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深度长文值得珍藏慢慢品味电子双缝干涉 [复制链接]

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这是有史以来第一次,人类在科学实验中正式遭遇「灵异事件」。

年前的12月12日,马可尼收到横跨大西洋、人类史上第一个无线电信号的那一天。

似乎什么都没有改变。

包括马可尼自己,当时没有人能够想象,在接下来的一百多,通信会把世界变成什么样子。

年8月16日,世界第一颗量子通信卫星「墨子号」从酒泉发射的那一天。

就像当年的马可尼一样,我们也无从想象,未来的量子计算与量子通信,终将带来一个怎样的魔法时代。

绝对安全的信息传输?

智商秒杀全人类的人工智能?

瞬移、穿越不再是科幻?

潘建伟教授的量子通信卫星上天了。

5年后,人人都会用无法破解的加密网络刷信用卡。你还觉得量子理论是象牙塔里的黑科技,和你的生活毫无关系?

让我们先从神秘的量子理论开始,解密量子通信。

这注定是一场不可思议的旅程。

如果你完全不懂量子力学,请放心大胆地往下看,我保证不用任何公式就能让你秒懂,连1+1=2的幼儿园数学基础都不需要。

如果你自以为懂量子力学,请放心大胆地往下看,我保证你看完会仰天长叹:什么是量子力学啊?

正如量子力学大师费曼所说:没有人懂量子力学。如果你觉得懂了,那肯定不是真懂。

在烧脑、反直觉和毁人三观方面,没有任何学科能够和量子力学相比。如果把理工男最爱的大学比作霍格沃兹魔法学校,那么唯一和量子力学专业相提并论的,只能是黑魔法。

然而,量子理论之所以如此神秘,并不是因为物理学家的故弄玄虚。其实,在量子理论刚诞生的摇篮时期,它只是一门人畜无害的学科,专门研究电子、光子小玩意儿。

而「量子」这个现在看来很厉害的名字,本意不过是指微观世界中「一份一份」的不连续能量。

这一切,都源于一次物理学的灵异事件。

百年战争

20世纪初,物理学家开始重点纠结一个纠结了上百年的问题:光,到底是波还是粒子?

粒派

所谓粒子,可以想象成一颗光滑的小球球。

每当你打开手电,无数光子就像出膛的炮弹一样,笔直地射向远方。

很多著名科学家(牛顿、爱因斯坦、普朗克)做了很多权威的实验,确凿无疑地证明了是一种粒子。

波派

所谓波,就像往河里扔块石头,产生的水波纹一样。

如果把光看作是一种,可以完美解释干涉、衍射、偏振等经典光学现象。

很多著名科学家(惠更斯、杨、麦克斯韦、赫兹)做了很多权威的实验,确凿无疑地证明了光是一种波,电磁波。

可问题是,波和粒子毕竟是两种截然不同的东西啊!

粒子可分成一个一个的最小单位,单个粒子不可再分;波是连续的能量分布,无所谓「一个波」或者「两个波」;

粒子是直线前进的,波却能同时向四面八方发射;

粒子可以静止在一个固定的位置上,波必须动态地在整个空间传播。

波与粒子之间,存在着不可调和的矛盾。

于是自古以来,塞伯坦星上的科学家就分成两派:波派和粒派,两派之间势均力敌的百年撕逼战争从未分出胜负。

很多人问我:科学家为什么要为这种事情势不两立,大家搁置争议、共同研究不就得了。

为了两个字:

信仰!

千面之神

且问你:《权力的游戏》中,信奉七神的维斯特洛人民,为何要与信奉旧神的关外野人拼个你死我活?

自古以来,人们为了信仰争端大开杀戒,早已不足为奇。

唯一的和谐社会可能是古希腊:他们的神多达百八十号,有管天上、有管地下,各路神仙各司其职,倒也井水不犯河水。

人称:希腊众神。

要命的是,科学家们信仰的神只有一个,而且是放之宇宙而皆准的全能大神。这位神祇的名字,叫真理。

大到宇宙的诞生,小到原子的运转,科学家们相信,这个世界的万事万物都是基于同一个规律,可以用同一个理论,甚至同一套方程解释一切。比如,让苹果掉下来把牛顿砸晕的是万有引力,让月亮悬在空中掉下来的也是万有引力。用同一个方程,既能算出地球的质量,也能让马斯克的猎鹰九号火箭上天,这就是科学的威力。

想要一个宇宙、两种规律?

