然的“ trade-off ”(权衡关系)。
这种关系,如果放到我们熟悉的宏观世界,会显得比诡异,甚至违背常识。
我们可以想象下:如果你看到辆行驶的小汽车,如果你能准确知道它某个时刻的位置,那么你就肯定法准确知道它的速度;你对位置掌握得越精确,对速度的掌握就会越模糊。在这个场景中,“车的位置”和“车的速度”,就相当于量子世界中的对共轭物理量。
看到这里,很多人都会产生种强烈的违和感:这怎么可能?现实生活中,汽车的速度表、北斗卫星定位,不都能同时精确测量位置和速度吗?马路上的测速雷达、速摄像机,不也能同时捕捉车辆的位置和速度吗?我们测量个物体的准确位置和同时测量它的准确速度之间,到底存在什么矛盾?
这种疑问,其实很正常,因为我们生活在宏观世界,早已习惯了经典物理学的规律,而量子世界的规律,本身就与宏观世界截然不同。
很多人都会认为,测不准原理之所以存在,只是因为我们的测量技术不够——就像海森堡所说的,是测量行为干扰了量子的状态。如果我们能找到种不干扰观测对象粒子的技术手段,那么测不准的问题就会迎刃而解。
在我们的直觉中,量子虽然微小,但本质上和其他物体样,都是客观存在的,我们可以通过各种间接的法来感知它的属。如今的科学技术已经如此,各种精密的仪器层出不穷,只要我们找到种不互相干扰的测量法,就定能同时测准量子的那些“矛盾量”,测不准的问题,应该可以通过技术手段来克服。
如果你也是这么想的,那么恭喜你,你已经和当年的因斯坦想到起去了。
因斯坦当年就是这样认为的,他坚信,测不准只是技术限制,只要找到适的测量法,就能同时精确测量量子的共轭属,从而证明量子力学是存在漏洞的,是不完整的。
在他看来,测量手段可以花样百出,只要凭借自己聪慧的大脑,就定能找到个“捷径”,攻破哥本哈根学派薄弱的环节,进而掀翻对的理论堡垒,甚至整个量子力学的体系。
那么,因斯坦到底构思了什么样的案?他如何证明粒子的位置和动量,或者能量和时间,是可以同时精确测量的?经过番苦思冥想,因斯坦终于构思出了个看似解的思想实验——光盒实验,向哥本哈根学派发起了致命攻势。
这个实验的设计非常巧妙,具体来说是这样的:试想个装满了光子的盒子,在盒子的侧有个装有快门的小孔,盒子内部有个其精密的时钟,可以通过控制器将小孔处的快门开启段其短暂的时间间隔,让颗光子从盒子中射出,然后再迅速关闭快门。
接下来,我们可以测量光子射出前后盒子的质量差,然后利用因斯坦自己提出的奇质能程式E=mc²,就可以精确计出光子的能量——因为质量差乘以光速的平,就是光子的能量。
这样来,我们既可以通过时钟精确知道光子射出的时间,又可以通过质量差精确计出光子的能量,这不就同时测准了能量和时间这对共轭物理量吗?
