看完，你就懂了“量子力學”

我們總是抱有懷疑這個世界到底是什麼 如果人類發現不了黑洞 探測不到基本粒子 那我們可能就不會想的太多 但現在已經晚了 人類自從打開量子世界的大門 發現它和宏觀世界截然不同 如果說宏觀世界是一加一等於二 那量子世界就是二等於一加一 大家好 我是一號 這期我們聊聊量子世界 不知道你有沒有發現 生活的樂趣其實在於站隊 有的人喜歡狗 有的人喜歡貓 有的人喜歡外星人 不管這些人有沒有自己的圈子 在聲明立場的時候 他們都會毫不猶豫的站隊 看對方也跟看那啥一樣 其實不光是人 動物也一樣 如果你仔細觀察 會發現狗也有朋友 他們也會站隊 每天待在一起的一隻就那麼幾隻 不信的話 你可以留意一下 這其實挺有意思的 以後我們也可以研究下狗的社會關係 爲什麼說到站隊呢 早期研究光的人就可以分爲兩個陣營 最先流行起來的是波動派 惠根斯最先認爲光就是波 光的干涉現象就是最直觀的證明 兩束光交叉就會產生干涉條紋 但有一個疑問惠根斯一直沒有解決 就是光的衍射問題 光在經過小孔時就會偏離直線傳播 他一直很苦惱 並且一直解釋不了 後來牛頓也對這事開始感興趣 他認爲光既然都是直線傳播 並且遇到障礙物還會反射 這和經典力學扔石頭沒有區別 光一定是粒子 然後他又提出了光的威力說 力挺光是粒子 牛頓在當時物理學界那就是信仰 他說什麼 別人就信什麼 以牛頓爲首的粒子派開始流行 但是粒子派不能解釋光的折射 雖然很多人認爲是以太在作怪 但也只是猜想 實驗證明不了 後來托馬斯楊無意間發現 光照過兩條縫隙時 會產生非常明顯的干涉現象 這可是親眼所見 如果光是粒子 按道理穿過兩條縫隙 那肯定會形成兩樹 波頓派復古成功 取締粒子派成爲主流 這其實是一件大事 牛頓的理論竟然有人撼動了 但是光的故事一言波折 後來光電現象被發現 就是光撞擊物體會變成電子 光好像又是一連串的粒子組成 粒子派又開始佔據上風 兩個學派之下 都有自己能拿得出手的證據 爭執就從來沒有停過 誰也不服誰 誰都有自洽的一套 不可能輕易改變信仰 其實後來已經有人想到了 光會不會既是波又是粒子呢 這個想法很大膽 也很危險 但還是得做實驗論證 從1909年開始 就有人在做這個非常直觀的雙峯干涉實驗 直到現在科學家也在不斷嘗試這個實驗 但結果都是一樣 一臉懵逼 雙峯干涉的實驗原理很簡單 就是利用光源照射兩個平行的狹縫 然後觀察後面屏幕上出現的光點 按道理來說 這個實驗只會有兩種可能 第一種光是粒子 那麼背後的屏幕上就會出現兩條槓 這個很好理解 光子被髮射出去 要麼從左邊縫隙過 要麼從右邊縫隙過 發射足夠多的光子之後 背後的屏幕一定會出現兩條槓 第二種光是波 那麼屏幕上就會出現干涉條紋 這個也很好理解 你可以把光波想象成水波 波紋在經過兩道縫隙時 會形成兩個新的波紋 然後兩個波紋交融在一起 最終打到屏幕上 就會形成有亮部和暗部的斑馬紋 相交的部分更亮一些 不相交的部分暗一些 好了 理論咱們有了 開始實驗 剛開始光源是連發模式 對着雙縫就是一陣突突突 一段時間後 屏幕上出現了非常明顯的斑馬紋 無可厚非 波騰派勝利 但是呢 粒子派不服 光子明明是一顆顆射出去的 你怎麼可以連發呢 那麼好 光源啓動單發模式 保證一次就發射一個光子 然後對着雙縫又是一陣突突突 剛開始屏幕上是一個個小點 但是慢慢的屏幕上又成了斑馬紋 還是波騰派預想的干涉條紋 波騰派再次勝利 實驗結果出來了 兩個血派都有點蒙 按理說 單個光子要麼穿過左邊縫 要麼穿過右邊縫 不可能會形成干涉 