对不起兄弟,别在科学界混了,您可以去跳个槽,比如竞选总统。

当然,科学家们没有谁敢自称是真理的代言人,就连牛顿谦虚起来都是这样的:「我只是一个在海滩上捡贝壳的孩子,而真理的大海,我还没有发现啊!」

就算是捡贝壳,捡多了,说不定拼到一起就能窥见真理之神的全貌呢!

整个科学史,就像一个集卡拼图的过程。做实验的科学家们每发现一个科学现象,搞理论的科学家们就绞尽脑汁推测它背后的运行规律。不同领域的大牛把各方面的知识、理论慢慢拼到一起,真理的图像就渐渐清晰。

在20世纪初,光学的知识储备和数学理论越来越完善。大家逐渐觉得,这一块的真相总算有希望拼出来了——结果却发现,波派和粒派的理论早已背道而驰,还各自越走越远。这就好比你集了一辈子卡片,自以为拼得差不多了。这时突然发现,你拼出的图案居然和别人是不一样的,而且差不是一点点!

是不是有种把对方连人带图都砸烂的冲动?

当时波派和粒派都坚信,自己手上的拼图,才是唯一正确的版本。

双方僵持不下直到年,终于有人大彻大悟:波or粒,为什么光不能两者都是呢?

也许在某些时候,粒子看起来就像是波;在另一些时候,波看起来就像是粒子。波粒如同阴阳一般相生相克,就像一枚硬币的正反两面(波粒二象性),只不过我们一直以来都在盲人摸象、各执一词。

真理确实只有一个,但是真理的表现形式,会不会存在着多个版本?

难道真理就是那个千面之神,用千变万化的面目欺骗了我们如此之久?

灵异的实验

究竟是波,是粒,还是波粒二象,大家决定,用一个简单的实验来做个了断:

双缝干涉实验

双缝,顾名思义,就是在一块隔板上开两条缝。

用一个发射光子的机枪对着双缝扫射,从缝中漏过去的光子,打在缝后面的,就会留下一个光斑。(等效于年电子双缝干涉实验)

在实验之前,科学家的推测如下:

第一种可能

如果光子是纯粒子,那么屏幕留下两道杠。

光子像机枪发射的子弹一样笔直地从缝中穿过,那么屏幕上留下的一定是2道杠,因为其他角度的光子都被板挡住了。

第二种可能

如果光子是纯波,那么屏幕上会留下斑马线般的一道道条纹。

光子穿过缝时,会形成2个波源。两道波各自震荡交汇(干涉),波峰与波峰之间强度叠加,波峰与波谷之间正反抵消,最终屏幕上会出现一道道复杂唯美的斑马线(干涉条纹)。

第三种可能

如果光子是波粒二象,那么屏幕图案应该是以上两种图形的杂交混合体。

总之,

两道杠=粒派胜;

斑马线=波派胜;

四不像=平局。

是波是粒还是二合一,看屏幕结果一目了然,无论实验结果如何,都在我们的预料之中。

第一次实验:把光子发射机对准双缝发射。

结果:标准的斑马线。

根据之前的分析,这证明光子是纯波。OK,实验结束,大家回家洗洗睡吧。

粒派不服:我明明知道光子是一个一个的粒子!

这样,我们再做一次实验,把光子一个一个地发射出去,看会怎么样,一定会变成两道杠的!

第二次实验:把光子机枪切换到点射模式,保证每次只发射一个光子。

结果:斑马线,竟然还是斑马线,怎么可能?我们明明是一、个、一、个把光子发射出去的啊!

最令人震惊的是,一开始光子数量较少时,屏幕上的光点看上去一片杂乱无章,随着积少成多,渐渐显出了斑马线条纹!

光子要真的是波,那粒派也不得不服。

问题是:根据波动理论,斑马线来源于双缝产生的两个波源之间的干涉叠加;而单个光子要么穿过左缝、要么穿过右缝,穿过一条缝的光子到底是在和谁发生干涉?

