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20140623读书-《时间简史》之量子的世界-02

来源:扶风 发布时间:2014-8-30 13:16:06
北京-坤山:今天是我们的第11次讨论,本次讨论的主题是“量子的世界”。我们一起来学习一些量子物理学的关键内容。量子物理学和广义相对论是现代物理学的两大支柱。量子物理学适用于微观世界,而广义相对论适用于宏观世界。
我们先来看一下《时间简史》的内容:科学理论,特别是牛顿引力论的成功,使得法国科学家拉普拉斯侯爵在19世纪初论断,宇宙是完全被决定的。拉普拉斯也是很有名的科学家。他认为存在一组科学定律,只要我们完全知道宇宙在某一时刻的状态,我们便能依此预言宇宙中将会发生的任一事件。
这种情形下的宿命论是显而易见的。很多人强烈地抵制这种科学宿命论的教义,他们感到这侵犯了上帝干涉世界的自由。但直到20世纪初,这种观念仍被认为是科学的标准假定。这种信念必须被抛弃的一个最初的征兆,是由英国科学家瑞利勋爵和詹姆斯•金斯爵士所做的计算,他们指出一个热的物体,例如恒星,必须以无限大的速率辐射出能量。就所谓的热体辐射问题。
这个应该是当时物理学天空里面的另外一朵乌云。第一朵乌云,我们上次讨论了,最终导致了相对论的产生和牛顿力学体系的崩溃。按照当时我们所相信的定律,一个热体必须在所有的频段同等地发出电磁波(诸如无线电波、可见光或X射线等)。
例如,一个热体在1万亿赫兹到2万亿赫兹频率之间发出和在2万亿赫兹到3万亿赫兹频率之间同样能量的波。而既然波的频谱是无限的,这意味着辐射出的总能量必须是无限的。所有物体都辐射电磁波这个事情,大家都知道吧?这里的问题是,根据当时的物理学理论,这个辐射的总能量是无穷大的。为了避免这显然荒谬的结果,德国科学家马克斯•普郎克在1900年提出,光波、X射线和其他波不能以任意的速率辐射,而必须以某种称为量子的形式发射。
量子就是定量的意思。并且,每个量子具有确定的能量,波的频率越高,其能量越大。这样,在足够高的频率下,辐射单独量子所需要的能量比所能得到的还要多。因此,在高频下辐射被减少了,物体丧失能量的速率变成有限的了。量子假设可以非常好地解释所观测到的热体的发射率,但直到1926年另一个德国科学家威纳•海森堡提出著名的不确定性原理之后,它对宿命论的含义才被意识到。
为了预言一个粒子未来的位置和速度,人们必须能准确地测量它现在的位置和速度。显而易见的办法是将光照到这粒子上,一部分光波被此粒子散射开来,由此指明它的位置。然而,人们不可能将粒子的位置确定到比光的两个波峰之间距离更小的程度,所以必须用短波长的光来测量粒子的位置。
现在,由普郎克的量子假设,人们不能用任意少的光的数量,至少要用一个光量子。这个光量子会扰动这粒子,并以一种不能预见的方式改变粒子的速度。量子,是一个数量单位吗?不是单位,上面的意思是说光波是有最小单元的。这个最小单元就是光量子。
浅浅:量子是什么还不知道呢?
山西-阳光之旅:无形的能量粒子。
北京-坤山:比如热体辐射出来的电磁波,也就是光,必须以量子的形式发生,即一个量子,一个量子的辐射,类似于一个粒子。
浅浅:是不是最小的集合元素单位?
北京-坤山:可以理解为最小的能量单元。
美国-扶风:光量子的量子与量子是一会事吗?
北京-坤山:是的。
山西-阳光之旅:不可预见性的量子动态是不确定性的?
