上帝掷骰子吗?

漫天大雨29
2017-10-02 22:59:23

历经20天,阅读完毕。就几点想要感慨唏嘘一下:

1.为什么要阅读?

量子物理究竟是个什么东西?看《三体》、《天才在左疯子在右》,还是电影,反正谈到高深的科学,首当其冲的就是量子物理。一出现这个名词,好像这本书就只能读个大概了,内容情节可以知悉,但是逻辑这个东西就只能搁置一旁。可是,我总是习惯于以理性思维为依据来看待和梳理这个世界的,于是我终于入手了这样一本书,并维持着不快不慢的阅读速度,一丝不苟的做读书笔记。现在,阅读结束了,量子物理这个折磨人的东西就又更折磨人了。

2.量子物理居然告诉我最严谨最讲究因果逻辑的物理居然没有什么是确定的!

读完本书,一种又舒服又不舒服的复杂情绪油然而生,确切的说,我没有一种豁然开朗的愉悦,而是一头扎进了迷雾,这些迷了我的双眼,却伸出手后,什么也抓不住在手心里。我是爱物理的,就爱在那种用思维推敲,而后在严谨的游戏规则中,获得一个正确答案和一个大大的红勾。我讨厌政治,除了大多无意义的背诵这个原因外,就是哲学这个令人头痛不已的东西。现在,量子物理的正统学派主张着这样一个观点:所有的物质都不是“真实”存在的,他们只是一堆波函数,而我们看见的

...
显示全文

历经20天,阅读完毕。就几点想要感慨唏嘘一下:

1.为什么要阅读?

量子物理究竟是个什么东西?看《三体》、《天才在左疯子在右》,还是电影,反正谈到高深的科学,首当其冲的就是量子物理。一出现这个名词,好像这本书就只能读个大概了,内容情节可以知悉,但是逻辑这个东西就只能搁置一旁。可是,我总是习惯于以理性思维为依据来看待和梳理这个世界的,于是我终于入手了这样一本书,并维持着不快不慢的阅读速度,一丝不苟的做读书笔记。现在,阅读结束了,量子物理这个折磨人的东西就又更折磨人了。

2.量子物理居然告诉我最严谨最讲究因果逻辑的物理居然没有什么是确定的!

读完本书,一种又舒服又不舒服的复杂情绪油然而生,确切的说,我没有一种豁然开朗的愉悦,而是一头扎进了迷雾,这些迷了我的双眼,却伸出手后,什么也抓不住在手心里。我是爱物理的,就爱在那种用思维推敲,而后在严谨的游戏规则中,获得一个正确答案和一个大大的红勾。我讨厌政治,除了大多无意义的背诵这个原因外,就是哲学这个令人头痛不已的东西。现在,量子物理的正统学派主张着这样一个观点:所有的物质都不是“真实”存在的,他们只是一堆波函数,而我们看见的东西是因为我们观察才存在成为我们观察的那个样子。薛定谔的猫观察没用,因为猫不具备人特有的意识,所以倒霉的猫还成了又死又活的叠加态。意识?!唯心?!世界观都被颠覆了,没有严格因果律定义的物理世界居然就是我们生活的真实世界!

这一切的一切是从研究光究竟是个什么东西开始的,物理学界开始了三次交战,总有实验能证明光又符合波动性,又符合微粒性,时至今日的我们当然知道,他们哪一方始终无法战胜另一方。高中的时候曾对光的波粒二象性曾管窥蠡测,那时候不求甚解,课本上说光是粒子又同时是波,好吧,那就按照课本上说的办吧,更多的物理重点难点还等待着我去掌握,哪里来的时间精力专注于在高考卷上可能只是一道选择题的光学呢。书归正传,第一次波粒战争,粒子学说代表人牛顿竖起一面大旗,而波动学说则群龙无首,一盘散沙(胡克、惠更斯已辞世),于是粒子学说不战而胜,席卷天下。第二次波粒战争,杨凭借双缝干涉点燃了导火索,菲涅尔预言泊松亮斑,以及傅科准确的测量了光速的测量,证明水中光速的传播只有真空中的3/4,麦克斯韦发表了关于电磁理论的三篇论文,预言了光其实是电磁波的一种,赫兹通过一个原始的高频振荡回路,证明了电磁波的存在。波动说来势汹汹,战胜了微粒说。第三次波粒战争是从波动说两个隐患逐渐显现开始的,一个是“以太”实验观测的失败,另一个是普朗克调和了瑞利-金斯公式和维恩公式,从此“量子”的概念诞生了。爱因斯坦用“光量子”解释光电效应。之后战场扩大了,波及到了物质本身,玻尔在卢瑟福模型的基础上,提出了电子在核外的量子化轨道,德布罗意结合普朗克量子理论和爱因斯坦能量方程,计算出电子以速度V0前进时,必定伴随着一个速度为C2/V0的波,或者说电子本身是波。随之,用量子方式的海森堡矩阵、用波函数的薛定谔波动方程,海森堡认为电子是量子化的,像粒子一样在不同轨道上跃迁;薛定谔却认为电子是一种波,就像云彩一般,放大来看后,就好像在空间里融化开来,变成无数振动的叠加,平常表现出量子的状态,是因为它蜷缩的太过厉害,看起来就像一个小球。函数ψ就是电子电荷在空间中的实际分布。波恩认为这2种说法都不够准确,他认为,函数ψ是电子出现在空间中的概率,这个概率就像一个波,严格的按照ψ分布所展开。决定论在物理学出现了动摇。随之,海森堡提出不确定性原理。玻尔最终提出了令人崩溃的互补原理,波粒二象性,测量行为创造整个世界。据此,玻尔和爱因斯坦的终极大战上演。该死的单电子双缝干涉,该死的 EPR佯谬 ,该死的薛定谔的猫,该死的惠勒的延迟实验,这些一步一步把我们推进了一个惊心动魄的深渊——观测者创造了宇宙

