漫聊合集 量子力學留給人類的迷惑、恩惠與驕傲

今天的節目是咱們量子力學的最後一期 這期內容呢 我們會聊到量子力學留給我們的三個東西 分別是對本質的迷惑 對生存的恩惠 還有對探索的驕傲 量子力學中有三個性質 是我們今天還不理解的 跟你說一下啊 第一個呢 是觀測的結果 它爲什麼是隨機的呢 你看啊 一個電子它的自旋是向上還是向下的 光子的落點是在這裏還是在那裏 原子在一個時間段裏 到底它是衰變還是不衰變 量子力學認爲這些都是真隨機 沒有理由也沒有辦法推導 誰也不能事先確定 可是你要知道啊 在宏觀的世界裏也好 或者說數學方程裏也好 都沒有這樣的隨機 你在計算機裏輸入一個隨機數 那個也是算法算的一個假隨機 這是第一點啊 第二點就是鬼魅般的超距作用 它到底是怎樣完成的 這個超距作用對於愛因斯坦來說 只是一個不可以接受的推理結論 而對現代人來說 則是一個已經被實驗證實的事實 但是我們還是不能說 自己已經弄明白了超距作用 到底是怎麼來的 第三點呢 是說波函數它到底是一個物理實在 還是僅僅作爲一個數學工具存在 如果說波函數只是一個數學工具 那爲什麼光子對實驗路徑 能有全盤的認知呢 也就是我們前兩集說的那些實驗啊 那爲什麼好像它又能預知未來呢 反過來說 如果波函數它是一個物理實在 那它的探索到底是怎麼回事 是怎麼發生的 從無數個可能探索到一點 竟然不需要任何的時間 那這到底是怎樣一個過程呢 關於這些疑問啊 咱們前面說了 哥本哈根解釋要求我們 別再問了 接受它們就行 這個其實是一種立場和態度 等於是迴避了這些疑問 其實啊 它不應該叫哥本哈根解釋 而應該叫哥本哈根不解釋 對於這一派人來說 物理定律的作用是符合實驗 而不是尋求真相 但是對於另外很多人來說 還是想知道一個真相 很多物理學家就是這麼想的啊 他們呢設想了各種的解釋 現在有一定影響力 能數得上的 就已經超過十種解釋了 那今天首先呢 就是開腦洞的時刻啊 咱們呢來說說主流科學界 對量子力學本質的解釋 與其說是解釋啊 不如說是猜測了 因爲它們都既沒有證據表明是對的 也沒有證據表明是錯的 那就是不可證實也不可證僞 選擇相信哪一個 取決於你喜歡什麼樣的世界觀 如果你喜歡比較宏大的世界觀 那你一定早就知道多世界解釋了 也就是平行宇宙 這個非常流行的解釋認爲 在波函數坍縮的那一刻 世界發生了分叉 爲什麼有時候我們觀測到 電子自旋向上向下是不確定的呢 因爲啊向上向下其實都已經發生了 每一次波函數的坍縮 這個世界都變成了兩個 甚至無數個分身的世界 其中一個世界裏 那個電子自旋向上 另外一個世界裏自旋向下 你之所以看到向下的自旋 是因爲你正好身處在這個世界中 而在另一個平行的世界裏 還有另外一個一模一樣的你 它觀測到的電子就是自旋向上的 我們的宇宙無時無刻不在分叉 所有物理定律允許發生的事情 都在某些分身裏發生了 無數個你 生活在無數個分叉的世界裏面 經歷着因爲波函數坍縮效應 而不一樣的命運 在所有的假設裏 多世界假設是最廣爲人知的 因爲它被太多的影視作品所使用了 穿越到過去還不夠精彩怎麼辦呢 沒關係 咱們穿越到平行宇宙去 這個解釋甚至可以是萬能的 反正有無數其他的宇宙 反正我們也去不了那裏 那就可以發揮創作者無窮無盡的想象了 不過你得知道 最廣爲人知 並不一定代表它最正確 咱們只能說它最有意思 不過還是會有人覺得 這個解釋太極端了 一個小小的電子 竟然能複製出來一整個世界 這個代價是不是太大了 至於嗎 