美国-扶风:原认为量子是粒子的一种。
北京-坤山:这个最开始是一个假设,即假设光有最小的能量单元,称为量子。这个假设可以很好的解释为什么热体辐射的能量不是无限大的。
我们继续啊。刚才说到,要确定一个粒子的位置,需要用光去测量。而光的最小单元是一个光量子。而且频率越高,光量子的能量越大。要获得精确的测量位置,需要高频率的光。这样粒子的速度就被扰动得越厉害。换言之,你对粒子的位置测量得越准确,你对速度的测量就越不准确,反之亦然。海森堡指出,粒子位置的不确定性乘上粒子质量再乘以速度的不确定性不能小于一个确定量——普郎克常数。并且,这个极限既不依赖于测量粒子位置和速度的方法,也不依赖于粒子的种类。量子物理学认为海森堡不确定性原理是世界的一个基本的不可回避的性质。
从不确定性原理的描述,我们可以看到这种不确定性仅仅在质量很小的时候才比较明显,质量大了之后不确定性就基本上消失了。这也是为什么只能在微观粒子层面上观测到这种现象的原因。不过这里有一个物理学家们不太感兴趣的关键问题,即从上面的用光测量粒子的方法中我们是否能得到一些关于观察者本质的启示?
山西-阳光之旅:这又出现了类似盲点的性质?
北京-坤山:那个测量粒子的光是不是很像是个观察者呢?我们先不展开啊,继续看时间简史。不确定性原理对我们世界观有非常深远的影响。甚至到了50多年之后,它还不为许多哲学家所鉴赏,仍然是许多争议的主题。不确定性原理使拉普拉斯科学理论,即一个完全宿命论的宇宙模型的梦想寿终正寝:如果人们甚至不能准确地测量宇宙的现在的态,就肯定不能准确地预言将来的事件了!
20世纪20年代。在不确定性原理的基础上,海森堡、厄文•薛定谔和保尔•狄拉克运用这种手段将力学重新表达成称为量子力学的新理论。在此理论中,粒子不再有分别被很好定义的、能被同时观测的位置和速度,而代之以位置和速度的结合物的量子态。
一般而言,量子力学并不对一次观测预言一个单独的确定结果。代之,它预言一组不同的可能发生的结果,并告诉我们每个结果出现的概率。也就是说,如果我们对大量的类似的系统作同样的测量,每一个系统以同样的方式起始,我们将会找到测量的结果为A出现一定的次数,为B出现另一不同的次数等等。
量子力学可以预言结果为A或B的出现的次数的近似值,但不能对个别测量的特定结果作出预言。因而量子力学为科学引进了不可避免的非预见性或偶然性。尽管爱因斯坦在发展这些观念时起了很大作用,但他非常强烈地反对这些。他之所以得到诺贝尔奖就是因为对量子理论的贡献。
即使这样,他也从不接受宇宙受机遇控制的观点;他的感觉可表达成他著名的断言:“上帝不玩弄骰子。”然而,大多数其他科学家愿意接受量子力学,因为它和实验符合得很完美。它的的确确成为一个极其成功的理论,并成为几乎所有现代科学技术的基础。它制约着晶体管和集成电路的行为,而这些正是电子设备诸如电视、计算机的基本元件。它并且是现代化学和生物学的基础。
测不准原理和量子态是个很不好理解的概念,以至于这个理论刚刚提出的时候,物理学家们都不知道怎么解释这种现象。微观粒子的量子态和我们日常的体验差得实在是太远了。
举个例子,假如一个人能够处于量子态,那么他将以一种概率分布的形式同时存在于多个空间位置上,只有当你看他一眼的时候,他的位置才会突然确定下来。这样的微观粒子行为显然超出了任何物理学家的预期。与此相关的一个著名的思维实验就是所谓的“薛定谔的猫”。
美国-扶风:我仍然不明白测不准,但喜欢拿在口上。
北京-坤山:测不准很简单的概念,就是你不能同时准确测量一个粒子的位置和速度。难的是怎么解释这种现象。
山西-阳光之旅:人的思维就是测不准?