庄周梦蝶还是蝶梦庄周,这类的问题居然进入了物理学科。

好,作者说了,有这么一些人,为了躲过这个有意识地观测从而坍缩的我们退避三舍的结论,给出了多宇宙、多历史等解释。慢一点,在我的认知里,这些名词还是科幻小说里作者脑海里创作出的大胆的脑洞而已,可这书居然说的就是我们真实物理学家对真实世界做的真实研究。虽然没有得到验证,也存在着各种各样的矛盾,不能解决的问题,可是这总归是在数学指导下推理出来的!

3.这书的作者打破了我对理工男所有的刻板印象。

我想我如大多数人一样,对于理工科男生的都有偏见,他们大多不善言谈,甚至笨嘴拙舌,更遑论洋洋洒洒地挥墨近30万字,最关键的是这30万的文字将晦涩难懂、深奥莫测的量子物理讲得浅显易懂而又妙趣横生。当然,用作者的话来讲,“这并非一篇专业的科普文章,事实上,我的本意是更注重历史,而不是科学方面”,对于那些复杂的数学公式,作者也不曾用长篇大论讲述它的推导过程,只是浅浅地带过,简单解释了公式所代表的含义,事实上,我想对于此书的绝大数读者,这就足够了,大致通晓了最基本的量子理论的概念,浅尝辄止的程度之于我刚刚好。而更幸运的是,文字还很有趣,吸引我,这就是可遇而不可求的事情了,能同你说得明白,说得兴致大涨。史话写得像小说,各个物理学家顿时化身武林高手,那些令人头晕目眩的数学公式或者思维推理都是梦寐以求的绝世武功,在大浪淘沙的江湖上,一次次刀光剑影,一次次血雨腥风,眼看长江后浪推前浪,眼看身在江湖身不由己。随手翻阅,举个例子:“风云变幻,龙虎交济,现在两大阵营的幕后主将终于都走到台前,开始进行一场决定命运的单挑。……”

4.除了学些量子物理的皮毛之外,希望自己用另外的角度看相同的天空~

作为典型的中国学生,早已习惯于从书本中获取间接经验。总有一个词形容中国的教育,叫“填鸭式教育”。我们社会进步的速度如此迅猛,以至于我们除了缺少钱财,最缺少的就是时间,我们踏不下心来做那些效率低下的事情。近几年,中国开始提倡“匠心”,何为匠心?笔者不才,用《圆桌派》里刘炎焱说的匠心“做的是99%到100%之间的事”,是大量重复之后从而追求极致。换句话说,用99%的时间追求1%的进步,这事情就典型的效率低的事情。我们缺乏的,所以我们才弘扬,才推崇。在学习这件事情上,我们同样如此。花费大量时间的通过实践获取感性认识,然后经过头脑思维归纳为理性认识,这种认识过程效率远远及不上背下前人总结过的公式理论。于是,我们的语文课是阅读书本完成,而自然科学的课程,比如物理、化学等,也是单单靠阅读书本来完成,老师的作用就是代替自我完成阅读,通过教诲完成阅读。

然后,我们一辈子都被这十余年的习惯所限制。我们在从学校出来,迈入社会的那一刻,怀疑自我,迷茫着失去方向,因为我们得不到叫“社会”的课本了,我们不能直接获取类似“1+1+1=3,则1*3=3”这样的明文规则了,社会是需要我们自己去摸索的学问。我们还缺少了怀疑精神,我们小的时候总是问“为什么”,长大了之后,却很少提起了,不是我们知道得更多了,相对于我们接触到的信息量而言,我们或许是愈来愈无知的,我们并不对身边的事物事无巨细无所不通,我们不问,不怀疑,是因为我们根本不再思考。没有怀疑,所谓不破不立,我们欠缺创新能力。

这书倒是敲了一声警钟,让我幡然,真实的原子结构不是我课本上学到的那个,周遭的事物也不是我看见的那一个模样,甚至我都可能只是一个投影,同时有很多个我生活在不同的世界,这一切都有可能真实发生且正在发生。打开另一个思路,看见另一个世界,这总不是什么坏事。



知识点总结:

01黄金时代

(1)电磁波的存在:

赫兹(德)实验证明电磁波存在,且光是电磁波的一种。

(2)关于光:

阿尔哈桑(阿拉伯)归纳出光从物体反射进眼睛从而我们得以看到物体。

费尔马(法)归纳“光总是走最短路线”。


光是什么?

