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深度長文:量子世界為何如此詭異?完全顛覆你我的世界觀!

2024-02-16 19:11:18


在馬路上隨便撿起一塊石頭,然後朝上扔出去,你會發現石頭很快會落下來,你甚至可以輕鬆接住落下來的石頭。

石頭不會一直向上飛(當然假設你力氣足夠大,確實可以一直向上飛),也不會突然消失不見,更不會變成空氣或別的東西。

以上就是我們的日常生活認知,用專業物理術語來講就是我們的世界是可預測的,可描述的,可認知的,也是確定的。這也是愛因斯坦所說的“認知論”,屬於經典物理學範疇。

說白了,不管任何事物,只要我們能夠掌握這個事物的一切引數,就可以精確預測它的未來走向。

但量子力學的出現,讓我們熟知的經典力學戛然而止,徹底顛覆了人類的傳統認知。

還用文章開頭的例子打比方。

你朝上扔石頭,但石頭非但沒有落下來,反而一直向上飛,甚至朝各個方向雜亂無章地飛來飛去。更讓你抓狂的是,石頭竟然會同時出現在兩個地方,甚至在你還沒扔石頭時,石頭已經飛向天空了。

你是不是會徹底瘋掉?

但這就是量子世界時刻都在上演的事情,不僅僅你會因此而瘋掉,科學家們對此也非常吃驚,百思不得其解:量子世界為何如此違反我們的直覺?

簡單說:沒有人知道為什麼,起碼目前沒有人知道。但這並不能阻止科學家探尋問題答案的決心。

處於糾纏狀態的兩個粒子,無論相距多麼遙遠,哪怕是在宇宙的兩端,也能夠瞬間感應到彼此的存在。當我們觀測其中一個粒子的狀態時,另外一個粒子的狀態馬上確定,就好像兩個粒子有心靈感應一樣。

這種只能用機率來描述微觀粒子的方式,帶來了很多讓人類震驚的結果。比如說微觀粒子可以隨機穿越一些看似不可能穿越的屏障,穿越能量勢磊,這就是量子隧穿。

這就好像以你的能量,無論如何都無法越過一堵5米高的牆。但在量子世界,微觀粒子卻可以輕鬆做到,微觀粒子可以隨機瞬間穿越“那堵牆”,微觀粒子的位置是不確定的,可以出現在任何地方。

在量子世界還有更詭異的存在,那就是量子糾纏。

處於糾纏狀態的兩個粒子,無論相距多麼遙遠,哪怕是在宇宙的兩端,也能夠瞬間感應到彼此的存在。當我們觀測其中一個粒子的狀態時,另外一個粒子的狀態馬上確定,就好像兩個粒子有心靈感應一樣。

愛因斯坦把這種現象稱為“鬼魅般的超距作用”。

在愛因斯坦眼裡,我們的世界具有局域性(說白了就是任何物體對周圍事物的影響速度不能超過光速,就是光速限值),也被稱為“局域實在性”。但量子糾纏打破了這個特性,它表明了世界是非局域性的。

事實上,量子糾纏是不傳遞任何資訊的,並沒有違反“光速極限”的限制。但對於這種詭異的現象,愛因斯坦非常排斥,認為量子世界肯定還存在某種沒有發現的“隱變數”,才會讓量子世界表現得如此奇特。

而以波爾為首的哥本哈根學派的詮釋是這樣的,任何微觀粒子都具有疊加態,也就是不確定性。

用現實宏觀的例子打個比方。

把一副手套分別裝在盒子裡,放在相距1000光年遠的地方(無論多遠都可以),分別放在A點和B點。

按照經典物理詮釋,雖然我們不知道A點是左手套還是右手套,但其實已經確定了,只是我們還沒有開啟箱子確認而已。無論我們看或者不看,都是確定的。

如果A點的手套是左手套,我們立刻就知道B點的手套是右手套。

但按照量子力學的詮釋,A點到底是左手套還是右手套是不確定的,這裡的“不確定”並不是因為我們沒有觀看,而是一種“內在秉性”。也就是說A點是左手套和右手套的疊加態,當我們觀看的那一刻,疊加態就坍縮為本徵態(確定態)。

說白了,量子世界的確定與否,取決於觀測行為。

對於愛因斯坦薛定諤等反對哥本哈根學派的科學家來說,量子糾纏和“疊加態”是非常可怕的,他們很難接受。

不過上世紀60年代,貝爾做了一系列測試,測試更傾向於哥本哈根學派的觀點,也就是非局域性觀點,最著名的就是貝爾不等式(之後會詳細講述)。

於是,量子世界的不確定性被主流科學界認可。

事實上,量子糾纏現象對於研發量子計算機非常重要,可以讓量子計算機的計算速度相對普通計算機有質的提升。

量子計算機與普通計算機有著本質的不同,最大的不同就是計算方式。

量子計算機的速度為何這麼快呢?

舉個通俗的例子就明白了。假設有了兩個個電器,每個電器都有一萬根電線,這兩萬根電線必須一對一連線上,需要與某根特定的電線連線,才能夠正常運作,但你不知道到底是哪一根。

這種情況下,我們必須挨個進行試驗,把其中一個電器的一根線拿出來,分別連線另一個電器的一萬根線,這意味著(最多)需要一萬次才能確定這根線到底該連線另一個電器的哪根線。

如果把一萬根線全部試驗一遍,最多需要一萬乘以一萬次(也就是一億次)才能完成。

但在量子世界,就不用如此麻煩了,由於量子糾纏是瞬間完成的,兩萬根線就像糾纏中的兩萬個粒子,理論上可以瞬間透過糾纏的方式確定下來到底該如何連線。

當然,這只是理論上分析,實際操作起來還是非常麻煩的。比如說,科學家操控一對糾纏中的粒子並不難,但要同時操控很多糾纏中的粒子就非常困難了。這也是量子計算機難以製造的難點之一,還有很多困難需要不斷克服。

但無論如何,量子力學讓我們看到了一個不一樣的世界,它非常詭異,甚至完全顛覆你我的世界觀,但有關它的應用卻真實存在,並且已經帶給我們完全不一樣的科技體驗,比如說,你每天都使用的手機中的晶片就含有量子科技。

科學家對量子力學本質的研究不會停止,未來某天人們揭開量子力學的真面目時,很可能意味著人類文明科技會上升一個新的臺階!

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