而在一些物理學家看來 平行宇宙的解釋 其實是一個相對保守的理論 爲什麼呢 因爲它保護了我們的經典觀念 多世界解釋不需要隨機性 一切可能發生的事都發生了 那量子隨機性不就不存在了嗎 而且這個解釋 其實是一個非常嚴肅的數學理論 那這樣一來 愛因斯坦堅持的那些東西 比如說上帝不吃頭子了 量子糾纏不能超光速了 多世界解釋都能夠滿足 只要你相信世界可以分叉 量子力學就不再神祕 再來說一個 如果你比較喜歡比較詭異的世界觀 那可以瞭解一下導航波理論 它是一個二元的世界觀 它把粒子和波函數給分開來看了 認爲它們是兩種不一樣的現實 粒子就是我們平常想象的 像小球一樣的 有確定的位置和動量的經典粒子 但是現在粒子自己不知道該怎麼運動 它需要一個叫做導航波的東西來引導 導航波就取代了波函數 它無處不在 無所不知 能夠瞬間傳遞信息 它代表量子世界所有的波動現象 導航波通過某種量子式 告訴粒子如何運動 而粒子告訴導航波該如何變化 粒子的運動仍然要滿足相對論的要求 但是導航波卻可以瞬時全局的發生變化 這樣一來 超級作用就有了着落了 既然把一切神祕都推給了導航波 那所謂的波函數探索也就不存在了 粒子的所有行爲都是被導航波所決定的 而它永遠不會探索 導航波其實也就是愛因斯坦想要的那個引變量 既然導航波是瞬時和全局性的 它就會受到宇宙中所有粒子的影響 那麼此時此刻這個粒子的行爲 本質上就是宇宙中所有粒子共同來決定的 這就是爲什麼我們無法預測它 那量子力學的隨機性也就不存在了 因爲可以干擾粒子行爲的因素在全宇宙實在是太多了 看起來是隨機的 再來一個 如果你喜歡玄學的思辨 那全息宇宙和量子邏輯可能會讓你感興趣 所謂全息宇宙解釋 它是認爲我們所觀測到的一切 之所以讓人感覺到定律不足 或許是因爲我們需要更高的維度和更深層的現實 這個更高維度 其實是我在咱們節目評論區經常看到的一種觀點 這種理論認爲 我們對電子一切的觀測其實都是間接的 那也許我們看到的 感受到的 觀測到的一切物理現象 都是某個更深層的現實的投影 就像是我們在柏拉圖的洞穴裏面 看到牆壁上映出人們的影子 我們只能看到這些影子 猜測它們背後的現實 但我們永遠看不到那個真正的現實 我們看到有些扭曲了的投影很怪異 但是那個更深層的現實其實是完全合理的 而量子邏輯解釋認爲 我們之所以不理解量子力學 是因爲我們受到宏觀的日常生活的影響太深了 宏觀世界的邏輯並不適用於量子世界 大名鼎鼎的數學家馮諾依曼 他就發明了一套量子邏輯 這個邏輯系統可以把什麼位置啊 動量啊 概率啊等等這些概念 它們的性質全都完全改寫 而且居然在數學上也能自洽 量子邏輯理論一直到今天仍然有人在弄 但是仍然未能達到覆蓋整個量子力學的程度 全息宇宙和量子邏輯這兩種解釋的腦洞是最大的 它們直接挑戰了我們所有的思考 提供了完全顛覆的世界觀 那如果你很喜歡時空穿越 可以瞭解一下時間對稱解釋和交易解釋 薛定諤方程也好 牛頓力學也好 相對論也罷 物理定律的方程裏 時間這一項其實沒有特定的方向 我們在日常生活中感覺到時間總是從過去到現在 從現在到未來 在很大程度上是因爲熱力學定律 也就是商增 而商增是一種宏觀的現象 很多很多的粒子纔會出現商增 而量子力學裏沒有必要認爲 這點在我們《時間消失》那個系列的節目裏也說過 日本的物理學家渡邊會 他就搞了一套時間對稱的量子力學 不但現在可以影響未來 未來也可以影響現在 包含說 它是向着未來和過去兩個方向同時演化的 這裏用同時這個詞也挺奇怪的 