新浪新闻

爱因斯坦,“死不瞑目”

央视

关注

原标题:爱因斯坦,“死不瞑目”

宇宙的尽头是什么?

 奇异博士?

 蚁人?

 还是

 钢铁侠?

 其实

 都有可能

 但也都无从断定

 但是

 他们共同将我们引向

一个词 “量子”

前不久,我国量子计算机“九章”问世,200秒就能解决过去6亿年的计算,远超谷歌,成世界第一,厉害之处是构建了76个光量子的“量子纠缠”。

民间故事里有个“崂山道士”,他可以穿墙而过,你以为这是骗术?量子力学中,“穿墙术”竟然是真的,叫“量子隧穿”。

《复仇者联盟》中,奇异博士“看”到与灭霸决战的14000605种结局,其中,只有唯一一次胜利的可能。这1400万种结局,相当于穿越到1400万个“平行宇宙”。而且,这唯一的胜利,是英雄们借助蚁人的量子设备“穿越时空”,改变过去,扭转战局。

左图:奇异博士;右图:复联英雄时空穿梭。

来源:《复仇者联盟》

这些匪夷所思的概念背后,正是量子力学。

俗话说,“遇事不决,量子力学”,今天,从半导体到核聚变,从光合作用到DNA修复,量子力学是当代前沿科技和世界运行的底层逻辑。

连金融巨鳄索罗斯也把自己的家业叫做“量子基金”。与此同时,从“量子波动速读”到“量子算命”,从“量子推拿”到“量子治痛经”,大量的“量子+”骗局也大行其道。

量子世界,真的这么神奇吗?

是的,会彻底颠覆你的传统认知。而且,很有必要来一场“时空穿梭”,知晓真量子,鉴别假量子。

接下来这篇文章是有点烧脑的,我们不得不进行善意的提醒。

如果不信,请看量子论创立者——普朗克在研究量子前后的对比照,把一个活脱脱的美少男变成了凌乱的毁容大叔。

左:研究前的普朗克,右:研究后的普朗克

幽灵来了

时光倒流两个甲子,即120年前的1900年。

当时,世间万物从银河系的星空,到人类脚下的尘埃,都被牛顿的“万有引力”所驯服,安安静静、有条不紊地运行着。太阳系海王星的发现,更加固了牛顿力学的坚不可摧。人类已经自信地认为掌控了力、热、光、电、磁等所有自然的规律。

经典物理帝国,进入全盛时代。

1900年4月27日,伦敦天气,乍暖还寒。阿尔伯马尔街皇家研究所里,世界最有名的科学家们齐聚一堂。76岁的学术泰斗开尔文男爵发言了:

“世界运行的一切原理都已经被发现了,物理学尽善尽美,再也不可能有任何突破性的进展了!

But,物理学灿烂无比的天空中还漂浮着两朵乌云——‘以太问题’和‘黑体辐射’,未能得到解释。”

气氛开始凝重起来,接下来如黑云压城、城欲摧。

这时,普朗克登场了。

且说大学选专业的时候,颇有音乐天赋的普朗克,跟导师祖利说:“老师,我想学物理。”

老师说:“别,孩子,学物理不好找工作啊,它盛宴已过,没有空间了,何必浪费时间在上面呢?”

普朗克说:“我就是感兴趣。”

老师摇摇头:“哎,去吧,可惜德意志失去了一位优秀的音乐家。”

1900年时,钻研“黑体辐射”多年的普朗克已经42岁,过了不惑之年,还没找到答案。命运开始对他发笑,老师的话一语成箴,普朗克的物理前途似乎真的没多少空间了。

一天,百思不得其解的普朗克,干脆破罐子破摔,心想“我是否先不考虑背后的物理原理,而是在数学上先凑出一个‘黑体辐射’的公式?”

于是,普朗克三下五除二,竟然真的蒙出来了!即著名的黑体方程和神奇的“普朗克常数(h)”。要说这“普朗克常数”有多厉害呢?在整个宇宙数字中可以排名前3,另两个是牛顿的万有引力常数G和相对论中的光速c。

普朗克最重要的思想贡献是指出“能量在发射和吸收时,不是连续的,而是一份一份的”。这又有啥了不起的?你只需知道,该观念颠覆了伽利略、牛顿以来,关于一切自然现象是连续不断的论断。从此,不连续、不确定的世界观诞生了。而这一份一份的东西,普朗克称之为:

量子。

12月,普朗克发表他的理论成果,如同打开潘多拉魔盒,释放了“量子”这个沉睡亿万年的幽灵,“量子力学”正式诞生。开尔文口中的一朵乌云,就这么引发了一场极微观的革命。

但是,此时的普朗克,并不能解释“一份一份的”能量,意味着什么。

道破天机者,此时还是个求职无门的小爱同学,5年后,他左手写出“光电效应”,解释了普朗克的困惑,成为量子论的另一开创者;他右手写出“狭义相对论”,赶跑了开尔文的另一朵乌云,掀起了极宏观的革命。(参见《牛顿啊,请原谅我》)

令人意想不到的是,量子思想是如此之离经叛道,普朗克和爱因斯坦,不久后将变成量子论的坚决反对者,革命者本人成了反革命者!

