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量子力学为什么让人害怕?科学家们在研究过程中究竟发现了什么?

2024-10-02科学

二十世纪以前啊,那牛顿的三大定律再加上万有引力,这就凑成了能用来了解世界的经典物理学喽。

拿着这些定理啊,能解释宏观世界不少事儿呢。就说日月星辰吧,它们是咋形成的,又是咋发展的,这定理能给说道说道;江河湖海怎么流动的,也能拿这定理来解释;嘿,就连家里柴米油盐那些事儿,用这定理也能解释得通。

所以在二十世纪以前啊,人们都觉着这世界的真理,拿经典物理学体系就能拿捏得死死的。

嘿,可到了二十世纪啊,事儿就不一样喽。人们开始了解微观世界啦,什么粒子啊、原子啊、原子核啊、质子啊,都被人们给瞅见喽。

这些小不点儿啊,肉眼压根儿就瞅不见,最要命的是,向来啥都能解释的经典物理学,在这些小不点儿表现出的现象面前,也没招儿了。

科学啊,老是在探索那些未知的事儿的时候,一个劲儿地发展,一个劲儿地完善自个儿呢。这不,人们就开始琢磨那些微观世界里的小玩意儿喽。

解读这事儿呢,最开始是打一个假说那儿来的。

【研究微观物理学体系的假说。】

1900年那时候啊,普朗克在那儿研究黑体辐射呢。

在这儿给大伙讲讲,啥是黑体辐射呢?

啥物体都有这么个性质,那就是一个劲儿地对外辐射电磁波,一个劲儿地吸收电磁波,还一个劲儿地反射电磁波呢。

那啥,物体吸收电磁波的时候啊,可不会把照过来的电磁波全给吸收喽,它得挑挑拣拣的,把一部分电磁波给反射回去呢。

嘿,黑体可有个本事,啥样照过来的电磁波呀,它都能一股脑儿全给吸收喽。

黑体呢,它能对外辐射,可反射、透射这种事儿,它干不了。

黑体在现实里压根儿就不存在,要是想研究它呀,那就只能靠着一些和黑体特别像的物质发出来的辐射去研究喽。

黑体辐射啊,它最重要的特征那可就是温度喽。

这就跟人站在太阳底下晒暖儿是一个理儿,晒的时间长了,接收的太阳光多喽,身上的温度就上去喽。(注:太阳光也是一种电磁波)

嘿,这就是光和物质之间的一种互相捣鼓的作用呗。

普朗克啊,对着黑体辐射一遍又一遍地研究呢。他琢磨着,这研究起来太麻烦了,得想个办法呀。嘿,就这么着,他提出了一个假设,啥假设呢?就是啊,能量传输可不是像流水似的连续不断的,而是像分餐似的,一份儿一份儿来的。

嘿,这就跟光线似的。这光线可不是直线啊,它是由一小段一小段的线段凑成的。往外面传的时候呢,这些线段之间的间隔那是小得不能再小了,小到咱肉眼压根儿就瞅不见,还以为它就是一条直线呢。

