擼貓泡妞擲骰子——從薛定諤到扎克伯格,你不可不知的量子物理
愛因斯坦生氣地說:
「玻爾,上帝不會擲骰子!」
玻爾則一臉不高興:
「愛因斯坦,別去指揮上帝應該怎麼做!」
幾十年後的霍金,看著歷年的實驗記錄,
有些垂頭喪氣地說:
「上帝不但擲骰子,
他還把骰子擲到我們看不見的地方去!」
這就是我第一次看完這本書,眼前彷彿出現的情景。
「意識作用於外部世界」、「宇宙的歷史,可以在它已經發生後,才被決定究竟怎樣發生的」等許多理論,古怪到超出了我們、事實上也包括許多科學家的心理極限。
而時至今天,真相依舊披著神秘的面紗,量子物理學的華山論劍還在繼續。
但是,Facebook的創始人扎克伯格,在曬娃的第一次「學習」時,手捧的竟是《嬰幼兒量子物理學》,簡直亮瞎了我的雙眼。
「量子物理學」是什麼?為什麼被扎克伯格列入他的「寶貝計劃」中?
今天,我們就來推薦一本文科生也可以當作歷史書看的科普讀物:《量子物理學史話:上帝擲骰子嗎》,並決定從那隻大名鼎鼎的「薛定諤的貓」講開去。
領讀︱非常一刀
曹天元,《????上帝擲骰子嗎?》作者。?????
知乎上這樣介紹他:科普作家,1981年生於上海,中學畢業後赴美國和中國香港讀書,主攻專業為生物化學和電子工程,現任CCTV新科動漫首席品牌顧問、北京交叉點擊文化傳媒公司品牌總監。代表作《上帝擲骰子嗎:量子物理史話》被稱為中國的《時間簡史》。
這隻貓是量子物理學的噩夢,糾纏著眾多物理學家。
量子物理學,並不是什麼艱深的概念。
什麼叫量子?先從我們的常識說起,這也是經典物理學的常識:能量是無限連續的;可是量子物理學並不這樣想,他們認為量子是能量的最小單位,一切能量的傳輸是一份一份的,必須是一個量子,兩個量子,任意整數個量子,但卻不能傳輸1/2量子。
是不是很簡單?能量是一份一份的,每一份被稱為一個量子。
1900年12月14日,普朗克(德國物理學家,1858年-1947年) 在柏林的物理學會上,宣讀了《黑體光譜中的能量分布》,正式宣告了量子的誕生。PS:本文提及的物理學家沒有不著名的。
經典物理的世界,科學家們為了掰持清楚「光」是粒子還是波,後來又延伸到「電子」是粒子還是波,不同的學派之間自17世紀開始,進行了長達三百年的撕逼大戰。
而量子物理學的出現,卻用和稀泥的手段,想要掩蓋這場武林的紛爭。玻爾(丹麥物理學家,1885年-1962年)這樣解釋:電子既是波、又是粒子。
可是,一個電子如何以奇特的分身術,穿過雙縫?科學家沒法做出合理的解釋,即使單純從數學上,這兩種狀態也是沒法互相推導的。
雙縫干涉實驗圖
於是,量子物理學家又解釋說:在我們觀測電子以前,電子實際處在一種疊加態,它既穿過了左縫,又穿過了右縫。但是,當我們真的去觀測它的時候,見證奇蹟的時刻便到來了:電子像鬼魅一般,它以一個確定的位置出現。
什麼,見鬼了吧?科學家們可不是這樣容易糊弄的。薛定諤先生(奧地利物理學家,1887年-1961年)聽完疊加態的理論,立馬不幹了。於是,他想像了一個巧妙地實驗,來噁心這個可怕的疊加態。這,就是為世人熟知的「薛定諤的貓」。
我們再重複一遍,量子論說:在一個粒子被觀測之前,它處於各種可能性的疊加態。比如,一個放射性原子,在被觀測之前處於「衰變/不衰變」的疊加態,只有確實地觀測了,它才隨機選擇其中一種狀態示人。
薛定諤想像了一個巧妙地實驗:每當原子衰變,就會激發箱子里的毒氣瓶破裂,鎖在箱子里的貓,就會被毒死。在我們尚未實際觀測時,原子處於「衰變/不衰變」的疊加態,只有我們實際去觀測時,原子才奇蹟般地選擇衰變或不衰變。問題來了:那麼只要我們不觀測,這隻貓難道永遠處於「死/活」的混合狀態?
