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上帝是個賭徒!玩弄一眾科學家的量子力學

上帝是個賭徒,不僅喜歡擲骰子,還玩弄了 牛頓,笛卡爾,普朗克、愛因斯坦、狄拉克、薛定諤、德布羅意、玻爾、玻恩、海森堡、泡利、貝爾、費曼……等一眾科學家

最后幽靈般地隱藏于量子糾纏

物理、化學和醫(yī)學告訴我們:組成人體的物質(zhì)與石頭沒有本質(zhì)區(qū)別,都是質(zhì)子,中子、電子。

那么意識呢?意識出現(xiàn)在什么位置?

一種觀點認為意識是科學無法解釋的事物,另一種觀點認為意識不過是超級計算的結(jié)果,人腦產(chǎn)生意識是因為人腦中有上千萬個神經(jīng)元時刻在進行計算,只要計算機能夠模擬這樣的計算,一定有同樣的意識產(chǎn)生,因此相信一切盡在當前科學掌握中。

量子力學告訴我們,意識是一種糾纏態(tài)!

今年的諾貝爾物理學獎頒給了研究量子力學的三位科學家,表彰他們通過光子糾纏實驗,確定貝爾不等式在量子世界中不成立 ,并開創(chuàng)了量子信息這一學科。

對于我們大部分人來說,物理學似乎只能仰望,那些復雜的數(shù)學公式,高深莫測的實驗結(jié)果似乎與我們?nèi)粘I畹乃娝労敛幌喔桑c我們的感覺或情緒毫不相干,與我們個人與社會之間產(chǎn)生的諸多問題更是毫不相干。

你可能忘了,物理學與所有學科一樣,都始于日常經(jīng)驗,始于我們對事物發(fā)生、發(fā)展的疑問和好奇,還有我們希望知道在這些事物中扮演什么角色,起到什么作用。

從微小的原子到浩瀚的宇宙,從每一滴水到閃亮的鉆石,從劃破夜空的激光到你身邊的手機,互聯(lián)網(wǎng),所有事物的背后都是子力學在主宰!

你以為這就完了嗎?

量子力學為了讓我們記住,他無時無刻不穿梭于我們的意識世界中,比如靈感,思考,記憶,說話,分娩,死亡,共情乃至心靈感應、我與他人之間的關(guān)系,等等

現(xiàn)在你還認為物理學只能仰望嗎?

如果你想知道量子物理學到底是如何影響我們的生活,影響我們與自己,與他人以及整個世界的關(guān)系。推薦你一定要看這本《量子與生活:重新認識自我、他人與世界的關(guān)系》

接下來我盡量用通俗易懂的語言為你介紹量子力學的前因后果

如果說牛頓力學標志著工業(yè)時代的開始,那么量子力學則是信息時代的開端!

我們今天幾乎所有的學科都建立在牛頓經(jīng)典物理學之上。

牛頓力學并非是一門學科,更是一種世界觀,在牛頓看來,物質(zhì)世界中的一切都能代入公式中,世界像一個鐘一樣在走動,而人類可以預知未來的一切,這被稱為機械論世界觀。

而牛頓機械論世界觀的三大理論分別是:1.二元論;2.還原論;3.決定論。

二元論

科學的思維方式起始于古希臘人,薛定諤說科學就是用希臘人的方式來思考世界

古希臘人的思維對后來的科學有兩個影響:

1.古希臘人認為世界是可以被理解的,這與今天的科學家對世界的態(tài)度是一樣的

2.把認知主體我排除于客觀世界之外,換句話說我可以在世界之外觀察,測量這個世界,而不會對客觀世界造成干擾,所以主體與客體二元分立。

還原論

古希臘本體論的第一條是質(zhì)料因:即這個世界是由什么組成的呢?

我們把世界切割成最小單元時,這個最小單元就是世界的本體,而這個最小單元又能組成全部的世界。

如泰勒斯認為,水是萬物之源;德謨克利特認為原子是組成世界的本體。

與本體論相對的形式論認為:這個世界真正的決定力量并不在于事物,而在于事物之間的關(guān)系,任何事物都會經(jīng)歷生生滅滅,但事物之間的關(guān)系永遠不變,把這種現(xiàn)象稱為羅格斯,就像老子的道微妙玄通。

決定論

決定論中最重要的是柏拉圖的理念論,理念論認為人們相信宇宙是由一條或少數(shù)幾條基本原理決定的,而這條基本原理可以用數(shù)學表達出來,換句話說,只要技術(shù)足夠進步,我們就能了解這個世界,宇宙萬物盡在我們的掌握之中!這個想法在西方根深蒂固。