屏幕上只會出現兩條槓 難道光子在穿縫之前分拆成了兩個 抱着這個疑問 繼續做實驗 這次在雙縫後面加上攝像機 到底看看光子穿過了哪條縫 結果是每次光子只會穿過一條縫 和想象的一樣 光是粒子 但是在加了攝像機之後 奇怪的事情發生了 背後的屏幕上不再形成干涉條紋 也就是不加攝像機時 光表現出了波的性質 出現干涉條紋 但是加了攝像機 光就表現出了粒子的性質 不出現干涉條紋 這種現象有個名字 叫做量子擦除 大概意思就是 當你得知量子路徑時 它就不產生干涉條紋 當你不知道量子路徑時 它就會產生干涉條紋 到這裏別說你想不通 我也想不通 愛因斯坦也想不通 別看愛因斯坦的理論各種玄乎 時間可以不一樣 光速永遠穩定 但他堅信我們這個世界就是客觀世界 客觀世界怎麼定義呢 不管你去不去觀察 這個世界都是存在的 不可能說你出門了 那你的房子就不在了 你回家了 房子就變出來了 你究竟有沒有房子 跟你回不回家有關係 還有個比喻也挺有意思 一場球賽 球員能不能進球 和很多因素有關 要麼是今天髮型沒做好 影響了心情 要麼是今天沒吃飽 力氣沒夠 唯獨不會和你 有沒有坐在電視機面前有關係 不可能說你看電視了 球就進了 你沒看電視球就沒進 這怎麼想都有點不可思議 但其實有一個世界跟量子世界很像 也比較有意思 就是遊戲 球員員在編寫遊戲代碼時 往往會爲了節省電腦的運算量 遊戲人物到哪裏 哪裏資源才刷新 你如果不出現 那裏肯定沒東西 而且那裏面有沒有東西 會出現什麼 都是註定好了的 這就和你在遊戲中抽獎是一個道理 你以爲抽獎的希望在於那個轉盤 其實轉盤只是走個過程 按照程序設定 你抽獎之前就已經決定了 你會不會中這次獎了 遊戲世界和量子世界相似的地方有很多 我們以後可以專門出一期 這還挺有意思 愛因斯坦雖然挺懷疑 但他也做了不少貢獻 他也因爲在光電效應的研究 獲得了諾貝爾物理學獎 經過他的解釋 很多人才意識到 可能光有的時候是波 有的時候是粒子 量子力學有個大升級的人物 這個人年輕時 就喜歡在踢球時思考物理題 幸好自己是守門員 還能有時間去發呆 他就是尼爾斯·布爾 布爾後來和海森堡等人 一同提出了《哥本哈根詮釋》 來解釋量子力學 大概就是這麼幾個基本原則 一,量子力學本質上就是不確定的 你不能用宏寬的概念去闡述它 二,對應原理 大尺度的宏寬量子行爲 應該是接近經典物理行爲 三,波人定則 量子系統的描述是概率性的 也就是測不準 四,互補性 粒子的某些性質 同時只能確定展現一個 不能同時展現出兩種行爲 就比如波或者粒子 並不是波和粒子 哥本哈根學派堅持認爲 量子力學的研究 你就不能用經典物理學來解釋 這本來就是兩個不同的世界 即使宏寬世界看上去是絕對論 但到了量子世界 它就是不確定的 但愛因斯坦不這麼想 他就堅持認爲 客觀世界就是客觀世界 只要是客觀世界 就一定遵循絕對論 愛因斯坦和波爾的爭論經常發生 而那句 上帝不會治色子 就是跟波爾爭論時候說出來的 而著名的薛老師的貓 也是薛老師拿來噁心哥本哈根學派的 既然你們說宏觀世界和量子世界不一樣 那薛老師的貓 其實就鑽了這個牛角尖 貓是宏觀世界的吧 貓既能滿足既死又活的狀態嗎 顯然不能 在這段時間裏 愛因斯坦也聯合了很多物理學家 提出了一系列的思想實驗 噁心波爾 而波爾也確實被噁心到了 直到自己去世 還一直想着怎麼噁心回去 愛因斯坦研究量子力學 其實也挺懵逼的 35歲自己就成名了 之後的時間裏 卻因爲上帝會不會吃色子的問題 一直很鬱悶 不過愛因斯坦還是堅持自己的決定論 