非定域性,意識難題,隨機性,波函數坍縮如何理解?


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非定域性,意識難題,隨機性,波函數坍縮如何理解?

關於量子史話,已經寫到了第29篇,如果你是從第一篇看到了現在,那麼恭喜你,作為科普的目的,你已經大致上了解了整個量子力學誕生的過程,而且對其中的一些基本原理也已經有了一定的了解。

除了可以當作飯後的談資和朋友們講講量子力學以外,還能在女朋友面前展現你的博學多才。更重要的是,讓你對這個世界有了更深一層的理解。

我覺得人活一世,最大的糊塗就是,對我們來過的這個世界完全不懂,不知道太陽為什麼發光,只知道它很亮,不知道為何會有四季變化,只知道天冷了穿衣,不知道玻璃為什麼透明,只知道它可以為你擋風的時候,不妨礙你四處張望。

如果有人問你,知道這些有啥用,你可以直接說,這可以把人與動物區分開來。

好了,我們開始今天的主題!

我相信,你在看完了量子力學之後,也跟我一樣陷入了沉思,感覺自己好像懂了些什麼,但又感覺什麼都不懂。

不要緊,畢竟費曼曾經說過,沒有一個人真正懂量子力學!那更何況我們這些凡夫俗子呢。雖然量子力學誕生到現在已經快一個世紀了,但依然有很多難題,無法徹底地給出讓每一個人都滿意的答案。

比如波粒二象性,一個電子,或者說一個實物粒子,它既有波的性質也有粒子的性質,那麼你如何去理解這種波粒二象性,這種波和粒子的疊加態?

我相信沒有一個人能夠在腦海中構建出一個既是波又是粒子的圖景,為了迴避這個波粒之間矛盾,波爾的互補原理說,在沒有觀察電子的時候,你不能對它是什麼進行描述,也就是說,沒有觀察的時候,電子什麼也不是。

只有在你通過特定的手段測量了電子以後,電子才會展現出波或者粒子的性質給你看,至於它會展現出粒子,還是波,這完全取決於你的測量手段。

所以玻爾更進一步否定了獨立於觀察者的客觀現實性的存在,甚至認為,我們在沒有觀察電子的時候,電子都不具備位置,和動量這樣物理屬性。

為了迴避波粒二象性的矛盾,我們不得不把觀測者引入物理學,作為量子力學中的一個基本假設,那麼玻爾的互補原理是不是真的描述了現實世界的本質?這誰也說不准,但就目前來看,沒有任何問題。

再一個就是量子力學中的隨機性,也就是波恩對波函數的概率解釋,如果一個量子客體處在多種可能狀態的疊加態當中,我們在沒有觀察它的時候,它並沒有確定的性質,但是當我們測量以後,它的波函數就會隨機的坍縮到一個可能的本徵態當中。

至於是哪個本徵態,這是完全隨機的,這跟我們經典世界中的隨機不一樣,比如我們拋硬幣,正面還是反面在我們看來就是隨機的,但是這個隨機的基礎依舊是決定性的,只要我們願意算,知道了銀幣出手那一刻的狀態,知道了硬幣落地過程中所有的影響因素,完全可以算出它是正面還是反面。

但是量子世界的隨機那才叫真隨機,沒有任何因果的關係的隨機。那麼你如何解釋,為何這個世界從本質上是隨機的?

再一個波函數坍縮問題,波函數為什麼會坍縮?是什麼導致了波函數坍縮?波函數坍縮背後的機理是什麼?波函數坍縮是一個變化的過程,還是瞬間完成的?

這些問題我們都無法解釋,因為我們現在對波函數的坍縮無法進行數學描述,只認為它就是一個瞬間選擇的過程,不對其進行描述。

如果你認為是觀察本身導致了波函數坍縮,那看過上節薛定諤的貓以後,就會出現一個新的問題,你如何定義觀測者?什麼樣的觀測者會導致波函數坍縮?什麼樣的觀測者不會?

如果你順著這個思路往下思考,肯定會遇到意識難題,最後得出一個結論,有人參與的觀測過程會導致波函數坍縮,由於唯獨人有意識,所以是意識導致了波函數坍縮。

就這樣意識惡魔,光明正大地走進了科學殿堂。只要是你信奉哥本哈根的解釋,就難逃意識難題。

最後一個非定域性,先解釋下什麼是定域性,不存在超光速的相互作用就是定域性,我們現實世界的作用過程有光速極限的現實。那麼非定域性,就是存在超光速的相互作用。

這說的是啥?量子糾纏的證明,意味著量子力學是非定域性的,兩個糾纏粒子確實存在瞬時的某種聯繫。

測量一個,另外一個立刻會做出回應,不管相距多麼遙遠。人類目前還搞不懂,糾纏背後的機制是什麼?是什麼東西在糾纏?它們是如何做到瞬間相互作用的?

這些問題沒人敢妄下結論。不過這好像也告訴了我們,宇宙本身就是一個存在某種內在聯繫的整體。

還有一個更為重要的問題,這種糾纏是否違背了相對論?不過我們現在認為,由於量子的隨機性,導致了這種糾纏不能傳遞有效的信息,所以認為不違背相對論。

但這隱隱約約總讓人覺得,好像事情沒有這麼簡單,量子糾纏背後肯定包含著某種最高的真理,現在我們還不得而知。

雖然以上的問題還沒有一個讓所有人滿意的答案,但是這也不能否認量子力學的成功,它現在已經成為了現代物理學的兩大支柱之一,而且對量子力學的應用已經徹底了改變了我們的生活。

比如凡是現在用電的設備,都跟量子力學有關,因為什麼半導體,激光,超導體都是以量子力學為基礎弄出來的。

而且近些年,我們也常會聽到量子力學在通信方面的應用,比如量子保密通訊,量子隱形傳態,還有我們非常關注的量子計算機,它們的基礎都是量子糾纏,雖然我們不懂其後的真理,但是這並不妨礙我們用它,就像你不會造汽車,但依然會開一個道理。

下個視頻,我們說下,現在最尖端時髦的量子保密通訊,量子隱形傳態,以及量子計算機。