一. 量子力学的一些匪夷所思但却不可证伪的结论与陈述

本周终于捡起来了量子科谱读物《量子之谜》,前5章节看完,对物理学的发展过程、量子力学的发展过程有了一个初步的了解,书中将光和物质的波粒二项性的发现过程用浅显易懂和风趣幽默的方式娓娓道来,看的过程中让人不断地回想起中学时候学过的物理知识,并让人有茅塞顿开、如梦初醒的感觉。书中在一开始便陈述了量子力学的这几个有悖直觉和常理的现象:

1、物理是由观察产生的,一个对象的物理实在性取决于你选择如何看待它。爱因斯坦称这种”幽灵作用“能够在两个相距遥远的事件之间瞬时传递。爱因斯坦还为下述理论陈述所困扰:如果你观察小的对象,比如一颗原子,结果却造成因为你的观察而使它跑到别处去了。

实验:世界顶级科学刊物《自然》杂志的子刊《自然·光子学》以封面论文的形式,刊登了这项成果:一个量子态在八达岭消失后,在并没有经过任何载体的情况下,瞬间出现在了16公里以外。实验的名称叫做自由空间量子隐形传态,由中国科学技术大学清华大学组成的联合小组完成。

2、量子理论已经被公认了是基本的物理理论,且是普适的,薛定谔方程是普适运动方程,适用于小到原子、电子、分子,大致苹果、行星、恒星。牛顿经典力学适用于较大物体的运动规律,且是特定条件下的薛定谔方程,是大物体运动规律的绝好近似。这一理论虽然是近似计算,但在我们的日常生活中能够很好地使用,也非常符合人类的直觉。

3、量子理论暗示了观察创造物理实在的同时,认为存在许多平行的世界,在每个世界里有我们每个人,这是一个普遍连通的世界,未来影响着过去,一个超越物理实在的实在,甚至对自由意志形成挑战。  平行世界的概念首次提出是在1953年,普林斯顿大学的博士生“休.埃弗里特”提出,这一概念也被大量地应用于科幻作品里,他是量子理论”实在论者“的代表之一,与之相对应的另一派是”工具主义者“。

4、关于量子纠缠的解释:直觉上,我们思考现实的方式都是局域性的。也就是说,我描述我的实验室发生了什么,你描述你的实验室里发生了什么,但我们不同时讨论两个实验室各自发生了什么。但是在量子力学中,可能存在这样一对电子,它们的总自旋为零,其波函数包含两项,其中一项电子A自旋为正,电子B自旋为负;另一项是电子A自旋为负,电子B自旋为正。你不能单独讨论其中的一个电子,要想描述这个系统只能同时描述两个电子。哪怕当这两个电子之间的距离越来越远,远到无穷大,这种情况仍然可以继续。这被称为“量子纠缠”,两个电子永久地纠缠在一起,即使它们没有明显的物理联系。爱因斯坦在1935年与波多尔斯基(Podolsky)和罗森(Rosen)发表的文章中就对量子力学的这一现象表示了震惊。但纠缠是真实存在的。实验室中就可以制备纠缠态,而且能以量子力学描述的方式运作。如此非局域的事物竟然是真的,真让人费解。

二. 量子力学:光和物质的波粒二象性的发现过程

牛顿认定光是微粒流(但当时还没有发现量子特性),但他无法解释他研究过的我们现在称之为光的干涉性质,光的干涉效应证明了光具有波的属性。但他仍然坚持光是粒子流,理由是: 如果光具有波的属性,那么这种光波的传播必须要有媒介(当时只有机械波的概念,还没有发现电磁波),这种媒介物质会干扰行星、慧星等有规则的运动。他的微粒说主导了100多年。见牛顿《光学》

1、光的波动性

1800年,托马斯.杨的干涉实验证明了光的波动性。

2、物质的量子性

物质的粒子属性:1900年普朗克根据热辐射频谱的研究,用公式拟合实验数据当时推导出了普朗克常量。以量子单位辐射。

3、光的量子性-光子

光的粒子属性:受普朗克启发,1903年,爱因斯坦推测光也具有粒子属性,并根据能量守恒定律推导出了光电效应的公式,公式中再次出现了普朗克常量,这暗示着量子具有普遍性。

爱因斯坦的光子理论从1903年提出一直到1922年康普顿通过实验发现了康普顿效应(光反射和频率会变化,而波反射后的频率是不会的),这期间几乎是只有他一个人偏执的坚持着。

