观《宇宙的构造》III

《宇宙的构造》第三集 Quantum Leap 的观片笔记。

Quantum Leap - 量子跃迁

总览:

介绍了量子力学理论的提出,演进 以及应用,如科幻片中的瞬间传送。

摘录片段:

量子力学理论quantum mechanics 重新定义了我们对现实世界的认知。

在量子领域,事物都下意识地不喜欢被束缚在固定位置或者沿着固定的轨道运动。粒子就好像能在同一时刻出现在不同地方。

在过去的75年里,我们使用量子力学理论来预测原子和粒子的运动,无数实验证明了量子理论是正确的。

量子力学的提出:

大约100年前,科学家们想要解释光的一些特殊性质,特别是气体在管中受热发出的光芒。当科学家们透过三棱镜观察加热的气体时,会发现它汇聚成线条,不仅能看见从玻璃透射出的连续光谱,还能发现它们成条分布。

20世纪初,一群专注于研究物理界本质问题的科学家们尝试对其进行解释,其中 Niels Bohr 认为解决问题的关键在于物质的核心,即原子内部结构。他认为原子就像微小的太阳能系统,有着更小的行星——电子,绕着原子核运行,如同行星绕着太阳一般。但与太阳系不同的是,电子不能随意运行,只能在某个固定轨道内,Bohr 认为原子受热时,电子会加速运动,并跃迁到另一个轨道。每次跃迁都伴随着能量,并以固定波长的光释放出来,这就是为什么原子能发出特定波长的光。 quantum leap量子跃迁由此而来。

量子跃迁令人惊奇的地方在于,电子直接从这儿到那儿,中间似乎没有穿过任何空间。Bohr 强调量子跃迁来自于原子中不稳定的电子。其能量以不可细化且一份份的形式出现。这些最小单位被称为“量子”。电子某时刻的位置唯一,不可能在其他地方,电子的能量是量化的。

量子跃迁只是开始,随后 Bohr 激进的观点 与另一位伟大的物理学家「Albert Einstein」来了一次交锋。

19世纪20年代,量子领域开始偏离爱因斯坦研究的方向,一个完全与经典物理相悖的方向。「真的是哪哪都有爱因斯坦 23333」

众所周知的双缝实验,从不同角度暴露出量子的奥秘。「来自wiki: 双缝实验,我是一脸懵逼…… 」

「插播下与双缝实验有关的波动说」

如果在水面制造一道波纹,使之穿过裂缝,它会分裂成两道,然后两道波纹会相互交融,它们的波峰和波谷会彼此结合,某些部分变得更大,某些部分变得更小,有时,它们会相互抵消,波峰和波谷会制造一系列的斑纹,这,也就是所谓的干涉条纹。

科学家们努力想要了解这种波动性质,人们想知道一个运动中的电子是否可能展开成为一种波。物理学家 Erwin Schrodinger 「薛定谔」提出了一个看似能描述它的方程,Schrodinger 认为 波 是对拓展的电子的描述,电子因为某种原因变模糊了,它不再是一个点,而像是一段波。最终 物理学家 Max Born 提出了一种新的,革命性的理论来描述波动方程。他认为这是一种特殊的波 — 概率波,在任何位置,波的强弱,可以预测这个位置出现电子的可能性。比如抛出一个单独的电子,你无法知道它会在哪里落地,但是如果利用Schrodinger 的方程来寻找这个电子的概率波,当抛出足够的电子时,可以十分准确的预测出电子落在某处的概率是多少。

宇宙中的所有事物,都是由原子和亚原子粒子构成,它们被概率性和不确定性约束着

本质上,自然符合一种固有的概率理论,这严重反直觉,很多人会难以接受。「《这才是心理学》第11章的主题……」

而难以接受这一理论的人中,便有爱因斯坦,爱因斯坦不相信,基本的现实世界在深层次是由概率决定的。

Einstein said: “God does not throw dice.”「上帝从不掷骰子」

很多的科学家不那么排斥概率论,因为量子力学的方程给了他们精准预测原子群和微小粒子系统的能力。

不久,这种预测的力量促使了很多重要发明的出现。

激光,晶体管,集成电路,电子工业的全部领域,所有我们现在使用的设备,如二极管,晶体管,组成了信息技术的基础。如果没有量子力学,我们将会回到蒸气时代。

Niels Bohr 认为测量将改变一切,他认为在你准备测量和观察一个粒子之前,它的特征是不确定的,直到也只能在你观察的那一瞬间才能确定它的方位。

Niels Bohr 认为现实的本质是充满不确定性的,但是爱因斯坦不这样认为,他认为事物是恒定的。爱因斯坦确信量子理论并不完整,它缺少一些内容,而这些内容可以让我们在不用观察的情况下,描述粒子未来的特性。

