量子力学揭示的世界图景诡异难测,以至于很多其创立者都站在了它的对立面,比如爱因斯坦、薛定谔等。如果说广义相对论彻底颠覆了我们的时空观,但还多多少少保留着一些经典物理时代的影子,那么量子力学则彻底宣告了经典物理学的终结。本文简单介绍量子力学的三大基本特性。
分立性在量子力学中,任何系统都只能处于有限个状态,不能无限细分。也就是说,世界在深层次是离散的,不是连续的,有一个最小的基本构件。如果不太好理解,你可以想象一下电脑屏幕,粗略来看其显示的图像是连续的,但本质上,是由一个一个单独的像素点组成的,像素点就是最小的单位,没有更小的细节。
我们的世界同样如此,宏观上看是连续的,但在微观层面,物质、能量,甚至时间和空间本身都是量子化的,有着最小的基本单元,无法无限细分。当然,这个观点究其源头,可以追溯到两千多年前古希腊德谟克利特,他提出的原子论认为,世界由原子构成,原子是最小的,不可分割的粒子。
分立性意味着,系统的信息是有限的,或者说,我们认知世界的精度有着极限。在此极限之下,是我们永远无法企及的世界,它后续压根不存在,或许存在,但我无法为我们所感知,但效果一样,这是宇宙给我们的认知设下的一堵墙。
不确定性(随机性,概率性)量子的世界本质上是随机的,量子在与其它事物作用时才会显现,但如何作用则是随机的。我们永远无法同时准确测量量子的位置和动量,位置越精确,动量的不确定性就越大;反之,动量越精确,位置的不确定性就越大。同样的还有时间和能量,时间越精确,能量的起伏就越剧烈。这也是广义相对论和量子力学不相容的根本性原因,在极小尺度下,剧烈的能量起伏会撕裂时空,破坏了广义相对论平滑时空的前提假设。
不确定性原理最早被称作测不准原理,这个名字其实有点误导,因为让人觉得是因为测量技术的问题,随着测量手段的改进,这种随机性会被消除。但其实并非如此,量子力学认为,随机是量子的内禀属性,世界本质上就是随机的,无法被消除,之所以我们在宏观世界感受不到这种随机性,那只是大量量子的统计效应。
由不确定性原理可以推导出被称作量子泡沫的物理图景,就是没有真正意义上的真空,在极小尺度内,世界不仅随机,而且疯狂,粒子和虚粒子成对产生,又迅速湮灭成能量,这种效应已经被实验所证实。在这量子泡沫的沸腾中,可能会偶尔诞生初空间泡,产生婴孩宇宙。因此,我们的宇宙也许真的是异常免费的午餐,完全无中生有。
关联性(互补性,叠加性)这是量子力学最让人费解的一个特性,爱因斯坦反对的也主要是这一点。关联性的意思是量子的任何属性或者变量都只相对于其他事物而存在,量子只在相互作用时才有意义,在未与其它事物发生作用时,量子的变量,如速度、位置等是没有意义的,它处于一种叠加的状态,或者说,以概率云的方式存在。也就是说,在量子力学中,不是事物产生关联,而是关联就是事物存在的前提。
这完全颠覆了或者否定了长期以来我们对客观实在的认知。事物只有被观察时才有意义,才会以概率的方式随机演化,微观客体在未被观察到之前不存在,或者说,处于某种包含所有可能性的叠加态中。观测是物理世界的一部分,真的是诡异离奇到了极点,如果更进一步,还会引发意识是否会影响世界的问题。就连爱因斯坦、薛定谔这样量子力学的奠基人,都完全无法接受,爱因斯坦为此和以波尔为首的哥本哈根学派论战了一生,虽然提出的各种思想实验都被波尔化解了,但他至死都不认同哥本哈根学派的这种诠释,认为存在一个不受观测影响的客观实在的物理世界。时至今日,这个问题依然没有进展,如何诠释量子力学的物理意义,仍然是悬在现代物理学头上的一把利剑。