难道……光子在穿过双缝时分裂成了两个?一个光子分裂成左半光子和右半光子,自己的左手和右手发生了关系?事情好像越来越复杂了。干脆一不做二不休,我们倒要看看,光子究竟是怎样穿过缝的。

第三次实验:在屏幕前加装两个摄像头,一边一个左右排开。哪边的摄像头看到光子,就说明光子穿过了哪条缝。同样,还是点射模式发射光子。

结果:每次不是左边的摄像头看到一个光子,就是右边看到一个。一个就是一个,从来没有发现哪个光子分裂成半个的情况。

大家都松了一口气。光子确实是一个个粒子,然而在穿过双缝时,不知怎么就会变形成两道波同时穿过,形成干涉条纹。

虽然诡异了些,不过据说这就是波粒二象性了,具体细节以后再研究吧,这个实验做得人都要精分了。

然而,就在这时,真正诡异的事情发生了……

人们这才发现,屏幕上的图案,不知什么时候,悄悄变成了两道杠!

没用摄像头看,结果总是斑马线,光子是波;

用摄像头看了,结果就成了两道杠,光子变成了粒子。

实验结果取决于看没看摄像头?

这不科学啊,做物理实验竟然见*了啊!

一个貌似简单的小实验做到这份上,波和粒子什么的已经不重要了,重要的是现在全世界的科学家都懵逼了。

这是有史以来第一次,人类在科学实验中正式遭遇灵异事件。

观察者魔咒

你还没看出灵异在哪里?

好吧,请先看懂下面这个例子:

电视里正在直播足球比赛,一个球员起脚射门——

「咔」暂停,你预测一下这个球会不会进?

在球迷看来:球进还是不进,和射手是不是C罗、梅西有关,和对方门将的状态有关,和裁判收没收钱说不定还有关。

在科学家看来:有关的东西更多,比如球的受力、速度和方向,距离球门的距离,甚至草皮的摩擦力、球迷吼声的分贝数等等。

不过,只要把这些因素事无巨细地考虑到方程里计算,完全可以精确预测三秒后球的状态。但无论是谁,大家都公认的是,球进与不进,至少和一件事情是绝对无关的:

你家的电视。

无论你用什么品牌的电视,无论电视的屏幕大小、清晰度高低、质量好坏,无论你看球时是在喝啤酒还是啃炸鸡,当然更无论你看不看电视直播——该进的球还是会进,该不进就是不进,哪怕你气得把电视机砸了都没用。

你是不是觉得,上面说的全都是废话?那么,仔细听好:

双缝干涉的第三次实验证明了,在其他条件完全相同的情况下,球进还是不进,直接取决于在射门的一瞬间,你看还是不看电视!

看还是不看,这是一个问题!

光子从发射器射向双缝,就好比足球射向球门;用摄像头观测光子是否进缝、怎么个进法,就好比用电视机看进球。

第三次实验与第二次的唯一区别,就是实验3开了摄像头观察光子(看电视),实验2没放摄像头(不看电视)——两次实验的结局竟截然不同。

这,就是观察者的魔咒。

难道说,不看光子它就是波,看一眼,它就瞬间变成粒子?

难道说,「光子是什么」这一客观事实,是由我们的观察(放不放摄像头)决定的?

难道说,对事物的观察方式,能够改变事物本身?

三观崩塌

在所有人懵逼的时候,还是有极少数聪明人,勇敢地提出了新的理论:光子,其实是一种智能极高的外星AI机器人。

之所以观察会导致实验结果不同,是因为光子在你做实验之前就悄悄侦查过了,如果发现有摄像头,它就变成粒子形态;如果发现是屏幕,就变成波的形态。

这个理论让我想起了传说中的:

难道机器人阿童木真的存在?(「阿童木」是日语「アトム」的发音直译,词语源自英语「Atom」,意即「原子」)

这种扯淡理论居然没被口水喷死,还要做实验去验证它,可见科学家们已经集体懵逼到了什么地步。

第四次实验:事先,只有屏幕没有摄像头;

我们算好光子穿过缝的时机,等它穿过之后,再以迅雷不及掩耳之势加上摄像头。(等效于年惠勒延迟选择实验)

结果是啥?无论加摄像头的速度有多快,只要最终加上了摄像头,屏幕上一定是两道杠;反过来,如果一开始有摄像头,哪怕在最后一刻秒秒钟撤掉,屏幕上一定是斑马线。

回到看球赛的那个例子,就好比:我先闭上眼睛不看电视,等球员完成射门、球飞出去3秒钟后,我突然睁开眼睛,球一定不进,百试百灵。

在你冲出门去买足彩之前,我先悄悄提醒你:这种魔咒般的黑科技,目前只能对微观世界的基本粒子起作用。要用意念控制足球这样的大家伙,量子还做不到啊!