注:同样是因为爱因斯坦的偏执性格,爱因斯坦在生命的最后20年里,他也曾坚持不懈地挑战,他试图否定他所发现的隐藏在量子理论中的”幽灵作用“,但已经很少有人理会了,因为他确实错了,并且他已经与现代物理学脱节了。

玻恩在1926年提出波函数的本质是概率后,爱因斯坦曾在给他写的信中提到:”不管怎么样,我坚信,上帝不掷骰子“。

同样的,薛定谔在后期也在反对量子力学。

4、物质的波动性

1912年,当时物质的原子属性被普遍接收,但原子的内部结构并不清楚,汤姆逊提出了枣糕模型,但卢瑟福提出了行星模型,但在当时的理论背景下这种模型被证明的不稳定的,需要一个合理的解释。于是这项工作交给了他的学生:玻尔(量子理论创始人之一)。

玻尔基于普朗克和爱因斯坦的量子化理论,解释了角动量(度量物体旋转运动的量)是可以仅以量子单位存在的。爱因斯坦称之为最伟大的发现之一。

德布罗衣(出身贵族,路易斯·德布罗意是德布罗意家族的王子,家族打算让他去法国从事外交工作,大学的是历史专业),德布罗意猜测自然存在对称性,他提出了猜想:物质也具有波的属性。

德布罗意猜测电子作为一个波,其允许的轨道可能由绕轨道周长的电子波波长的数目确定。运用这一思想,德布罗意能够推导出玻尔先前的专门的量子化选择定则。

有趣的事,当时在纽约的电话公司的一次实验事故偶然的解释了电子存在波的特性。

德布罗意曾这样说:

“那些提出新学说基本思想的人往往不能在一开始就认识到一切后果。他在个人直觉的引领下,受到数学类比的内力束缚,他被带着不由自主地走上了一条对终点一无所知的道路。”

三. 感想

1: 学生时期对概念和公式都是死记硬背背,对原理没有深刻的理解,知识体系并不连贯。

2:杰出的人通常都是多才多艺的,且容易在多个领域都有成就,跨学科研究,这一切来自于他们的未知欲、对自然的抛根问底。姚期智、张首晟、托马斯.杨、漫画家蔡志忠、达芬奇、埃隆马斯克等。

3:优秀的人的家庭环境迥异,有的出身贫困(法拉第,爱因斯坦等),有的出身名门贵族或高级知识分子家庭(德布罗意,张首晟,金庸等)

4、猜想在科学发展过程中很重要,它是基于科学家的科学素养,在直觉的带领下引发的。例如著名的哥德巴赫猜想、费马大定理(椭圆曲线理论的兴起得益于费马大定理)。

5、量子力学之后,意识被纳入到了研究范畴。

6、”对称性“无处不在,性别、日月、白昼、冷热、正数与负数、正电子与负电子(事实上,正电子的发现正是基于对称性的假设)、左撇子与右撇子、同性恋与异性恋、单性恋与双性恋、左心脏与右心脏。 从本源上看,这可能是物质对称性的外在延伸和表达。

附:经典力学中的电磁力

1803年,法拉第根据两个带点物体之间的力,提出了场的概念,并且他电荷产生的场需要时间来传播。

正电荷和它附近的负电荷带到一起,他们附近的场会相互抵消,但消失也需要时间,而不是立即消失,法拉第认为远处的场会存在一定时间(虽然产生这个场的电荷已经相互抵消不再存在)。如果这是真的,场本身也是物理上一种真实的东西。

法拉第还论证道,如果两个大小相等的异号电荷被多次汇集和分离,则有交变电场从这个振荡电荷对传播开去。即使这对电荷停止振荡并相互抵消,而振荡电场将继续向外传播。

麦克斯韦根据场的概念提出了“麦克斯韦方程组”,统一了电和场。麦克斯韦预言了存在电场和磁场的波。

正如法拉第曾预言的那样,等量异号电荷的来回运动(实际上,是电荷的任何加速运动)产生电磁辐射。电荷的运动频率(每秒的重复次数)即为所产生的波的频率。较高频率的运动产生紫色和紫外线;较低的频率产生红光和红外光;更高的频率产生X射线,而更低的频率则产生无线电波。

今天,物理学的基本理论都是根据各种场来制定的。法拉第的“精神拐杖”是当今所有物理学的支柱。

参考文献:

《量子之谜》

诺贝尔物理学奖得主”史蒂文.温伯格“在美国的帕特鲁斯基讲座的演讲