解读《上帝掷骰子吗》6、唯一能确定的,就是这个世界充满不确定
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解读《上帝掷骰子吗》6、唯一能确定的,就是这个世界充满不确定

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在之前的节目中我们说到20世纪初,原子物理蓬勃发展,科学家们想要搞清楚原子内部到底是个什么情况。直到玻尔将量子论引入其中,提出了玻尔模型,问题才得到了部分的解答。

虽然玻尔模型能很好的解释氢原子,但是当原子核外的电子一多,情况一复杂,也就无能为力了。

于是量子力学应运而生,海森堡和薛定谔几乎是在同时间里,分别从两条迥异的道路向上跋涉,最终都登上量子论的山顶。

薛定谔通过矩阵的形式创立了矩阵力学,薛定谔通过波动方程的形式创立了波动力学。这里两种形式虽然在数学上完全等价的,但是理论解释却完全不同。

海森堡的矩阵力学建立在粒子的基础上,他强调的是粒子非连续性的一面。薛定谔的波动力学建立在波的基础上,他是从德布罗意的物质波理论出发,强调的是电子作为波连续性的一面。

概率诠释

薛定谔的波动方程一出来,人气就远超海森堡的矩阵力学。因为物理学家也不喜欢变态复杂的数学,既然两套体系在数学上是等价的,大家当然乐意选择熟悉又简单的那一个。

物理学发展到这个时候,与我们想象中的物理学已经完全不同了。我们通常觉得,是先有的物理量,然后在去寻找他们之间的的数学关系。比方说我们知道了力F,加速度A和质量M之后,才会有F=ma。可现代物理的路子完全是反过来的,物理学家们先用数学方法得到了一个函数或者方程,然后在去寻找它们背后的物理意义。

这就像是我们在完全不知道什么是力的情况下,先得到了F=ma,然后才发现原来F代表了力的大小一样。

我们在前面讲量子幽灵诞生的时候就说,普朗克是先用数学方法拼凑出了普朗克黑体公式,使其可以描述所有辐射波长与温度之间的关系。先有了公式,再去找寻公式背后的物理意义,结果引出了能量量子化的假设。

现在,薛定谔面对自己的波动方程,也和普朗克当年遇到了一样的情况。波动方程在计算的时候非常好用,但是怎么解释这个方程呢?方程中有一个波动函数,是用希腊字母表示的,长得像是海神波塞冬手里的三叉戟一样,读作“普赛”。他究竟是啥东西?

薛定谔波动方程就像是上帝赐予人类的一个宝箱,但是宝箱中的宝藏到底是什么?不知道。物理学家们纷纷围着这个宝箱坐下来,玩起了隔板猜物的游戏。

薛定谔的解释是,它代表了电子在空间中的分布,他认为我们要把关于粒子的所有想象都从头脑中清除掉,电子不是粒子,而是一个波,如果我们能把电子或者光子放大来看的话,它就不是一个点,而是在空间中融化开的,就像是涂在面包上的黄油一样。平时我们误以为它是一个小球,只是因为它蜷缩太紧了而已。“普赛”就代表了电子的这种实际分布。

对于这样的解释哥本哈根学派的一位大佬,海森堡的老师马克斯·玻恩是不同意的。他对薛定谔说:“您的发现无疑是稀世珍宝,我表示由衷的赞叹。但是这个华丽的箱子里所藏的东西不是您想的那样,而是骰子!”

骰子这个东西不是应该出现在夜店酒桌和澳门赌场中吗?它代表着投机与不确定性,怎么会出现在精密、严谨、拒绝不确定性的物理学中呢?但这个违和的骰子还是来了。

玻恩认为薛定谔波函数代表的是一种随机概率,代表了电子在某个地方出现的概率。我们回忆一下在玻尔模型中,我们认为电子是按照特定轨道围绕原子核运动的,但其实完全不是这么回事儿。

