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量子力學為什麽讓人害怕?科學家們在研究過程中究竟發現了什麽?

2024-10-02科學

二十世紀以前啊,那牛頓的三大定律再加上萬有重力,這就湊成了能用來了解世界的經典物理學嘍。

拿著這些定理啊,能解釋宏觀世界不少事兒呢。就說日月星辰吧,它們是咋形成的,又是咋發展的,這定理能給說道說道;江河湖海怎麽流動的,也能拿這定理來解釋;嘿,就連家裏柴米油鹽那些事兒,用這定理也能解釋得通。

所以在二十世紀以前啊,人們都覺著這世界的真理,拿經典物理學體系就能拿捏得死死的。

嘿,可到了二十世紀啊,事兒就不一樣嘍。人們開始了解微觀世界啦,什麽粒子啊、原子啊、原子核啊、質子啊,都被人們給瞅見嘍。

這些小不點兒啊,肉眼壓根兒就瞅不見,最要命的是,向來啥都能解釋的經典物理學,在這些小不點兒表現出的現象面前,也沒招兒了。

科學啊,老是在探索那些未知的事兒的時候,一個勁兒地發展,一個勁兒地完善自個兒呢。這不,人們就開始琢磨那些微觀世界裏的小玩意兒嘍。

解讀這事兒呢,最開始是打一個假說那兒來的。

【研究微觀物理學體系的假說。】

1900年那時候啊,普朗克在那兒研究黑體輻射呢。

在這兒給大夥講講,啥是黑體輻射呢?

啥物體都有這麽個性質,那就是一個勁兒地對外輻射電磁波,一個勁兒地吸收電磁波,還一個勁兒地反射電磁波呢。

那啥,物體吸收電磁波的時候啊,可不會把照過來的電磁波全給吸收嘍,它得挑挑揀揀的,把一部份電磁波給反射回去呢。

嘿,黑體可有個本事,啥樣照過來的電磁波呀,它都能一股腦兒全給吸收嘍。

黑體呢,它能對外輻射,可反射、透射這種事兒,它幹不了。

黑體在現實裏壓根兒就不存在,要是想研究它呀,那就只能靠著一些和黑體特別像的物質發出來的輻射去研究嘍。

黑體輻射啊,它最重要的特征那可就是溫度嘍。

這就跟人站在太陽底下曬暖兒是一個理兒,曬的時間長了,接收的太陽光多嘍,身上的溫度就上去嘍。(註:太陽光也是一種電磁波)

嘿,這就是光和物質之間的一種互相搗鼓的作用唄。

普朗克啊,對著黑體輻射一遍又一遍地研究呢。他琢磨著,這研究起來太麻煩了,得想個辦法呀。嘿,就這麽著,他提出了一個假設,啥假設呢?就是啊,能量傳輸可不是像流水似的連續不斷的,而是像分餐似的,一份兒一份兒來的。

嘿,這就跟光線似的。這光線可不是直線啊,它是由一小段一小段的線段湊成的。往外面傳的時候呢,這些線段之間的間隔那是小得不能再小了,小到咱肉眼壓根兒就瞅不見,還以為它就是一條直線呢。

普朗克給這一份份的能量取了個名兒,就叫量子。

嘿,量子就這麽著產生嘍。

這假說啊,挺厲害的,普朗克觀察黑體輻射的時候冒出來的好些現象,它都能解釋得挺好。可這假說呢,一下子就把經典物理學給晃悠得不穩當了。

宏觀裏啊,科學家們老覺著能量傳輸這事兒呢,那就是一直連著的,從這兒到那兒,沒有啥最小的單元,就像一條能量線在那兒傳呢,不帶斷的。

普朗克這假說一被提出來呀,嘿,立馬就被當成是跟經典物理學對著幹的玩意兒了。

普朗克那肯定得反對呀,可反對也不能光靠嘴說呀,得拿出證據來才行,最棒的就是能瞅見這種能量不連續傳播的情況。

普朗克雖說最先提出來的,可他對能量不連續這事兒的觀察研究啊,一直就沒啥進展,原地踏步呢。

1905年的時候吧,愛因斯坦冒出來了。他琢磨光咋傳播呢,就用上了普朗克的研究成果。

當然了,這種使用可不是拿過來就用,啥佐證都不做的。

愛因斯坦呢,在現實裏也沒找著這種證據。不過他用數學分析的招兒證明了,光啊,是一截一截的,還給他起了個名兒,叫光量子呢。

說到這兒啊,就得給數學做個解釋嘍。

不少人覺著數學嘛,不就是算算東西,再證明證明幾何唄。嗨,實際上數學就是個工具,啥學科都得靠它來解讀呢。

就好比研究一種特殊的材料,制作這材料有兩種法子。一種呢,就是一個勁兒地用化學法兒,一項一項地做實驗,什麽實驗溫度啊,添加其他材料的量啊,融合的時間啊等等,把各種條件都拿來組合著做不同的實驗。

