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科普文章

量子物理的神秘“新大陆”
发布时间:2024-04-12    98   墨子沙龙

在孩子的眼睛里,科学有着纷繁的面貌和斑斓的色彩。Frontiers for young minds网站邀请科学家撰写系列文章,从孩子的角度,认识科学世界的神秘和奇妙。而文章的评审员,则由小小的科学爱好者担任。墨子沙龙获授权编译这些文章,今天推出第一期《量子物理的神秘“新大陆”》。别忘了,在深邃的宇宙面前,我们都是渴望真知的孩子。


量子物理的神秘“新大陆”


作者:Zohar Maliniak,海法大学 哲学系 (以色列,海法)


摘要

物理学是人类探索宇宙恒定规律的学科。但自2000年前的希腊思想家以来,科学家曾一度认定为不可改变的物理定律,时不时就要被修改。每当出乎意料的现象发生,挑战甚至否定当下的观念,便是人类发现一个新“大陆”的契机。大约120年前,一个重大的转变展示了一个新奇而令人兴奋的领域——一个至今仍在探索的领域。在本文中,我将来聊一聊这个新领域——量子物理学的一些奇特现象,以及它如何促使我们重新审视能量、科学测量以及周围物体的本质。由于没有人——即便是世界上最优秀的物理学家,能够准确地理解其深层含义,我将把这个问题留给你来思考!


01

量子理论:起源


当富有创造力的物理学家遇到与他们已有认知不符的现象时,他们会怎么做?他们可能会尝试“延伸”现有理论以使其适应新现象,也可能会大胆提出一个全新的观点。十七世纪的英国物理学家和数学家艾萨克·牛顿就是这么做的,他提出了一个与亚里士多德完全不同的世界观。亚里士多德生活在2000年前的希腊,被认为是现代科学之父。


在19世纪末,两位物理学家马克斯·普朗克和阿尔伯特·爱因斯坦提出了一种新奇的观点,以阐释几个无法解释的现象,其中之一被称为光电效应。同时,普朗克和爱因斯坦提出了一个标志着一个新的、革命性理论开始的想法——量子理论。这一理论逐步发展,完全不同于物理学家此前所思考的任何东西——这是一场科学的革命。


02

什么是光电效应?


那么,光电效应究竟是什么?简而言之,它与光如何产生电有关(见图1)。如果蓝光照射在像铜这样的导电金属上,有时金属会释放电子,这些电子是围绕着远比它们大得多的原子核旋转的微小的带负电荷的粒子,而原子核带有正电荷。电子的移动产生了一个可以被测量和利用的电流。光的颜色很重要——如果使用红光而不是蓝光,将不会释放任何电子,也不会产生电流。1887年以来,依据德国物理学家海因里希·赫兹进行的实验,人类已经认识到这种现象。


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▲图1 - 光电效应

▲当蓝光(波浪状黑色箭头)照射在像铜这样的导电金属上时,将带负电的电子(红色球)从原子核中释放出来,远离带正电的铜原子原子核(绿色球)。在适当的条件下,这些电子会离开金属并产生电流。这种效应之所以可能发生,是因为光由能量极小的没有质量的小能量包组成,称为光子。其他颜色光的光子,如红光,所含的光子能量不足以将电子释放出来。


光电效应的一个大问题在于,当时光被认为是一种波动(就像海浪一样)。根据光的波动原理,如果不断投射更多的红光波,最终应该使波足够大以释放电子并产生电流。那么为什么红光不会发生这种情况,但即使是非常微弱的蓝光却会发生呢?爱因斯坦在1905年找到了答案。爱因斯坦建议我们不应将光视为波动,而应将其视为能量的“小包”,但完全没有质量。蓝光的能量比红光的能量要大得多,这就是为什么它们会引起光电效应的原因。可以将其想象成能量的微小台球——如果一颗球以足够强度击中电子,电子可能会从金属中被释放。这个奇怪的想法成功地解释了光电效应,这些微小的光“小包”,被命名为光子(photons),这是光的希腊语名字。这一惊人的新理念并非一切的终结,实际上,这只是一个开始。在接下来的几年里,我们发现了大量新奇的、不可思议的现象。这是一个全新的世界,其中运行着全新的规律!牛顿那个有序、可预测的世界,就像一个由许多小部件组成的巨大机器的世界,现已被一个充满惊喜的、未知的新大陆所取代!物理学家并没有抛弃牛顿定律;这些定律仍然能够解释和预测许多现象,比如月球围绕地球的运动,或者一块石头落到地面上。然而,在微观的世界,一个广阔而全新的大陆已经被发现。


