提及量子物理,许多民众会条件反射地联想到“神秘莫测”,毕竟这一学科完全颠覆了我们对现实的日常理解。
相对论,爱因斯坦的另一个理论,尽管同样震撼了我们的传统认知,但它仍旧处在经典物理的领域中,因为相对论仍然遵循了最基础的因果关系和定域性(换言之,光速的限制)。相对论不过是将我们对时间和空间的理解更新到了一个全新的层次。
然而,量子力学却彻底颠覆了我们的世界观与宇宙观,甚至对最基本的因果律也造成了冲击。打个通俗的比方,我扇你一巴掌,你才会感到疼痛。如果存在一个世界,你先感到了痛,而后我才扇了你一巴掌,你是不是会认为不可思议?甚至觉得不可理喻?
量子世界,恰恰就是一个这样的“不合逻辑”的世界。
另外,在我们的经典宏观世界里,一切都是实实在在的存在,例如一辆停在路边的轿车,它就在那儿,不管我们是否观察,它始终在那里。但如果我告诉你,在某个奇异的领域,只有当你进行观察时,轿车才会在那里。在你不观察的时候,轿车可能位于宇宙的任何角落,甚至同时出现在两个不同的地点,你会有何感想?
你肯定会认为我精神错乱!
然而,如果我告诉你,那辆轿车处于量子世界,上述的一切就可能发生。轿车究竟在哪里,取决于你的观察,或者说,是你的“意识”。我们的意识真的能影响客观世界吗?
不可否认,在吃瓜群众中,关于“意识”对量子世界的影响的讨论愈加玄妙。但对于物理学的大师们而言,尽管在量子力学的某些解释中他们确实提到了“意识”,但这与普通大众所想的完全不同。
物理学界的专家们拥有极高的科学素养,他们没有闲暇去研究神秘的哲学或其他学科。实际上,在量子力学中关于“意识”的解释,决不能仅从字面意义上理解,而应深入其背后更深层次的逻辑。
首先,量子力学的所有解释都基于一个核心:观察。也就是说,量子力学中的一切疑问,源头实际上都来自“观察”。
量子世界拥有许多让我们觉得不可思议的特性,例如叠加态、不确定性、纠缠态等,但这些状态仅存在于理论中。当我们进行观察时,我们只能观察到某一确定的状态。
为什么会这样?从不确定状态到确定状态的过程中,到底发生了什么?
理论是枯燥的,让我们用著名的思维实验“薛定谔的猫”来加以说明。
这个实验我已解释过无数次,具体细节就不赘述了,总之,一只猫的生死与一个放射性元素是否衰变紧密相连。一旦衰变发生,猫就会死;若没有衰变,猫则活着。
根据量子力学的解释,放射性元素的衰变概率为50%,也就是说,它同时处于衰变与不衰变的“叠加态”。因此,猫的最终状态也会是“生与死”的叠加态,也就是说,存在一只“既死又活”的猫。
显然,这与我们的日常经验不符,现实中怎可能有“既死又活”的猫?
好奇心驱使我们一探究竟,看看这“既死又活”的猫究竟是什么样子。当我们实施观察的那一刹那,猫就会从“既死又活”的叠加态坍缩为“要么死,要么活”的唯一确定状态。
也就是说,在我们观察之前,量子事件是一个模糊的“概率云”,而当我们观察的那一瞬间,概率云发生了“坍缩”,形成了唯一的确定状态。
那我们的观察行为是否真的改变了结果?或者说,我们的意识影响了最终的结果?
以玻尔为首的哥本哈根学派认为,在观测之前讨论猫的状态是没有意义的,因为任何观测者和观测行为都必须是独立于理论之外的特殊过程。
这到底是什么意思?
