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关于量子物理:你应该知道的10件令人难以置信的事情

物理学家仍在努力调和两个不同的世界:量子世界和宏观世界。许多人知道,量子世界里的物理与宏观世界的物理大不一样,所以用宏观世界的眼光看阴森森的量子世界,会感到相当怪异而令人难以置信。下面是你应该知道的关于量子物理学的10件令人难以置信的事情。

一、量子世界里的东西是一小块一小块的

量子世界里的东西是一小块一小块的。量子世界里的这些一小块一小块的东西就像我们穿的鞋。你不能在商店挑选与你的脚完完全全匹配的鞋,你必须在预定尺寸的一双一双的鞋之间进行选择,而且你只能买到以半码为单位的倍数以作为不同尺码的鞋。量子世界里的东西与此相似,在量子世界里有很多类似的“鞋”,譬如能量也只能是类似的“量子”的倍数——因此得名量子物理。

关于量子物理:你应该知道的10件令人难以置信的事情

爱因斯坦因证明能量是一小块一小块地量子化的而获得诺贝尔奖。所指的“量子”是普朗克常数,以量子物理学的创始人普朗克的名字命名。普朗克发现能量的量子也获得诺贝尔奖。普朗克通过试图对热物体的理解来认知能量。所有最好的宏观世界的理论都无法与所观察到的排出的能量相匹配。通过提出能量是一小块一小块量子化的,普朗克将理论与实验结果巧妙地结合在了一起。

二、量子世界里的东西既可以是粒又可以是波

约瑟夫·汤姆逊因发现电子是粒子而获得诺贝尔奖,他的儿子乔治·汤姆逊因证明电子是波也获得了诺贝尔奖。是老子说得对、还是儿子说得对?答案是:两个都不错。这种所谓的“波粒二象性”是量子物理学的基石。它适用于光和电子,有时需要将光视为一种电磁波,但有时候又得将其描绘成称为“光子”的粒子的形式。

关于量子物理:你应该知道的10件令人难以置信的事情

天文望远镜是一种可以透过透镜或面镜将光波折射或反射以协助观察遥远的恒星的工具,也可以当作为一个巨大的光桶来收集光子。这也意味着当光子撞击物体时,光可以施加压力。在太空中,光像地球上的风一样施加压力。科学家已经使用这种光所施加的压力来推动带有一种称为“太阳帆”的航天器,并且还可能利用它来操纵一颗危险的小行星离开与地球的距离以避免碰撞。

三、量子世界里的东西可以同时既在这里又在那里

波粒二象性体现了量子叠加。也就是说,量子世界里的一个东西同时以多种状态叠加地存在。例如,一个电子可以同时既在“这里”、又在“那里”。我们做实验只能一次性地找出它具体是在哪里安定下来。

这使得量子物理学完全是关于“概率”的。我们只能说一旦我们查看量子对象时最有可能处于哪种状态。这些几率被封装在一个称为“波函数”的数学实体中。据说进行观察会破坏这种叠加,使波函数“坍缩”,迫使量子世界里的一个东西仅进入其众多可能状态中的一种。

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这个想法是著名的“薛定谔的猫”思想实验的背景。密封盒子中的猫的命运与量子设备有关。由于设备在进行测量之前处于两种状态,因此在我们看猫之前,猫可以同时既是死又是活。

四、量子世界里的东西可能把我们引向多世界

观察使波函数坍缩并迫使量子“选择”的看法被称为量子物理学的“哥本哈根解释”。然而,这并不是唯一的解释。一种称为“多世界解释”的理论认为根本上不存在“选择”。在进行测量的那一刻,现实被分裂成了两个副本:一个是我们体验结果A的副本,另一个是我们体验结果B的副本。这种解释解决了量子力学中“观察者效应”这一棘手问题——无论这个“观察者”是人、还是人工智能机器、还是狗等等,也避免了其中极为复杂的意识问题。

如图所示世界中的世界……我们可能只是许多犹如泡沫世界中的一个,每个泡沫都包含不同版本的世界。

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就量子世界里的粒子而言,有一个非常奇怪的现实,它由许多纠缠在一起的层次组成。当我们放大到我们每天所体验到的大尺度时,这些纠缠层次被“解套”了,进入到“多元世界”中,这个过程物理学家称为“退相干”,通俗点也可以称为“退相缠”。

五、 量子世界帮助我们认知星体

量子物理学家玻尔因“对原子结构以及从原子发射出的辐射的研究”而获得诺贝尔奖,他向我们展示了原子内电子的轨道也是量子化的。电子轨道有预定的尺寸,所体现的能量水平称为“能级”。当一个电子从较高能级下降到较低能级时,它会喷射出一个光子,其能量等同于这个间隙大小。同样,电子可以吸收光粒子并利用其能量跃升到更高的能级。

