想象你随意捡起地面的一颗石子,奋力向上抛掷,自然而然,你会目睹石头的降落,甚至可以轻易地将其接住。
这颗石子并不会无休止地向上攀升(当然,如果你的力气足够大,理论上它确实可以持续上升),它也不会突然从你的视线中消失,更不可能转变成空气或其他物质。
所有这些,都是我们日常生活中的常识,用科学的术语来表述,便是我们的世界是可预见的、可描述的、可了解的,是确定无疑的。这便是爱因斯坦所谓的“认知论”,是经典物理学的一环。
简言之,无论何物,只要我们掌握了它的所有参数,就能精确推断它的未来动向。
然而,量子力学的出现,却让我们原本熟悉的经典物理戛然而止,它彻底颠覆了我们对世界的传统认知。
我们不妨借用文章开头的例子来做一个比喻。
展开剩余83%你向上投掷的石头,不仅没有下落,反而是毫无规律地向四面八方飞散。更令人抓狂的是,石头似乎同时存在于两个地方,甚至在你还未投掷之前,它已经在空中飞翔。
你会不会因此而彻底疯狂?
然而,在量子世界中,这正是每日上演的奇景。这不仅令你我这样的普通人感到疯狂,科学家们对此也同样震惊不已,他们困惑不已:为何量子世界会如此违背我们的直觉?
简单而言:无人知晓答案,至少目前无人知晓。但这并未阻挡科学家们寻求答案的决心。
两个处于纠缠状态的粒子,无论它们相隔多远,即便是在宇宙的尽头,也能即刻感知到对方的存在。当我们观察其中一个粒子的状态时,另一个粒子的状态便会立即确定,仿佛两者之间存在某种心灵感应。
这种只能通过概率来描述微观粒子的现象,带来了许多令人震惊的发现。例如,微观粒子可以穿越那些看似不可逾越的障碍,突破能量壁垒,这就是所谓的量子隧道效应。
这就好像,尽管你没有足够的能量越过5米高的墙,但在量子世界中,微观粒子却可以轻松地做到这一点,它们可以突然穿越那道“墙”,微观粒子的位置是不确定的,可能出现在任何地方。
在量子世界里,还有一种更为奇妙的现象——量子纠缠。
无论两个纠缠的粒子相隔多远,哪怕是宇宙的两端,它们都能够即刻感应到彼此的存在。当我们观测其中一个粒子的状态时,另一个粒子的状态会立即确定,仿佛两个粒子之间存在心灵感应。
爱因斯坦将这种现象称为“鬼魅般的超距作用”。
在爱因斯坦看来,我们的世界是有局域性的(简单来说,任何物体对周围事物的影响速度不能超过光速,即光速是速度的上限),这也被称为“局域实在性”。但量子纠缠打破了这一特性,表明了世界其实是非局域的。
实际上,量子纠缠并不传递任何信息,并没有违反“光速极限”的规定。但对于这种奇异的现象,爱因斯坦非常排斥,他认为量子世界一定还隐藏着某种尚未被发现的“隐变量”,这才导致量子世界显得如此奇特。
而以波尔为首的哥本哈根学派的解释则是,任何微观粒子都处于叠加态,即不确定性。
用一个宏观的例子来说明:
假设我们将一副手套分别装入盒子,放在相隔1000光年的地方(无论距离多远都可),分别标记为A点和B点。
按照经典物理的诠释,尽管我们不知道A点是左手套还是右手套,但实际上它已经确定了,只是我们尚未打开盒子去确认而已。无论我们观察与否,它都是确定的。
如果A点的手套是左手套,我们立刻会知道B点的手套是右手套。
但在量子力学的诠释中,A点究竟是左手套还是右手套是不确定的,这里的“不确定”并非因为我们未曾观察,而是它的“内在性质”。也就是说,A点是左手套和右手套的叠加态,当我们观察的那一刻,叠加态就会坍缩成确定的状态。
简言之,量子世界的确定性,取决于观测这个行为。
对于爱因斯坦和薛定谔等反对哥本哈根学派的科学家而言,量子纠缠和“叠加态”是极其骇人听闻的,他们很难接受。
然而,在20世纪60年代,贝尔进行了一系列实验,这些实验更倾向于支持哥本哈根学派的观点,也就是非局域性的观点,其中最著名的便是贝尔不等式。
因此,量子世界的不确定性得到了主流科学界的认可。
事实上,量子纠缠现象对量子计算机的研发至关重要,它可以让量子计算机的运算速度相对于传统计算机实现质的飞跃。
量子计算机与传统计算机在本质上完全不同,最大的区别在于计算方式。
量子计算机为何速度如此之快?
举个例子就明白了。假设有两个电器,每个电器有一万根电线,这两万根电线必须一对一连接起来,并且必须与特定的电线连接才能正常工作,但你不知道是哪一根。
在这种情况下,我们必须逐一进行测试,把其中一个电器的一根电线与另一个电器的一万根电线分别连接,这意味着最多需要一万次才能找到正确的连接方法。
如果把所有的电线都试验一遍,最多需要一万乘以一万次(即一亿次)的尝试才能完成。
但在量子世界中,这一切都变得简单了,由于量子纠缠可以在瞬间完成,两万根电线就像是纠缠中的两万个粒子,在理论上,它们可以瞬间确定正确的连接方式。
当然,这只是理论上的分析,实际操作起来还是很复杂的。例如,科学家控制一对纠缠的粒子并不困难,但要同时控制很多对纠缠的粒子就非常具有挑战性了。这也是制造量子计算机的难题之一,我们还有很多困难需要去克服。
但不管怎样,量子力学为我们揭示了一个截然不同的世界,它既怪异又颠覆了我们的世界观,但它的应用却是真实存在的,并且已经给我们带来了不一样的科技体验,例如你每天都在使用的手机中的芯片,就运用了量子科技。
科学家们对于量子力学本质的探索永无止境,在未来的某一天,当我们揭开量子力学的神秘面纱时,很可能意味着人类文明和科技将迈上一个全新的台阶!
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