实际上,这就是“量子与经典之间的边界”问题,观测行为和观测者属于经典范畴,而微观粒子则属于量子领域,两者之间存在一条边界,观测行为必须跨越这条边界才能实现。
物理学家海森堡也提出了自己的“海森堡边界”,认为在这一边界的一侧是经典世界,那里的一切都是我们日常生活中所感知的,遵循经典物理的法则,自然不存在叠加态和不确定性。而在另一侧则是遵循量子法则的世界,充满了叠加态和不确定性。
但是,这条边界到底在哪里?又如何定义这条边界?海森堡也无法给出明确的解释。
海森堡认为,这条边界是由我们所研究的问题的性质决定的,物理过程本身不应有不连续性,边界的具体位置具有完全的自由度。
可以看出,哥本哈根诠释对于“边界”的问题实际上相当模糊,似乎有意回避关键问题。
然而,对于量子世界是如何过渡到经典世界的问题,玻尔还提出了一个著名的原理:对应原理。该原理认为,量子力学必须在经典物理的边界上自然地与经典物理相容。对应原理的最大问题在于:什么是经典物理的边界?
我们都清楚,像电子和光子这样的微观粒子,由于质量极小,具有显著的量子效应,如叠加态、不确定性等。而在我们的经典世界里,由于物体质量较大,如篮球,只能显示出经典物理的效应,量子效应则无法显现。
如果我们将电子光子这样的微观尺度不断放大,量子效应会逐渐转变为经典物理效应,这个过程非常自然。
也就是说,不确定性在质量较大的物体上几乎可以忽略不计,不确定性极小。由于宏观物体质量较大,其物质波的波长也非常短,短到几乎无法表现出波的特性,我们自然无法感知。因此,经典宏观世界自然无法显示出量子效应。
以上就是玻尔对量子效应如何过渡到经典物理效应的解释。
然而,尽管这个解释看似合理,实际上却存在很大的漏洞。以薛定谔的猫这个思想实验为例,它似乎是将微观世界的诡异现象直接转移到了宏观世界,这自然难以让人接受。
对应原理的问题在于,如果量子效应会随着尺度的增大最终转变为经典物理效应,那么微观与经典(即宏观)之间就不应该存在边界。
所谓“经典与微观”的对应关系,并不是经典状态与量子状态的对应,而是经典确定状态与微观不确定状态的统计平均之间的对应。
换句话说,在经典物理世界中,诡异的量子效应并没有真正消失,只是看似如此。因此,在经典混沌系统中,这种矛盾会被不断放大,不管我们如何增大尺度,量子效应都会呈现出线性,结果就不会产生混沌现象。
然而,在我们的经典世界中,混沌现象无处不在。后来,科学家们提出了退相干理论,否则玻尔的对应原理将无法成立。退相干意味着,微观粒子与周围环境相互作用,导致量子效应消失。退相干,即“失去相干性”,不再具有量子效应。
玻尔关于自己提出的对应原理表达了这样的观点,他认为量子效应并不是自然地转变为经典理论,只是在统计解释层面与经典理论相吻合。换句话说,量子力学的统计平均与经典物理的确定结果可以认为是近似一致的。
然而,量子力学与经典物理是截然不同的,是两个完全独立的理论,两者不能互相推导。
玻尔还表示,不能从量子力学中推导出观测结果的合理诠释,因为我们生活在宏观世界,任何物体必然是经典的,我们使用的观测仪器也是经典的。因此,从经典到量子的观测过程迫使波函数坍缩。
波函数属于微观领域,而我们的观测行为发生在宏观世界,因此我们对波函数的观测一定会让观测结果直接穿越边界本身,从量子转变为经典,即从叠加态转变为确定态。
但尴尬的是,这个边界到底在哪里?既然玻尔一直宣称存在这样一个边界,但始终不能说出这个边界在哪里,这显然是有问题的,给人一种敷衍了事的感觉。
此外,不管是我们人类自己,还是我们使用的任何观测仪器,都是由微观粒子组成,为什么由微观粒子组成的我们或仪器必须遵循不同于量子力学的特殊法则?
实际上,科学家们一直在寻找上述所谓的边界,并且已经有了成果。通过实验,科学家们已经验证了在更大的尺度上存在量子效应,通过对双缝干涉实验的不断改进,已经做到了大分子尺度上的干涉现象,大分子由810个原子组成。可以确定的是,随着人类科技水平的提高,将在更大的尺度上观测到量子效应,这意味着实际上宏观物体也遵循量子力学。
这也解释了为什么冯·诺依曼等科学家认为,量子力学肯定适用于所有现实世界,不仅在微观世界适用,在经典的宏观世界也同样有效。这意味着,量子世界与宏观经典世界实际上不存在所谓的边界,两个看似互不相关的世界,其实都可以用量子力学来描述。
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