聽這過程就能明白,這就跟撞大運似的,撞上了那就成了,撞不上就得一個勁兒地撞唄。

想走捷徑啊,那在試別的材料的時候就得不停地積攢,把資料庫弄得滿滿的。就好比一種材料,在多少時間、多高溫度下能展現出啥樣的特性之類的,都得搞清楚嘍。

資料庫要是足夠豐富,那制作新材料的時間啊,多半就會大大減少嘍。

可就算是這樣,這種研究法子也還能說是沒個準兒呢。為啥呢?就因為一份材料啥時候加進去,哪怕就差一秒,那表現出來的特性都不一樣。

材料學咋就成了天坑呢?鼓搗出一種新材料可不容易,想弄出一種合乎要求的材料那更是難上加難啊。

那第二種方法,該咋研究材料呢?

拿數學來搗鼓,弄個模型出來,像拓撲學、篩法啥的,湊巴出一件工具,試著搗鼓材料的結果,猜猜中間能出啥問題。

要麽以圖形的模樣冒出來,要麽以數據的形式現身,再不然就是圖形和數據湊一塊兒的結果呈現出來。

哼,這種法子啊,可沒法真把問題給解決嘍,它呀,就是給第一種法子指個道兒。

就好比朝著研究者喊:「瞅見沒?它就在你前頭呢,麻溜兒地往前沖呀。加油哦!加油!」

雖說沖過去的那片地兒還是黑黢黢的,可咋說呢,好歹在三百六十度的範圍裏,算是逮著一個方向了。

能把時間給大大地縮減嘍。

為啥說數學是自然科學裏的老大呢?就因為這啊。

純理論數學,幹巴巴的,那就是工具裏的工具啊。

【從光量子接著說。】

所以呢,光量子在當時有沒有,那是沒個準兒的,全靠著數學給證了一下,嘿,還真有。

在光量子冒出來之前啊,人們費了好大勁兒才認可光是一種波呢,嘿,這時候又得接受光量子這個玩意兒了。

在接受的過程裏啊,光的波動說和微粒說就掐起來了,你爭我吵的。嘿,到最後呢,得出個光有波粒二象性的結果,這倆理論就不掐了,這場爭論也就算完事兒了。

嗨,這科學前沿的事兒啊,基本就是這麽個情況。一方捏著一種理論,另一方攥著另一種理論,兩邊呢,就可勁兒地揪著對方解釋不了的現象開懟,完了再拿自個兒的理論去解釋一通。

打來打去的,嘿,一個特完美的理論就這麽誕生嘍。

光有波粒二象性這結論一出來呢,人們就瞅見了,嘿,不光能量和光有量子那性質,微觀世界裏的那些個微觀粒子啊,也有量子的性質呢。

嘿,最後啊,量子力學就這麽誕生嘍。

普朗克呢,最後得了1918年的諾貝爾物理學獎。

【什麽是量子力學】

提起量子啊,都能說得頭頭是道呢。

可一提到量子力學呀,好多人就蒙圈兒了,這玩意兒越解釋越讓人迷糊,越聽越找不著北。

就說那只特別有名的薛定諤的貓唄。

拿一只貓放進一個看不透的盒子裏,這盒子還連著一套有放射性原子核和毒氣的實驗玩意兒。

原子要是衰變嘍,或者毒氣瓶被打破了,那盒子裏的貓啊就沒活路嘍,要是這兩樣都沒發生呢,貓就能活著嘞。

嘿,這就有個事兒了啊,在把蓋子開啟之前呢,那貓到底是死的呀,還是活的呢?

一般人啊,準得這麽說,把蓋子開啟瞅瞅,不就啥都清楚了嘛!