這三大理論將一切事物都納入了確定不變的運動規(guī)則中,讓曾經(jīng)豐富多彩,浩瀚無比的宇宙頓時被寂寞、寒冷所籠罩。

隨后,馬克思描述了亙古不變的歷史規(guī)律,達爾文創(chuàng)建了被動進化論,弗洛伊德提出了“黑暗靈魂之暴力”學說,這些多多少少都是受牛頓物理學啟發(fā)而產(chǎn)生的。

直到20世紀初,新物理學的兩大支柱相對論和量子力學徹底顛覆了牛頓經(jīng)典物理學。

需要說明的是,相對論在宇宙尺度上發(fā)揮著重要的作用,在地球上,在人們的生活中,很難發(fā)揮作用,盡管小學生們都知道空間是彎曲的,時間如我們所知,“僅僅是一種錯覺”,但普通人對日常現(xiàn)實的理解,基本不會受到愛因斯坦理論的影響。

量子物理學則完全不同,它用于描述我們所能看到的,至少是物理的角度上所能看到的一切事物的內(nèi)部運作方式。與經(jīng)典物理學的根本區(qū)別是物質(zhì)的存在以多種形式表現(xiàn)出來,具有不確定性。

量子力學提出 4大理論:1.量子躍遷:非連續(xù)性;2.量子測量:不確定性;3.量子疊加:破二元論;4.量子糾纏:超時空性。

量子起源于對黑體輻射的研究,當時德國物理學家普朗克用兩個公式來研究黑體輻射,但這兩個公式不相容,最后他把兩個公式合二為一后能夠解釋黑體輻射,但是這個新公式提出了一個巨大的挑戰(zhàn),帶來的新結(jié)果是能量不是連續(xù)的,而是一份份傳輸?shù)?,而能量的最小單元稱為量子。比如風能,電能,熱能,等,組成他們的最小單元就稱為量子。

而在牛頓經(jīng)典力學中,認為能量是不可分割的,是連續(xù)的。

普朗克提出了量子力學公式,但他終身不敢相信的是,量子竟然是一個實體!

因為普朗克一直認為量子就是數(shù)學的一個計算工具,這也難怪,畢竟普朗克處于經(jīng)典力學范式中,作為量子力學的發(fā)明家,他沒有打算挑戰(zhàn)經(jīng)典力學這個范式,更不敢大膽宣稱這個新現(xiàn)象是顛覆牛頓經(jīng)典力學的。

量子躍遷:非連續(xù)性

量子躍遷,屬于突然的,非連續(xù)的變化。

科學家發(fā)現(xiàn),電子從一個軌道可以突然躍遷到另一個軌道上,連過度的痕跡都沒有,簡直就是現(xiàn)實版穿越!

我們都是由原子組成的,根據(jù)還原論,當我們相信原子的時候,我們以為我們能掌握這個宇宙的終極規(guī)律,而這個世界發(fā)展的本質(zhì)卻是非連續(xù)性的,我們以為物種是一點一點進化的,但如果你看過考古學家的研究,你會發(fā)現(xiàn)在一個足夠大的尺度中,物種的進化是非連續(xù)性的,物種一旦形成,長期保持穩(wěn)定,隨后突然在一個短時間里發(fā)生重要變化,一批新物種會出來,然后再保持長期穩(wěn)定,再過一段時間,突然又出現(xiàn)一堆物種。


從亞里士多德的元素論到牛頓的機械論再到愛因斯坦的相對論,我們以為科學發(fā)展是繼承,是改良,事實上,每一次的科學發(fā)展是革命性的顛覆和突破。

量子測量:不確定性

量子力學曾被稱為幼兒園科學家做出來的,當時,研究量子力學的科學家在玻爾的帶領(lǐng)下年齡最大的不超過27歲。

海森堡是其中之一,在他24歲的時候,終于把量子力學表達了出來,他稱之為矩陣力學,在他26歲的時候提出了不確定性原理,這個原理告訴我們主體不能測量客體,測量本身是不確定的。

與海森堡不確定性原理同等重要的是哥德爾的不完備性原理,他認為人類理性思維具有不可克服的邏輯悖論,也就是說任何一個系統(tǒng),如果他的內(nèi)部是完備的,是邏輯自洽的,那么系統(tǒng)外一定有個與其不自洽的東西會破壞掉原有的系統(tǒng)。

根據(jù)牛頓定律,只要我能測量今天所有粒子的速度和位置,原則上,未來一切時候我都能預測出來,實際上這個世界是復雜的,是不可預測的,決定論根本不成立!