如果这个实验成立,那么测不准原理就不攻自破,量子力学的根基也就会被动摇。
当时,量子派的“守大将”是玻尔,他直接直面了因斯坦这刚造出的“致命武器”。
当因斯坦提出这个光盒实验时,在场的所有科学都被这巧妙的设计震撼了,玻尔是陷入了强烈的困惑之中。他时间被因斯坦的诡异设计难住了,找不到任何破绽,紧张之中,玻尔甚至有些语伦次,他不停地喃喃自语,又反复跟身边的人解释:“这里面肯定有漏洞,量子的测不准是具有数学基础的,如果真的被翻,那么整个量子力学都会倒塌,甚至整个宇宙的规律都会出现问题。”
这场论战的天,玻尔始终没有找到反击的招式,直到会议结束,他依然筹莫展,只能跟在得意洋洋的因斯坦身后溜小跑,既慌张又措。而因斯坦则充满了惬意,心中有种“世界回归正常”的愉悦,他大摇大摆地回,仿佛已经赢得了这场论战的胜利。
然而,保温护角专用胶因斯坦的快乐并没有持续多久——玻尔只是时没有想明白而已,他并非法反驳。
回到后,玻尔彻夜未眠,反复琢磨因斯坦的光盒实验,从实验设计的每个细节入手,寻找其中的破绽。经过整晚的苦苦思索,玻尔终于找到了光盒实验的漏洞所在,他兴奋不已,决定在二天的会议上,正式提出自己的反驳。
二天,玻尔胸有成竹地走上讲台,条理清晰地阐述了自己的反驳观点。
他指出,因斯坦的这个实验,要想保证正确运行,须用某种弹簧秤将盒子和内部的时钟都悬吊起来,这样才能精确感知盒子的质量变化。但当光子从盒子中飞出时,会致整个系统的质量发生不确定的变化,而质量的变化会引起重力场的变化,进而致重力场中时钟的测量产生不确定——这就是因斯坦自己提出的广义相对论中的“引力红移应”。
玻尔进步解释道,根据广义相对论,引力场的强弱会影响时间的流逝速度,当盒子的质量发生变化时,其周围的引力场也会随之变化,时钟的走时速度就会受到影响,从而致我们法精确测量光子射出的时间。而如果我们想要精确测量时间,就须忽略质量变化带来的引力红移应,这样就法精确测量光子的能量;反之,如果我们想要精确测量能量,就须接受时间测量的不确定——这恰恰符量子力学的测不准原理。
玻尔的这招反击,堪称“教科书别的守”,他竟然用因斯坦自己的广义相对论,击破了因斯坦自己提出的思想实验,用“以子之矛,攻子之盾”的式,地捍卫了量子力学的核心观点。因斯坦听完玻尔的反驳后,话可说,甚至法提出任何有的反击——他自己也不得不承认,玻尔的反驳是正确的,他的光盒实验确实存在漏洞。
那刻,因斯坦心中刚刚恢复的“确定世界”再次崩塌,他为此郁闷不已,根本不想再和玻尔在这个实验上纠缠,于是干脆转身回去,磨另件“武器”,准备在下轮论战中卷土重来——而这次,他提出了的EPR佯谬,试图从“定域实在”的角度,再次挑战哥本哈根学派的观点,可惜的是,这次他依然输了,EPR佯谬终被贝尔不等式的实验验证所否定,进步巩固了量子力学的地位。
玻尔的这次反击,奠定了他所代表的哥本哈根学派作为量子力学正统学派的,从此,哥本哈根学派成为了量子物理学界主流、坚定的阵营,而他们提出的不确定理论,也成为了量子力学中基础、核心的概念之。
同时,不确定原理也在某种程度上,成为了我们理解微观世界的个重要特,改变了人类对宇宙本质的认知。
不过,很多人不知道的是,人类对测不准原理的理解,其实经历了个漫长的演变过程。
初,哥本哈根学派沿用的是海森堡的解释——所谓测不准,是因为我们在测量时,用光子或者其他物质去碰撞、干扰了测量目标,致量子的状态发生了改变,所以我们法同时精确获得共轭物理量的数值。
为了说明这点巴中泡沫板专用胶厂,海森堡还门构思了个“海森堡伽马光显微镜”的思想实验,来直观地解释观测光线如何干扰观测对象的量子状态。
在这个思想实验中,海森堡假设,我们想要测量个电子的位置,就需要用伽马射线(波长短的光)来照射电子,因为光线的波长越短,测量的位置就越精确。但伽马射线的光子能量,当它与电子碰撞时,会给电子个很大的冲量,致电子的动量发生巨大的变化,因此我们法精确测量电子的动量;而如果我们想要精确测量电子的动量,就需要用波长长的光来照射电子,这样光子对电子的干扰会小,但测量的位置精度就会降低。
这个实验看似地解释了测不准原理的“技术局限”,也让很多人加坚信,测不准只是因为我们的测量手段不够。
但随着量子力学的不断发展,人们逐渐发现,海森堡的这种解释其实并不准确。
如今,科学们普遍认为,测不准原理并不是技术问题致的,而是属于量子的内禀属——也就是说,量子天生就法同时被精确测量对共轭物理量,这与我们使用什么测量手段关,哪怕我们能想象出种不影响目标状态的、对理想的测量技术,我们依然法同时精确测量个量子的位置和速度(动量)。
简单来说,量子的测不准,不是因为我们“测不准”,而是因为它“本身就不确定”;不是我们的技术水平不够,而是宇宙的底层逻辑不允许。
这就像“上帝法创造出块自己举不起来的石头”样,是逻辑上的然,论我们如何努力,都法突破这限制。
那么,我们该如何理解这种“内禀的不确定”?量子为什么会拥有如此难以理解的属?
