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微观世界存在不确定性,电磁波让量子状态坍塌

2020-01-14 11:02:36    来源:

于是人们一直都在寻找一个让自己免于直面虚无的证据,而科学越来越发达的今天,各种神迹或是把戏也早已经不够看了,怎么办?

量子力学,可能是一片新神话的温床。关于它流传了很多神奇的传说,更有人宣称可以从中得到佛理甚至是灵魂存在的证据,那么真相到底如何呢?

宣称者说,人的意识可以改变量子的形态,观测与不观测是完全不同的,所以意识并不仅仅是脑细胞之间的电信号,它是一种与宇宙本质相连的存在。既然如此,只要宇宙不灭,你的意识也自然不会消逝。

那么这个传说是从哪里来的呢?大名鼎鼎的“薛定愕的猫”,1935年,著名奥地利物理学家薛定愕说了一个故事,他说如果有一个箱子,里面放了一只猫,一个毒气瓶,和一套机关和一个放射源。放射源是一个概率变化的原子核,每过1分钟,它就有50%概率分裂并放出射线,射线会触发机关打碎毒气瓶,这样猫就会死。

欧文鲁道夫·约瑟夫·亚历山大·薛定谔 1887年8月12日- 1961年1月4日

因为这个放射源是服从量子规律的,所以它的放射会表现出“未被观测就不会变成确定结果”的特征。如果是这样的话,那么如果我们不打开箱子,箱子中“放射源是否分裂”也就是一个未确定的态,那也就会推导出“箱子中的猫是否死亡”也是一个未确定的状态。

虐猫狂魔薛定愕

这也就是说,如果你不打开箱子看一眼,那么这只猫就处于一个“既不算活也不算死”的状态中,只要看一眼那么这只猫就会变成一个确定的状态,活着或死去。

等等,猫不会剧透吗

嗯……这就是宣称者证据的来源,在知晓更多信息之前先让我们分析一下这个故事,你会发现一个非常经不起推敲的缺陷——猫算不算观察者?

如果猫算观察者,那么箱子即使没有被打开,也有一双眼睛在盯着放射源,那么不等到我们打开箱子,结果就早已经被里面的猫剧透了,所以决定猫生死的并不是你。

人类与黑猩猩的基因重合度高达98%

那问题来了,猫可以被认为是观察者吗?如果我们认为意识是决定可否被称为观察者的核心,那么非常好,猫也有意识。如果你不承认猫有意识,那么如果把箱子里的动物换成一些比较聪明的动物呢?一只狗、一头大象、一条海豚、甚至是一只黑猩猩又当如何?黑猩猩有语言,有社会,有感情,有表情,还会哭会笑。那么他可以作为一个观察者吗?

最后一个问题——如果箱子里的是一个人呢?

很显然,这个故事本身就不太可能变成现实,实际上从生物学的研究中我们知道人类与动物间的界限相当模糊,科学家更倾向于认为人类的意识只是复杂程度远超动物,并没有什么本质的区别。

所以,把一个根本不真实的故事当成证据明显没有什么说服力。而且如果你了解了更多有关这个故事背后的原委后会更加觉得哭笑不得。

这其实是薛定愕说的一个冷笑话,是为了反驳一个观点而生的。换而言之,薛对这个“既死又活的猫”是完全持否定态度的,只是因为是薛提出来的而冠以了他的名字,结果让很多人误以为这是薛的观点……

这还真和被“以德报怨”的孔老夫子有点像,明明他老人家爆脾气说的是“以直报怨”,怎么来的就怎么给他怼回去啊。

好,那么薛定愕当时为什么要说这个冷笑话呢?是因为他不愿意承认“微观世界是不确定性主导的”,同时他认为宏观世界是微观世界主导的,如果微观世界是不确定性的天下,那么将会推导出宏观世界也是不确定的,这岂不就很荒谬么?人的意志怎么敢左右自然法则?

100%睛女?

好的,那么到底谁是对的呢?他的冷笑话是不是很不凑巧揭示了世界的真相呢?

其实往往有很多以为只有两种路走的时候,还有第三条路;以为必须要在二者之间取其一的时候,还藏着一个“我全都要”的选项,这样的事情在物理中尤其常见。以现在我们所理解的量子力学来看,微观的确服从“不确定性”,同时这样的规则并没有被明显地带到宏观世界,月亮在一直在那里是确定的。

测量≠观测

那如何解释人的观测在量子世界中的决定性作用?

答案是——我们需要将“观测”中的“观”字剥离出来,其实导致“不确定性”化为“确定结果”的并不是观测,而是测量,这其中并没有人的意志参与。

我们一直认为测量是一件有特殊意义的事情,而事实可能并非如此,一束阳光照射在一滴血上,反射出的光线带来了这滴粘稠液体的颜色信息——红色。

那么当我们看到这束光的时候,我们确实完成了对一滴血颜色的观测,可是如果没有人看这滴血呢?当然反射光依然是红色,有关血液信息依然被带了出来,消失在与环境中其它物体的反射吸收中了。

当我们对一个量子世界中的一个粒子进行测量的时候,会使用电磁波,这一束电磁波会让该量子的状态“坍缩”,从很多不确定的状态变成一个确定的状态,我们通过接收穿过粒子的电磁波,就可以知道被测粒子的状态是什么。

更高能的电磁波可以让粒子的位置更精确,但是这必然会影响它和动能

那么如果说我们发射了电磁波而没有接收呢?这枚粒子还会受到电磁波的影响吗?会的,粒子状态的“坍缩”与你知不知道结果并没有关系,带有该粒子信息的电磁波依然还是会出现,只是没有人提取其中的信息了。

也就是说,量子的“不确定性”与人是否知道并无关系,甚至与人的操作也未必有关,如果这一束电磁波是从宇宙中飞 来的,那么它同样会导致该粒子的状态“坍缩”。量子世界的不确定性就像一个触发奇怪现象的机关,但它终究是有固定的触发机制的,并不会区分是人触碰的还是风吹动的。

不影响光子的摄像机?

