深度长文:量子世界为何如此诡异?完全颠覆你我的世界观

趣闻屋 11 0

在马路上随便捡起一块石头,然后朝上扔出去,你会发现石头很快会落下来,你甚至可以轻松接住落下来的石头。

石头不会一直向上飞(当然假设你力气足够大,确实可以一直向上飞),也不会突然消失不见,更不会变成空气或别的东西。

以上就是我们的日常生活认知,用专业物理术语来讲就是我们的世界是可预测的,可描述的,可认知的,也是确定的。这也是爱因斯坦所说的“认知论”,属于经典物理学范畴。

说白了,不管任何事物,只要我们能够掌握这个事物的一切参数,就可以精确预测它的未来走向。

深度长文:量子世界为何如此诡异?完全颠覆你我的世界观-第1张图片-趣闻屋

但量子力学的出现,让我们熟知的经典力学戛然而止,彻底颠覆了人类的传统认知。

还用文章开头的例子打比方。

你朝上扔石头,但石头非但没有落下来,反而一直向上飞,甚至朝各个方向杂乱无章地飞来飞去。更让你抓狂的是,石头竟然会同时出现在两个地方,甚至在你还没扔石头时,石头已经飞向天空了。

你是不是会彻底疯掉?

但这就是量子世界时刻都在上演的事情,不仅仅你会因此而疯掉,科学家们对此也非常吃惊,百思不得其解:量子世界为何如此违反我们的直觉?

简单说:没有人知道为什么,起码目前没有人知道。但这并不能阻止科学家探寻问题答案的决心。

深度长文:量子世界为何如此诡异?完全颠覆你我的世界观-第2张图片-趣闻屋

处于纠缠状态的两个粒子,无论相距多么遥远,哪怕是在宇宙的两端,也能够瞬间感应到彼此的存在。当我们观测其中一个粒子的状态时,另外一个粒子的状态马上确定,就好像两个粒子有心灵感应一样。

深度长文:量子世界为何如此诡异?完全颠覆你我的世界观-第3张图片-趣闻屋

这种只能用概率来描述微观粒子的方式,带来了很多让人类震惊的结果。比如说微观粒子可以随机穿越一些看似不可能穿越的屏障,穿越能量势磊,这就是量子隧穿。

深度长文:量子世界为何如此诡异?完全颠覆你我的世界观-第4张图片-趣闻屋

这就好像以你的能量,无论如何都无法越过一堵5米高的墙。但在量子世界,微观粒子却可以轻松做到,微观粒子可以随机瞬间穿越“那堵墙”,微观粒子的位置是不确定的,可以出现在任何地方。

深度长文:量子世界为何如此诡异?完全颠覆你我的世界观-第5张图片-趣闻屋

在量子世界还有更诡异的存在,那就是量子纠缠。

处于纠缠状态的两个粒子,无论相距多么遥远,哪怕是在宇宙的两端,也能够瞬间感应到彼此的存在。当我们观测其中一个粒子的状态时,另外一个粒子的状态马上确定,就好像两个粒子有心灵感应一样。

爱因斯坦把这种现象称为“鬼魅般的超距作用”。

深度长文:量子世界为何如此诡异?完全颠覆你我的世界观-第6张图片-趣闻屋

在爱因斯坦眼里,我们的世界具有局域性(说白了就是任何物体对周围事物的影响速度不能超过光速,就是光速限值),也被称为“局域实在性”。但量子纠缠打破了这个特性,它表明了世界是非局域性的。

事实上,量子纠缠是不传递任何信息的,并没有违反“光速极限”的限制。但对于这种诡异的现象,爱因斯坦非常排斥,认为量子世界肯定还存在某种没有发现的“隐变量”,才会让量子世界表现得如此奇特。

而以波尔为首的哥本哈根学派的诠释是这样的,任何微观粒子都具有叠加态,也就是不确定性。

用现实宏观的例子打个比方。

把一副手套分别装在盒子里,放在相距1000光年远的地方(无论多远都可以),分别放在A点和B点。

按照经典物理诠释,虽然我们不知道A点是左手套还是右手套,但其实已经确定了,只是我们还没有打开箱子确认而已。无论我们看或者不看,都是确定的。

如果A点的手套是左手套,我们立刻就知道B点的手套是右手套。

但按照量子力学的诠释,A点到底是左手套还是右手套是不确定的,这里的“不确定”并不是因为我们没有观看,而是一种“内在秉性”。也就是说A点是左手套和右手套的叠加态,当我们观看的那一刻,叠加态就坍缩为本征态(确定态)。

深度长文:量子世界为何如此诡异?完全颠覆你我的世界观-第7张图片-趣闻屋

说白了,量子世界的确定与否,取决于观测行为。

对于爱因斯坦薛定谔等反对哥本哈根学派的科学家来说,量子纠缠和“叠加态”是非常可怕的,他们很难接受。

不过上世纪60年代,贝尔做了一系列测试,测试更倾向于哥本哈根学派的观点,也就是非局域性观点,最著名的就是贝尔不等式(之后会详细讲述)。

于是,量子世界的不确定性被主流科学界认可。

事实上,量子纠缠现象对于研发量子计算机非常重要,可以让量子计算机的计算速度相对普通计算机有质的提升。

量子计算机与普通计算机有着本质的不同,最大的不同就是计算方式。

量子计算机的速度为何这么快呢?

举个通俗的例子就明白了。假设有了两个个电器,每个电器都有一万根电线,这两万根电线必须一对一连接上,需要与某根特定的电线连接,才能够正常运作,但你不知道到底是哪一根。

这种情况下,我们必须挨个进行试验,把其中一个电器的一根线拿出来,分别连接另一个电器的一万根线,这意味着(最多)需要一万次才能确定这根线到底该连接另一个电器的哪根线。

如果把一万根线全部试验一遍,最多需要一万乘以一万次(也就是一亿次)才能完成。

但在量子世界,就不用如此麻烦了,由于量子纠缠是瞬间完成的,两万根线就像纠缠中的两万个粒子,理论上可以瞬间通过纠缠的方式确定下来到底该如何连接。

当然,这只是理论上分析,实际操作起来还是非常麻烦的。比如说,科学家操控一对纠缠中的粒子并不难,但要同时操控很多纠缠中的粒子就非常困难了。这也是量子计算机难以制造的难点之一,还有很多困难需要不断克服。

深度长文:量子世界为何如此诡异?完全颠覆你我的世界观-第8张图片-趣闻屋

但无论如何,量子力学让我们看到了一个不一样的世界,它非常诡异,甚至完全颠覆你我的世界观,但有关它的应用却真实存在,并且已经带给我们完全不一样的科技体验,比如说,你每天都使用的手机中的芯片就含有量子科技。

科学家对量子力学本质的研究不会停止,未来某天人们揭开量子力学的真面目时,很可能意味着人类文明科技会上升一个新的台阶!

新的台阶!

标签: 宇宙探索

抱歉,评论功能暂时关闭!