第一次波粒战争

格里马第(意)通过衍射实验提出最早光波动说。波动学说意味着光的传播需要介质,于是假设看不见摸不着的介质为“以太”。

波义耳认为,物体之所以呈现不同的颜色,全凭光波频率的不同,他对颜色的探讨,引起了胡克的注意,通过对肥皂泡上映射的色彩的研究,他判断,光必定是某种快速的脉冲,凭借这个发现,胡克1665年发表了《显微术》一书,明确的支持光的波动学说。

牛顿(英)通过光的色散推断出光的复合和分解是不同颜色微粒的混合和分开。光通过大曲率凸透镜照射在光学平玻璃板上,透镜与玻璃平板接触处出现牛顿环。1704年,胡克死后1年,牛顿出版了他的煌煌巨作《光学》。

惠更斯(荷)提出光是在以太里传播的纵波,引入“波前”,证明且推导了光的反射和折射定律。


第二次波粒战争

杨(英)用双缝干涉实验证明光的波动性。

菲涅耳(法)提出圆盘衍射与泊松亮斑,用横波理论(横波类似水波,纵波类似弹簧)解释偏振现象。

傅科(法)从光在不同介质传播速度证明波动说。

麦克斯韦(英)提出电磁理论。

赫兹(德)实验证明电磁理论。

(3)19c末,物理学的黄金时代——经典力学、经典电动力学、经典热力学(加上统计力学)。

02乌云

(1)开尔文(英)用两朵乌云比喻经典物理在光以太和麦克斯韦-玻尔兹曼能量均分学说的两个难题,也就是迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射研究中的困境。迈克尔逊-莫雷实验探测光以太对于地球的漂移速度。分别导致相对论和量子论革命的爆发。

(2)黑体:可以吸收全部外来辐射的物体。

维恩(德)从粒子角度出发,提出辐射能量分布定律,即著名的维恩分布公式,体现了物体辐射能量、频率(波长)和温度的关系。后被同事验证:短波符合,长波实验与理论则出现了偏差:能量密度在长波范围内和绝对温度成正比。

瑞利(英)-金斯公式从电磁波角度推导而得,在长波范围符合,短波不符合。


第三次波粒战争

(3)普朗克(德)黑体公式为经验公式。随之,1900年12月14日,普朗克提出“量子”的概念,前提是必须假定,能量在发射和吸收的时候,不是连续不断,而是分成一份一份的。E=hv E:单个量子的能量;v:频率;h:普朗克常数,h=6.626×10^(-34)J·s 。一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,并把最小单位称为量子。

03火流星

(1)光电现象由赫兹于1887年发现,而正确的解释为爱因斯坦所提出。对于某种特定的金属,是否能够打出电子只和光的频率有关;光的强度则影响打出电子的数量。与电磁理论有悖。具体地,光作为波动,强度代表能量,提高光的强度理论上应该增加打出的电子的能量,实验证明,提高光的强度只能增加打出的电子的数量。

(2)爱因斯坦(瑞&美):光以量子的形式吸收能量,没有连续性,不能积累。 “光量子”(1926年刘易斯改称“光子”)。

(3)康普顿(美)现象: 1922年,康普顿在研究石墨中的电子对X射线的散射时发现,有些散射波的波长比入射波的波长略大,他认为这是光子和电子碰撞时,光子的一些能量转移给了电子,E=hv,E下降导致v下降,频率变小,即波长变大。康普顿假设光子和电子、质子这样的实物粒子一样,不仅具有能量,也具有动量,碰撞过程中能量守恒,动量也守恒。

(4)1911年10月30日,第一届索尔维会议在比利时布鲁塞尔召开,24位物理学家参加该会议。


(5)关于原子:

J.J.汤姆逊(英)通过阴极射线的研究发现了电子,并提出“葡萄干布丁”模型。

卢瑟福(英)(同汤师生)通过 α粒子散射实验,提出“行星系统”模型。却面临理论上的困境:经典电磁理论预言,该体系将会释放出辐射能量,并最终导致体系崩溃。

波尔(丹)(同卢师生) 在卢瑟福模型的基础上,他提出了电子在核外的量子化轨道,解决了原子结构的稳定性问题。 1913年7月、9月、11月,经由卢瑟福推荐,《哲学杂志》接连刊载了玻尔的三篇论文,标志着玻尔模型正式提出。这三篇论文成为物理学史上的经典,被称为玻尔模型的“三部曲”

(a)电子在一些“特定的”可能轨道上以一定的频率绕核作圆周运动,处于一些“特定的”能量状态中,这些能量状态不连续,称为定态离核愈远能量愈高;

(b)可能的轨道由电子的角动量必须是h/2π的整数倍决定;

(c)当电子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量,只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量,而且发射或吸收的辐射是单频的,辐射的频率和能量之间关系由 E2-E1=hv给出。

04白云深处

(1)斯特恩-革拉赫实验(Stern-Gerlach experiment)是首次证实原子在磁场中取向量子化的著名实验,证实了原子角动量的量子化,电子在空间中的运动方向同样是不连续的,只有两个特定的角度可取,引出了电子上旋、下旋的概念。

