量子力学为什么让人感到害怕?科学家到底发现了什么?

星空承载梦想 2025-03-21 09:08:05
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在人类科技发展的道路上,出现了很多伟大的科学家,其中比较著名的有牛顿、哥白尼、伽利略、爱因斯坦、玻尔、薛定谔等等,这些科学家的出现给人类的发展起到了非常重要的作用,在20世纪之前,科学家一直都认为我们已经能够解释世界上所有的问题,比如说在远低于光速的情况下,牛顿的定律能够精确的解释所有的机械运动问题,电磁现象的规律被总结为麦克斯韦方程,光的现象能够被波动理论完美解释,热现象能够被热力学和统计物理学所解释,看上去一切都被人类解决了,就这这个时候,科学家突然发现,经典物理学只能够解释宏观世界的问题,一旦进入微观世界就失效了。

人类认识世界的起点始于感官的直接体验,这造就了以米基准的宏观认知框架,当我们用肉眼观察苹果落地或行星运转时,物体尺度通常在10^-3米到10^26米之间,这个范围内的物理现象遵循着直观的经典力学规律。进入微观领域,观测尺度骤然缩小至10^-10米量级(原子尺度)以下。在这个维度,传统观测手段完全失效,电子显微镜与粒子加速器取代了肉眼观察。在20世纪之前,人类对微观世界的了解非常少,但是为了解开微观世界的奥秘,科学家普朗克、爱因斯坦、玻尔、薛定谔、海森堡、狄拉克等众多科学家一起创立了量子力学。量子力学是一种描述微观物质的理论,和相对论一起被认为是现代物理学的两大支柱。

在量子力学当中,有很多和宏观世界经验相悖的诡异现象,比如说量子纠缠:当两个或多个粒子相互作用后,会形成一种特殊的量子态,无论相隔多远,对其中一个粒子的测量会瞬间影响到另一个粒子的状态,爱因斯坦曾将其称为“鬼魅般的超距作用”。例如,处于纠缠态的两个粒子,若一个粒子的自旋被测量为向上,另一个粒子无论相距多远都会瞬间“知道”,并呈现出自旋向下的状态。量子隧穿:按照经典力学,粒子在能量低于势垒时无法穿越势垒。但在量子力学中,微观粒子有一定概率能够穿越能量高于自身的势垒,就像“穿墙而过”。这一现象在半导体器件、核聚变等领域有重要应用,如电子可通过量子隧穿效应穿过半导体中的能量障碍,实现晶体管的开关功能。

在量子力学当中,还有一句非常经典的名言:上帝不掷骰子,这句名言来自于一场跨越世纪的物理哲学之争,在量子力学蓬勃发展的1927年,布鲁塞尔索尔维会议上,爱因斯坦面对玻尔等量子物理学家说出了那句著名的“上帝不掷骰子”,这句话不仅仅是量子力学正统解释与经典决定论的交锋,更折射出人类对宇宙本质的深度思考,在牛顿力学构建的经典世界当中,宇宙就像一颗精密的机械表,行星轨道能够被数学方程精确的计算出来,就连复杂的多体运动都能够通过微分方程求解,这种确定性深深刻在很多人的思维当中,拉普拉斯曾断言:只要知道宇宙中所有粒子的位置和动量,就能够推演过去和未来。

爱因斯坦的相对论革命并未动摇这种决定论根基。他通过黎曼几何重构时空概念,用张量方程描述引力场,但这些方程本质仍是确定性的微分方程。在广义相对论框架下,黑洞的形成、引力波的传播都被视为严格遵循因果律的过程。这种对确定性的执着,构成了爱因斯坦科学哲学的根基。在1927年的时候,世界上最顶尖的数十位科学家齐集一堂,分成了以爱因斯坦为首的反对量子力学哥本哈根学派以及中立派,双方争论的焦点在于如何诠释量子力学的诡异性,爱因斯坦是经典物理学的坚定拥护者,认为世界一定是可认知的,这种观点被称为是实在论,而玻尔为首的哥本哈根学派并不这么认为,玻尔表示,量子世界是不确定的。

那里的一切都只能用概率去描述,用数学语言就是“波函数”,量子世界的不确定性与人类的观测水平没有关系,并不是因为人类观测仪器的精确度造成的,而是量子世界的固有属性。量子世界的不确定性意味着微观粒子都处于叠加态,举个例子,电子可以自旋,自旋方向分为朝上和朝下,当我们没有观测时,电子的自旋是同时处于朝上和朝下的叠加态,记住,不是“朝上或者朝下”,而是同时“朝上和朝下”!而当我们实施观测的瞬间,电子的自旋方向就会从“朝上和朝下”的叠加态坍缩为“要么朝上,要么朝下”的确定状态。说白了,不观测时,微观粒子表现为波动性,而一旦实施了观测,微观粒子就会表现为粒子性。