美国-扶风:知道是这样说,但明白不了,您继续。
北京-坤山:薛定谔的猫也是个能杀死大量脑细胞的东西,所以我们就不深入了。脑细胞冗余的同学可以去网上查一下这个实验。据说霍金曾经说过:“每当我听说薛定谔的猫的时候,我就想掏枪。”可见物理学家们有多讨厌这只猫。
美国-扶风:还好。
北京-坤山:还有一个与量子态相关的著名的现象就是所谓“量子纠缠”。两个(或者多个)粒子有时候也会进入一种所谓量子纠缠的状态,即两个粒子的状态不能被单独确定,只能给两个粒子一个总的量子态。
美国-扶风:只有当你看他一眼的时候,他的位置才会突然确定下来。⋯这个能展开吗?很汲引但不明。
山西-阳光之旅:孙悟空变换移位术二郎神找不见悟空的确切位置。
北京-坤山:就是这个粒子可能会以不同的速度存在于不同的位置上。只有去观察它的时候,才能确定它具体在哪个位置上。就好像说我有20%的概率在书房,50%的概率在卧室,30%的概率在客厅。我同时存在于这个几个位置上。只有当一个观察者来观察我的时候,我的具体位置才会被确定下来。没有观察者,我就是一团雾一样的东西。
山西-阳光之旅:四维空间的跳跃性。
北京-坤山:如果我们把两个量子纠缠的粒子分开任意远的距离去,它们还是会保持这个的量子叠加态。这时,如果我观察其中一个子系统,那么这次观察就会改变其中一个粒子的状态,而另外一个粒子的状态也会立即改变。看起来就好像无论距离多远,一个粒子都可以随时知道另外一个粒子的状态一样。这曾经是爱因斯坦1935年的一篇论文的内容,爱因斯坦认为这种现象是不可能的,称其为“远距离的幽灵行为”,并用这个思维实验试图来证明量子力学是有问题的。
山西-阳光之旅:不理解。看起来就好像无论距离多远,一个粒子都可以随时知道另外一个粒子的状态一样。
北京-坤山:就是一个粒子的状态改变了,会立即影响另外一个粒子。无论他们离得有多远。
李海榕:很难理解,好像时空不存在一样。
北京-坤山:这种影响不需要任何时间。但是后来这个现象被多次物理实验证实。最近人们甚至于在宏观的小钻石中也复现了这种量子纠缠行为。目前物理学还是没能很好的解释这个现象的原因。
守根:是否违反相对论。
新疆-边际:些事必有蹊跷。
北京-坤山:是的,违反相对论。因为相对论说没有任何信息可以超过光速传递。
新疆-边际:肯定违反了。
山西-阳光之旅:主要是为什么会影响?是啥主导,难道观察者,只是观察量子态就可以发生改变。
北京-坤山:微观粒子的量子态告诉我们如果没有观察者,微观世界可以处于很多种可能的状态中,只有当我们观察它的时候,它才呈现出一个样子给我们来看。
这很容易让我们想起来佛在楞严经中说的“性色真空,性空真色,清净本然,周遍法界,随众生心,应所知量,循业发现”。
守根:是否只有波色子才会纠缠?