(2)泡利(奥地利)不相容原理:在原子的同一轨道中不能容纳运动状态完全相同的电子。一个原子中不可能有电子层、电子亚层、电子云伸展方向和自旋方向完全相同的两个电子。如氦原子的两个电子,都在第一层(K层),电子云形状是球形对称、只有一种完全相同伸展的方向,自旋方向必然相反。每一轨道中只能容纳自旋相反的两个电子,每个电子层中可能容纳轨道数是n个,因此每层最多容纳电子数是2n个。

(3)电子是一种波。

德布罗意(法)在爱因斯坦的狭义相对论的基础之上构建了德布罗意波长公式:λ=h/p,λ:波长;h:普朗克常量;p:动量,p=mv。布里渊(法)在1919年—1922年间发表过一系列论文,提出了一种能解释玻尔定态轨道原子模型的理论。他设想原子核周围的“以太”会因电子的运动激发一种波,这种波互相干涉,只有在电子轨道半径适当时才能形成环绕原子核的驻波,因而轨道半径是量子化的。这一见解被德布罗意吸收了,他把以太的概念去掉,把以太的波动性直接赋予电子本身, 提出相波的概念,当电子以速度v前进时,必定伴随一个速度为c^2/v的波。

戴维逊(美) 电子衍射的实验发现者之一 。

G.P.汤姆逊进一步证明电子波动性。

(4)玻色子是依随玻色(印)-爱因斯坦统计,自旋为整数的粒子。玻色子不遵守泡利不相容原理,在低温时可以发生玻色-爱因斯坦凝聚。1924年印度物理学家玻色提出以不可分辨的n个全同粒子的新观念,使得每个光子的能量满足爱因斯坦的光量子假设,也满足波尔兹曼的最大机率分布统计假设,这个光子理想气体的观点可以说是彻底解决了普朗克黑体辐射的半经验公式的问题。爱因斯坦意识到玻色工作的重要性,立即着手这一问题的研究,将玻色对光子(粒子数不守恒)的统计方法推广到原子(粒子数守恒),预言当这类原子的温度足够低时,会有相变—新的物质状态产生,所有的原子会突然聚集在一种尽可能低的能量状态,这就是我们所说的玻色-爱因斯坦凝聚。

05曙光

可观察性原则:物理学的研究对象应该只是能够被观察到的事物,物理学只能从这些东西出发,而不是建立在观察不到或者纯粹是推论的事物上。

海森堡(德)在这样一种物理学思潮中,开始重新思考波尔理论。玻尔的理论建立在一些不可直接观察或不可测量的量上,如电子运动的速度和轨迹等。海森堡认为,在实验中,我们不能期望找到像电子在原子中的位置,电子的速度和轨迹等一些根本无法观察到的原子特征,而应该只探索那些可以通过实验来确定的数值,如固定状态的原子的能量、原子辐射的频率和强度等。因此,在计算某个数值时,只需要利用原则上可以观察到的数值之间的相互比值,即只有依靠数学抽象才能解决问题。

矩阵力学是海森堡提出的,主要由约尔丹、玻恩、泡利、玻尔发展,他用观察量原子辐射出来的光的频率、强度等,就等于知道了电子在原子中的轨道的模型,以比较简单的线性谐振子作为提出新理论为出发点,按经典力学,任意一个单一的周期性系统,(其坐标可用傅里叶级数展开)用数集坐标 qmk=Amkexp(iωmkt) 来表示满足原子光谱组合原则。

狄拉克(英)意识到海森堡矩阵乘法的不可交换性带有重要的意义,并且发现了经典力学中泊松括号与海森堡提出的矩阵力学规则的相似之处。基于这项发现,他得出更明确的量子化规则(即正则量子化)。

06殊途同归

原子中电子的能量不是连续的,它由原子的分立谱线而充分证实。波尔加了一个分立能级的假设,海森堡运用矩阵,薛定谔从经典力学的哈密顿-雅可比方程出发,利用变分法和德布罗意公式,最后求出一个非相对论的波动方程——薛定谔波动方程。Δψ+8(π^2)m/( h^2)(E-V)ψ=0。ψ:波的函数 Δ:拉帕拉斯算符;h:普朗克常数;E:体系总能量;V:势能(在原子中为-e^2/r)。得到一组分立答案,包含了量子化的特征:整数n。薛定谔方程在量子力学中,体系的状态不能用力学量(例如x)的值来确定,而是要用力学量的函数Ψ(x,t),即波函数(又称概率幅,态函数)来确定。

波恩提出ψ^2代表了电子在某个地点出现的概率,电子本身不会像波那样扩展开去,但是它的出现概率则像一个波,严格地按照ψ的分布所展开。而非薛定谔所认为的是电子电荷在空间中实际分布。

决定论(又称拉普拉斯信条)是一种认为自然界和人类社会普遍存在客观规律和因果联系的理论和学说。万物已经由物理定论规定下来,一个细节都不能更改,过去和未来都想像已经写好的剧本,宇宙发展只能严格按照剧本进行。