用宏观世界的掷骰子行为能够更加直观的感受到量子世界的诡异性,在生活中,我们的骰子看上去是随机事件,会随机出现1到6之间的任意一个点数,但其实并不是真随机事件,而是伪随机事件,从理论上来说,只要我们能够精确地控制好掷骰子的力度和角度,就能够精确计算出骰子的点数,实际上,不仅仅是掷骰子,我们宏观世界的很多事情看上去很随机,但其实都是伪随机事件,而真随机只能够在量子世界中出现,比如说一个电子,可以随机出现在原子核附近的任何位置,甚至可以同时出现在两个不同的位置。而爱因斯坦提出“上帝不掷骰子”,本意就是为了反驳哥本哈根学派对量子力学不确定性和随机性的描述。

爱因斯坦认为,之所以我们看到的微观粒子行为是不确定的,并不意味着真相如此,很可能是因为人类并没有发现微观粒子真正的运动规律,一定存在某种“隐变量”还没有被发现,这个隐变量才是不确定性的本质,但是玻尔认为,微观粒子的运动就是真正的随机事件,就是不确定的,这种不确定性和任何外界因素都没有关系,当然也和人类观察水平无关,而是微观粒子的固有属性。爱因斯坦和玻尔到底谁对谁错?两个人之间的争论持续了数十年的时间,一直都没有分出胜负。直到贝尔不等式的出现,才暂时让两人之间的争论画上了一个句号。贝尔不等式的算法拥有很多表现形式,它们皆归属于同一逻辑的指导和阐释。

在贝尔不等式的两端,分别对应着两个概率输出。对应关系或相等,或左大于右,或右大于左。左小于等于右,则爱因斯坦获胜;左大于右,则玻尔获胜。概率用于统计两个粒子在不同观测角度中的状态。为了方便直观显示,首先,定位好两个粒子转动的指向性,如箭头朝上的A和箭头朝下的B。其次,把一条虚拟钢筋线将A和B相连。只要这条虚拟钢筋线为实,隐变量的存在即可证明:无论A箭头的运动走向如何,其箭头朝向和B箭头的朝向永远不会改变。只要这根虚拟钢筋不能为实,当A箭头朝着任意方向运动时,B箭头不一定非得保持相反的方向,也许会出现其它类型的运动幅频。隐变量的存在就此抹除。

简单来说贝尔不等式的结果证明了爱因斯坦错了,玻尔笑到了最后,根本哈根诠释虽然看上去很诡异,但是符合实验观察结果,也因此被主流科学界接受,起码目前来看是这样的。量子力学中存在很多我们无法理解的现象,比如说双缝干涉实验、量子纠缠等等,这些实验似乎违背了我们的传统认知,这让很多科学家感到害怕, 爱因斯坦称之为"幽灵般的超距作用"的量子纠缠,在贝尔实验证实后成为挥之不去的噩梦。两个纠缠粒子即使相隔星系,仍能瞬时共享状态,这种非定域性直接击碎了相对论构筑的光速藩篱。更可怕的是,这种关联无法传递信息的事实,既维持着物理定律的表面平静,又暗示着宇宙底层存在某种神秘的超空间连接。

量子隧穿效应揭示粒子能穿越经典禁区的惊人事实,暴露出人类对物质本质的理解何等浅薄。在大型强子对撞机深处,科学家目睹着基本粒子从虚空中不断涌现又湮灭,这种"无中生有"的量子涨落,让人想起神话时代的创世传说——我们是否在无意中窥见了造物主的工具箱?我们的世界到底是不是真实存在的?这是很多人在了解量子力学之后都想要知道的答案,有不少学者认为,我们的世界可能并不是真实的,而是高级文明创造出来的一个虚假世界。在浩瀚的宇宙中,不可能只有人类这一种文明,而是应该存在很多高级文明。

科学家认为,对于一个高级文明来说,它们完全有能力利用创造出一个虚拟的世界来,就像我们平时玩的游戏一样,游戏就是一个虚拟世界,对于我们来说,我们能够清楚地认识到游戏是虚拟的,但是对于游戏里面的人物来说,它们不可能知道自己生活在虚假的世界当中,而且它们永远都无法走出游戏,这就类似于我们的宇宙,如果说我们永远都无法走出宇宙,那么人类永远都不可能知道自己的世界是不是真实的。目前人类能做的就是不断的往前走,去探索世界的本质。站在量子计算时代的门槛回望,爱因斯坦的质疑依然闪耀着智慧光芒。量子随机性已成为现代科技的基础,从激光器到晶体管都依赖量子效应。

但EPR佯谬引发的关于非定域性的思考,至今仍在推动量子信息科学的发展。或许正如惠勒所说:"没有旁观者的宇宙"才是量子奥秘的关键,而爱因斯坦的执着追问,永远提醒我们保持对自然本质的敬畏与探索。在这场持续百年的物理哲学对话中,重要的不是胜负,而是人类理性对终极真理的不懈追寻。小编认为,人类作为地球上最有智慧的生命,人类的科技在不断的进步和发展,虽然人类还无法解开世界的本质,但是未来随着人类科技的发展,说不定人类能够解开这个奥秘,对此,大家有什么想说的吗?

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