其实,我们可以用种“码农思维”来通俗地理解这个问题,或许能让大容易接受。
如果我们把量子态的粒子,看作是虚拟世界中的段代码,这段代码的,就是在屏幕上显示个不断闪烁的光点。
当我们运行这段代码时,会发现它并不会固定在某个位置,而是会按照定的概率分布,随机地在屏幕上闪烁,形成系列连续的光点。而量子的不确定,就相当于这段代码的“运行特”,论我们如何优化代码、如何提“观测”(运行)的精度,都法改变它的本质。
具体来说,如果我们希望观测到光点比较准确的位置,那么我们就需要缩短运行这段代码的时间——只有运行时间足够短,光点才只会在少量几个位置闪烁,我们记录和统计的位置信息才会比较精确。但如果我们运行代码的时间太短,光点的另个属——速度,就很难判断了。
因为我们判断光点的速度,本质上是通过观察光点运动时在屏幕上留下的残像拖影的长短来实现的,代码运行的时间越短,光点的残像就越不明显,残像之间的差值比例就会越大,我们观测到的速度统计结果,就会越不精确。
反之,如果我们想要精确测量光点的速度,就须延长代码的运行时间——运行时间越长,光点的残像拖影就越明显,我们对速度的判断就越精确。但与此同时,光点闪烁的位置就会越来越多,后屏幕上光点留下的痕迹,会变成团云雾样,不断地散开,我们对它位置的确定理解,自然就会越来越不精确。
所以,我们终会发现,同时提光点的位置和速度的观测精度,是不可能实现的。
我们把其中者观测得越精确,另者就会观测得越不确定——这不是因为我们的观测技术不够好,而是因为这段代码本身的运行特所决定的。我们法让它以种运行式,同时满足两种相互矛盾的观测需求,而这种相互矛盾的需求,在物理学中就被称为“不可对易”。
从数学的角度来看,对不可对易的共轭量,其实是可以通过傅里叶变换相互转换的。
对于有定数学知识的读者来说,只要入研究就会发现,所谓“位置和速度法同时精确观测”,本质上就是当个波函数在时间域上分布比较精确时,它在频率域上的分布就会变得分散;反之亦然。
这是波函数本身的数学特,也是量子“粒子”和“波动”体两面的内禀属,与我们的观测手段毫关系。
除了位置和动量之外,量子世界中还有很多类似的共轭量,比如能量和时间,它们也同样遵循测不准原理。比如,量子的能量数值,并不是个固定的值,而是在个小幅度范围内波动分布的。
所以,当我们测量量子的能量时,得到的结果会是个随机分布的范围,而不是个确定的数值。
如果我们想要获得量子能量的精确数值,就需要让量子“运行”(存在)的时间短些——虽然这样可以在时间上精确捕捉到量子的能量状态,但由于运行时间太短,能量值的波动会非常剧烈,我们对能量的统计结果就会很不精确;而如果我们统计足够长的时间,确实可以比较精确地测量出量子能量的平均值,但这样来,我们对时间的测量就会变得不精确。
这又是对法调和的测量矛盾,也再次证明了测不准原理是量子的内禀属。
其实,我们观测个量子,就好像在测试段封装编译好的代码——我们法直接看到代码的内部逻辑,只能像观察个“黑盒”样,通过不同的运行模式,来判断代码的输出特。而量子的不确定,正是我们在测试这段“量子波函数代码”的运行模式时,发现的个基本、固有的特,它不受任何外部因素的影响,是代码本身的“设定”。
这种对量子不确定的刻认识,带给我们的不仅仅是物理学上的突破,让我们重新审视人类与客观世界的关系。
