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量子为什么不能被观测?量子力学为什么让人感到害怕?科学家究竟发现了什么?

2023-04-11 13:36:54来源:世界金属报网

地球是一颗美丽的蓝色星球,在地球上生活着很多生物,有海洋生物、有陆地生物、有两栖生物和微生物等等,根据达尔文的进化论我们能够知道,地球上的生物都是由简单生物进化而来的,由最初的单细胞生物进化为多细胞生物,由多细胞生物进化为海洋生物,由海洋生物进化为两栖生物,由两栖生物进化为陆地生物,人类就是由陆地生物猿类进化而来的,不过人类和其他动物最大的区别在于,人类诞生了智慧,生命的出现给地球这颗行星增添了很多色彩,尤其是人类出现以后,解开了地球上很多的奥秘。在人类科技发展的道路上,出现了很多伟大的科学家,比如说牛顿、爱因斯坦、哥白尼、伽利略等等。

这些伟大的科学家给人类的科学发展做出了很大的贡献,尤其是在19世纪的时候,人类科学发展几乎达到了顶峰,这个时期出现了很多著名的科学家,比如说普朗克、玻尔、海森堡、居里夫人、薛定谔、德布罗意、费米、狄拉克、爱因斯坦等等,这些科学家是继哥白尼、伽利略、牛顿之后,又一批伟大的物理学家,牛顿被称为是人类科学史上的鼻祖,牛顿在数学、科学、力学等多个方面都做出了巨大的贡献,牛顿的万有引力定律揭示了天体运行的基本规律,牛顿认为,天体运动主要是因为引力,任何有质量的物体都是有引力的,物体的质量越大,它的引力就越大。

牛顿以一己之力创立了经典物理学,所以他被后人称为是科学史上的鼻祖,在19世纪的时候,人类一直认为我们已经解开了世界上所有的奥秘,比如说在远低于光速的情况下,牛顿的定律能够解决所有机械运动的问题,电磁现象的规律被总结为麦克斯韦方程,光现象能够被波动定律完美解释,热现象能够被热力学完美解释,就在人类认为一切问题都可以解决的时候,科学家突然发现,在微观世界中,这些理论都无法适用,于是在19世纪的时候,众多科学家一起建立了量子力学,量子力学是描述微观物体的理论,和相对论一起被认为是现代物理学的量大支柱。

一提到量子力学,很多人的第一反应是微观、不连续、不确定、奇怪、诡异等等,毕竟它和经典物理学不太一样,玻尔曾经说过:如果谁不为量子力学感到困惑,他就还没理解它。量子力学和经典力学最大的区别就是不确定性,在经典物理学中,想要知道一个物体会如何运动,就要看它受到什么力,根据牛顿第二定律F=ma,就能够知道这个物体的运动状态和变化,简单来说在经典力学中,只要我们掌握物体的受力情况,就能够根据它的初始状态知道它任意时刻的状态,比如说苹果从树上落下来,一定会掉到地面上,而量子力学中,事物的最终结果和观察者有一定的关系。

在量子力学当中,有很多著名的实验,比如说双缝干涉实验,这个实验的主要目的是为了证明光到底是粒子还是波,这个实验过程其实很简单,就是利用光源朝挡板进行发射,然后看光子穿过挡板之后墙上面的形状,如果墙上面出现了两道杠,那么就说明光是粒子,因为光在经过挡板的同时,有一部分光子会被挡住,这时候光子就没有办法全部打在后面的墙上,这时候墙上就会留下两道杠,如果光是一种波,那么它会在墙上留下斑马线,第一次实验之后,科学家发现墙上留下了两道杠,这时候科学家认为光是一种粒子,后来第二次实验时,科学家在旁边安装了一个探测器。

这个探测器的作用主要是为了看清楚光子是从哪一个缝隙中穿过去的,就在这时候,意想不到的事情发生了,干涉条纹没有了,这时候光就变成了一种波,科学家认为,当实验没有观测者的时候,粒子处于叠加状态,这个叠加状态通过双缝的时候,有一半通过A缝隙,另一半通过B缝隙,在没有观测者时,就意味着没有人知道光从哪个缝隙穿过,这时候粒子就处于叠加态,由于观测者的原因,所以光子的路径被锁定了,最终干涉条纹消失了,最后科学家得出,光既是粒子也是波,因为它具有波粒二象性。

相信很多人都无法想象,观测者能够改变事物的最终结果,在经典物理学中,这是不可能存在的,但是在量子力学中,它就是这么神奇,为什么量子力学有这么多不确定性?到现在为止,科学家也无法真正的解释量子力学的奥秘,就连著名的物理学家爱因斯坦都认为上帝不会掷骰子,但事实上,上帝有时候也会掷骰子,爱因斯坦的这句话是在一次科学峰会上,针对哥本哈根诠释来说的,在上个世纪30年代,很多研究量子力学的科学家,发现量子世界中有很多奇怪的特性,和经典物理学完全相悖,比如说:无法精准的测量微观粒子的动量和位置,这也被称为是所谓的不确定性原理。