我們一直以為科學是萬能的,雖然今天有些問題還沒有辦法解決,但隨著科學的發(fā)展,總有一天能解決所有的問題,但量子力學告訴我們,科學本身是不完備的,科學并不能解決自己給這個世界帶來的問題!

還記得培根那句話,知識就是力量。這似乎在告訴人們,只要我掌握的知識越多,我越能了解自然,征服自然,為我所用。

量子疊加:多元論

原子論告訴我們,他的終極是一個原子,而原子拆到最小單位是一個質(zhì)點,而量子力學告訴我們,量子拆到最小單位的時候可能是點,也可能不是點,可能是波,也可能不是波......

這就是著名的波粒二象性,他的經(jīng)典實驗就是雙縫干涉實驗,是量子力學的核心,也是嚴重的挑戰(zhàn)了原子論的假設(shè)。

在牛頓經(jīng)典力學中,人是獨立于自然之外的觀察者,主體和客體二分,主體對客體的測量不影響客體,但雙縫實驗告訴我們的是,如果科學家想研究粒子,基本粒子就會呈現(xiàn)出粒子的狀態(tài),如果想研究波,就會呈現(xiàn)出波的屬性,主體對客體的觀察,會導致他用不同的形態(tài)呈現(xiàn)給你,在微觀世界,客體存在狀態(tài)取決于主體的觀察。

在海森堡提出矩陣力學的第二年,愛因斯坦的摯友馬克斯·伯恩提出了概率波,告訴我們這個世界的本質(zhì)是概率的,我們不是生活在一個確定的世界中,而是生活在或然的世界中。

當時愛因斯坦代表著哲科思維所能達到的極致的頂點,但是愛因斯坦對量子力學提出了質(zhì)疑:上帝不擲骰子( tóu zǐ)!

后來薛定諤做了一個假想實驗,這個實驗的偉大之處在于他將現(xiàn)實世界與微觀世界聯(lián)系起來,在量子世界里,既衰變又不衰變,伴隨著貓的狀態(tài)就是既死又活的疊加狀態(tài),而一旦你去觀測他,就注定了不是衰變就是不衰變的狀態(tài)。

這太可怕了!聽起來很像老子的道可道,非常道!

量子糾纏:超時空性

愛因斯坦提出一個著名的EPR 佯謬( yáng miù),一個粒子分裂成兩個粒子時,具有自旋狀態(tài),當一個粒子在做向上旋轉(zhuǎn)時,根據(jù)角動量平衡定律,另一個粒子會做相反方向的運動。如果這兩個粒子分別在銀河系兩端,相隔10萬光年以上,當你觀察其中一個粒子時,另一個粒子不可能在一瞬間做出反應。因為沒有超光速信號,這違背了定域?qū)嵲谡?,量子理論本身不完備?/span>

1964年,貝爾根據(jù)愛因斯坦的EPR實驗,推導出一個數(shù)學公式,它就是著名的貝爾不等式:

簡單來說,這兩個具有相反自旋方向的粒子如果同我們的世界一樣,那就要同時滿足定域性和實在性,他的運動運動必定受限于不等式,否則微觀世界和我們的世界不一樣,不等式不成立!

萬萬沒想到啊,量子糾纏竟突破了定域?qū)嵲谡?/strong>,實屬鬼魅般的超距作用!兩個粒子之間存在于一個超越時空的場里,而在這個場里,時間和空間的概念被嚴重質(zhì)疑了。

牛頓認為時間是絕對的,整個宇宙有一個絕對的時間,時間像河流,是均勻的,有方向的,沒有起點和終點。

愛因斯坦的相對論認為,時間和空間都是相對的,沒有一個絕對不變的時間尺度,但時空作為一個整體是絕對的,物質(zhì)的存在會使時空彎曲,如果沒有物質(zhì),時空依然存在,只不過是平坦的。

但在晚年,愛因斯坦的觀點發(fā)生了變化,他認為不存在一無所有的時空,沒有物質(zhì)就沒有時空,時空與物質(zhì)同生同滅。

霍金的奇點時空說認為時間一定有奇點和結(jié)束,奇點就是時間開始或結(jié)束的地方,時空與物質(zhì)同時從宇宙大爆炸中產(chǎn)生。

當下,量子力學或許能夠解釋我們回憶和想象在內(nèi)的很多現(xiàn)象,從某種程度上說,人一生中獲得的思想啟發(fā)確實很像是量子態(tài)的隔空糾纏。

我們自以為高冷的新物理學中其實棲息著一種富有詩意的探索方法,它為我們展現(xiàn)了另一種大開腦洞的方法,推動著我們跳出樊籠去看待自我,社會和物質(zhì)世界,進而改變我們與物質(zhì)世界的關(guān)系。

END

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