请注意,加不加摄像头,是在光子已经穿过双缝之后再决定的。不管光子在穿缝的时候变成什么形态,过了缝应该就定型了。

既然光子的状态在加摄像头之前就定型了,为什么实验结果还是能在最后一刻发生变化?

难道说,在之后做出的人为选择(未来),能够改变之前已经发生的事实(历史)?

而且,加摄像头的速度,可以做到非常快(40纳秒)。就算光子真的是个狡猾的微型变形金刚,当它变成波的形态穿过双缝,在最后一刻却发现面前是一个摄像头时,它也来不及再次变身了吧?

「主观决定客观」「未来改变历史」「外星人其实是无处不在的光子」……

好端端一个实验弄得谣言四起,物理学家们纷纷感到几百年来苦心经营的科学体系正在崩塌。

与之一起崩塌的,还有全人类的三观。

量子魔法时代的大幕,正在徐徐拉开。

为了一只猫的死活,年前的天才哲学家,学历最高的足球运动员,撩妹无数的量子力学教授……他们都在纠结个啥?

另一些人,却恰恰相反——他们做任何事,都是为了纠结,下面我要说的,就是另一些人的故事。

学历最高运动员

年夏天。

丹麦,哥本哈根。

一名足球运动员正在思考自己的前程。

23岁,是时候做个决定了。比自己小两岁的弟弟,已经成为国奥队的中场核心。在刚刚结束的伦敦奥运会上,哈那德·玻尔率丹麦队17:1血洗法国队,斩获银牌创造「丹麦童话」,一夜之间成为家喻户晓的球星。

而我,作为丹麦最强俱乐部——哥本哈根AB队的主力门将,居然从未入选国家队,这简直是一种耻辱。

国家队大名单里怎能没有我?

教练说我什么都好,唯一的弱点是喜欢思考人生。

上次和德国米特韦达队踢友谊赛,对手竟敢趁我在门框上写数学公式的时候,用一脚远射偷袭,打断我的思路!最后一刻不还是被我的闪电扑救解围,要是后卫早点上去堵枪眼,那场球踢完就可以交作业了。

是成为世界最伟大的门将,还是成为世界最伟大的物理学家,这是一个问题,我需要纠结一下。

第一章里我们讲到,多年前,为了搞清光子究竟是波还是粒子,科学家们被一个貌似简单的「双缝干涉」实验弄到集体「精分」。

这个实验明白无误地说明,光子既可以是波,也可以是粒子。

至于它到底是什么,取决于你的观测姿势。

装摄像头观测光子的位置,它就变成粒子;不装摄像头,它就是波!

我们曾经天真地以为,无论用什么样的姿势看电视直播,都不可能影响球赛结果,可是在微观世界中,这个天经地义的常识好像并不成立,这就是那么多高智商理工男懵逼的原因。

但是在玻尔看来,将宏观世界的经验常识套用到微观世界的科学研究上,纯属自寻烦恼。

通过常识,我们可以理解一个光滑小球的物理属性;但是凭什么断定,组成这个小球的万亿亿亿个原子,也一定有着和小球完全相同的属性?

凭什么在微观世界中,原子、电子、光子,一定要遵循和宏观世界同样的物理法则?

一般人纠结的问题无非是:量子世界的物理法则为什么这么奇怪啊……只有天才,能够直截了当问出关键问题:这些法则是什么?严格来说,量子理论是一群人,而不是一个人创立的。但是如果一定要选出一个「量子力学代言人」的话,我觉得非玻尔莫属,因为当别人纠结的时候,他第一个想通了。

通过前面那些烧脑的实验,玻尔总结了量子世界的三大基本原则:

态叠加原理

在量子世界,一切事物可以同时处于不同的状态(叠加态),各种可能性并存。比如,在双缝干涉实验中,一个光子可以同时处在左缝和右缝。这种人类无法想象的叠加态,才是最普通不过的本质形态;而在我们看来「正常」的非黑即白,才是一种特例。

测不准原理

叠加态是不可能精确测量的。比如,精确测出了粒子的位置,但它的速度却永远测不准!这并不是因为仪器精度不够高,其实,仪器再好都没用。这个不可能是被宇宙规律所禁锢的「不可能」,而非「有可能但目前做不到」。

观察者原理

虽然一切事物都是多种可能性的叠加,但是,我们永远看不到一个既左且右、又黑又白的量子物体。只要进行观测,必然看到一个确定无疑的结果。至于到底看到哪个态则是随机的,其概率高低取决于叠加态中哪个态的成分居多。

这样一来,实验解释起来就轻松多了:

「双缝干涉」实验的官方解释:

没装摄像头:光子在未观测的情况下处于「多种可能性并存」的叠加态,以50%的概率同时通过了左缝和右缝,形成干涉条纹;装上摄像头:光子被观测后只能处于一个态,不能神奇地同时穿双缝了,所以干涉条纹就消失了。这就是目前量子力学教科书上的正统理论:哥本哈根解释。

终于,一切都有了答案。

有了答案吗?