如果說到底是什麼原因 讓量子有不確定的自身屬性 一定是存在什麼隱藏的變量 但直到離世 兩位大佬都沒能看見各自的信仰被證實 量子事業有個非常讓人難以理解的現象 量子糾纏 就是你將一堆粒子分開之後 不管把它們分到哪去 分開多遠 觀測其中一個粒子 發現它的磁圈向上 那麼另外一個粒子 必然磁圈向下 這裏的磁圈大家要知道 它並非真的在旋轉 而是一種自帶的物理屬性 怎麼理解量子糾纏呢 就相當於一雙鞋子 分成兩隻分別送給小白和小黑 小黑如果打開盒子發現鞋子是左腳 那麼小白打開盒子發現鞋子一定是右腳 那可能有同學說了 你這不是廢話嗎 對確實沒有什麼問題 但是如果我告訴你 鞋子的左右腳不是事先分好的 在沒有被觀測之前 分開的兩隻鞋子 既是左腳又是右腳 而是必須經過觀測 才能確定兩個鞋子的狀態 其中一個是左腳 那麼另外一個必須是右腳 這雙鞋子不管你們把它們分開多遠 它們其中一個被打開 一定會影響到另外一隻鞋子 它們之間的信息傳輸 可以說是無限快 也可以說是同時發生 按照量子力學的解釋 這個就很難受了 一雙鞋子被分開 它只能是左腳和右腳 爲什麼它還能處在 既左又右的疊加態呢 哎 量子力學就是這麼不講道理 你說到鞋子是左腳還是右腳 一定要看了才知道 這裏有個關鍵的東西就是看 只有觀察者看了 這個鞋子纔會癱瘓 變成可以實測的本正態 但現實世界是什麼 兩隻鞋子被打開後 一定是不同的 並不存在相互影響 因爲這肯定是提前確定好的 愛因斯坦也是這麼覺得 難道我不觀察 這個東西就不存在了嗎 怎麼可能 愛因斯坦認爲 量子的超級相互作用就是胡扯 沒有東西可以違背局域性原理 局域性原理就是 一個地方發生的事件 不可能立刻影響到另外一個地方 關鍵是狹義相對論的說 任何物質和信息的傳播速度的上限 就是光速 如果量子力學對了 那愛因斯坦就站不住腳了 所以愛因斯坦認爲 鞋子在分配之前就已經確定好了的 這是一個完全決定性的原理 至於這兩隻鞋子是誰分配的 那個人肯定躲了起來 而這個躲了起來的人 就是愛因斯坦認爲的 一定存在的隱蔽量 但是量子力學之所以能走到今天 必然有拿得出手的證據 不過想做量子糾纏的實驗沒那麼簡單 兩個量子的狀態 不管你先看哪個 都會看到一個確定的狀態 而另外一個必然是相反的狀態 這個幾乎沒有辦法完成實驗 需要觀察者介入 那確定其中一個 必然另外一個就是相反的 不管是經典力學還是量子力學 都滿足這一點 那怎麼辦呢 後來有個關鍵的人出現了 這個人就是約翰·貝爾 貝爾上大學的期間 就喜歡研究量子力學 他看了愛因斯坦和布爾兩個人 關於量子力學的論文 覺得愛因斯坦比布爾聰明多了 貝爾也堅持認爲 上帝是不可能製鞋子的 反觀布爾的觀點 總感覺他有點像搞哲學的 並不是搞科學的 這樣貝爾一直覺得 量子力學的理論一定是不對的 愛因斯坦還指示認爲 量子力學的理論是不完善 可能存在什麼隱變量 人類還沒發現而已 而貝爾的觀點更爲激進 量子力學可能完全就是錯的 他在研究隱變量的過程中 得出了一個結論 對於隱變量理論 如果它滿足局域性 那它就不可能滿足量子力學 如果它滿足量子力學 它就一定不可能是局域性的 1964年 貝爾將這個結論放進了他的論文中 並且還提出了著名的貝爾不等式 貝爾不等式的推導過程比較硬核 這裏咱們就不展開了 貝爾不等式的最重要的前提就是 局域實在性 也就是隱變量需要滿足局域實在性原理 從理論上推導 經典力學滿足貝爾不等式 但量子力學不一定滿足貝爾不等式 理論上來說 隱變量在量子力學中已經被推翻了 