如果说,之前量子的波粒二象让我们认识到:量子就好像是虚拟世界里面段生成道具的代码,那么量子的不确定,则告诉了我们这段代码的运行和输出特点,也破了我们对“确定世界”的执念。
先,这段“量子代码”不会输出个非常确定的结果,它的本质是个概率函数。
因此,每次运行这段代码,它都会按照自身的概率分布规则,随机地输出结果——就像我们法准确知道个骰子扔出去会是几点样,我们也对法知道个光子究竟会穿过哪条缝隙,法精确预测个量子的具体状态。
这种真正的随机和不确定,其实是对所谓“决定论”的种直接反驳——如果宇宙的底层结构逻辑都是不确定的,那么哪里还有什么对的决定论?我们又怎么可能出对精确的未来?
其次,我们须摒弃对“量子代码”的实体想象。
量子代码的输出,依赖于我们的运行操作——也就是我们的测量行为,所以我们千万不要把它想象成个在某个时刻具有确定状态的客观实体。我们只能刻理解这种“代码形态”,才能真正理解为什么会存在测不准现象。
其实,依靠测量来理解量子,就好像盲人摸象样——摸的次数太少,法准确判断大象的样子;摸的时间太久,大象本身又会发生变化。
至于大象到底是什么样子,甚至它到底是否存在,我们或许永远都法真正得知。
但这并不重要,因为我们不需要得知——我们理解量子世界,就需要有种“身处虚幻世界”的觉悟和认识,坚决放弃对任何物质“客观实在”的传统看法,习惯用看待虚幻事物的视角来理解切,同时也习惯不在法观测的事物上耗费心。
当我们刻理解了量子世界的这种“虚拟本质”之后,就会发现,各种诡异的量子现象,其实并没有我们想象中那么难以理解。
是啊,如果粒子本身并不是真实存在的,只是段代码的输出,那么我们从这段代码中得到不符经典逻辑的结果,又有什么好奇怪的呢?
那些粒子的属和特点,都只是这段量子程序有的输出特而已,我们大可不用对待真实事物的思考逻辑,去纠结它们的理——就像我们玩游戏的时候,从来不会质疑为什么每个怪物的掉落物品都不样,因为这都是游戏的设定,是底层逻辑的部分。
说到这里,或许我们有些跑题了,接下来我们回到核心问题,总结下我们对量子不确定的理解究竟达到了什么程度。
我们现在已经明白,我们常常所说的“量子具有不确定”,其实包含了两个层面的含义,这两个层面虽然密切相关,但并不是同种现象,只是我们经常把它们混作谈,统统称为“不确定”,这也在很多面让人感到困惑。
个层面,是量子连续测量某个属时,会出现概率分布上的不确定——也就是说,每次测量的结果都不样,呈现出随机分布的特点,我们法精确预测下次测量的结果。
二个层面,是我们在测量量子时,对对共轭物理量法同时测准的特——比如位置和动量、能量和时间,我们对其中者的测量越精确,另者就越不精确。
其实,为了准确地理解这两个层面的含义,我们应该把前者称为“不确定”,而把后者称为“测不准”——这样的区分,能让我们清晰地认识到量子内禀属的本质,也能避不要的误解。
那么,量子的不确定,对于我们的现实世界来说,到底只是种遥远的科学概念,还是具有什么重要的现实意义?
答案是后者——量子的不确定,是对我们现实宏观世界影响远的微观特之,它不仅塑造了我们的宇宙,也支撑着我们现代社会的诸多技术发展,与我们的生活息息相关。
从宇宙演化的角度来看,如果没有量子的不确定,不仅恒星法发光,星系法形成,甚至连整个宇宙都法诞生!