更令人意想不到的是,不认可量子规律,将成为爱因斯坦一生最大的“败局”。

双手握无限,

刹那是永恒。

20世纪科学上最伟大论战

大家应该读过这么一首英国小诗:“一沙一世界,一花一天堂;双手握无限,刹那是永恒。”

人们惊叹此诗的想象力。

但如果你回到1913年,28岁的丹麦青年玻尔大概率会告诉你:一沙一世界,这是真的。

打个不严谨的比方,如果把原子这枚粒子,放大10的30次方倍,就相当于一个银河系;一个原子,包含了整个宇宙,是一个宇宙的“全息胚”。

这一年,玻尔提出原子构造模型,宣告了量子力学进入“青年时代”,他开创了著名的“哥本哈根学派”,成为全欧洲的学术中心。玻尔凭此成就,成为了量子届早期“三巨头”:普朗克、爱因斯坦、玻尔。

玻尔模型简图,在教科书和国际机构中还广泛使用。

接下来,玻尔与爱因斯坦的大论战,是几个世纪来科学史上最了不起的论战。

1927年10月底,索尔维会议召开。

“索尔维”的名字你可能没听过,但是爱因斯坦、居里夫人、普朗克、玻尔、薛定谔、海森堡这些人你一定听过,他们都来了。下面这张合影,被称为人类历史上智商最高的一张合影,29人中共有17人获得诺贝尔奖。

1927年索尔维会议合影

他们分为三派:

一,哥本哈根一派,由玻尔领衔,支持者波恩、海森堡、泡利等;

二,爱因斯坦一派,支持者有德布罗意、薛定谔等;

三,实验派,暂且略过。

一群“小将们”就前沿物理问题唇枪舌战、你来我往几个回合之后,没有结论,互不买账。于是,讨论很快指向了幕后的真正大佬,爱因斯坦和玻尔的对决。自此往后,这场决斗延续了近30年,若干回合,直至两人先后去世。

来看其中最重要的三次交锋。

【1】第一次交锋:爱因斯坦攻击“海森堡不确定性原理”。

“不确定性”是量子世界的本质。假设你站在原子核上,把电子当做月亮,此时,你眼中的月亮将同时出现在所有位置,而且,月亮以各种速度在同时运动。在微观世界,“月亮”成了一团云雾,被称为“量子叠加态”。

所谓叠加态,就好比你在听交响乐,在一组声波中,同时听到几种不同的乐器声。

图:电子叠加,来源:wikimedia commons

但这种观念,是对“确定性”和“因果律”的颠覆,冲击着爱因斯坦的信条。

一头乱发,掩不住爱因斯坦的自信。现在,他放大招了,用最擅长的招数——“思想实验”。他用弹簧和遮光板设计了一个“单缝实验”,轻松否定了不确定性原理(证明过程略去)。

玻尔急忙召集哥本哈根学派的战友,一起吃饭,一起琢磨,准备“三英战吕布”。突然桌子一拍,“有了,爱因斯坦犯了前提错误。”

就是,你怎么能用宏观世界中的弹簧,去攻击微观量子世界的电子呢?爱因斯坦混淆了两个世界不同的运行规律啊。

爱因斯坦先输一回。

【2】第二次交锋:继续攻击“不确定性原理”。

爱因斯坦吸取了上次犯低级错误的教训,重新设计了一个“光盒实验”,论证了同时可以测定光子的速度和质量,不确定性还是错了。

这一招,沉稳老辣。

在回宾馆的路上,爱因斯坦笑容满面,大步流星,而玻尔大惊失色,亦步亦趋,劝说道“你可不能设计这个实验啊,否则,量子力学可就完蛋了。”(见下图)

爱因斯坦说,走着瞧吧。

玻尔急忙召集本派的队友,再次一起吃饭,一起琢磨。憋了一晚,大腿一拍,“有了!你测重需要弹簧伸缩吧,根据你的广义相对论,弹簧一上一下,意味着高度不确定,也就是质量不确定,进而时间不确定。不确定性原理,还是对的!”