山西-阳光之旅:知道了。
北京-坤山:不是,很多粒子都可以纠缠,甚至于分子也可能。
山西-阳光之旅:灯泡擦布擦得不是太亮。
北京-坤山:虽然牛顿力学,相对论和量子物理都不可避免的引入了观察者,但是物理学家们基本上还是在试图尽量减少观察者的“侵入”。我们不是物理学家,所以也许我们可以问一个他们不愿意问的问题。假如观察者的观察能力改变了,那么是否也会影响他所看到的现象世界呢?当然这又把我们引回到最初的问题上:观察者的本质是什么?视觉的本质是什么?此外,这段霍金关于宿命论和随机性的讨论,值得商榷。他显然没有考虑混沌理论和控制论在微观粒子的随机行为中可能起到的作用。混沌理论告诉我们看似随机的内容背后可能有非常确定性的规律。完全确定性的系统同时也可以有不可预测的行为。
所以霍金和很多物理学家相信的世界的随机性本质,很可能只是宇宙混沌本质的表象。下面我们来看一下著名的波粒两象性:虽然光是由波组成的,普郎克的量子假设告诉我们,在某些方面,它的行为似乎显现出它是由粒子组成的——它只能以量子的形式被发射或吸收。
同样地,海森堡的不确定性原理意味着,粒子在某些方面的行为像波一样:它们没有确定的位置,而是被“抹平”成一定的几率分布。量子力学的理论是基于一个全新的数学基础之上,不再按照粒子和波动来描述实际的世界;而只不过利用这些术语,来描述对世界的观测而已。所以,在量子力学中存在着波动和粒子的二重性:为了某些目的将波动想像成为粒子是有助的,反之亦然。
这导致一个很重要的后果,人们可以观察到两组波或粒子的所谓的干涉,也就是一束波的波峰可以和另一束波的波谷相重合。这两束波互相抵消,而不是像人们预料的那样,迭加在一起形成更强的波(图 4.1)。
062301.jpg
干涉的概念大家理解吗?
守根:理解。
北京-坤山:干涉是波的一种行为。上面那个图左侧的是两个正好相反的波,叠加的结果就是抵消为0,右侧是正好一致的波,叠加的结果就是加强。由于量子力学引进的二重性,粒子也会产生干涉。这也是本来物理学家没有预期到的一个行为。一个著名的例子即是所谓的双缝实验。
062302.jpg
左侧是粒子发生源或者光源。中间是一个有2个缝的挡板,右侧是一个屏幕。如果用光源入射,那么就会看到图中那样的忽明忽暗的干涉条纹。因为屏幕上不同位置到达两个缝隙的距离不一样,导致有时候波会叠加,有时候波会抵消。所以忽明忽暗。
非常令人惊异的是,如果将光源换成粒子源,譬如具有一定速度(这表明其对应的波有同样的波长)的电子束,人们得到完全同样类型的条纹。
更奇怪的来了:如果把电子束的发射调整到一个一个电子的发射,人们会以为,每个电子只穿过其中的一条缝,这样它的行为正如同另一个狭缝不存在时一样——屏幕会给出一个均匀的分布。因为大家都觉得一个电子,每次只能穿过一个缝隙。然而,实际上即使电子是一个一个地发出,条纹仍然出现,所以每个电子必须在同一时刻通过两个小缝!
电子有分身术。波粒两象性也是个很奇妙的事情,所有的物质的最小单元其实也可以被看成是一种空间分布式的波,毕竟一个电子可以同时穿过两个缝隙!
