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量子力學為什麼讓人感到害怕?科學家到底發現了什麼?
2023/05/05

根據科學家的研究得出,地球是一顆有生命的星球,在地球上生活著各種各樣的生物,人類是地球上最有智慧的生命,從人類誕生以后就開始不斷的探索世界的奧秘,經過幾千年的科技發展,現在人類已經能夠走出地球探索宇宙,這說明人類科技發展的速度很快,在人類科技發展的道路上,出現了很多偉大的物理學家,比如說牛頓、伽利略、哥白尼、愛因斯坦、薛定諤等等,這些偉大的科學家給人類科技發展起到了重要的作用,如果沒有這些偉大的科學家,那麼人類科學可能要倒退幾百年,一直以來,牛頓都被看作是人類歷史上最偉大的科學家,牛頓的出現給人類打開了宇宙的大門,讓人類知道了天體之間基本的運動規律。

牛頓以一己之力創立了經典力學,在19世紀的時候,科學家認為我們已經解開了世界上所有的問題,比如說在遠低于光速的情況下,牛頓的經典力學能夠解決所有的機械問題,電磁現象被總結為麥克斯韋方程,光現象能夠被波動定律解釋,熱現象能夠被熱力學解釋,在高于光速的情況下,相對論能夠解釋宇宙萬物,就在人類以為我們已經解決所有問題的時候,科學家突然發現,這些定律只適用于巨觀世界,一旦進入微觀世界,這些定律就不適用了,所以在19世紀的時候,眾多科學家普朗克、玻爾、海森堡、薛定諤、愛因斯坦等人一起創立了量子力學。

量子力學是描述微觀物體的理論,和相對論一起被認為是現代物理學的兩大支柱,量子力學的基本概念包括了量子態、測量、波粒二象性、不確定原理等等,在量子力學中,粒子不像經典物理學那樣,能夠按照軌跡運動,而是以波的形式描述,其行為具有不確定性和統計性質,同時量子力學也描述了粒子之間的相互作用,以及他們如何通過發射和吸收光子等方式傳遞信息,在量子力學當中,有一句非常著名的話:上帝不擲骰子,這句話實際上是愛因斯坦用來反駁物理學家玻爾冠以量子力學的解釋,想要理解這句話還需要從牛頓開始說起,牛頓作為科學界的鼻祖,他認為光是一種粒子,當很長一段時間內,光是粒子的說法統治了科學界幾百年的時間。

後來有一些科學家認為光是一種波,那麼光到底是粒子還是波呢?為了研究光到底是波還是粒子,科學家們做了一個實驗,這個實驗被稱為是雙縫干涉實驗,實驗原理是讓一束單色光通過兩個相距很近的小孔,然后在遠處觀測光在屏幕上形成的圖案,如果光是粒子,那麼我們就應該能夠看到兩個亮點,對應于兩個小孔,如果光是一種波,那麼我們就應該能夠看到一個明暗相間的條紋,經過第一次實驗后,科學家在頻幕上面發現了干涉條紋,第二次實驗時,科學家在狹縫旁邊安裝了攝像頭,科學家想要看光子到底是如何通過狹縫的,根據觀測科學家發現,電子并沒有同時經過兩條狹縫,只從其中一個狹縫中穿過。

但是讓科學家感到驚訝的是,屏幕上的干涉條紋居然消失了,而是變成了兩條杠,如果科學家將探測器拿走,那麼屏幕上的干涉條紋就會出現,這說明人類的觀測影響了實驗的最終結果,最終科學家定義光具有波粒二象性,經過這次實驗之后,科學家發現,光到底是波還是粒子和觀測者有關系,當雙縫干涉實驗在沒有觀測者的時候,粒子就處于疊加狀態,這個疊加的狀態通過雙縫的時候,有一半會通過A縫隙,另一半會通過B縫隙,在沒有觀測者的時候,量子處于疊加狀態,所以我們看到的就是粒子形態,當我們去觀測它的時候,就能夠看到它到底是從A縫隙還是從B縫隙穿過,由于粒子的路徑被鎖定了,所以干涉條紋也就消失了,這個時候它就變成了波。

這個現象讓整個科學界都非常震驚,一直以來,科學家都認為,觀測者并不會影響事物的最終結果, 但是在量子力學中,觀測者非常重要,這違反了經典物理學,在經典物理學中,事物的最終結果是能夠提前計算出來的,比如說我們將一顆籃球拋向空中,無論我們去不去觀測這顆籃球,它最終的結果都會落到地面上,但是在量子力學中,卻打破了這個結論,簡單來說就是,在量子力學當中,事物的最終結果一定和觀測者有關系,在當時,所有科學家都不知道這是為什麼?一個著名的哥本哈根學派的領軍人物波爾認為,電子在通過雙縫前,在雙縫之前的所有位置,以機率云的形式來描述,因此在通過雙縫時,會出現干涉條紋,其實就是機率分布。

如果我們用攝像頭觀測時,電子就會鎖定某個位置,因此就會出現兩個條紋,當時愛因斯坦聽到這個解釋后認為,這簡直就是忽悠,按照這個說法,當電子要到達屏幕前,電子自己都不知道自己會落在哪里,只有到了要到達的那一刻,好像是擲骰子一樣,選了一個地方落下,這種機率性的解釋愛因斯坦無法接受,所以他反駁波爾說:上帝不會擲骰子,而波爾反擊到:你不要指揮上帝改怎麼做。兩個人的爭論經過了很多年都沒有結果,直到20世紀海森堡提出不確定性原理,才解開了愛因斯坦和波爾的爭論,不確定性原理表示,在任何給定的時間點,你都無法同時準確的測量粒子的動量和位置。

