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1 # 藥材之鄉小衛
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2 # 小宇堂
我們就是生活在量子的世界中的。量子物理學的驚人成就讓我們越來越有理由相信這種宣稱。
但“生活在量子世界之中”的這個想法似乎帶有某種“量子原教旨主義”的色彩。根據這種思想,宇宙中的一切從根本上都具有量子性質,並最終都可以用量子力學術語來描述。但波爾關於量子力學的概念在傳統上則被認為與這種觀點相反,因為他堅持認為經典物理學是必要的。
有學者提出:
對物體是“量子”或“經典”的判斷取決於實驗環境;
原則上,任何實物系統都可以用量子力學的方法處理,但並非所有系統都可以同時以這種方法處理。
這樣的表達或許有些晦澀難懂,我們跟題主的問題結合起來回答可以這麼來翻譯一下:
對我們是否生活在一個量子世界當中的判斷取決於我們所描述的場景;
原則上,我們世界中的任何實物都可以用量子的方法來處理,但整個世界並不能被完全或同時用量子的方法來處理。
上圖:波的干涉紋樣的立體展現。
量子的反直覺之處就在於量子會展現出波粒二象性,此外量子似乎可以同時存在於不同的位置以及同時具備多種狀態,這種讓人摸不著頭腦的現象,讓我們越發懷疑宏觀的世界是否跟量子的微觀世界具備同樣的規律。
而物理學家正在探索的一種可能性是,量子力學實際上可能適用於任何尺度。雖然我們在日常生活中並沒有感覺到量子的效應,我們似乎有明確的位置和形狀,不會像池塘中的波浪一樣起伏不定並且彼此融合。這於是讓很多常人疑惑:量子力學既然廣泛存在於我們的微觀世界,為什麼宏觀世界看起來如此正常?
甚至大分子也遵循量子世界的奇異規則一項破紀錄的實驗表明,一些巨大的分子也可以表現出波粒二象性,而且量子效應不僅適用於小尺度。
為了尋找量子粒子的奇怪的波特性,物理學家透過一種稱為干涉儀的長隧道狀儀器來刺探這些粒子的秘密。
將一團汙垢放大一千倍,突然看來,它不再按照原來的規則運作。例如,其輪廓看起來變得不再明確,變得類似於瀰漫的、蔓延的模糊雲狀——那是量子力學的怪異境界。在某些科普文章中提到量子粒子似乎可以同時出現在各個地方,但換一種表達方式可能的解釋是:量子粒子有時像波一樣在太空中擴散,但它們可以互相互動或者說“碰撞”。如果使用某些儀器來“刺探”這些波,或者某物體與這些粒子以特定方式互動,那麼它們將失去其波的性質,並開始像離散點(粒子)那樣行為。幾十年來,物理學家已經觀察到原子、電子和其他粒子在波和粒子狀態之間轉換。
但是量子效應的尺度限制是多大?一個東西到多大尺寸仍能夠像粒子和波一樣運作?物理學家們一直在努力回答這個問題,但設計這樣的實驗似乎非常困難。
現在,有科研團隊規避了這些挑戰,並在迄今為止最大的物體(由2000個原子組成的分子,接近某些蛋白質的大小)中觀察到了類似量子波的特性。這些分子的大小比以前的記錄高出兩倍半。
他們將分子注入了一個5米長的管中。當粒子最終擊中目標時,它們並不僅僅是降落為隨機分散的點。相反,它們形成了干涉圖樣,即深色和淺色條紋的條紋圖樣,這表明波彼此碰撞併合並。
上圖:波和粒子都形成衍射條紋。它們都有一樣的性質。無論我們看起來是像波還是像粒子。
這個結論是令人驚訝的! 而且這是一個極其困難的實驗,因為量子物體非常微妙,它們很容易與周圍環境的相互作用,諸如其它分子、受熱和振動等等,一旦發生互動量子的狀態會從波突然轉變為粒子態,讓人為難以控制。物體越大,物體喪失可觀測的波性質的可能性就越大。為了使分子保持波的狀態,研究小組在實驗裝置中清理出了一條狹窄的通道,讓這些分子無礙穿過,就像警察開道一樣。為此,研究者使實驗裝置保持在真空狀態,並防止整個儀器受到最小的晃動。然後,研究者們必須仔細控制分子的速度,這樣它們就不會過熱。
透過在尺度越來越大的物體中尋找波的特性,研究者們非常想了解量子力學如何過渡到我們通常認為的宏觀世界。為此,一些物理學家提出了諸如連續自發定位模型之類的理論,該模型修改了標準量子力學的數學方法,以解釋較大物體可以在較短的時間內保持波性質。
為了進行實驗,研究者們使用了綠色鐳射將分子發射到管狀的實驗儀器中。分子從光中吸收能量以推動自身前進。然後,分子透過一系列金屬格柵,這些金屬格柵包含奈米級的細縫。細縫有效地將單個分子分成沿不同方向傳播的多個波,並在最後使他們形成干涉圖樣。這是著名的雙縫實驗的升級版——物質波動性質的標誌性展示之一。
上圖:經典的波干涉圖樣。
學者們最後確定了一種化學式為C707H260F908N16S53Zn4的巨大的合成分子來做這個實驗。因為它的結構足夠堅固,因此在發射過程中其外圍原子不會脫落。另外,此分子包含稱為卟啉的化學結構,卟啉可以吸收綠光從而充當分子的馬達。
上圖:卟啉(是一類由四個吡咯類亞基的α-碳原子透過次甲基橋(=CH-)互聯而形成的大分子雜環化合物。)
現在,研究者們打算對更大的物體進行此類實驗。他們想測試是否可以觀察到比定製分子重十倍的金屬奈米顆粒中也存在類似的波特性。最終,研究人員正在努力在更接近宏觀領域的物體上產生波狀干涉。例如:我們可以對病毒這樣做嗎?細菌?……繼續擴大尺度。
量子力學將一個微小的奇異世界引入了我們的世界,透過進行這些實驗,物理學家希望最終找到兩個世界的接縫!