因为完美解释了双缝干涉等灵异现象,玻尔一(四)夜(面)成(树)名(敌)。但小伙伴们却纷纷表示:这个理论不仅反直觉反人类,而且bug点很多!比如,没有观测时,光子是混沌中的叠加态;观测的一瞬间,光子就变成了单一的确定态,请问两种态是怎样无缝切换的?按照玻尔的说法,观测的一瞬间,光子就随机蜕变成多种可能中的一种,还把这个过程取名叫「塌缩」。具体怎么个塌法,玻尔自己也说不清。

再比如,既然触发「塌缩」的前提是「观测」,那么谁能够成为合格的观察者呢?科学家、人类、一切生命体、还是包括人工智能在内的任何智慧形态?众说纷纭之际,给玻尔带来致命一击的,是一只猫。

一只猫的拷问

10年前,正是薛老师亲手写下了量子波动方程,与矩阵力学、路径积分一起,被后人并称为量子力学的三大基石。

10年后的年,对「哥本哈根解释」的群起而攻之,薛老师打响了第一枪。当时,几乎所有人觉得「叠加态」是个纯属幻想的玩意儿,却没人能真正驳倒玻尔和他的哥本哈根学派。因为,「态叠加」「测不准」「观察者」无论这三大原理违和感多么强,都被玻尔视作量子世界不可挑战的公理。所谓公理,就像「两点之间有且只有一条直线」,或者牛顿力学三定律一样,是无法、也无须证明的宇宙基本大法。

在玻尔看来,物理学家的任务是透过现象找规律,而不是去质问上帝:你为什么要把宇宙设计成这样子?而且,凭什么微观世界的宇宙法则,一定要和宏观世界的生活经验相符呢?无懈可击的玻尔之盾,也只有金枪不倒的薛定谔之矛能够与之一战。

「薛定谔的猫」就是薛老师用来挑战玻尔的头脑实验(以下实验纯属想象、推理,没有任何无辜的猫因此而被害)。把一只猫关在封闭的箱子里。

和猫同处一室的还有个自动化装置,内含一个放射性原子:如果原子核衰变,就会激发α射线-射线触发开关-开关启动锤子-锤子落下-打破*药瓶,于是猫当场毙命。在这个邪恶的连环机关中,猫的死活直接取决于原子是否衰变;然而,具体什么时候衰变是无法精确预测的随机事件。

只要不打开盒子看,我们就永远没法确定,猫此时此刻到底是死是活。

刑具准备完毕,现在,薛老师对玻尔的拷问开始:

1.原子啊、衰变啊、射线啊,这些都属于你们整天研究的「微观世界」,自然得符合量子三大定律,没错吧?

2.按照玻尔你自己的说法,在没打开盒子观测之前,这个原子处于「衰变」+「没衰变」的叠加态,没错吧?

3.既然猫的死活取决于原子是否衰变,而原子又处于「衰/不衰」的叠加态,那是不是意味着,猫也处在「死/没死」的叠加态?

原子衰变=死猫;原子没衰变=活猫;叠加态原子=叠加态的猫。

所以,按照哥本哈根解释,箱中的猫是不死不活、又死又活的混沌之猫,直到开箱那一刻才瞬间「塌缩」成一只死猫或者活猫?

薛老师的逻辑,其实就是反证法:以子之矛,攻子之盾。先假装你是完全正确的,然后顺着你的说法推理啊,直到推出一个荒谬透顶的结论——那只能说明你从一开始就错了!