想要描述电子的运动,我们只能使用统计概率的方式。怎么理解?比方说我们现在去观测电子在原子中的位置,测量100次会得到100个位置完全不同的点,电子在原子核周围任何地方都有可能出现。那如果我们在多测几次呢?如果我们测一万次,原本没有规律的点就会呈现出一定的规律性。把这一万次的图像拼在一起,就会看到电子在原子核周围形成了电子云。电子具体会出现在哪里我们完全无法确定,但是我们可以预言它出现在某个地方的概率。

比方说面对一个球形的电子云,我们就可以说在离原子核近的地方,找到电子的概率要更大。这就像是掷骰子,1到6点是随机的,我不知道下一次掷出来的会是几点,但是当大量掷骰子之后,我们能确定每个点出现的次数是差不多的。

我们能够预言的,也只有这样的概率。

否定决定论

世界在此之前,于我们的眼中可不是这样的,我们认为对于任何一个系统,只要给我们足够的信息,赋予足够的运算能力,就能够得到它的历史与未来,一切都不是秘密。

那怕是骰子,骰子的大小,质量,扔出去的角度,高度、初速度、空气阻力、摩擦系数,你把这一切的信息告诉我,我可以毫不迟疑的告诉你这个骰子掷出的是几点。

因此在人们看来,这个世界所有的未知,只是因为我们的信息和运算能力还不足够罢了。

19世纪初的时候,法国大科学家拉普拉斯用牛顿方程计算出行星轨道之后,把它拿给拿破仑看。拿破仑问说:“在你的理论中,上帝在哪儿呢?”拉普拉斯平静而霸气的回答:“我的理论中,不需要上帝这个假设。”

上帝都被物理学赶出了舞台,这算是科学史上最光辉荣耀的时刻之一了,他把无边的自豪和骄傲播撒到每一位科学家的心中。

只要掌握了足够的信息,并且能够处理这些信息,那么科学家就如同上帝般无所不知。这就是所谓决定论。

可玻恩现在告诉我们说,不是这样的。就算我们把电子的初始状态测量的精确无比,就算我们拥有最强大的计算机,我们仍然无法预言电子的准确位置。这种不确定性与信息的多少,算力的高低没有关系,这就是深藏在物质内部的一种属性,世界的本质是不确定,这就是玻恩的概率诠释。

物理学竟然变成了一台摇奖机器,变成了一个靠掷骰子来决定命运的赌徒?

是的,量子论否定了决定论,同时也就否定了此前整个科学的基础。

不确定性原理

玻恩这边的话音未落,海森堡那边又有一个更加令人惊奇的发现。此时的海森堡挺郁闷的,过去几个月,越来越多的人转投到薛定谔的波动方程那边,纷纷把他的矩阵抛到了脑后。甚至就连他最最看重的哥本哈根的精神领袖玻尔,也站到了波动方程一边。

他不断的思考着自己矩阵背后的物理意义,一天晚上他又想起了矩阵不符合乘法交换律的特性,ab不等于ba。

在实际的计算中他就碰到了这个问题,电子的动量P和位置Q两个数值,PQ不等于QP。既然数学中已经蕴含了世界的真相,那这个不等式背后的物理意义到底是什么呢?海森堡一直没有搞懂。

突然有一天,他灵光乍现做出了一个大胆的猜测,这是不是代表着如果我们先测量了电子的位置,就会影响电子的动量,反过来,如果先测量了动量,那么也就会影响它的位置。
海森堡手心捏了一把汗,他知道这里面藏着一个重大的秘密。

由经过数学计算海森堡发现了,如果对动量的测量越精确,那么对位置的测量就越不精确,反之亦然。电子的动量和位置就想跷跷板的两头一样,这头按下去,那头就会翘起来。我们永远也没法同时确定一个电子的动量和位置。

海森堡将其发表,被十分可爱的翻译成了测不准原理,这也就是我们后来普遍听说的不确定性原理。

为什么会这样呢?我们生活中去测量一张桌子的长和宽,无论是先测长还是先测宽,都是一回事儿。在宏观世界这没有问题,但是在微小的原子世界就不行。

在经典物理世界,我们是作为一个外部的观察者,去观测世界,观测者与客观世界是没有关联的。换言之就是我的观测行为对客观世界并不造成影响。而在微观尺度上,测量是会对观测物造成扰动的。