這套理論自帶向後的因果關係 那麼所謂的延遲選擇也就不成問題了 物理學家惠勒曾經說過 兩個帶電粒子的相互作用 好像不應該是僅僅其中一個向另外一個發射光子 而應該是兩個粒子各自發生一個半波 這兩個半波在空中發生一次量子握手 這個就是所謂的交易解釋 交易解釋的關鍵在於每個粒子的波函數不是一個 而是兩個 一個走向未來 一個走向過去 相互作用就是發射方出來的 通向未來的這個波和接收方的走向過去的波 在時空中發生波交易的結果 而交易發生的時候 其他地方的波自動干涉抵消了 這個理論和咱們前面說的導航波有點像 但是因爲它有兩個波 它能自動完善波函數跟時間的關係 如果你覺得前面這些解釋腦洞都太大了 喜歡平淡一點的解釋 超級決定論可以讓你獲得內心的平靜 這個理論認爲 人根本就沒有什麼自由意志 一切事件都是從宇宙創生之初 就已經由物理定律決定了的 也就是說包括在某時某刻 選擇觀測某個物理現象這樣的決定 也是早就安排好的 你根據安排觀測一個粒子 跟它糾纏的另外一個粒子 根據安排做出相應的反應 這裏沒有什麼超距作用 你感到很驚訝 因爲這裏面有什麼不得了的信息傳遞 殊不知一切都是按照劇本走 連你自己也是那個劇本的一部分而已 這個理論首先是由貝爾想到的 到今天受到了很多哲學家的歡迎 根據這個理論 宇宙中沒有孤立的東西 沒有獨立的事件 所有的東西都跟所有的東西關聯在了一起 而那個關聯 既決定了粒子的所作所爲 也決定了我們的所思所想 畢竟我們的大腦也是由粒子組成的 那除了這些來自主流科學界的腦洞 還有大量民間的猜測 咱們就不一一說了 你也可以在評論區談談你的觀點 畢竟我們現在什麼也證明不了 什麼也證僞不了 還是一個腦洞隨意大開的事態 這些解釋 簡直可以說是五花八門 代表各種奇思妙想 但是請注意 它們幾乎都有數學上嚴格的理論形式 可不能瞎猜 而更奇妙的是 它們都符合量子力學的實驗結果 就是數學公式得和實驗對得上 你這纔算是一個完備的理論 那這麼多五花八門的猜測 都是在向量子世界的深層去發問 你也肯定有種感覺 怎麼到了基礎的底層問題 科學家就有點像學學家了呢 確實是這樣 不過儘管我們不能說自己是完全生對了時代 但已經比幾十年前的人們幸運多了 至少在往宏觀的層面去看的時候 我們已經得到了不少確定性的答案 你不會在宏觀世界看到量子疊加態 那麼量子力學的那些量子性質 比如說疊加態啦 隨機性啊 量子碎車啊 這些東西對宏觀世界有什麼作用嗎 如果倒退幾十年 物理學家也不知道這些到底有啥用 他們只是在探索而已 而現在一些最明顯的應用 就擺在科學界的期刊雜誌裏 咱們就來說說量子力學最大的應用 我們的宇宙是這個樣子 是多虧了量子力學 古代所有哲學家可能都思考過這個問題 宇宙的萬事萬物都是從哪來的 古人給過各種的答案 其中曹操的女婿 著名的玄學家何燕就認爲 萬事萬物各有各自的形狀顏色和聲音 但是從概念分類來說 應該是越高級就越有普遍的意義 也就越單一化 越低級就越具體越多樣化 比如說雞和鴨 你知道是什麼樣子的 但如果說鳥是什麼 形象就不太具體了 再往高裏走 生命是什麼 你就根本想不出一個具體的形狀了 那麼以此類推 萬物的總起源 必定是一個沒有形狀顏色 也沒有聲音的東西 她認爲這個最高級的起源 也就是宇宙的規律或者是道 它必定是無 就是那個有無的無 何彥說 有之爲有 斥無以生 視而爲視 由無以生 事實上 現代科學認爲 宇宙包括了萬事萬物 而宇宙的起源來自一場大爆炸 那既然大爆炸之前什麼都沒有 