這種不確定性不取決于設備的好壞,也不是因為很難消除測量的誤差,無論我們怎麼做,都無法同時精確的測量這兩個量,比如說動量和能量。 假如我們去測量一個電子,你想測量它的位置就得用光子或者其他的粒子去撞擊它,你想把電子的位置測得越準確,就需要使用波長越短的光,如果使用波長太長的光就會直接繞過去,而光的波長越短能量就越大,你用越高能量的光子去撞擊電子,就會把電子撞飛,這樣電子的動量就無法確定,于是你越想要測準電子的位置,就會對他的動力產生越大的干擾,進而讓它動力更加不確定,所以我們無法同時準確的判斷出電子的位置和動量。

這就像是警察抓小偷,如果警察提前知道小偷的位置,那麼警察就不會知道小偷的逃跑路線,如果警察知道小偷的逃跑路線,那麼警察就不知道小偷的具體位置,如果兩者都知道了,也就不存在小偷了,因為早就被抓了,在量子力學當中,存在很多人們無法理解的現象,而這正是量子力學的神奇之處,相信很多人看到量子力學都覺得自己沒有弄明白,曾經著名的科學家愛因斯坦說:如果量子力學是正確的,那麼這個世界就有點瘋狂,波爾曾經說:誰要不為量子力學理論感到驚訝,那是因為它還不了解這個理論,費曼先生說:我想我可以相當有把握的說,沒人能夠真正看到量子力學。

量子力學的神奇之處就在于它的不確定,我們經常說,凡事都有例外,這句話在量子力學中體現的淋漓盡致,在經典物理學當中,錯的就是錯的,對的就是對的,比如說任何拋向空中的物體最終都會落到地面上來,不可能飛到天上去,這是誰都無法反駁的,但是在量子力學當中,一切都有可能的,因為觀測者能夠改變最終的結果,其中比較著名的思想實驗就是薛定諤的貓,其實薛定諤的貓一開始提出來的時候,是為了反對量子力學,因為薛定諤和愛因斯坦認為,事物最終只會出現一種結果,就像是關在箱子里面的貓一樣,只會存在一種結果,死亡或活著,不可能同時出現死亡和活著兩種情況。

但是隨著人們對量子力學的深入研究,薛定諤的貓成為了量子力學的經典思想實驗,其實驗過程大概是這樣的:將一只貓放在一個封閉的箱子中,然后把這個箱子里面放置一個裝置,其中包括一個原子核和毒氣設施,這個原子核有百分之50的幾率衰變,當原子核衰變時,就會釋放出一種毒氣,這時候貓就會被毒死,如果原子核沒有發生衰變,那麼毒氣就不會被釋放出來,這時候貓就不會死亡,而我們想要知道貓到底有沒有死亡,最直接的方式就是打開箱子,這樣我們就能夠清楚的看到貓到底有沒有死亡,如果按照經典物理學來解釋,那麼貓只會出現一種結果。

但是在量子力學中,貓會出現兩種結果,即死又活、非死非活的詭異狀態,這是因為疊加態的存在,支持量子力學的科學家認為,在我們沒有打開箱子之前,箱子里面其實存在兩只貓,一只是死亡以后的貓,另一只是活著的貓,這兩種貓處于疊加狀態,當我們打開箱子后,其中一種疊加態就會消失,這時候只會剩下其中一種結果,所以我們只能夠看到一種結果,這其實是因為觀測者導致波函數坍塌,另一種結果就會消失,疊加態原理是量子力學當中的一個基本原理,它說明了波函數的性質,如果ψ1是體系的一個本征態,對應的本征值為A1,ψ2也是體系的一個本征態,對應的本征值為A2,根據薛定諤方程的線性關系,ψ=C1ψ1+C2ψ2也是體系一個可能的存在狀態。

疊加態理論認為,在微觀世界中,粒子能夠同時位于多個地點的狀態,更加詭異的是,直到有人觀察它的時候,疊加態才會坍縮成一個確定的狀態,後來科學家利用疊加態原理提出了平行宇宙的概念,在薛定諤的貓思想實驗中,當沒有人去打開箱子時,其實箱子里面存在兩個不同的世界,一個是我們現實的世界,另一個是平行世界,在沒有人觀測它的時候,這兩個世界就會同時存在,當我們打開箱子觀測它的時候,其中一個平行世界就會消失,所以最終只會留下一個世界的結果,雖然到現在科學家還沒有在宇宙中發現平行宇宙,但是科學家認為,平行宇宙一定存在我們的世界當中。

直到今天,科學家也無法解開量子力學當中的所有奧秘,量子力學讓很多科學家感到害怕,不少科學家通過量子力學的實驗得出,我們所在的世界可能是虛擬的,就像粒子一樣,它能夠感覺到有人在觀測它,所以它會根據觀測者的行為而做出改變,如果說我們的世界真的是虛擬的,那麼我們人生的意義又是什麼呢?或許我們每一個人從出生以后,我們的一生就已經被注定好了,只不過我們自己不知道而已,雖然現在科學家還在積極的研究量子力學的奧秘,但是以目前人類的科技,想要真正的了解量子力學還差的很遠。

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