单电子双缝干涉实验。电子束通过双缝,形成双缝干涉图案,与光波的双缝干涉现象一致;电子枪一个一个地发射电子,经过一段时间之后,依然观测到电子双缝干涉图案;而当实验者在双缝后面加上一个探测装置,以图观测电子是从双缝中的哪个缝通过时,干涉图案则消失。

07不确定性

(1)不确定性原理:

海森堡不确定性原理:一个微观粒子的某些物理量(如位置和动量,或方位角与动量矩,还有时间和能量等),不可能同时具有确定的数值,其中一个量越确定,另一个量的不确定程度就越大。测量一对共轭量的误差(标准差)的乘积必然大于常数h/4π。

这个不确定性来自两个因素,首先测量某东西的行为将会不可避免地扰乱那个事物,从而改变它的状态;其次,因为量子世界不是具体的,但基于概率,精确确定一个粒子状态存在更深刻更根本的限制。

海森堡从粒子的本性角度出发,由于光子击中了电子而造成了位置和动量的不确定。如果要想测定一个量子的精确位置的话,那么就需要用波长尽量短的波,这样的话,对这个量子的扰动也会越大,对它的速度测量也会越不精确;如果想要精确测量一个量子的速度,那就要用波长较长的波,那就不能精确测定它的位置。在量子力学里,不确定性原理(Uncertainty principle)表明,粒子的位置与动量不可同时被确定,位置的不确定性与动量的不确定性遵守不等式 ΔxΔp≥h/4π。

海森堡还通过对确定原子磁矩的斯特恩-盖拉赫实验的分析证明,原子穿过偏转所费的时间△T越长,能量测量中的不确定性△E就越小。再加上德布罗意关系λ=h/p,海森伯得到△E△T≥h/4π,并且作出结论:“能量的准确测定如何,只有靠相应的对时间的测不准量才能得到。”

玻尔证明在很大程度上不确定性不单单出自不连续的粒子性,更是出自连续的波动性。(德布罗意波长公式:p=h/λ;光子能量:E=hv)

(2)真空零点能:真空中蕴藏着巨大的本底能量, 它在绝对零度条件下仍然存在, 称为真空零点能。关于零点能的设想来自量子力学的一个著名概念:海森堡不确定性原理。该原理指出:不可能同时以较高的精确度得知一个粒子的位置和动量。因此,当温度降到绝对零度时粒子必定仍然在振动;否则,如果粒子完全停下来,那它的动量和位置就可以同时精确的测知,而这是违反不确定性原理的。这种粒子在绝对零度时的振动(零点振动)所具有的能量就是零点能。非常短的一刹那,也就是t非常确定的一瞬间,真空中也会出现巨大能量起伏,的确违反了能量守恒定律,真空其实是起伏不定的能量之海。

(3)玻尔互补原理首先来自对波粒二象性的看法。波和粒子在同一时刻是互斥的,但它们在更高层次上统一。光和粒子都有波粒二象性,而波动性与粒子性又不会在同一次测量中出现,那么,二者在描述微观粒子时就是互斥的;另一方面,二者不同时出现就说明二者不会在实验中直接冲突。同时二者在描述微观现象,解释实验时又是缺一不可的。因此二者是“互补的”,或者“并协的”。玻尔的原话是:“一些经典概念的应用不可避免的排除另一些经典概念的应用,而这‘另一些经典概念’在另一条件下又是描述现象不可或缺的;必须而且只需将所有这些既互斥又互补的概念汇集在一起,才能而且定能形成对现象的详尽无遗的描述”。如果说海森伯的不确定关系从数学上表达了物质的波粒二象性。那么互补原理则从哲学高度概括了波粒二象性。

由互补原理引出的认识论指出:单独说客体的属性、规律是没有意义的,必须同时说明主体的情况与其采取的观测方式,主体对客体的认识必须通过对客体施加影响来实现,因此,主客体之间存在着不可分离的联系。但是在一定条件下主体对客体的影响可以忽略,这时经典认识论就是适用的。

(4)哥本哈根解释:波恩的概率解释、海森堡的不确定性原理和玻尔的互补原理,三者共同构成了量子论“哥本哈根解释”的核心,至今仍然深刻地影响着我们对于整个宇宙的终极认识。

(5)重新解释波和粒子在双缝前的的困境:假使采取任其自然的观察方式,让它不受干扰地在空间中传播,电子呈现为波,于是以某种方式同时穿过两道狭缝,自身与自身发生干涉,波函数ψ按照严格的干涉图形花样发展,但当撞上感应屏的一刹那,电子突然和某种事物产生交互作用,呈现为粒子性电子凝聚成一点,按照ψ的概率随机地出现在屏幕的某个地方;假使在狭缝上安装仪器,试图测出电子通过了哪一边,由于换了一种观测方式,我们试图探测电子在通过狭缝时的实际位置,电子展现粒子性,只有一边仪器记录,干涉条纹被消灭,波动性消失,波函数坍缩。