宇宙的起源就只能是無 但是我們還可以接着問一個問題 這個無是怎麼生出有來的呢 它爲什麼不一直保持沒有的狀態呢 這個就得指望量子力學了 在所有的學說中 量子力學是唯一一個允許事情 無緣無故就發生的理論 這個原子一直都好好的 爲啥突然就衰變了呢 沒有原因 無中生有對量子力學 是一個日常的操作 量子力學認爲真空都不是真正空的 隨時隨地都會冒出一對虛擬粒子 又互相湮滅掉 就像我們從遠處看海平面 是很平靜的 但你近了看 就會有很多的起起伏伏的波浪 那麼從這個無裏面冒出一個宇宙來 似乎也不是不可能的 目前物理學家對宇宙到底是怎麼起源的 並沒有達成一致 咱們挑兩個最著名的說法 它們都涉及到量子力學 一個是霍金的無邊界建議理論 這個理論是說 大爆炸並不需要一個起點 宇宙開始之前只有空間 而沒有時間 那既然沒有時間 也就談不上什麼之前了 這個纔是真正的無 宇宙處於一個量子疊加態 它可以有各種各樣的歷史 可以用一個波函數描寫 然後忽然之間 宇宙的波函數發生了坍縮 時間開始了 再後來纔是爆炸 再後來也化出萬事萬物 霍金說我們經歷的 只是宇宙衆多可能的歷史中其中的一個 甚至都不是可能性最大的一個 還有很多別的宇宙 也無緣無故的發生了 不過它們大多數都因爲 爆得不夠好而立即消失 這些宇宙就好像冒泡一樣 不斷的起源不斷的消失 而我們這個宇宙幸運的存活了下來 霍金的這個模型 在大衆看來是比較流行的 這個是因爲霍金善於寫暢銷書 其實在學術界 另外一個模型可能更受歡迎 暴漲理論的創始人阿蘭·古斯 早在1981年就提出了 另外一種無中生有的可能性 古斯的理論不需要對時間打什麼主意 只要給一小塊真空的區域 就有可能爆發出來一個新的宇宙 量子力學認爲真空並不是絕對空的 不確定性原理 要求能量在哪裏都不能絕對是零 不然它就成了確定性的一項了 所以哪怕在真空之中 也會有一個小小的能量漲落 咱們可以把它叫做真空的零點能 這個零點能就是空間的最低能量 古斯的想法是 同樣是出於某種量子力學效應 某一處空間會非常偶然的得到一個 比零點能略微高一點的能量 因爲那個能量也很低 發生不了什麼大事 這就相當於一個假真空 那對於空間中的這一點來說 這個假真空的能量 相當於是所有可能性之中的 一個局部的最低點 而真真空的能量是全局的最低點 本來假真空也比較穩定 不會變成真真空 但是因爲量子隧道效應 突然在某一時刻 假真空就衰變到了真真空 結果宇宙就起源了 空間中的這一點 因爲假真空衰變 而獲得了一點點多餘的能量 這點能量提供了一個負壓力 而根據廣義相對論 這個負壓力變成了向外迸發的反引力 使得宇宙開始暴漲 暴漲是比大爆炸快得多的過程 相當於是空間各處同時發生大爆炸 空間拉開 引力提供了負的勢能 那麼根據量子守恆 空間各處就會衰變出正能量 這個就是物質的起源 最早期的物質主要是光子 後來又有了夸克電子 又有了質子中子 一直到今天我們看到的宇宙 而這一切都起源於一次量子隧穿 按照古斯這個說法 宇宙起源於真空中冒的一個泡 那你可能會說 我們今天的宇宙中 大部分空間也是接近真空的 那萬一哪個地方再冒一個這樣的泡 再來一次暴漲 創生一個新的宇宙 把我們現在的宇宙給毀了怎麼辦呢 從數學上 這個確實是可能的 不過不要擔心 真空衰變的概率 是非常非常非常低的 平均發生一次的間隔時間 比我們這個宇宙的年齡 還要大很多很多倍 那如果按照古斯的理論 我們真得好好謝謝量子力學了 因爲量子力學能讓宇宙起源 