玻尔这招叫做“以彼之道,还施彼身。”

爱因斯坦再输一回。

【3】第三次交锋:鬼魅般的超距作用

1935年,爱因斯坦等人提出了一个“EPR佯谬”说法。

打个比方,假定爱因斯坦和玻尔两人形成了“量子纠缠”状态,情绪是相反的,玻尔开心,爱因斯坦肯定难受;玻尔难受,爱因斯坦肯定很爽。但是他们相距千里,一个在美国,一个在丹麦,如果你问了其中一人,就能瞬间断定另一人的心情好坏,有点像人们常说的“心灵感应”。

爱因斯坦说,“这不可能,因为违反了我的相对论,任何物体(信息)都不能超光速,除非世间有‘鬼魅般的超距作用’。”

这次,玻尔大腿拍肿了都招架不住,唯一能做的就是承认量子世界是一种超越空间的存在。直到他去世前,还画着与爱因斯坦的论战实验图。

爱因斯坦暂且“赢”了。

因为几十年后,多国科学家(包括中国)用精巧的实验,反复证明了“鬼魅般的超距作用”的确存在!真是见鬼了。

随机性和超距作用,是量子力学让人不得不接受的两个硬事实。

爱因斯坦有着严格的经典世界观,坚持探究世界的本源,认为“上帝不掷骰子”;而玻尔反击,“老爱,你不要告诉上帝该怎么做。”后者是一种“不要问我从哪里来”的世界观。

如果请尼采来给两人当裁判,尼采也会宣布:“上帝死了。”

爱因斯坦,死不瞑目!

冥冥之中,宇宙似乎是一个整体,任何一个行动都会立即影响到其他所有的事物,背后这个超越时间、空间感知的东西,叫做:“波函数”。

有意思的是,写出量子运行波函数的是一位“撸猫”大师,现在,科学上最著名的“萌宠”要隆重登场了。

薛定谔的猫

薛定谔是谁?

这可不是中国人,跟什么薛之谦、薛兆丰、薛宝钗都没关系。他是奥地利人,参加过一战,研究物理,还开创了现代生物化学。他的感情生活和猫一样神秘,沾花惹草,绯闻不断。

不可思议的是,他在1925—1926年的一段长达5个月的婚外情中,创立了“薛定谔波动方程”。这个方程有多牛呢?在量子力学中,地位相当于牛顿定律在经典力学中的地位,人称“情欲的大爆发”。

图:薛定谔创立波动方程之处——赫维格别墅,来源:《上帝掷骰子吗?》

有一天,薛定谔在家“撸猫”,竟然撸出了科学史中最好玩的思想实验:

假设把一只猫和一个量子装置关在盒子里。装置里有一个放射性原子和一个毒药瓶。如果原子衰变,就会把毒药瓶打破,把猫毒死;如果它不衰变,毒药瓶就不会破,猫就继续喵喵叫。

图:薛定谔和猫,来源:《宇宙探索未解之迷》科普片

打开盒子之前,由于原子处于衰变和没有衰变的叠加态,猫也处于死猫和活猫的叠加态。要注意的是,“既死、又活”只是一种状态,不是两种状态。

这怎么可能?没错,薛定谔也觉得不可能,他原本是用猫来反对前面玻尔一派的,即把微观世界的量子效应给放大到了宏观世界,矛盾自现,因为宏观中的猫怎么可能“既死、又活”呢?

爱因斯坦看到这个实验后,非常高兴,写信给薛定谔说:“猫……以最优雅的方式驳斥了哥本哈根解释。”这一次,让玻尔够扎心的。

“悲剧”的是,几十年后的科学实验证明量子世界中,像“薛定谔的猫”这样的东西是存在的!于是,哥根本哈根学派还是主流。

爱因斯坦,又一次“死不瞑目”。

猫到底是死是活呢?打开盒子“测量”才知道。当你打开盒子的一刹那,“既死、又活”的状态就消失了,变成了或者死、或者活,一切回归正常,这个过程叫“波函数坍缩”。

这个观念是不是有点熟?没错,中国先哲王阳明早就说过:“你未看此花时,此花与汝心同归于寂。你来看此花时,则此花颜色一时明白起来”,看来,我们老王也摸到了量子力学啊。

如今,薛定谔的猫在大众中的人气一路飙升,成为“万能挭”、撩妹“神器”和量子力学代名词。它还与芝诺的龟、巴甫洛夫的狗、莎士比亚的猴、洛伦兹的蝴蝶、拉普拉斯的兽、麦克斯韦的妖,并称“科学界7大神兽”。

图:《生活大爆炸》中,Sheldon讲“薛定谔的猫”,让Penny发懵。

现代科学乃至科幻中很多好玩的概念都可以从“薛定谔的猫”出发。

比如:平行宇宙。

“平行宇宙”理论解释:打开盒子的那一刹那,宇宙分裂了,成了两个不同的宇宙。其中一个宇宙中的你,看见了活猫;另一个宇宙中的另一个你,好奇害死猫。两种可能五五开。无数个你,活在无数平行世界里,经历着不一样的人生。

在奇异博士脑中,也是14000605种平行世界。

图:平行世界命运简图,来源:Pinterest

不可思议的是,平行宇宙可不是猜想,它有严格的数学证明来成立!