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天文学家一直在使用这种能级的光谱效应。恒星的光谱可以告诉我们它们包含哪些元素,为它们的年龄和其他特征提供线索。我们知道恒星是由什么组成的,因为当我们将它们的光分解成彩虹般的光谱时,我们会看到缺失什么颜色。不同的化学元素具有不同的能级间距,因此我们可以根据不存在的精确颜色计算出太阳和其他恒星的成分。

六、没有量子的东西太阳不会发光

太阳通过称为“核聚变”的过程产生能量。它涉及两个质子,即原子中带正电的粒子粘在了一起。然而,它们相同的电荷使其相互排斥,就像磁铁的南北两极一样。物理学家称之为“库仑势垒”,它就像在两个质子之间筑起了一道墙。

如果将质子视为粒子,它们被这样一堵墙碰撞并分开:没有了聚变,没有了阳光。然而,如果把它们当成波,故事情节就不一样。当波峰到达壁面时,波峰前部已经穿过去了。波的高度代表质子最有可能出现的位置。因此,尽管波峰前部不太可能穿过去,但有时它就是穿过去了。就好像质子穿越过了这道屏障,发生了聚变。物理学家称这种效应为“量子隧穿效应”。正是这种效应,我们的太阳才会发光。

下面是一张量子隧穿的图片,你只需要相信,量子隧穿是粒子突破如墙壁般能垒的有限可能性。

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七、量子的东西阻止星体死亡时的坍缩

最终太阳中的聚变将停止,我们的这颗灿烂的明星将会死亡。引力获胜,太阳会坍缩,但又不会无限止地坍缩下去。它变得越小,越多的物质会挤在一起。最终,称为“泡利不相容原理”的量子物理学规则起作用。也就是说,某些种类的粒子,比如电子,不能以相同的量子态存在。当引力试图做到这一点时,它遇到了天文学家称之为“简并压力”的阻力,使这种坍缩停止,一个新的如地球大小的星体形成,被称为“白矮星”。从理论上讲,白矮星的核心可能会随着年龄的增长而结晶。

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然而,太阳这种退化的压力只能承受这么多的阻力。如果白矮星长大并接近等于大约1.4 个太阳的质量,它会触发一场融合波将其炸成碎片。天文学家称这样的爆炸为“Ia型超新星”,它的亮度足以超过整个星系。

八、量子的东西会导致黑洞蒸发

一个称为“海森堡不确定性原理”的量子规则表明,不可能同时完全了解一个系统的两个属性。你对其中的一个了解得越准确,那么你对另一个的了解就越不准确。这适用于如动量与位置,以及适用于如能量与时间。

这就有点像你在银行里存的一笔款,如果你每次提取较多的钱,你取用这笔钱的次数或时间会减少;如果你每次提取较少的钱,你取用这笔钱的次数或时间可增加。这类似于虚拟的粒子。如果一对粒子从自然界“提取”了太多的能量,那么只能短暂出现然后迅速消失,自然界所能提供的这笔“款”就只这么多。

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霍金想象这个过程发生在一个黑洞的边界,并不是所有落入黑洞的东西都会消失——有些物质会逃逸。在黑洞的边界如果一个粒子逃逸(称为“霍金辐射”),但另一个会被吞噬。随着时间的推移,黑洞慢慢蒸发,因为它没有更多的所能动用的“款项”。

九、量子的东西解释了宇宙的大尺度结构

我们关于宇宙起源的最佳理论是“大爆炸”,这一理论在1980年代进行了修改,加入了另一种称为“暴胀”的理论。在第一个万亿分之一的万亿分之一秒内,宇宙从比原子还小暴胀到大约一个柚子大小。如果是将一个红血球细胞按此惊人的倍数暴胀,则比今天我们整个可观测到的宇宙还要大。

关于量子物理:你应该知道的10件令人难以置信的事情

由于它最初比原子还小,因而此时的婴儿期的宇宙将被与‘海森堡测不准原理“相关的、被称为的“量子涨落”所支配。暴胀导致宇宙在这些波动有机会消失之前迅速增长。这种将能量集中到某些区域而不是其他区域,天文学家认为这种物质充当了“种子”,物质可以聚集在其周围,形成了我们现在所观察到的星系团。从这个暴胀奇点开始,我们的宇宙已经膨胀了138亿年。

十、量子的东西的“怪异”远超出我们的想象

除了帮助证明光是量子的外,爱因斯坦还提出量子的另一种效应,他称之为“远距离幽灵行为”。今天我们知道这种“量子纠缠”是真实存在的,但我们仍然不完全了解具体发生了什么、为什么。假设我们将两个粒子放在一起,使它们的量子态不可阻挡地结合或纠缠在一起,一个处于状态A,另一个处于状态B。粒子的特性可以通过量子纠缠“传送”。

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“泡利不相容原理”说这两个粒子不能处于同一状态。如果我们改变一个,另一个会立即改变以进行补偿。即使我们将两个粒子分隔无论多远,哪怕在宇宙的相对两端分开,也会发生这种情况。就好像我们所做的信息改变在它们之间传播的速度比光速还快,爱因斯坦说这是不可能的。

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