(6)波函数坍缩,是微观领域的现象。微观领域的物质具有波粒二象性,表现在空间分布和动量都是以一定概率存在的,比如“电子云”,我们称之为波函数。当我们用物理方式对其进行测量时(同时必然对其干扰),物质随机选择一个单一结果表现出来。如果我们把波函数比作是骰子的话(比如电子云),那么“波函数坍缩”就是骰子落地(比如打在屏幕上显示为一个点的电子)。

08决战

(1)玻尔同爱因斯坦之间的三次决战。

第一次,1927年第五届索尔维会议,关于电子双缝困境以及许许多多思维实验,爱因斯坦败。

第二次,1970年第六届索尔维会议,爱因斯坦提出光箱实验,一道可以打开时间极短的开关使得每一次只允许一个光子从箱子中飞出,时间极短,△t极小,理想弹簧秤测量盒子质量轻了△m,根据质能方程E=mc^2,可以精确算出箱子减少能量△E。爱因斯坦据此反驳了不确定性原理,但玻尔指出其忽略了广义相对论的红移效应(引力红移),引力场使原子频率变低,等效于时间变慢,测量到准确的△m,造成了一个很大的不确定的△t。

第三次,1935年发表《量子力学对物理实在的描述可能是完备的吗》,提出EPR佯谬:母粒子分裂成两个自旋方向相反的子粒子,如果自旋方向在观测的那一刻才决定,则子粒子A、B必须同时作出反应,不管其间相距多远,但是不存在超过光速的信号传播,因此,A、B在观测前不可能是不确定的波函数,而只能是在分离时两个粒子的状态已经客观确定了。玻尔解释,爱因斯坦潜意识认为A、B两粒子在观察之前是客观存在的,哪怕是概论混合的,但其实在观察前两个粒子还是母离子分裂时的一个全部,两个子粒子不存在。

(2)薛定谔的猫

实验是这样的:在一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。之后,有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。

根据经典物理学,在盒子里必将发生这两个结果之一,而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。在量子的世界里,当盒子处于关闭状态,整个系统则一直保持不确定性的波态,即猫生死叠加。猫到底是死是活必须在盒子打开后,外部观测者观测时,物质以粒子形式表现后才能确定,进看一眼就决定了猫的生死。这项实验旨在论证量子力学对微观粒子世界超乎常理的认识和理解,可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理。

如果把猫换成人,则结果不同,因为人时刻在观察自己,不停触动自己的波函数坍缩。人有猫所不具备的意识。

09歧途

(1)坍缩(R过程)——意识

冯诺依曼无限复归链,无意识的仪器测量,大系统的波函数不会坍缩。

维格纳的朋友是在薛定谔的猫上的延续,他的朋友戴着防毒面具也呆在箱子里观察薛定谔的猫。他本人则退到房间外面不去观测箱子,他可以假定箱子里处于一个(活猫 高兴的朋友)和(死猫 悲伤的朋友)的混合态吗?可是,朋友肯定会否认这一种叠加状态。维格纳总结道,当朋友的意识被包含在整个系统中的时候,叠加态就不适用了。即使他本人在门外,箱子里的波函数还是因为朋友的观测而不断地被触动,因此只有活猫或者死猫两个纯态的可能。 维格纳论证说,意识可以作用于外部世界,使波函数坍缩是不足为奇的。因为外部世界的变化可以引起我们意识的改变,根据牛顿第三定律,作用与反作用原理,意识也应当能够反过来作用于外部世界。

意识是组成脑的原子群的一种“组合模式”。第一个推论,可以被复制。第二个推论,意识本身并非要特定的物质基础才能呈现。 图灵测试:指测试者与被测试者(一个人和一台机器)隔开的情况下,通过一些装置向被测试者随意提问。进行多次测试后,如果有超过30%的测试者不能确定出被测试者是人还是机器,那么这台机器就通过了测试,并被认为具有人类智能。

惠勒的延迟实验,“延迟”电子的决定,使得它在已经实际通过了双缝屏幕之后,再来选择究竟是通过了一条缝还是两条。任何一种基本量子现象只在其被记录之后才是一种现象,我们是在光子上路之前还是途中来做出决定,这在量子实验中是没有区别的。历史不是确定和实在的——除非它已经被记录下来。“参与性宇宙”,宇宙本身是由一个有意识的观察者创造出来的。

(2)多世界解释(MWI)

埃弗兰特提出,多世界诠释是一种假定存在无数个平行世界,并以此来解释微观世界各种奇特现象的量子论诠释,其优点是不必考虑波的坍缩,不必考虑“观测者”这个因素。

相空间是一个用以表示出一系统所有可能状态的空间;系统每个可能的状态都有一相对应的相空间的点。相空间是一个六维假想空间,其中动量和空间各占三维。

希尔伯特矢量空间

宇宙只有一个,它的状态可以为一个总体波函数所表示,这个波函数严格而连续地按照薛定谔方程唯一确定地演化。但从某一个特定世界的角度来看,则未必如此。波函数随时间流逝变得愈加复杂,投影的世界越来越多,薛定谔方程的每一个可能的解都对应了一种投影,因此一切可能发生的事情都在某个“世界”发生了。