1935年,爱因斯坦认为他发现了量子理论的致命弱点,提出了纠缠理论 entanglement,他认为这个理论可以用来证明量子理论的不完整。

纠缠理论是根据量子理论方程,作出的理论性推测。如果两个粒子的特性类似,且距离够近,它们就会发生纠缠。同时,量子力学表示,就算你把两个粒子分开,将它们送往相反的方向,它们依然保持着纠缠,紧密相连。

对于爱因斯坦来说,这种粒子之间的不可思议的联系,是如此的可笑。他将其称之为幽灵 spooky. “spooky action at a distance.”

爱因斯坦无法接受纠缠理论,他承认纠缠的粒子可以存在,但他认为可以用一种更简单的解释来说明粒子之间的这种联系。他认为纠缠粒子,更像是对手套,比如将一对手套分别放进箱子里,一个箱子放在本地,另一个则送往南极,打开放在本地的箱子,你就能知道南极的那个箱子里面装的是哪一只手套,即使没有人看过它。爱因斯坦恰恰用这样的方式来看待纠缠粒子。无论电子处在什么情况下,它们的状态在它们打散的时候,就已经决定好了。

那么 Bohr 和 Einstein,谁的理论才是正确的?

纠缠粒子,是通过幽灵般的联系彼此作用,还是根本没有什么联系,像那对手套一样, 粒子的状态已经事先确定?

1955年,爱因斯坦去世,他依然认为量子力学没有完整地解释世界的真相。

1967年,John Clauser, 一名哥伦比亚大学的研究新生,完成了爱因斯坦对于量子力学的质疑。根据一份出自爱尔兰物理学家 John Bell的文献,他提出了量子力学可能是错误的假设。Clauser 随后开始着手制造可以解决争论的机器,机器建成后,Clauser不停重复着实验,之后法国物理学家 Alain Aspect 开始做类似的实验,让人吃惊的是,他们的实验结果都证明了量子力学的正确性,纠缠作用是真实存在的, 量子跨越空间,彼此相连, 测量一件事物,事实上,会在瞬间影响到它遥远的伙伴

The one thing that Einstein thought was impossible, spooky action at a distance actually happens.

「所以,这个世界在深层次上是由概率决定的?」

如果我们接受世界以量子力学的方式运作的话,我们是否可以利用纠缠理论中的远距离作用去做一些有用的事?

比如瞬间传送。

在南非的一座小岛上,科学家们利用量子纠缠作用,完成了瞬间传送单个粒子的实验。

瞬间传送的原理是:提取事物所携带的信息,然后在另一处制造了一个新的一样的事物。「旧的那个在传输途中,已被摧毁」

既然粒子可以瞬间传送,我们人类是由粒子构成的,那么未来我们是否可以如此传送人类?「科幻照进现实」

人类瞬间传送理论上有可能实现,但是路很长。「在传输途中,旧的那个你已经被摧毁了,感觉怕怕的…… 」

将量子力学运用于计算机中,即量子计算机,计算机的能力将会得到成倍的增长。「一脸懵逼……」

量子力学在带给人类诸多收益的同时,也存在着巨大的漏洞。

量子世界充满了不确定性,而任何人,都是由粒子和原子构成的,却一直处于一个确定的状态,Niels Bohr 没有明确解释 为什么在量子世界里发生的怪事,到了宏观世界就消失了。科学家们一直在努力解决这个问题,有些人认为在量子力学等式中,缺失了一些细节,因此尽管在微观世界中存在着多种可能性,但是从微观到宏观的过程中,缺失的细节会做出调整,所有的可能性只会剩下一种,事物也就表现出唯一的确定性。其他物理学家则认为所有的可能性一直存在,从未消失,相反,每一种可能性都真实发生了,只是它们中的大部分发生在我们的平行世界里。「引出了第4集的多重宇宙,这是一个神奇的世界」

The beauty of science is that it allows you to learn things which go beyond your wildest dreams.