普朗克给这一份份的能量取了个名儿,就叫量子。

嘿,量子就这么着产生喽。

这假说啊,挺厉害的,普朗克观察黑体辐射的时候冒出来的好些现象,它都能解释得挺好。可这假说呢,一下子就把经典物理学给晃悠得不稳当了。

宏观里啊,科学家们老觉着能量传输这事儿呢,那就是一直连着的,从这儿到那儿,没有啥最小的单元,就像一条能量线在那儿传呢,不带断的。

普朗克这假说一被提出来呀,嘿,立马就被当成是跟经典物理学对着干的玩意儿了。

普朗克那肯定得反对呀,可反对也不能光靠嘴说呀,得拿出证据来才行,最棒的就是能瞅见这种能量不连续传播的情况。

普朗克虽说最先提出来的,可他对能量不连续这事儿的观察研究啊,一直就没啥进展,原地踏步呢。

1905年的时候吧,爱因斯坦冒出来了。他琢磨光咋传播呢,就用上了普朗克的研究成果。

当然了,这种使用可不是拿过来就用,啥佐证都不做的。

爱因斯坦呢,在现实里也没找着这种证据。不过他用数学分析的招儿证明了,光啊,是一截一截的,还给他起了个名儿,叫光量子呢。

说到这儿啊,就得给数学做个解释喽。

不少人觉着数学嘛,不就是算算东西,再证明证明几何呗。嗨,实际上数学就是个工具,啥学科都得靠它来解读呢。

就好比研究一种特殊的材料,制作这材料有两种法子。一种呢,就是一个劲儿地用化学法儿,一项一项地做实验,什么实验温度啊,添加其他材料的量啊,融合的时间啊等等,把各种条件都拿来组合着做不同的实验。

听这过程就能明白,这就跟撞大运似的,撞上了那就成了,撞不上就得一个劲儿地撞呗。

想走捷径啊,那在试别的材料的时候就得不停地积攒,把资料库弄得满满的。就好比一种材料,在多少时间、多高温度下能展现出啥样的特性之类的,都得搞清楚喽。

资料库要是足够丰富,那制作新材料的时间啊,多半就会大大减少喽。

可就算是这样,这种研究法子也还能说是没个准儿呢。为啥呢?就因为一份材料啥时候加进去,哪怕就差一秒,那表现出来的特性都不一样。

材料学咋就成了天坑呢?鼓捣出一种新材料可不容易,想弄出一种合乎要求的材料那更是难上加难啊。

那第二种方法,该咋研究材料呢?

拿数学来捣鼓,弄个模型出来,像拓扑学、筛法啥的,凑巴出一件工具,试着捣鼓材料的结果,猜猜中间能出啥问题。

要么以图形的模样冒出来,要么以数据的形式现身,再不然就是图形和数据凑一块儿的结果呈现出来。

哼,这种法子啊,可没法真把问题给解决喽,它呀,就是给第一种法子指个道儿。

就好比朝着研究者喊:「瞅见没?它就在你前头呢,麻溜儿地往前冲呀。加油哦!加油!」

虽说冲过去的那片地儿还是黑黢黢的,可咋说呢,好歹在三百六十度的范围里,算是逮着一个方向了。

能把时间给大大地缩减喽。

为啥说数学是自然科学里的老大呢?就因为这啊。

纯理论数学,干巴巴的,那就是工具里的工具啊。

【从光量子接着说。】

所以呢,光量子在当时有没有,那是没个准儿的,全靠着数学给证了一下,嘿,还真有。

在光量子冒出来之前啊,人们费了好大劲儿才认可光是一种波呢,嘿,这时候又得接受光量子这个玩意儿了。

在接受的过程里啊,光的波动说和微粒说就掐起来了,你争我吵的。嘿,到最后呢,得出个光有波粒二象性的结果,这俩理论就不掐了,这场争论也就算完事儿了。

嗨,这科学前沿的事儿啊,基本就是这么个情况。一方捏着一种理论,另一方攥着另一种理论,两边呢,就可劲儿地揪着对方解释不了的现象开怼,完了再拿自个儿的理论去解释一通。

打来打去的,嘿,一个特完美的理论就这么诞生喽。

光有波粒二象性这结论一出来呢,人们就瞅见了,嘿,不光能量和光有量子那性质,微观世界里的那些个微观粒子啊,也有量子的性质呢。

嘿,最后啊,量子力学就这么诞生喽。

普朗克呢,最后得了1918年的诺贝尔物理学奖。

【什么是量子力学】

提起量子啊,都能说得头头是道呢。

可一提到量子力学呀,好多人就蒙圈儿了,这玩意儿越解释越让人迷糊,越听越找不着北。

就说那只特别有名的薛定谔的猫呗。

拿一只猫放进一个看不透的盒子里,这盒子还连着一套有放射性原子核和毒气的实验玩意儿。

原子要是衰变喽,或者毒气瓶被打破了,那盒子里的猫啊就没活路喽,要是这两样都没发生呢,猫就能活着嘞。

嘿,这就有个事儿了啊,在把盖子打开之前呢,那猫到底是死的呀,还是活的呢?

一般人啊,准得这么说,把盖子打开瞅瞅,不就啥都清楚了嘛!

