无论我们自以为有多聪明,总有一个概念准备嘲笑我们的逻辑。我们坐下来,对知识沾沾自喜,当赫敏同时上两门课时,我们咯咯地笑起来。然而令人不安的事实是,相信这些故事的孩子不知不觉地比我们更接近宇宙的现实。
从小学开始,我们就习惯于按照整齐的顺序排列我们的思想。一切事物都有因果关系,时间线性移动,世界按照可理解、可预测的规则运转。
如果我告诉你这都是废话怎么办?
别担心,这不是什么重大的哲学启示,只是量子物理学向我们整个信仰体系扔了一块砖头。遵循量子世界的定律:
哈姆雷特无法思考“存在”还是“不存在”,因为他同时死了和活了
物理学家将这个概念称为“量子叠加”。您可能已经知道一个著名的例子是薛定谔的猫(但让我们保留哈姆雷特的类比,因为它更有趣)。让我们把哈姆雷特放进一个盒子里。你会认为他在那个盒子里要么死了,要么还活着。奇怪的是,哈姆雷特既死又活,直到你打开盒子,也就是他获得确定状态的时候。这并不是因为我们的不确定性。换句话说,我们不会仅仅因为不知道答案就假设他既死又活。在量子世界中实际上没有答案。在我们观察到他之前,他确实是同时死了又活了。
芭蕾舞演员们正在集体崩溃,因为在剑桥顺时针旋转意味着在纽约只能逆时针旋转
芭蕾舞演员是“量子纠缠”的受害者。两位量子芭蕾舞演员萨拉和玛雅多年来一直是最好的朋友。他们都在剑桥学习,但现在生活在世界的两端。奇怪的是,如果萨拉在剑桥顺时针旋转,玛雅立即在纽约逆时针旋转!这不是心灵感应连接,而是物理学家所说的量子纠缠。
“爱因斯坦将这种现象称为“幽灵般的远距离作用”。
但还有一个更令人晕眩的想法:莎拉和玛雅似乎同时在双向旋转(就像哈姆雷特同时死了又活一样)。只有当局外人观察萨拉跳舞时,她才会“选择”特定的旋转方向。假设萨拉选择了顺时针方向。在那一刻,玛雅会发现自己逆时针旋转,无论她离莎拉有多远。这种看似心灵感应的联系可以发生在看似无限距离的纠缠量子粒子之间。爱因斯坦将这种现象称为“幽灵般的远距离作用”。
特洛伊战争中弹射的石头突然变成了海啸
这可以说是量子物理学中最著名的概念,即波粒二象性。希腊弹射器向特洛伊城墙发射石头,这些石头即将让胡迪尼感到自豪。前一秒它们还是确定的抛射体,但下一秒它们就变成了流体集体波;海啸冲垮了防御工事。 (当然,在观察到它们之前,它们会突然变回石头)。
但石头缺乏这种量子恶作剧的气派。这是为电子保留的(pfft,炫耀)。像电子这样的量子粒子已被证明既可以充当波又可以充当粒子,这就是我们今天在电子显微镜中看到的卓越分辨率的特性!
牛顿在物理系结束了,心烦意乱,因为他的苹果粗鲁地消失在地板上
胆大包天!可怜的艾萨克,被留下来与一个敢于违抗他所制定的法律的水果的傲慢作斗争。嗯,这就是它在量子世界中的运作方式;障碍只是建议。我们普通人会称之为隐形传态,但物理学家知道这是一种非常真实的现象,称为“量子隧道”。这有点像丢了你的车,却发现它停在你的屋顶上。这没有道理。幸运的是,量子粒子并不关心我们的逻辑,它们只是在做自己的事情。
“看来唯一确定的是这一切的不确定性。”
这个秘密与它们的波粒二象性有关。考虑一下声音如何通过墙壁传播,因为它具有波的性质。有点像那样,但又不完全是。相信我,深入研究只会让水进一步浑浊。
因此,在量子世界中,苹果为所欲为,粒子故意迷惑我们,似乎唯一确定的是这一切的不确定性。
那么为什么这种奇怪的事情不会在宏观尺度上发生呢?
为什么我们看不到芭蕾舞演员同时顺时针和逆时针旋转?为什么《哈姆雷特》要么是,要么不是?为什么你不能在一次糟糕的约会中传送到门的另一边呢?
答案全在于观察。
在之前的所有例子中,当“观察”一个量子粒子时,它被迫选择一种特定的状态。顺时针或逆时针,粒子或波……但只有当它被观察时。
宏观上,一切都在无时无刻地观察着!
当然,不是字面意义上的观察。例如:
由于随机运动,一粒灰尘撞到墙上。尽管没有人目睹这次碰撞,但墙壁的纹理、斑点的初始速度和旋转以及撞击角度都会影响碰撞的展开方式。碰撞本身就是一种观察行为!碰撞迫使斑点和墙壁呈现特定状态。
我们的宏观世界充满了数万亿个不断相互作用的粒子和物体,这意味着观察是一种始终存在的现象。由于不断的观察,在我们的尺度上不可能出现任何量子怪异现象。
在量子世界中,电子等粒子被巨大的虚无包围。电子周围有如此多的空虚,以至于我们的大脑甚至无法理解。它被意外“观察到”的可能性很小,这就是为什么量子怪异可以存在于微小的世界中。