既然说到这里,那还有一个误解非常深的思想实验也不得不说了,这是一个有关于光子的双缝干涉实验的,流传甚广的“科学都市传说”。

光在遇到双缝的时候会发生干涉,也就是两个完全相同的波动在一些区域相互增强和抵消的现象,当时的人们已经知道光是一种遵循波动规律的粒子,所以光子最终在哪里结束旅程是可以通过波来计算概率的。于是科学家们开始思考这种现象产生的机制——是不是光子相互之间产生了影响而导致的?

干涉现象,如果在前方放置一个板就是条纹干涉图样

那么如果可以改变光子的密度,让光子一个一个地通过双缝,是不是就不会出现条纹而是两条线?这就是著名的单光子干涉实验。

结果当然是怎么奇幻怎么来,单光子在通过双缝实验器材后,一两个还看不出有什么问题,可是只要时间持续的足够久,还是可以从统计的结果中看到明显的干涉条纹。

是的,单光子也会发生干涉。

这就很反直觉了不是吗,我们一直以来学习的物理告诉我们能量守恒、质量守恒、力的作用是相互的。那么当每次只有一个粒子时候,它不是只能通过左或右其中的一条缝么,为什么它在通过一条缝的时候还可以知道另一条缝的存在?这样说的仿佛量子是有意识的一样,还未出发就已经事先知道要应对不同的环境作出不同的反应?

注意!到这里为止是一条“分水岭”,下面我们继续往下说。

有人在双缝其中的一条旁安装一台高速摄像机,想看看光究竟是通过了哪一条缝。可是诡异的事情发生了,只要一启动摄像机,干涉条纹就消失了,光幕上只留下两条光斑,仿佛光子知道有人正在看着它,为了不泄露什么秘密而改变了轨迹。

这还真是单纯的观察设备呢……

闻到没,这种浓浓的唯心主义味道,这种“科学无法解释”的味道,这种“万物有灵”的味道,这你要是还不相信灵魂的存在可以说是十足的无药可救了。

好的,笑话就说到这里,那么真相到底如何呢?

有一定物理知识的人一定会感觉非常奇怪——摄像机?这是什么摄像机。

微观粒子与宏观物体的“观察”根本不一样,当我们看到一个现象时,其实是眼睛在作为光的接收器,也就是说不管你看不看,光都会源源不断地撞击物体并飞向环境。

我们能看到物体都是因为光的反射

可是这一次你要观察是光子,光子是啥?就是你观察宏观物体的载体,你现在要观察的是这个载体本身。

那你要如何知道光子在什么位置呢?用另一个光子去撞击?如果这种撞击存在,那你不就改变了光子的轨道了么,如果这种撞击不存在,那你还是不知道需要测量的光子怎么样了。

其实现实世界中测量光子只有一个方法——“截胡”,只有让光子打在原子上,触发光电效应才能知道它怎么样了,也就是想知道一个光子在哪儿就必须“杀死”此光子。

光的能量会把物体中的电子打出来,称为光电效应

因此所谓的“在其中一条缝边装一台高速摄像机”根本不可能,要么你就彻底把这条缝堵死了,要么你就什么也测不到。

既然如此为什么还会有这种说法呢?其实从上面的“分水岭”开始,之后的全都是思想实验,也就是想象出来的。思想实验的可靠性是没有保障的,大多数思想实验都是错的,这个也不例外。量子实在是太小了,只要测量就一定会改变其状态,这就像是盲人永远不可能知道一个精美的奶油蛋糕是什么形状,因为只要他触摸蛋糕,蛋糕就会变形。

光子是测量的结果

那到底为什么单光子也会发生干涉呢?我的解释听起来会比较别扭,但是只要接受了这个设定你也会觉得其实没什么大不了的。

光在传播的时候可能并不是光子形态,而是波,所以它完全可以同时通过两条狭缝,只有当它遇到障碍物时才会发生“坍缩”,由一团波变成一个粒子的形态。

事实上物理学家从来都不知道也不可能知道光在传播时到底是什么样子,因为只要进行测量就一定会发生“坍缩”,变成一个光子(这里的测量泛指一切量子与宏观对象的相互作用,光照在物体上时就在源源不断地发生着“坍缩”,与人或观察者无关)。

电子云是名符其实的“云”

这种理解可以应用在有关量子不确定性的所有现象中,比如电子在不与宏观对象发生作用时并不是一个粒子,也是一团“波之云”,它的一切可能结果都可以同时表现出来,但是只要发生一次宏观作用或者说测量,就会“坍缩”成一个位置确定的粒子,所以电子甚至是单电子也可以进行双缝干涉实验。

电子干涉仪示意图

这就是奇异但并不灵异的量子世界规律,其实你只要在心中接受了这种设定,也会觉得没什么,我们只不过是太熟悉我们所生活的世界的规律了,才会误以为这一定是宇宙真理。就像穿越者告诉2000前年的智者贤者大地是一个悬浮在空间的巨大球体,一定会被他老人家气得用手杖打出来吧!

灵魂的事情?别想了,量子世界目前还没有灵魂的位置,我相信以后也不会有。

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