關於薛定諤的貓,讓許多科學家展開了更多的遐想。當我們不去觀測這個世界的時候,一切事物都是處在不確定的疊加態嗎?如果把貓換成人,他絕不會感到自己曾經處於「死/活」的疊加態吧。
人與貓不同的地方在於,人自己觀測了自己,也就是說人是有「意識」的動物。那麼更奇怪的問題來了:物理現象難道和「意識」相關?
本文提及的普朗克、玻爾、薛定諤都參加了第五屆索爾維會議
這張合影被譽為「物理學全明星夢之隊」的世紀照片
「薛定諤的貓」路人皆知,而「薛定諤的女朋友」也是同樣奇葩的故事,甚至還被搬上了話劇舞台。薛定諤先生在愛情、婚姻、性的觀念上,和常人有著一定的距離。他不拘禮法、風流狂放,對妻子也不隱瞞。
1926年,薛定諤創立了世人矚目的波動力學,他的工作熱情和靈感就要歸功於一位「神秘女郎」。
薛定諤經常去阿爾卑斯山上的Arosa度假,和妻子總是住在赫維格別墅。但是,1925年底的假期,他和妻子關係緊張,陪他在Arosa度假的是一位來自維也納的「舊日的女朋友」。
後人從薛定諤留下的蛛絲馬跡中看,她不像任何一位人們已知的情人。但可以肯定的是,這位神秘女子,極大地激發了薛定諤的靈感。他在接下來的12個月,維持著亢奮的狀態,連續發表了六篇關於量子力學的的主要論文。
2001年11月,劇作家MatthewWells的作品《薛定諤的女朋友》(Schrodinger s Girlfriend),在舊金山著名的Fort MasonCenter首演。當中一句著名的台詞就是:「到底是波--粒子的二象性難一點呢,還是老婆--情人的二象性更難?」
事實上,薛定諤還過著一妻一妾的生活。好吧,點到此為止,歷經風浪的他,和妻子白頭偕老。八卦完了,其實我們不要因為道德問題,而全面否定一個人就是了。
話說回到量子物理學。在量子論的指導下,科學火箭般的速度發展,從半導體到核能,從激光到電子顯微鏡,從集成電路到分子生物學,它給人類社會帶來了偉大的技術革命。科學家關於終極理論的追求,也從未停止過探索。
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非﹒常 推薦
《上帝擲骰子嗎》
曹天元 [著]
遼寧教育出版社
2006年出版
豆瓣評分
9.2(13137人評價)
領讀者 最後要說
誠如本書封底折頁上所述:本書適合任何有中學基本物理概念的讀者。我也覺得,這是一本文科生都可輕鬆閱讀的物理科普讀物。繼續引用折頁上的原話:「這本書帶讀者做一次量子之旅,從神話時代出發,沿著量子發展的道路,親身去經歷科學史上的烏雲和暴雨,追逐流星的輝光,穿越重重迷霧和險灘,和最偉大的物理學家們並肩作戰。除了回顧基本的歷史背景,還將向著未來探險,去逐一摸索量子論面前的不同道路,闖入人跡罕至的未知境地,和先行者們一起開疆擴土。讓人驚嘆的,不僅僅是沿途那令人眼花繚亂的絢麗風景,更來自於人內心深處的思索和啟示——那是科學深植在每個人心中不可抗拒的魅力。」作者的文采可見一斑。
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