按照目前新的宇宙暴涨理论,我们的宇宙开始是从片虚中突然暴涨产生时空的,而宇宙暴涨初的能量来源,依靠的就是量子不确定带来的虚空中的能量涨落——这些虚能量的随机涨落,不断积累,终引发了宇宙大爆炸,才有了我们今天所看到的宇宙。
这才是真正的“中生有,虚生万物”,是量子不确定赋予了宇宙诞生的可能。
而在我们现在的宇宙中,我们的太阳之所以能够持续、稳定地发生聚变燃,为整个太阳系提供源源不断的能量,塑造出适生命生存的地球环境,依靠的也正是量子的不确定造成的概率波重叠。
要知道,核聚变反应对环境的要求,需要的温度和压力,而在太阳内部的温度条件下,原本按照经典物理学的规律,核聚变反应是法稳定持续发生的。
但正是因为量子的不确定,使得氢原子核能够以定的概率“隧穿”过能量壁垒,发生聚变反应,这种概率波的重叠,让核聚变反应能够在太阳内部稳定持续地进行,从而为我们的地球带来了光和热,孕育了生命。
值得提的是,我国科研人员在暗能量研究中也发现,量子不确定与宇宙的演化密切相关。
暗能量是动宇宙加速膨胀的秘力量,学界曾认为量子不确定预言的真空能可能是暗能量的候选对象,但我国科学通过研究发现,在宇宙长大之后,量子应带来的真空能远小于暗能量的数值,法为宇宙加速膨胀提供足够支持,这研究也进步揭示了量子不确定在宇宙尺度上的作用规律,为暗能量的研究聚焦了向。
就退步,从我们的日常生活来看,很多现代前沿技术的面面,都与量子的不确定紧密相关。
如果我们不理解量子的不确定,很多现代的电子设备都不会诞生,很多奇的技术、很多新兴的学科也都不会产生。
比如,我们现在广泛使用的半体芯片,其核心原理就依赖于量子的不确定和隧道应——电子能够以定的概率穿过能量壁垒,实现电,这正是量子不确定的直接体现;再比如,量子计和量子加密技术,是直接利用了量子的不确定和叠加态特,实现了传统计机法实现的速计和对安全的信息传输。
量子计的核心是量子比特,而量子比特之所以能够实现远传统比特的计能力,正是因为它具有不确定——个量子比特可以同时处于0和1的叠加态,而这种叠加态的不确定,让量子计机能够同时处理海量的信息,在密码破解、药物研发、气象预测等域,展现出巨大的潜力。而量子加密技术,则利用了量子不确定的特——旦有人试图窃取加密信息,就会干扰量子的状态,致信息被破坏,从而实现“次密”的对安全,这也是传统加密技术法实现的。
除此之外,医学域的核磁共振成像技术、材料科学中的量子材料研发、天文学中的宇宙微波背景辐射研究等,都离不开对量子不确定的理解和应用。可以说,量子的不确定,不仅是微观世界的核心规律,是现代科学技术发展的重要基础,它刻地改变了我们的生活,也动着人类文明不断向前进步。
回望物理学的发展历程,从经典物理学的“确定世界”,到量子力学的“不确定世界”,人类花了整整个世纪的时间,才逐渐接受了量子的内禀属。这场由索尔维会议开启的“诸之战”,不仅是场学术争论,是场思想革命,它让我们明白,宇宙的本质远比我们想象中加复杂、加奇,也让我们学会了放下固有的执念,以开放、包容的心态,去探索未知的世界。
量子的不确定,不是技术的局限,而是宇宙的内禀本质;不是我们“测不准”,而是量子“本身就不确定”。这种不确定,塑造了我们的宇宙,支撑了我们的文明,也让我们对世界的认知,达到了个全新的度。未来,随着量子力学的不断发展,我们或许还会发现多关于量子不确定的奥秘,而这些奥秘,也将继续引我们,探索宇宙的终真相。
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