有一个试验,叫做海森堡显微镜,能帮我们很好的理解这一点。

大概意思就是有一个显微镜,用来观察一个电子。我们要看见电子当然要借助光才行,所以需要有一束光去撞击电子,撞到之后光散射,于是我们观察到电子。宏观世界光当然不会影响到被观察物造,但是电子太小了,我们就能看到电子的同时它也被光撞飞了。

如果我们用波长比较小的光照射电子,波长越短就能越确定电子的位置。可波长小的话那么能量就强,会把电子踢飞,我们就不知道电子原来的动量是多少。所以动量就非常的不确定。

反过来说如果我们用波长长的光去照射电子,波长长能量低不会把电子踢飞,所以动量确定。但是因为波长长,我们没有办法探测到小于波长的电子。就像我们用一只粗笔是画不出细线来的一样。这样一来电子的位置就非常的不确定。

那这么说的话,是不是因为我们的测量仪器的精确度还不够呢?不是的,同时测定一个电子的动量和位置在原则上就是不可能的,这是世界的内禀属性,无论科技多发达,这个问题我们也永远无法克服。就像是我们造不出永动机一样,我们也永远造不出可以同时测量P和Q的显微镜。

关于观测手段与物质本质的问题,下期节目我们说玻尔互补原理的时候再细说。玻恩用概率诠释告诉我们,即便给我们掌握了全部的信息,我们也不能预测结果。紧接着,海森堡用不确定性原理告诉我们,想要得到全部的信息都是不可能的。

决定论被完全的打翻在地,我们唯一能确定的,就是我们什么都确定不了。

量子遂穿与真空涨落

在量子世界里,会发生一些宏观世界绝无可能发生的事情,比方说量子遂穿。海森堡不确定性原理,不仅发生在动量与位置之间,能量和时间之间,也存在着不确定的关系。

在宏观世界,如果你面对一面2米高的墙,如果你的跳跃能力只有1米5,那你是无论如何都不可能翻过这堵墙的。但是当一个微观粒子,面对一堵高于自己能量的墙的时候,时间确定,能量不确定,因此它有一定的概率是可以翻过这堵墙。就像是在墙上打了条隧道穿过去了一样。

之前我们在解读《浪潮之巅》的时候,介绍过摩尔定律。就是说计算机的运算能力每18个月会翻一番。运算能力取决于芯片上计算单元的多少。计算单元越做越小,7纳米,5纳米工艺都有了,已经逼近了物理极限,要再往小了去发展就变得非常困难了。因为量子世界中的隧道效应就开始显现,计算单元传输的0和1的信息就会出错。所以摩尔定律必然在量子力学面前失效。

还有另外一件更玄的事情,真空涨落,真空中的能量可以无中生有。海森堡告诉我们,在极短的时间内是什么都可能发生的,因为时间确定,那能量就非常的不确定。能量物质就可以自由的出现和消失。但是代价就是它只能在那一段极短的时间内,时间一到,就像是灰姑娘的魔法会消失一样,时间很短,所以质能守恒定律在大尺度上并没有被破坏。

1980年,美国物理学家古斯提出了宇宙爆胀理论,说我们的宇宙其实就是一个免费的午餐。本来世界上什么都没有,就是真空状态,但就因为真空涨落在很短的时间内爆发出了很大的能量。

2016年,引力波的存在被证实,一时成为超级大新闻,引力波的一个重大意义就是它直接支持了宇宙爆胀理论,从而使我们对宇宙大爆炸之初的情况有更加深刻的了解。

玻恩的概率诠释,海森堡的不确定性以及玻尔的互补原理,三者共同构成了歌本哈根解释的核心。前二者今天我们都说了,玻尔的互补原理是什么意思呢?他将终结持续了300多年的波粒战争,那个非常非常诡异的电子双缝实验也会登台。下期节目,我们接着聊。

好了,今天的节目就是这样了,如果我有帮助到您,也希望您愿意帮助我,一个人能走多远,关键在于与谁同行,我用跨越山海的一路相伴,希望得到您用金钱的称赞。

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