10回归经典

维度越高,则空间中随机取两个矢量正交的可能性就越大。

微观物体, 牵涉粒子数量极少,模拟其的希尔伯特空间维度较低,两个“世界”不正交,能感觉彼此世界的投影。

宏观层面上的事件,比如用仪器去测量、我们亲自观察,这就引入了一个极为复杂的态矢量和一个维度极高的希尔伯特空间,因此两个“世界”相互正交,失去联系。此过程为“离析”或“退相干”。退相干的结果是量子叠加态在宏观层面上瓦解。当复杂系统与环境干涉之后,它的“密度矩阵”就迅速对角化而无法彼此感受到对方。

再次重新解释电子双缝干涉:不考虑环境,但就电子本身态矢量的变量少,描述电子行为“世界”是较低维度的空间,“左世界”和“右世界”并不完全正交,能感觉彼此世界的投影,因此电子能同时感觉到双缝而自我干涉。当我们用仪器观测电子涉及了比单个电子多得多的变量,“知左”“知右”世界维度远远地高,两个“世界”正交而无法感觉彼此。

(1)量子自杀

人择原理:尝试从物理学的角度解释“为什么我们的宇宙是这样的”,而人择原理的答案是,“某程度上是因为这样的宇宙才允许类似人类的智慧物种存在,才有可能会有生物意识到有宇宙这个概念”。简而言之,正是人类的存在,才能解释我们这个宇宙的种种特性,包括各个基本自然常数。因为宇宙若不是这个样子,就不会有我们这样的智慧生命来谈论他。人择原理可以解释为:“我们看到的宇宙之所以这个样子,乃是因为我们的存在。”

终极人择原理:泰格马克提出,量子的不确定性被分配到各个宇宙去,只要从主观视角来看,不但一个人永远无法完成量子自杀,事实上他一旦开始存在,就永远不会消失!总存在着一些量子效应,使得一个人不会衰老,而按照MWI,这些非常低的概率总是对应于某个实际的世界!

(2)关于量子计算机

量子比特:一个可以同时记录0和1的比特。

1982年,费因曼(美)在一个公开的演讲中提出利用量子体系实现通用计算的新奇想法。1985年,杜斯(英)提出了量子图灵机模型 。费曼当时就想到如果用量子系统所构成的计算机来模拟量子现象则运算时间可大幅度减少,从而量子计算机的概念诞生了。

(3)隐变量理论

隐变量理论是由物理学家质疑量子力学完备性而提出的替代理论。(它以“反对随机性,回归因果律”这个思想为指导,经德布罗意、玻姆、贝尔等众多科学家的发展,目的是试图让量子力学回归经典物理)

德布罗意提出,量子效应表面上的随机性是由一些我们不可知的变量造成的,假如把那些额外的变量考虑进去,整个系统是确定和可预测的。冯若依曼却证明任何隐变量理论都不可能对测量行为给出确定的预测,这是建立在五个前提假设。

波姆指出了冯诺依曼的第五个假设是错误的,并成功地创立了一个完整的隐变量体系:电子本质上是一个经典的粒子,但以它为中心发散出一种势场,这种势弥漫在整个宇宙中,使它每时每刻都感知到周围环境。但是该理论复杂繁琐违反奥卡姆剃刀原则(“如无必要,勿增实体”,即“简单有效原理”)。同时,该理论放弃了定域性(任何物理效应都不可能以大于光速的速度传递)。

贝尔不等式:∣Pxz-Pzy∣≤1+Pxy

11不等式的判决

如果世界的本质是经典的,满足:(a)定域的,即没有超过光速信号的传播;(b)实在的,即存在着一个独立于我们观察的外部世界。那么我们任意取三个方向观察A和B的自旋,它们表现出来的协作程度必定受限于贝尔不等式之内。

如果世界是量子化的,那么只要把x和y之间的夹角取得足够小,A和B在相隔非常遥远的情况下,在不同方向上仍然可以表现出很高的协作程度,以至于贝尔不等式不成立。

阿斯派克特实验从根本上排除了定域且实在的可能。

实验表明贝尔不等式不成立,说明不存在关于局域隐变量的物理理论可以复制量子力学的每一个预测,即贝尔定理。

量子纠缠是粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象,虽然粒子在空间上可能分开。它描述了两个粒子互相纠缠,即使相距遥远距离,一个粒子的行为将会影响另一个的状态。当其中一颗被操作(例如量子测量)而状态发生变化,另一颗也会即刻发生相应的状态变化。

(1)系综解释

功利而实用主义,纯统计的理论:无法对单个系统做出任何预测,所推倒出的一切结果都是统计上的概念,在量子论看来,我们的世界不存在什么“单个”的事件,每一个预测都只能是平均式的,针对“整个集合”的。

(2)自发定域理论(GWR理论):任何系统不管是宏观还是微观,都不可能在严格的意义上孤立,总是和环境发生着种种交流,为一些随机的过程所影响。这些随机的物理过程会随机地造成某些微观系统,比如一个电子的位置,从一个弥散的叠加状态变为在空间中比较精确的定域(实际上就是指哥本哈根所说的“坍缩”),尽管对于单个电子来说,这种过程发生的可能性如此之低,所以从整体上看,微观系统基本上处于叠加状态是不假的,但这种定域过程的确偶有发生。对于一个宏观系统,在多米诺效应下,整个系统会在极短时间里完成一次整体上的自发定域。