守根:魔法=量子力学。
北京-坤山:很多物理学家由此开始意识到东方智慧所说的色即是空,空即是色,并不像原来想象的那么离谱了。量子物理其实已经证实,我们一般认为的各种固体,比如桌子,椅子,电脑,汽车,甚至人体都可以看成是波的运动形式,它们本质上并不像我们感觉的那么实在。这和我们的直接体验差得又不是一星半点的。爱因斯坦的广义相对论和量子物理在时空观上存在着本质的矛盾。
广义相对论认为时空是平滑的,而量子物理学认为时空中有所谓的量子涨落。就是我们在分形的讨论时看到的最后一张图。当时说那个图也可以是真空的量子泡沫的图形。现代物理学的大部分精力都在试图解决这一根本矛盾上,目前流行的超弦理论是物理学家们最看好的理论。霍金在《时间简史》的大部分讨论其实也是围绕着这个问题展开的。
我感觉我们可能不太适合进一步深入霍金的其他讨论了,毕竟其中有大量的物理学的细节,让人很难进入。我们大概看一下和我们相关的一些结论。
广义相对论预言了宇宙起源于一个超越时间和空间的“奇点”的大爆炸。同时它还预言了类似于宇宙大爆炸奇点的黑洞。黑洞目前已成为了一个被观测到的事实。而当物理学家们把广义相对论和量子物理结合起来后,我们所理解的无限延展的四维时空,可以形成一个有限,但是没有边界和奇点的“球体”。就像地球的表面一样,即是有限的,又是没有边界的。
山西-阳光之旅:奇点黑洞盲点三角点。
北京-坤山:在这里我们又一次看到了控制论“重入/循环/反馈/自指/递归”的概念。宇宙好像就是很多圆,球,面包圈这样的反馈环一样。至于这个结论怎么的出来的,超出了我们这次讨论的范围。感兴趣的同修可以去看看时间简史第七章。
经过快一个月的时间,我们的讨论接近尾声了。在学习过视觉神经系统,控制论和物理学的一些知识后,我们的脑细胞死了一大片。不过我们也终于做好了基本的准备,可以开始回答一些“小西”提出的关键问题了。我们的讨论将再度聚焦到视觉的本质和客观世界的真实性上。
守根:没有。
北京-坤山:请大家结合二阶控制论的认知模型思考一下狭义相对论的光速为什么不依赖于观察者的速度?量子物理的测不准原理中的观察者的本质是什么?视觉的本质是什么?这将是我们后面几次讨论的内容。我们将试图从这里穿透目前的科学理论,进入佛教的六道轮回和华严世界。
深圳-何尘光:观察者的本质是否是干涉?
守根:费米子会纠缠吗?
北京-坤山:会的。
守根:费米子有泡利不相容效应。
北京-坤山:嗯,进一步的量子力学的内容,超出了我们的讨论范围。毕竟大部分人都不是学物理的。
守根:多个费米子不能处在相同的能量状态。
北京-坤山:我们只要搞清楚相对论和量子力学的关键点就可以了。都晕了,是吗?
山西-阳光之旅:一个人同时考虑多个问题必须在一个人的课间时间段内。
深圳-何尘光:观察者可以改变粒子的状态,粒子是否同时也改变了观察者的观察态呢?
北京-坤山:大家觉得尘光的问题的答案是什么?
龙翔凤舞:这些理论都还在路上。半路寻家,是我的感觉。
北京-坤山:有不在路上的理论吗?
山西-阳光之旅:观察者与量子态在互相干扰。
守根:改变了,但忽略不计。
北京-坤山:为什么忽略不计?
龙翔凤舞:有,你知道的。
北京-坤山:据我所知,好像没有这样的理论啊。
守根:微观粒子对宏观的观察者的影响忽略不计。
龙翔凤舞:我本来以为你知道的。
北京-坤山:怎么知道观察者是宏观的?
龙翔凤舞:不过,我觉得,世界是有层次的,不同层次有不同不在路上的理论。
北京-坤山:那不过是把路的概念替换为层次的概念了。好像没有什么区别吧。
龙翔凤舞:也就是有明达的理论。
守根:如果观察者是微观的,粒子对观察者的影响就不是忽略不计。
北京-坤山:观察者的本质是什么?
龙翔凤舞:也可以,因为此层的彼岸就是上层,而上层也有它的彼岸。
守根:采样者。
武汉观众:坤山老师,如何是空既是色?空既是色?--是量子涨落?
山西-阳光之旅:如来。
北京-坤山:从量子力学的角度看,观察者定义了物质的状态,没有观察者的时候,物质状态是不确定的。类似于空的状态。
武汉观众:一切是波-可以解释色既是空。对吧?
守根:对。
北京-坤山:把波理解为空,只能是近似吧。其实波也可以理解为一种色。不过即使是这种近似的理解,也比较我们的直观感受”空“很多了。
武汉观众:波是分布的概率,是薛氏方程。
山西-阳光之旅:空的色界本质是什么?空的真正本质又是什么?是什么都没有还是人为假设的空相?