可科学家讲:「这可不对喽,他问的是揭开盖子以前那猫是死的还是活的呀。揭开盖子之后嘛,那就是另一码事喽。」

问题又绕回来了,嗨,这东西到底是活的呀,还是死的呢?

科学家们抓耳挠腮,接着甩出来一个回答:你猜呀!

这么着,就冒出来一只猫,在盒子里呢,是既活着又死了的这么个状态。

嘿,忍不住就得问问了,这跟量子力学能有啥关系呢?

量子力学啊,有个特点,那就是不确定性。

盒子外边呢,就好比是宏观世界,那答案啊,通常就一个结果,拿经典物理学就能给解释得明明白白的,特别明确。可这盒子里头是微观世界呀,也只有一个结果吗?哼!才不是呢!那是叠加的结果,就跟盒子里的猫似的,又活着又死了呢。

挺绕的吧?是不是?

再举一个差不多的例子,把这俩例子放一块儿对比对比,说不定就能明白点儿了呢。

量子力学里有个特主流的理论,叫退相干理论呢。

这名字可绕口得很呢,关键是瞅着就迷糊,根本看不明白。

它是这么觉着的,说世界就一个,可历史呢,有老多个了。

这些历史啊,可不少呢,它们被分成了粗粒历史和精细历史。

那粗粒历史呢,就好比是经典历史。这玩意儿只在宏观上有现象,你能瞅见,也能摸着,像一个王朝咋完蛋的,一个文明咋崛起的,那是明明白白的,结果就只有一个。

精细历史呢,那就是微观历史,就跟量子似的。一个王朝会不会毁灭啊,这可就是个概率问题喽,有那种不确定性呢。这么一来呀,就有了好多历史同时存在的平行宇宙。

人类啊,就只能瞧见那粗粒历史。心里呢,还想感知感知精细历史。可倒好,就算能感知吧,也只能感知一种。这一旦跟一种精细历史有了感知接触,嘿,其余的那些历史就「嗖」的一下,永远消失不见喽,这就是量子相退干。

猫啊,是叠着的呢;历史嘛,也是叠着的;没打开瞧之前的微观世界呀,同样是叠着的。

嘿,这些玩意儿跟量子能有啥关系呢?

量子力学对人类来讲,就像一大片黑乎乎的地儿,咱能知道的,也就火把照亮的那一小片。

量子学里的好些现象啊,人类就跟盲人摸象似的,冷不丁摸出个尾巴来,过会儿又摸出条腿,再一会儿呢,还能摸出个鼻子来。

量子力学到底是个啥玩意儿呢?

蛇?还是墙?又或者是柱子?

嗯,算也不算吧。

就量子力学而言啊,人类现在所知道的那些个理论呢,都有毛病,根本就没法把这事儿给讲明白喽。

【回归到上文提到的量子力学解释微观世界的说法中。】

量子力学是用来描述电子、质子、中子的,那能不能用量子力学去找它们在哪儿呢?

拿薛定谔那只猫,再加上量子退相干理论来说明。

不成,不行呢。

具体的地儿是定不下来的,不过能知道这些微观粒子大概会在哪几个地儿冒出来。就对着这几个地儿严严实实地盯着,那要找的微观粒子不就找着了嘛。

嘿,这几个位置可咋判断呢?

得开始用波函数来搞测量喽。

微观世界里啊,有个特怪的事儿,这玩意儿不能拷贝,却能传输呢。

就凭着这个理儿啊,能办这么一档子事儿。

把一个特小的东西的所有信息都复制到一堆材料上,然后让这堆材料从这个小物件这儿动身,再在另外一个地儿把这些复制好的材料接收了,组合在一块儿。

嘿,这时候有个特逗的事儿冒出来喽。微观世界这玩意儿啊,它是不可复刻的,这么一来呢,原来的那些微小物件可就被整得稀巴烂喽。

这么着给人的感觉呢,就是那些小物件儿从原来待的地儿没影了,跑到接收的地儿冒出来了。

你就寻思寻思科幻电影里的传输机呗,人能从这儿一下子就给传送到那儿去。

你就说吧,那被传输过去的人,还能算是原来的那个人不?