同時量子力學 還讓宇宙不那麼容易起源 我們應該爲這兩個特點都表示感謝 那到底古斯說的對 還是霍金說的對呢 現在沒有什麼足夠的證據 不管宇宙是怎麼起源的 最初的暴漲都留下了一個痕跡 未來我們對這個痕跡 做更精確的觀測 也許就能找到宇宙起源的直接證據 這個痕跡 就是我們熟悉的宇宙微波背景輻射 它來自於宇宙最初的光 它給今天的宇宙各處 提供了2.7K的飽底溫度 我們可以從背景輻射中 看到很多有意思的東西 其中最有意思的一點就是 爲什麼宇宙如此均勻呢 你看咱們抬眼望過去 各個方向的星星差不多都一樣多 並不是所有的星星都集中在一個地方 而其他的地方很空 這個現象是物理學家心中的一個信仰 叫做宇宙學原則 它是說在大的尺度下 宇宙是均勻的 是各項同性的 哪裏都不會很特殊 其實就從這個不特殊 哪怕沒有其他的證據 我們就已經可以猜到 宇宙應該有一個起點了 不然宇宙這麼大 各個地方距離這麼遠 它們該怎麼互相通信 互相協調 才能表現得如此相似呢 這就好像社會上有一群人 他們雖然分佈在世界各地 但是想法和做法卻非常的相似 那你有理由懷疑 他們是同一所學校畢業的 宇宙的均勻說明 宇宙中的物質以前是聚集在一起的 宇宙起源學說 特別是這個暴漲理論 能解釋宇宙的均勻性 但是從另外一方面來說 宇宙要是太均勻了也不行 如果宇宙是絕對均勻的 那些基本粒子 就會均勻地分佈在空間的各處對吧 可是這樣一來 又怎麼能形成那麼多的恆星呢 恆星是物質聚集的產物 而且根據恆星的壽命 它們必須在很早的時候 就聚集了那麼多物質 那之所以這裏有物質 而那裏沒有物質 恰恰說明了 宇宙不是絕對均勻的 於是呢 我們的問題又變成了 宇宙爲什麼不是絕對的均勻 我們完全可以設想 如果宇宙是無中生有於 一個特別特別小的點 那單純從對稱性的角度呢 它的演化 似乎也應該是絕對均勻的纔對 畢竟沒有哪個地方 有理由跟別的地方不一樣 那這個不均勻是從哪來的呢 答案還是量子力學 因爲量子力學有不確定性 早期宇宙中所有的量子場 都會有一些小小的波動漲落 正是那些小漲落 被放大之後 造成了宇宙的不均勻 一直到今天 我們都可以從微波背景輻射中 看見早期宇宙漲落的信息 背景輻射中顯示 宇宙早期溫度比較低的地方 對應的引力場比較強 更容易聚集到物質 並且在後來的演化過程中 而溫度比較高的地方 現在就更容易是空曠的區域 那這個微波背景輻射中的高溫和低溫 相差多少呢 差不多是十萬分之一 量子力學這個尺度拿捏得正好 漲落如果再大一點 也許宇宙就太不均勻了 很多物質會被引力拉到一起 搞不好宇宙演化都會受到影響 而漲落再小一點 量子力學既讓宇宙起源於無 又讓那個無中能生有 讓宇宙既能起源 又不會太容易起源 讓宇宙既是非常均勻的 又不是絕對均勻的 如果不是量子力學 我們真不知道 還能有什麼機制 能提供這麼好的設定 量子力學留給了我們太多的疑惑 但是我們還是要感謝它 因爲它的存在 才讓我們這群充滿疑惑的大腦 得以存在 我們連續幾期的量子力學節目 到這裏也基本算是到達尾聲了 最後和你聊一會 量子力學帶給科學界的改變 科學史上 有時候幾乎所有科學家 會一起來一次基本觀念的轉變 比如說牛頓認爲光是粒子 那別的科學家也都跟着把光當作粒子 後來麥克斯爲證明光是電磁波 所有科學家就把光當作波來研究 量子力學出來之後 大家又都認同了光子的存在 這種思維範式的轉移不是順時的 不過它是整個科學共同體的鉅變 以前大家都把引力電磁力 這些叫做力 