具体地,薛定谔的猫的确经历了死/活的叠加,只是这种叠加只维持了极短,然后马上自发地精确化,变成了单纯的非死即活。因为时间很短,我们无法感觉到这一叠加过程。

该理论存在的问题:(a)自发过程实际上是指一个粒子的位置从一个非常不精确的分布变成一个比较精确的分布,而非完全确定的位置。意味着任何时刻的“你”都填满了整个宇宙。(b)违反能量守恒。(c)自发坍缩时间和组成系统的粒子数量成反比,意味着很小的系统必须等上很长时间才会发生一次自发的过程,意味着我们观测的话,在观测后仍然有很长时间处于叠加态。(d)用密度矩阵方程取代薛定谔方程,整个理论体系变成了非线性的。

12新探险

(1)退相干历史(DH):

路径积分:第三种等价的表达量子力学的方法。对于所有空间和时间求和的方法:当粒子从A运动到B,把所有可能的路径叠加,只关心初始状态和最终状态,完全忽略中间过程,在每一种可能的路径上遍历求和,最后大部分路径往往自相抵消,只剩下那些为量子力学所允许的轨迹。

最精细历史——精细历史——粗略历史

退相干历史理论的一个重要的前提是,观察者无法真正观察到系统的任何精细历史,并且在任何精细历中同时发生,或者说是处于纠结状态的,相干的历史,或者说 “联合历史”是没有概率的 。粗略历史中的某些事件是可以使用经典的概率公式进行加减运算的,因为这些粗略事件已经退相干了,即他们已经不像精细历史下的事件是相互纠结在一起的了。

同族原则:任何理性的逻辑推理都只能在同一个退相干家族中,而不能跨家族使用。

(2)量子场论:

真空:所有粒子都弥漫在空间中的某种场,这些场有着不同的能量形态,能量最低的则为“真空”,也就是说,任何粒子都可以从中被创造出来,也可以互相湮灭。

在用量子电动力学计算任何物理过程时,尽管用微扰论最低级近似计算的结果和实验是近似符合的,但进一步计算高次修正时却都得到无穷大的结果。同样的问题也存在于其他的相对论性量子场论中,这就是量子场论中著名的发散困难。

重正化:处理电子的量子电动力学(QED)在经过重正化方法后,在电子磁矩的计算中与实验值符合到小数点之后11位。

(3)恒星燃料耗尽后,它们会不可避免地向内坍缩,支撑起最后骨架的是源自泡利不相容原理的一种简并压力。当电子简并压力足够抵挡坍缩,恒星演化为白矮星。电子被征服,中子抵抗时,恒星变为中子星。最后一切防线都突破,那么就不可避免坍缩成一个黑洞,如果充分考虑量子不确定因素的影响,黑洞其实也产生辐射而逐渐消失——霍金蒸发。

(4)无边界假设:哈特尔和霍金提出,宇宙的起点并没有一个明确的边界,时间并不是一同从一点开始的射线,相反它是复数的。

(5)微观粒子之间仅存在四种相互作用力——万有引力、电磁力、强相互作用力(核力)、弱相互作用力(许多不稳定粒子衰变的原因),理论上宇宙间所有现象都可以用这四种作用力来解释。

量子电动力学认为,电磁力的本质是两个粒子之间不停交换光子的结果。

弱相互作用力交换的是“中间玻色子。“弱电统一原理”:弱作用力和电磁力的一致性。

强相互作用力交换的是“介子”。量子色动力学。能够感受强力的核子称为“强子”。盖尔曼提出,每个强子都可以进一步被分割为夸克,通过交换“胶子”来维持相互的作用力。

大统一理论(GUT):通过进一步研究四种作用力之间联系与统一,寻找能统一说明四种相互作用力的理论或模型。

相对论中,引力:由于时空弯曲而造成的几何效应。量子场论中,基本的力是交换粒子的作用。

(6)1984至1985年,弦理论发生第一次革命,其核心是发现“反常自由”的统一理论;1994至1995年,弦理论又发生既外向又内在的第二次革命,弦理论演变成M理论。

超弦理论:自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子,而是很小很小的线状的开放或者闭合的“弦”。弦的不同振动和运动对应着各种不同的基本粒子,能量与物质是可以转化的,故弦理论并非证明物质不存在。弦论中的弦尺度非常小,操控它们性质的基本原理预言,存在着几种尺度较大的薄膜状物体,后者被简称为“膜”。直观的说,我们所处的宇宙空间可能是9+1维时空中的D3膜。弦论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论。

M理论:作为“物理的终极理论”而提议的理论,M理论希望能藉由单一个理论来解释所有物质与能源的本质与交互关系。其结合了五种超弦理论和十一维空间的超引力理论。

0
0

查看更多豆瓣高分好书

回应(0)

添加回应

上帝掷骰子吗?的更多书评

推荐上帝掷骰子吗?的豆列

了解更多图书信息

豆瓣正在热议

豆瓣
我们的精神角落
免费下载 iOS / Android 版客户端
App 内打开