貝爾親自用理論證明了自己的信仰是錯的 其實貝爾自己也比較虛 他覺得可能是哪裏出錯了 但他最大的貢獻就是讓量子糾纏 可以通過實驗來驗證了 後續的實驗比較硬核 也比較複雜 咱們就不展開講了 但諸多實驗都證明了 哥本哈根學派是對的 隱變量不存在 量子糾纏具有超級作用 一開始分鞋子的時候 就沒有確定因素在 而被分開的兩隻鞋子 它就既是左腳又是右腳 如果說有什麼實驗可以證明 也更直觀 幽靈成像實驗其實可以 原理很簡單 光源發射出重疊的光子 一組光子走有模板的方向 另一組走沒有模板的方向 然後神奇的現象發生了 另一組不穿過模板的光子 顯示出了那組穿過模板的圖像 仔細想想這個實驗十分直觀 光子不可能在穿過模板的時候 再返回回來 穿到另外一組反射圖像吧 沒有模板的那組光呈現的圖案 可以說就是同時顯示出來的 這其實就是我們開頭想說的 二等於一加一 其實這裏也沒有先後的過程 只是因和果同時發生了 這個在我們現實生活中很難想象 宏觀世界中 我們都習慣了纖維因再有果的順序 我做了這個視頻是因 你看到這個視頻是果 按照量子力學的解釋 因和果同時發生了 我在做這個視頻的時候 你也在看這個視頻 可能很多同學到這裏有點懵 我其實也挺懵的 貝爾在之後的時間裏也一直很懵 經過民俗酷想 他給出了一個讓大家也很懵的解釋 終極決定論 他認爲這個世界 這個宇宙的所有規律都是決定好的 每一步都是絕對精確的 客觀世界下的運動都是安排好的 我們做的每一步也都是提前確定好的 甚至人的自由意志也不是自由的 也都是確定好的 不會被改變 貝爾本來的貢獻是把量子力學 從哲學那裏給拉了出來 讓它能被物理實驗所驗證 之後卻用畢生的經歷 又把量子力學給推回到了哲學世界 愛因斯坦的決定論 其實和他的差別還是很大的 愛因斯坦認爲所有的事情 都會被人的認知 舉止 決定和行爲影響 一件事情的發生 必然有其所有因素彙集而成 人的自由意志 其實是決定論的一個關鍵所在 但也只是世界會不會發生的一個因素罷了 但到了貝爾這裏沒有辦法了 只能用終極決定論來解釋了 愛因斯坦如果知道自己錯了 會不會也相信貝爾這一套 之前聽過一句話 如果你自認爲懂了量子力學 那你肯定沒懂 如果你鑽研了量子力學 覺得還是沒懂 那麼恭喜你 你可能入門了 到這裏你是懂了還是沒懂呢 我是一號帶你探索宇宙 今天我就用最直觀 通最懂的語言 來清晰表達宇宙高維度 世界到底是怎樣的 首先來分析零維生物 零維就是一個點 這意味着零維生物 永遠只能在這個固定的點存在 一旦這個點發生火災 零維生物無法逃離 下面來看一維生物 一維度是一條線 所以即便這條線上的某個地方發生火災 一維生物也能很快逃離 但是一旦這條線的兩個點 同時發生火災 而一維生物恰好又在這兩個點內 那麼此時一維生物也沒有辦法 除非它將自己升級到二維度 由於二維是一個平面 所以兩個點發生火災時 二維生物可以往另外一個方向移動 從而避開火災 但是當火災在平面上形成一個圈 而二維生物恰好在圈裏時 那麼此時它也沒有任何辦法 除非它將自己再次升級一個維度 也就是升級到第三維 而具體的行爲就是跳出當前的平面 而三維世界是我們最熟悉的世界 因爲目前我們所能直接感受到的 空間維度只有長寬高 但是當三維生物在一個屋子裏 而屋子四面八方都着火了 此時三維生物也沒有辦法 但是四維生物卻可以逃離這場火災 那麼第四個維度到底是什麼呢 其實就是時間 雖然目前很多網友並不認爲 時間是一個維度 很多人覺得 時間只是人頭腦虛構出的一個概念而已 但是時間如果真的只是人腦的主觀產物 