在一个系统的量子态可以用波函数来描述,但是这只是概率描述,观测会导致波函数的坍塌,粒子具有波粒二象性,但是不能同时展现出两种行为,为了解开量子力学的奥秘,众多科学家聚集在丹麦首都哥本哈根大学进行研究和讨论,当时科学家们一共分为两派,一派是哥本哈根学派,另一派是经典物理学派,主要以爱因斯坦和薛定谔为首,当时爱因斯坦认为之所以现在无法精准测量和预测微观粒子的一些运动状态,是因为其中有一些隐藏的变量还没有被人类发现,所以经典物理学派认为,量子力学是不完备的,简单来说就是,经典物理学派认为,微观世界的一些规律和经典物理学是一样的,也需要遵循自然的客观规律。

作为爱因斯坦的同盟军,薛定谔提出了一个思想实验,这个思想实验就是薛定谔的猫,其大概意思是:将一只猫放在一个封闭的箱子中,这个 箱子中装有少量的镭和氰化物,镭存在一定的衰变几率,这个几率是百分之50,如果镭发生衰变就会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,这时候毒气就会被释放,猫就会死亡,如果镭没有发生衰变,那么毒气就不会被释放出来,猫就不会死亡,按照经典物理学的解释,猫只能够有一种可能性,要么死亡,要么活着,但是按照量子力学的解释,由于放射性的镭处于衰变和没有衰变的两种叠加态中,所以猫也处于死亡和活着的叠加态当中,当时爱因斯坦听了这个思想实验后非常高兴。

毕竟在经典物理学中,不可能存在一只既死又活的猫,但是哥本哈根学派认为,如果在微观世界,没有打开盒子之前,猫就是处于死亡和活着的叠加态当中,在打开盒子的一瞬间,所谓的波函数坍塌,量子回归到本征态,猫的生死就确定了,按照哥本哈根学派的观点,我们能够认为,当没有打开箱子的时候,其实箱子里面有两只猫,一种是死亡以后得猫,另一种是活着的猫,因为这时候两只猫处于叠加状态,但是打开箱子后,其中一种叠加态就消失了,也就是说其中一只猫就消失了,剩下的另一只猫就是我们看到的结果。后来薛定谔的猫还被用于证明平行宇宙论当中。

这场争论经过了很长时间,直到爱因斯坦在1955年去世,都没有分出对错,不过在1964年,英国物理学家约翰.斯图尔特.贝尔发表了贝尔不等式,这才使得爱因斯坦和玻尔的争论告一段落,贝尔证明了定域性和隐变量不相容,如果一个隐变量定理是正确的,那么一定会出现一个满足物理现象,一个会限制物质现象,如果该不等式给出了这个限制不满足,那么就不存在正确的隐变量,贝尔不等式还说明了一个问题,局域性和实在性至少有一个问题,或者两个都有问题,不可能同时存在,这在后来证明了量子力学中的不可观测性,贝尔不等式的出现证明了爱因斯坦错了。

在贝尔不等式中,存在三个概率值,它们分别是Pxz、Pzy、|Pxz-Pzy|表示求两个概率的差值的绝对值,绝对值其实就是把负的变成正的,正的依然保持正的,这样才能够保证最终的结果是正的。这个不等式的含义也非常简单,就是两个概率差值中的绝对值必须小于或者等于1+第三个概率值,贝尔不等式能够作为人类区分宏观世界和微观世界的一个分界线,虽然贝尔不等式证明了玻尔的理论是对的,但是在量子力学当中,仍然存在很多无法解释的问题,既然微观世界和宏观世界是同一个世界,那么为什么两者之间的差距这么大?从根本来说,宏观世界就是由微观世界组成的。

但是目前人类的科学无法将微观世界和宏观世界结合在一起,现在爱因斯坦的相对论和量子力学已经成为了人类科学界的两大支柱,但是这两个理论却无法融合在一起,在相对论中,引力能够被完美的解释,但是在量子力学中,无法解释引力的存在,而量子力学能够解释强相互作用力、弱相互作用力和电磁力,但是相对论却无法解释着三种基本作用力,这说明量子力学和相对论中间一定还存在某种漏洞,只是我们没有找到而已,为了能够将量子力学和相对论融合在一起,科学家提出了弦理论,弦理论认为,世界万物都是由振动的弦组成的。

不同的弦振动会产生不同的粒子,而且弦不仅仅能够在三维空间中存在,它还能够在高纬度的空间中振动,如果弦理论是正确的,那么在我们的宇宙中就存在多维空间,而我们的三维空间只是其中一种,科学家将维度空间提升到11维度之后,才完美的将量子力学和相对论融合,难道说我们的宇宙真的是由11个维度组成的?曾经爱因斯坦提出了四维空间,他认为在三维空间的基础上加上一个时间维度就变成了四维空间,在四维空间中,时间是可以量化的,我们能够随意的控制时间,但是在三维空间中,时间是没有办法量化的,我们只能够依靠自身的感觉来判断它。

虽然现在科学家还没有发现其它的维度空间,但是未来随着人类科技的进步,说不定人类真的能够找到更高维度的空间,时至今日,还有很多人不愿意相信量子力学,因为量子力学实在是太诡异了,量子力学甚至让我们怀疑世界的真实性,我们的世界可能是高级文明制造出来的,科学家认为,当一个文明的等级达到四级文明以后,它们完全有能力制造出一个虚拟宇宙来,只要将大量的公式输入超级计算机当中,就能够创造出一个虚拟宇宙来,虽然有很多人不愿意相信,但真相或许就是这样,目前很多科学家也在寻找宇宙中的BUG,如果说我们的宇宙真的是虚拟的,那么人类能否突破虚拟世界的限制?

标签: 量子力学 双缝干涉实验 爱因斯坦 薛定谔的猫

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