北京-坤山:阳光的问题进入哲学领域了,我们还是尽量限定在科学领域讨论一下吧。
武汉观众:依据观察者显示出结果。
北京-坤山:刚才龙翔凤舞的也是哲学问题了。
山西-阳光之旅:量子态出现了。
北京-坤山:大家可以看看这两天的内容有没有问题,比较我们后面的讨论要建立在这个基础上。
山西-阳光之旅:跑I题了。
武汉观众:波是分布的概率,是薛氏方程。依据观察者显示出结果--如果以上说法成立, 空=波=道。
北京-坤山:很多人不说话,给我的感觉是没有听太懂似的。
山西-阳光之旅:道=空-波。
北京-坤山:这个跳跃有点儿大了。
武汉观众:色=象=德。
北京-坤山:如果较真的话,难道几率波不是一种象吗?
武汉观众:道:周行而不殆,不就是波。
龙翔凤舞:科学我们是外行,不过科学最终等于宗教。
北京-坤山:一方面看看这两天的内容是否有问题,另一方面可以讨论一下观察者的本质。这种空啊,道啊的就免了吧。这种东西讨论不清楚的。
龙翔凤舞:搭建通往彼岸的桥正进行着,我们现在要拿出摸石头的勇气。
山西-阳光之旅:观察者的本质是界面层次波浪形的视觉者。
北京-坤山:那视觉者呢?
山西-阳光之旅:也就是自己观自己。
武汉观众:视觉者=重入的方向。
北京-坤山:或者说视觉是怎么产生的?
山西-阳光之旅:人在地球走一圈看到自己站的位置其实就是原点。
北京-坤山:狭义相对论中的光速不随观察者的速度变化,难道大家都不觉得奇怪吗?对于粒子的位置的测量靠的又是什么?
山西-阳光之旅:观的就是当下的所能视觉的事物实体能给我们人类什么帮助。
北京-坤山:最精彩的内容要来了,大家却都不见了?
山西-阳光之旅:不理解所不敢奇怪。
李海榕:又见=观。
北京-坤山:任何物体的速度都和观察者的速度有关系的。这个是大家的直接体验嘛。
山西-阳光之旅:是的额。
北京-坤山:光速却没有关系。上次豆子说:“这说明光只能是观察者的一部分”。这句话可能大家都漏过去了。
山西-阳光之旅:那还是有关系。
李海榕:那么如何成为一部分的?逻辑上讲是这样才对。
北京-坤山:大家考虑过光可能就是观察者本身的可能性吗?
山西-阳光之旅:是的。光在地球走一圈看到自己站的位置其实就是原点本体。
北京-坤山:量子力学里面干扰粒子状态的不也是光吗?用于观察粒子状态的不也是光吗?
李海榕:和光同尘。
李海榕:这中间有个壳要破。
山西-阳光之旅:地球是粒子太阳光为量子。
北京-坤山:我们周三继续,大家看看如果从光本身就是观察者的本质入手,可能可以得出哪些结论来。记得结合二级控制论和我们前面讨论的混沌分形这些。
山西-阳光之旅:观察者是太阳。
金华--默:被观察的会理解观察者的意图吗?
北京-坤山:如果光是观察者,那么观察者和被观察者的界线是不是被打破了呢?
山西-阳光之旅:那不就是太阳系初始状态。
金华--默:那量子就成了观察者的镜子。
李海榕:自己看自己,所以怎么看都不变。
金华--默:量子在呈现观察者。
山西-阳光之旅:再还没有形成太阳时的量子态尘光之时状态。
北京-坤山:色受想行识。
深圳-何尘光:观察者与被观察发生关系的同时,应该还有其它事情也一起生起了。
北京-坤山:今天就到这里吧,大家得开动脑筋啊。如果我直接说了,没有多大意义的,就像大家听量子力学一样,左耳进右耳出了。


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