英文是force 後來物理學家發現 力跟運動的關係可以很複雜 叫相互作用更恰當一些 牛頓把引力當成了一種超距作用 不管距離多遠 只要那有個星體 你就能感受到它的引力 引力好像是可以可控傳輸的 到了麥克斯爲和愛因斯坦這裏 超距作用就太荒唐了 你必須得跟一個什麼東西發生接觸 才能感受到力 不然你這個感受是怎樣傳遞的呢 那一代物理學家們就發明了場這個概念 電磁力有電磁場 電磁波就是電磁場的波動 引力有引力場 根據廣義相對論 那就是時空本身的彎曲 不是兩個帶電粒子直接發生關係 而是它們各自和所在的場發生關係 場這個概念非常完美 但是量子力學出現了 量子力學認爲電磁場根本不是一個連續的東西 而是一個一個的光子 那在光子這個視角下 電磁作用是怎麼個圖像呢 這個就是我們前兩集說的 融合了量子力學和狹義相對論的量子電動力學 量子電動力學認爲 兩個帶電粒子之間 是通過交換光子來發生相互作用的 那既然電磁相互作用是交換光子 別的相互作用會不會也是交換什麼東西呢 這個就引出了量子場論 量子場論認爲 所有相互作用的場 都是以某種粒子的形式存在的 相互作用就是交換這種粒子 量子場論認爲 強相互作用是在夸克之間通過交換膠子來實現的 而弱相互作用則是交換了三種粒子 命名叫做Z0,W+,W- 這個交換粒子的圖像 它不但確定了粒到底是什麼東西 而且既然都是由粒子傳播的 粒的傳輸速度自然就不能超過光速了 物理學家的野心還不止於此 他們還想把這一切理論都統一起來 你看量子電動力學 把量子力學、電動力學和狹義相對論統一起來了 可以說是同一個理論 本來量子場論認爲 傳遞弱相互作用的那三個粒子 也跟光子、膠子一樣是沒有質量的 但是實驗結果卻表明它們有質量 後來是英國物理學家希格斯提出了一個機制 說宇宙空間中瀰漫着另外一個場 這個場不但賦予了 Z0,W+,W-這三個粒子以質量 而且賦予了電子之類的氫子和夸克也給了它們質量 那根據量子場論 這個粒子就被稱爲希格斯玻色子 到了上世紀70年代 強相互作用、希格斯機制這些都被統一進來了 形成了一個更加統一的大理論 就是標準模型 在標準模型眼中 世界上所有的粒子只有三種 一種是感受相互作用的粒子 包括夸克和電子之類的氫子 它們都是費米子 一種是傳遞相互作用的粒子 包括光子、膠子 還有咱們說的Z0,W+,W- 它們都是自選式整數的玻色子 另外還有一個就是希格斯玻色子 這個模型讓物理學家很自豪 除了電子是實驗先發現的之外 其他的基本粒子全都是理論物理學家 先用數學方程預測有這麼一個東西 然後實驗中就真的觀測到了這麼一個東西 你說多神奇 而做成這一切大概只用了二十多年 不過這個模型裏面還缺了一個東西 那就是引力 我們要不要把引力場也來個量子化 證明引力是由一個叫引粒子的東西傳播的呢 四五十年以來 有上千個物理學家 但經結綠想做這件事 他們想把標準模型和廣義相對論統一起來 這裏面的努力 就由我們前面花了很多期講到的 弦理論和M理論 在這兒就不展開說了 你可以回聽一下 對於世界終極答案的探索 我們還沒有看到結果 甚至還沒有看到一點希望 而量子力學能給我們看這一段波瀾壯闊的往事 提供一條主要的脈絡 1900年的兩朵烏雲 讓我們意識到這個世界背後 可能有一個詭祕的真相 現在一百二十年過去了 我們仍然沒有找到最後的真相 我們不知道 大自然是不是還會允許我們繼續尋找真相 我們甚至都不知道 世界背後到底是有一個真相 還是有無數個真相 但是這不妨礙我們繼續探索下去