至于为什么要放进一只猫,这又是薛老师的高明之处。以前大家研究原子、光子,总觉得那是与日常完全不同的另一个世界;无论量子多么诡异,我们总可以安慰自己说:微观世界的规律,不一定适用于宏观物体。科学家们做完烧脑的实验,还能回归老婆孩子热炕头的正常生活。现在,薛老师把微观的粒子和宏观的猫绑在一起,要么你承认叠加态什么的都是不切实际的胡思乱想,要么你承认猫是不死不活的叠加态——别纠结,二选一。

连三岁小孩都知道,如果打开箱子看到一只死猫,那说明猫早就死了,而不是开箱的瞬间才死的——只不过它被*死的时候,你装作没听到惨叫声而已。

你的理论告诉我们,猫在被观测前是不死不活的;那么,如果把你关进一个密室,你不也变成不死不活了吗?或者,在密室中的你看来,全世界的人都是不死不活的僵尸态?还是说,地球和太阳是否存在,都变成不确定的了?薛老师的猫,本意是想让玻尔下不了台,万万没想到,这只猫却引发了唯心、唯物主义的大辩论。哲学家们突然发现,终于有机会以专家的身份,来对科学界说三道四了。

「我思故我在」的误会

年前,一个法国大叔的思考,奠定了唯心主义哲学的核心思想。假设世间一切都是幻觉,所谓人生,也许只是我们的大脑在黑客帝国的AI里做的一个梦,说不定身体正插满管子泡在培养皿中。

那么问题来了:如果一切都可能是幻觉,那么,还有没有绝对不是幻觉的东西呢?

有。

唯一不可能是幻觉的,只有「我们正在思考世界是不是幻觉」这件事。

我在思考,至少说明我还是个东西。

其实,唯心主义并不是「我想要什么存在它就存在」,而是「只有我的意识(心)无可置疑,世界却可能是幻觉」。所以,如果你认真看那些唯心主义哲学大师的著作,会发现他们的逻辑严密得令人发指。

而唯物主义者的观点则是「我在故我思」:世界肯定不是幻觉,不过每个人都把自己版本的幻觉当作客观世界的真相。但是,到底哪一个世界观才对呢?

由于唯物主义者无法证明这个世界一定不可能是黑客帝国,而唯心主义者也拿不出这个世界一定就是黑客帝国的确凿证据,所以谁也无法说服对方。

直到唯心主义者们听说了量子力学。

这么说来,主张「心外无物」的明代哲学家王阳明,早在年前就发明了量子力学!

王阳明与友人同游南镇,友人问曰:

「天下无心外之物,如此花树,在深山中自开自落,于我心亦何相关?」

先生答曰:

「你未看此花时,此花与汝心同归于寂,你来看此花时,则此花颜色一时明白起来,便知此花不在你的心外。」

唯心所现,唯识所变。

未看此花时,花的存在是不确定的叠加态;起心动念的一刹,花才会从不确定态「塌缩」为确定态,你观察的世界因此呈现。

意识与物质互为因果,无法割裂。量子力学的「观测导致塌缩」就是唯心主义的铁证!然而,很多人至今都不知道「意识决定观测结果」这个名声在外的量子黑科技,其实是道听途说导致的误会。回到双缝干涉实验,如果科学家故意不观测实验结果,而是用机器自动记录;去掉人类的「意识」干扰,是不是量子态就不会塌缩了?

再比如,做实验时突然飞过一只苍蝇,在它的N只复眼注视下,光子的叠加态会因此而塌缩吗?(你以为苍蝇就没有意识吗?)

结果,根本没有任何影响!

屏幕结果是代表波动的斑马线还是代表粒子的两道杠,只与实验设备的设置有关,和谁来观测、是否观测无关。只要实验中双缝全开,哪怕有一亿双眼睛盯着,看见的仍然是未塌缩的叠加态光子产生的干涉条纹。现在看来,比玻尔那句毁人不倦的「观察导致塌缩」更准确的表述是:

只要微观粒子处于「可能被精确测量」的环境下,它就会自动塌缩,并不需要等待「观察者」就位。

所以归根到底,量子实验仍然是不以主观意志为转移的。

眼见为实?

只不过,我们无法精确测量,只能用概率分布来计算这个客观世界,那么,薛定谔的猫真的存在吗?一开始,包括薛老师和玻尔本人在内,没有人相信世界上真会有不死不活、既死又活的猫。可是不久之后,科学家们惊恐地发现,这件看似显然的事,居然没法证伪(证明猫不是叠加态)。

按理说,猫到底是不是叠加态,做个实验不就明白了?可惜,这个实验至今做不出来——毕竟,我们没法让猫产生干涉条纹啊!证伪不行,证实的方法倒是有一个:把这只猫造出来。令人细思恐极的是,我们已经做到了。

年,美国人梦露(男)用单个铍离子制成「薛定谔猫态」并拍下了快照,发现铍离子在第一个位置处于自旋向上的状态,而同时又在第二个位置自旋向下,而这两个状态相距80纳米之遥!