可科學家講:「這可不對嘍,他問的是揭開蓋子以前那貓是死的還是活的呀。揭開蓋子之後嘛,那就是另一碼事嘍。」

問題又繞回來了,嗨,這東西到底是活的呀,還是死的呢?

科學家們抓耳撓腮,接著甩出來一個回答:你猜呀!

這麽著,就冒出來一只貓,在盒子裏呢,是既活著又死了的這麽個狀態。

嘿,忍不住就得問問了,這跟量子力學能有啥關系呢?

量子力學啊,有個特點,那就是不確定性。

盒子外邊呢,就好比是宏觀世界,那答案啊,通常就一個結果,拿經典物理學就能給解釋得明明白白的,特別明確。可這盒子裏頭是微觀世界呀,也只有一個結果嗎?哼!才不是呢!那是疊加的結果,就跟盒子裏的貓似的,又活著又死了呢。

挺繞的吧?是不是?

再舉一個差不多的例子,把這倆例子放一塊兒對比對比,說不定就能明白點兒了呢。

量子力學裏有個特主流的理論,叫去相干理論呢。

這名字可繞口得很呢,關鍵是瞅著就迷糊,根本看不明白。

它是這麽覺著的,說世界就一個,可歷史呢,有老多個了。

這些歷史啊,可不少呢,它們被分成了粗粒歷史和精細歷史。

那粗粒歷史呢,就好比是經典歷史。這玩意兒只在宏觀上有現象,你能瞅見,也能摸著,像一個王朝咋完蛋的,一個文明咋崛起的,那是明明白白的,結果就只有一個。

精細歷史呢,那就是微觀歷史,就跟量子似的。一個王朝會不會淪陷啊,這可就是個概率問題嘍,有那種不確定性呢。這麽一來呀,就有了好多歷史同時存在的平行宇宙。

人類啊,就只能瞧見那粗粒歷史。心裏呢,還想感知感知精細歷史。可倒好,就算能感知吧,也只能感知一種。這一旦跟一種精細歷史有了感知接觸,嘿,其余的那些歷史就「嗖」的一下,永遠消失不見嘍,這就是量子相退幹。

貓啊,是疊著的呢;歷史嘛,也是疊著的;沒開啟瞧之前的微觀世界呀,同樣是疊著的。

嘿,這些玩意兒跟量子能有啥關系呢?

量子力學對人類來講,就像一大片黑乎乎的地兒,咱能知道的,也就火把照亮的那一小片。

量子學裏的好些現象啊,人類就跟盲人摸象似的,冷不丁摸出個尾巴來,過會兒又摸出條腿,再一會兒呢,還能摸出個鼻子來。

量子力學到底是個啥玩意兒呢?

蛇?還是墻?又或者是柱子?

嗯,算也不算吧。

就量子力學而言啊,人類現在所知道的那些個理論呢,都有毛病,根本就沒法把這事兒給講明白嘍。

【回歸到上文提到的量子力學解釋微觀世界的說法中。】

量子力學是用來描述電子、質子、中子的,那能不能用量子力學去找它們在哪兒呢?

拿薛定諤那只貓,再加上量子去相干理論來說明。

不成,不行呢。

具體的地兒是定不下來的,不過能知道這些微觀粒子大概會在哪幾個地兒冒出來。就對著這幾個地兒嚴嚴實實地盯著,那要找的微觀粒子不就找著了嘛。

嘿,這幾個位置可咋判斷呢?

得開始用波函數來搞測量嘍。

微觀世界裏啊,有個特怪的事兒,這玩意兒不能拷貝,卻能傳輸呢。

就憑著這個理兒啊,能辦這麽一檔子事兒。

把一個特小的東西的所有資訊都復制到一堆材料上,然後讓這堆材料從這個小物件這兒動身,再在另外一個地兒把這些復制好的材料接收了,組合在一塊兒。

嘿,這時候有個特逗的事兒冒出來嘍。微觀世界這玩意兒啊,它是不可復刻的,這麽一來呢,原來的那些微小物件可就被整得稀巴爛嘍。

這麽著給人的感覺呢,就是那些小物件兒從原來待的地兒沒影了,跑到接收的地兒冒出來了。

你就尋思尋思科幻電影裏的傳輸機唄,人能從這兒一下子就給傳送到那兒去。

你就說吧,那被傳輸過去的人,還能算是原來的那個人不?