那麼當人類還沒有誕生之前 宇宙難道就沒有時間了嗎 其實時間早在宇宙大爆炸的時刻 就已經誕生了 所以時間誕生在前 人類誕生在後 時間很明顯不是人類大腦的主觀產物 而是一種真正實時的客觀存在的事物 那麼四維生物如何藉助於時間這個維度 來逃離已經着火的房間呢 很簡單 因爲四維生物擁有一項三維生物所不具備的能力 也就是看見時間 四維生物早就知道未來這個時刻房間會發生火災 所以它只需提前走出這個房間 即可逃離這場火災 請注意 四維生物擁有的看見時間的能力 和我們三維生物推理時間的能力是不一樣的 我們作爲三維生物的人類 雖然可以通過物理學公式 對未來即將發生的事情做一些預測 比如我們可以用牛頓力學推演出一個小球 將來某時刻會出現在哪個位置 但是這種推演其實並不能保證百分之百的精確度 這個過程有太多的不確定性因素在裏面 但是四維生物卻可以直接看見時間 時間這個維度對於四維生物而言 就像是一個幾何維度一樣 可以被直接看見 這就好比於四維生物手裏拿着一件錄像帶 它可以很早知道將來的結局 從而提前做出應對措施 但是有一些極端的情況 就連四維生物也沒有辦法解決 也許你會想 既然四維生物都已經能預知未來了 爲何還有它不能解決的問題存在呢 很簡單 假設此時有一顆巨大的隕石 即將撞向地球 而四維生物的文明發展的程度 還不足以摧毀這顆隕石時 這意味着世界末日即將到來 所以此時四維生物在末日到來前 不論做出何種選擇 也改變不了最終的命運 但是五維生物卻可以逃離這場災難 這是因爲五維生物多出了一項開掛的技能 走進平行世界 當五維生物走進另外一個平行世界時 它就能順利躲過這場災難 因爲宇宙下的所有世界的演化是多樣化的 不可能出現所有平行世界 在同一個時間節點都迎來世界末日的情況 但是你以爲五維生物就已經無所不能了嗎 其實也不是 有一種災難就連五維生物也無法避免 那就是宇宙的壽命走到了終點 關於宇宙的歸途 雖然科學界存在較大爭議 但是既然宇宙有起點 就意味着肯定也存在終點 當宇宙走向末日時 五維生物不論如何切換平行世界 都無法逃離這場災難 這是因爲這些平行世界 雖然有不同的演化方向 但是卻隸屬於同一個宇宙之下 所以這些平行世界下的所有自然規律都是相同的 此時要想逃離這場宇宙末日的大災難 只有六維生物才能做到 那麼六維生物具有哪些能力呢? 那就是走向平行宇宙的能力 請注意 剛纔五維生物的能力 是走向平行世界 而六維生物的能力 是走向平行宇宙 兩者是不一樣的 如果你只是切換到了另外一個平行世界 你依然處於當前這個宇宙之下 但是如果你走向了一個平行宇宙 那麼你就會進入一個全新的宇宙 在這個全新宇宙下的物理規律 和原來的宇宙未必一致 雖然六維生物進入的新宇宙的物理規律變了 但是好歹也算是逃離了 原來宇宙世界末日的大災難 分析到此 似乎六維生物已經做到了無所不能 但是有一些事情是六維生物也無法改變的 那就是時間不可逆轉 這是因爲六維生物在切換平行宇宙時 它並不知道新的宇宙 到底遵循的是怎樣的物理規律 有可能這個新宇宙的物理規律 根本不可能誕生出生命來 所以如果六維生物 一旦進入到全新的宇宙 它的命運就由概率來決定了 但是七維生物卻可以打破這個困局 因爲七維生物不僅能隨意切換平行宇宙 還掌握了一項開掛的技能 那就是時間的逆轉 一旦七維生物發現進入的新宇宙 不適合生命存活時 可以馬上逆轉時間回到之前的時刻重新進行選擇 這意味着七維生物獲得了和永生箱等的效果 那麼還有沒有什麼事情 是七維生物做不到的呢 可以在評論區留言