我们生活在一个确定的同时也是可预测的的现实世界。日常生活经验告诉我们,现实中的一切现象都可以用科学进行描述,比如说树木都会向上生长,行星的运动遵循一定的运动规律,我们的一举一动都是有规律可循的。
利用一定的大自然法则,我们可以预测一个事物在一秒的运动状态,这就是我们再熟悉不过的四维时空,我们的现实世界是有规律可循的。
但是在另外一个世界,那里的表现非常规律,完全不同于我们所在的宏观世界。如果你来到那样一个世界,会发现一切都如此诡异,你感觉自己一动没动,就站在某个地方,但实际上你也有可能同时出现在另一个地方,你甚至可能无处不在。
那里的一切都是模糊的,都是不确定的,你好像就在那里,但随时又会出现在其他任何地方,就像一个「幽灵」一样可能出现在任何地方。对于早就熟悉了宏观世界的我们来讲,如果来到那样一个世界,肯定会疯掉的!
那个世界就是微观世界,那里的一切都与我们的日常生活经验完全相悖,甚至连最基本的因果律都不存在了,也就是说,如果你想要去一个地方,可能在没有出发之前就已经到达那里了。
是不是很疯狂?更疯狂的是,如此诡异的事情每时每刻都在上演着。微观世界里的一切都是不确定的,不确定性是那里的核心属性,一切都只能用概率去描述。
我们无法获取任何微观粒子的准确信息,不能同时获取微观粒子确定的位置和速度信息,因为粒子的位置不确定性与速度不确定性的乘积必须不小于一个常数,这就是不确定性原理。
说白了,我们只能测量出微观粒子出现在某个位置的概率是多少,用概率波或者波函数描述微观粒子的状态。而且一旦我们对微观粒子实施了任何观测行为,粒子就会从不确定性坍缩为确定状态,也就是我们通常所说的「波函数坍缩」。
也就是说,当我们不观测微观粒子时,它们无处不在。而当我们实施观测的一瞬间,微观粒子就从无处不在的状态坍缩为唯一状态,确定状态。
如果这种诡异现象出现在我们所在的宏观世界,肯定会让我们疯狂。爱因斯坦就曾经用宏观世界的例子来质疑微观世界的这种不确定性:不看月亮时,难道月亮就不在那里吗?
现实世界里,我们当然知道不管看不看月亮,它就在那里。但是如果月亮是在微观世界,就不一样了,我们不看月亮时,月亮还真的不在那里。
对于爱因斯坦的这种质疑,哥本哈根学派的领军人物波尔是这样回答他的:不看月亮,你怎么知道月亮就在那里呢?
这里的「看」当然不仅仅是指用眼睛去看,而是任何形式的观测手段。波尔的回答虽然像是狡辩,但似乎无懈可击。因为想要知道月亮是不是在那里,就必须观测。而如果不观测,当然肯定不知道月亮是否在那里。
当然,用月亮来描述微观世界的诡异现象肯定会完全颠覆我们的认知。不过有一点是肯定的,微观世界里的一切真的是不确定的,这种模糊特点绝不是科学家们臆想出来的,而是真实存在的,著名的电子双缝干涉实验就是最好的证明。
这个实验在之前的科普文章里已经说过很多次了,这里就不再详述了。总之就是,不确定性是微观世界的固有属性,那里的一切都只能有概率来描述,我们永远不知道微观粒子在下一刻会出现在哪个地方。
就好比此刻的你正坐在沙发上阅读这篇科普文,但如果你在微观世界,意味着你并不一定坐在沙发上,也有可能同时出现在月球上或者宇宙中其他任何地方。而当你的妈妈想知道你是不是在沙发上时,就会进行观测,在观测一瞬间,你的状态发生了「坍缩」,从之前的不确定性坍缩为唯一的确定状态,会看到你真的坐在沙发上。
不确定性是微观世界的核心,微观世界的很多诡异现象,其实都是不确定性的间接体现,比如说叠加态,量子纠缠,量子隧穿效应,量子涨落等等。
科学家们并不知道微观世界为何拥有如此诡异的特性,只知道那些诡异现象确实存在。虽然量子力学诞生至今已经拥有一百多年的历史,但科学家们并不知道量子力学的底层逻辑到底是什么。
这也是为什么很多物理学家大佬们都纷纷感叹:如果你认为自己真弄懂了量子力学,恰恰说明你根本不了解量子力学到底是什么。
不过,不管量子力学有多诡异,量子力学科技早就应用在我们日常生活中了。我们生活中离不开的手机,其中的芯片就包含了量子科技!