这是人类有史以来第一次,亲眼「看」到活生生的量子叠加现象。不过,这毕竟只是单个离子,和猫相比还差了十万八千里啊!年,潘建伟团队首次实现了多光子的薛定谔猫态。虽然这只猫的身材依旧苗条——浑身上下只有5个光子,但还是令玻尔的追随者信心大增。

这说明,从单个微观粒子到严格意义上的薛猫(宏观量子叠加态),也许只是量变而非质变,它被亲切地称为:薛定谔的小猫。如果继续增加粒子数量,是不是能把小猫慢慢喂肥成大猫呢?

然而,现实很残酷:目前「薛猫」的最高纪录,仍然是潘建伟年实现的8光子叠加态。要知道,为了增加区区3个光子,实验用了整整8年时间。可想而知,要让猫身上亿个原子同时处于量子叠加态,绝非易事。

在乐观者看来,这不过是暂时的技术困难,假以时日迟早会攻克;但也有人认为,量子世界与宏观世界之间存在着一道天然的结界,像猫一样大的宏观叠加态,也许是这个宇宙明令禁止的。

有朝一日,能不能造出一只眼见为实的大薛猫,至少现在,我们还不知道。但是我们已经知道:即使是小猫,也蕴含着无比惊人的能量。

年,薛老师很忙。除了N多前女友和养猫以外,薛老师发现了量子的另一个诡异之处,而当时几乎没有人注意到这个问题。为了研究微观世界,看看原子核这个大西瓜肚子里都有些什么籽儿,科学家祭出了最强大的武器:粒子对撞机。欧核中心(CERN)的加速器就是干这个的:

最常见的现象是:母粒子被撞击后,分裂成两个更小的粒子A和B。

因为能量守恒原理,子粒子能量相同,方向相反。比如说,因为母粒子静止不动,所以分裂后的子粒子A向左边飞,B一定往右边飞,这样才能左右抵消。同理,A的自旋(角动量)向上,B的自旋一定向下。至于具体是向上还是向下,这是个随机事件,必须观测后才能知道。

那么问题来了:根据量子理论,在不被观测的情况下,粒子处于多种可能性的叠加态。

举个例子。就像箱子里那只不死不活的薛定谔的猫一样:A和B这对龙凤胎粒子,自打出娘胎起,他们的性别就没确定,直到有人来看了一眼,这才瞬间分出男女!

然而和薛猫不同的是,箱子里的猫只有一只,孪生粒子却有两个。而且,这两个粒子即使相隔很远很远,叠加态也能保持不变。如同在千里之外,瞬间产生联系……

是时候

爱因斯坦了。

来自幽灵的威胁

大家都知道爱因斯坦创立了相对论。但很少有人知道,大神在35岁就已经功成名就(完成狭义+广义相对论),而在之后40年的悠长岁月里,他其实都在纠结一件事:量子力学。曾经,他也是一个集美貌与才华于一身的男子:

研究量子力学30年之后:

能让爱因斯坦这种大神级人物「不明白」的,不是深奥的理论和复杂的公式,而是宇宙的意义。爱因斯坦深信,宇宙在本质上是高度和谐的,这种和谐是可以通过数学之美体现出来的。所以,一个理论如果不美,倒不是说一定是错的,但它肯定不够本质。在更高的层面上,和谐,比对错更重要。而量子力学,在爱因斯坦看来,就是一种不和谐(不完备)的理论。

比如,量子力学的核心思想是:

微观世界的一切只能用概率统计来表达,而具体到单个的粒子,它的状态是不确定的叠加态。把这个粒子放大N亿倍,就成了薛定谔的猫。

这是第一个让爱因斯坦不爽的地方:量子力学否认了物质的实在性。爱因斯坦认为,根本不存在薛定谔思想实验中那只不死不活的叠加态的猫。猫的死活在观测之前就是定数,只不过愚蠢的人类看不见箱子里发生的一切,只能推测出「50%活or50%死」的概率。你是不是突然有一种,和爱因斯坦英雄所见略同的感觉?

打个不太恰当的比方(给量子打个恰当的比方真的好难!):比如,我在知乎的粉丝男女比例是80:20。我相信,每个

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