到那時我們就可以真正地宣稱,我們實際上就是生活在量子的世界當中的!
但有時候量子的詭異行徑會讓我們“懷疑人生”研究人員還提出了一種違反直覺的主張:由於微觀上的量子的怪異行徑,我們世界的所謂現實本身可能是主觀的!
一個國際量子物理學家團隊認為,由於量子力學的非同尋常的規則,我們世界當中存在的各種事實本身可能取決於誰在觀察這些事實。換句話說,現實可能因觀察而扭曲。
上圖:量子計算機就是基於量子的疊加態研製而成的。
在量子水平上,人們早就知道粒子可以同時處於多種狀態。一旦觀察到這些粒子,這種情況就會改變,從而打破了所謂的“疊加態”。
假設你在一個封閉的房間裡扔了一個硬幣,而你的朋友站在房間外面。一旦扔了硬幣,你就知道結果是什麼。但是,你的朋友無法從屋外判斷結果:對他們來說,“正面”或“反面”這兩個狀態就是“疊加的”。量子物理學家將既定事實中的這種差異描述為一個矛盾——你的朋友觀察到疊加的結果,而你觀察到確定的結果。
在另一項實驗測試中,研究人員建造了一個小型量子計算機。他們的目的是企圖證明量子力學中的測量實際上是特定觀察者主觀判斷的結果。
他們測量了三對光子的極化(偏振):
其中一對光子相當於兩枚硬幣,並分別置於兩個“盒子”中,因此其極化方向就類似硬幣的兩面。然後,他們使用剩下的兩對光子來測量前述那對裝在不同“盒子”中的光子的極化方向——相當於充當“觀察者”。每個“盒子”外面還有兩個獨立的光子充當對照。
經過數週的計算,研究人員發現了一些奇怪的東西:極化狀態無法匹配。“盒子”內部和外部的觀察者對盒內每個光子的測量結果或偏振態並不一致。
最終,研究人員成功地證明了量子力學可能確實與客觀事實的假設不相容。意思是,被測量的光子的狀態取決於是誰測量的。
研究者們甚至認為:至少在微觀尺度下,量子的觀察者確實有權獲得術語自己的事實。 這就提出了一個問題:量子力學的規則是否適用於更大的物體?還是對於單個原子或光子來說規則有所不同呢?這是一個引人入勝的實驗,似乎提出了超出其答案範圍的問題。
顯然,這些都是關於現實的基本本質的深刻的哲學問題。但無論答案如何,一個有趣的未來都在等待著我們去探索。
而我們是否是生活在量子世界,這似乎還是一個謎。
總結瞭解了兩種不同的量子領域的研究結果,我們似乎還無法直接斷言我們就生活在量子世界當中。但至少量子是我們世界最基礎的現象,這一點並不那麼不確定。但也許我們的答案回像量子一樣,如果沒有人去觀察和探索的話,就永遠沒有一個確切的答案;但另一方面,如果有人去觀察和探索了的話,答案也不過是哪個探索和觀察的人自己的答案,而不一定是普適的真理——這樣就又玄乎了,暈啊!
回覆列表
量子力學主要研究的方向是相對論失效的微觀世界。物質依然是守恆的。
佛教的核心思想是主張人脫離肉體的束縛,實現靈魂的昇華。佛教認為一切的物質都是虛幻的,永恆的是精神也就是我們所說的靈魂。
量子力學中也有,人類主觀意識可能對現實事件產生影響的說法。但是根本不是一回事。
宗教和科學不要混為一談