再比如:量子计算机

我们知道,传统计算机的基础逻辑是二进制,要么是0,要么是1。但是,量子世界里,把光子做成“薛定谔猫态”,转变为“既是0,又是1”等多种叠加态,这有什么好处呢?

举个例子,现在,陆逊要破解诸葛卧龙的“八阵图”,如果他对“休、生、伤、杜、景、死、惊、开”八门一个个地试,要迷住很久才能解出来。但假如他像孙悟空一样分身叠加,每一个岔路都派一个分身同时去,只需要一次,就能找到出口,卧龙先生根本抵挡不住。

这叫做量子叠加态的“并行”计算,大大提升战斗效率。所以我国的“九章”能将6亿年的计算缩短到200秒。

量子,正在重构世界运行的底层逻辑。

文明若毁,人类该留什么话?

猫活着,还是死去?这是个问题。

死后在这里,还是那里?这也是个问题。

跟薛定谔一个级别的量子学家海森堡,他写下了这样的墓志铭:“我长眠于此,但我已在别处。”这就是量子论,世界充满了不确定性。

到了20世纪下半叶,现代量子力学的领军人物费曼提出一个更大胆的问题:

如果文明将毁灭,人类该留下一句什么话?

这句话要尽可能简洁,也要包含尽可能多的信息,后来者才能重造文明。费曼说,这句话应该是“万物由原子组成”。怎么理解呢?

1986年,大卫·科波菲尔来到北京表演穿长城。借助幕布遮挡,他从长城的一边钻到另一边,上演了真实版的“崂山道士”,但这只是投影原理和视觉盲区的魔术,不是量子力学。

图:大卫·科波菲尔表演“穿”长城

现实中,你在电梯里接听手机,电话很容易掉线,或者只有微弱的信号。这是由于电梯四周屏蔽了电磁波的信号,但这种屏蔽并不彻底,还是“放”了一丢丢信号进来,这是电磁波的“穿墙术”。

进入量子世界。现在,两个带正电的原子核,之间因排斥力形成了一道无形的“墙”,原本,在强烈的碰撞下,才能打破“墙”,发生核聚变;实际上,因为“量子隧穿”效应,在动能不足、温度不高、概率极小的情况下,原子核施展“穿墙术”,核聚变也能发生。

于是,才有了太阳发光发热,哺育了世间万物。从水的形成,到光合作用,再到生命诞生,越来越多的自然现象,刨根问底下去,就一定会刨到量子力学。

那人到底能否穿墙?

根据薛定谔方程求解,理论上是可以“隧穿”的,但概率极低、极低、极低,他需要一刻不停的去撞墙,撞啊、撞啊、撞啊,从宇宙大爆炸之初撞到2020年,也很难撞出奇迹。

一个终极问题,宇宙的起源是什么?同样离不开量子力学。

坐在轮椅上的“爱因斯坦”——霍金说,宇宙开始之前,处于一个“量子叠加态”,它可以演变成无数种历史。突然,宇宙的“波函数坍缩”了,时间开始,暴涨发生。我们所在的宇宙,只是宇宙无数可能的中的一个而已。

主流的宇宙“暴胀理论”认为,广阔的真空中,量子涨落的一次偶然隧穿,让宇宙诞生之初经历一次超级猛烈的膨胀。

图:COBE卫星观测到的“宇宙微波背景辐射”分布图,称之为“上帝脸上的皱纹”。这项发现获得了2006年诺贝尔物理学奖,证明了宇宙大爆炸理论成立。

量子力学,可以“无”中生有。

可是,为什么我们日常看不到量子现象?科学实验已经发现,“薛定谔的猫”真的有叠加态,人也会有叠加态,只是发生了极快的“退相干”,你呈现的是粒子特征,波动特征消失了。所以“九章”量子计算机这样的宏观应用,关键一步就是防止“退相干”发生,要在严格的环境下“保鲜”才行。

也许,量子世界的诸多怪异行为才是真实的日常,我们的确生活在一个不确定性的世界中。

爱因斯坦说,“理论决定了你能观察到什么”。可怕的是,量子力学有十几种解释,世界只有一个真相,还是有无数个真相?本文的每一句话,可能都不是真相。

幸运的是,经过这次“量子”之旅,下次见到市面上什么“量子波动速读”之类的伎俩,你就不会觉得多么玄幻、多么高端了,这简直是侮辱智商啊,薛定谔的猫也会死不瞑目的!

【参考文献】

 1. 《时间简史》,霍金

 2. 《上帝掷骰子吗?》,曹天元

 3. 《复仇者联盟》系列电影

加载中...