03

量子跃迁的谜团


你可能已经学到,每种物质都由无数个原子组成。原子就像微小的太阳系,即使用非常强大的显微镜也无法看到。在这些微小的太阳系中,电子就像行星围绕着核(太阳)运转。物理学家发现,如果电子获得或失去能量,它们可以从靠近核的轨道移动到离核更远的轨道,反之亦然。量子世界的奇迹在于,这些微小的行星(电子)在单次跳跃中从一个轨道跃迁到另一个轨道。它们总是在一个特定的轨道上——要么靠近核,要么离核更远——但从不位于轨道的中间位置,也不在三分之一或四分之一的位置。例如,一个电子可以靠近一个原子的核,并从光子吸收能量。然后,在下一刻,它就在一个更远的轨道上了。这种现象叫做量子跃迁


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▲图2 - 氢原子中电子的量子跃迁。

▲原子核由绿点表示。两个电子(橙色点)一直在核周围的轨道上运动,这些轨道称为 n = 1 、n=2和 n = 3。在 n = 2的电子吸收了一束光子,并获得了能量进行量子跃迁——转眼之间到 n = 3,这个轨道离核更远。在 n = 3 的电子发射了一个光子,并下降到一个离核更近的轨道。在任何时候,这两个电子都没有出现在轨道以外的任何地方,这一现象科学家仍然没有办法解释!


如何使电子从一个轨道跃迁到另一个轨道?直到今天,没有人能够给出一个好的答案。这是量子理论的一个重大谜团之一:电子在从一个轨道跃迁到另一个轨道时会发生什么?它在一个轨道中“死亡”,然后在另一个轨道中“重生”吗?它移动得如此之快,以至于我们的设备无法跟踪它吗?也许你可以想出一个创造性的办法来解决这个谜团。


04

粒子对的心灵感应


你相信读心术(也叫心灵感应)吗?物理学家往往是非常理性和逻辑的人,绝大多数物理学家认为人与人之间的心灵感应是一种非科学、非理性和非逻辑的现象,可能并不存在。


但是在量子理论的新领域中,一个特殊的实验系统中的粒子似乎具有一种心灵感应的能力!想象一下,我们有两个位置远离彼此的粒子——如一公里甚至更远——我们测量其中一个粒子的某个性质,比如它的速度。无数的实验表明,对于某些性质来说,一个粒子测量的属性值总是另一个粒子的属性值的“镜像”。如果我们把这两个粒子想象成人,这意味着每当一个人举起右手时,另一个人就会举起左手,反之亦然——即使他们都看不见对方正在举起哪只手!许多实验表明,这些成对的粒子中的一个以某种方式影响着另一个——即使在没有任何事先协调的情况下,甚至在相隔很远的情况下也是这样。这种非常奇异的现象被称为量子纠缠


你可能会想知道是否每一对微观粒子都处于量子纠缠状态。答案是否定的——这只会发生在最初处于特殊连接状态(如双胞胎)的粒子对中,称为单重态。此外,量子纠缠非常敏感和脆弱;如果任何外部粒子进入实验系统,纠缠就会被破坏——因此实验系统必须完全与外界隔离开来。


目前,人们正全力以赴,投入巨资来建造量子计算机,量子计算机是一种基于量子纠缠现象的计算机。这样的计算机必须完全与有可能破坏量子纠缠的任何外部干扰隔离开来。


05

猫的神秘问题


奥地利物理学家埃尔温·薛定谔探索了量子世界的另一个奥秘。薛定谔描述了一个非常奇特的量子状态。根据薛定谔本人参与开发的量子理论数学,一个量子粒子在同一时间被发现处于其全部可能的状态中。例如,如果你有一套量子骰子并且投掷其中之一,当它在空中时,它的状态将是全部可能结果的混合——一小部分是1,一小部分是2,一小部分是3,4,5和6!但当你实际检查结果时,它将只显示一种可能性。这种在骰子落到桌子之前的状态被称为叠加态。根据这个理论,当量子粒子被观察时,它只会“选择”一个状态。这或许听起来有些不可思议,而如果我们换个角度,从我们所熟知的世界来思考,就更加匪夷所思了。薛定谔提出了一个在封闭盒子内的猫的思想实验。猫所在的盒子里还有一个具有50%的衰变几率的放射性原子,放射性原子会触发一个会打破含有毒药的瓶子的锤子,毒药将导致猫死亡。但是有50%的几率放射性原子不会衰变,猫会活下来。根据量子理论,猫在同一时间既是活的又是死的——只有当我们打开盒子查看时,它才真正成为其中的一个状态(见图3)。


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▲图3 - 在薛定谔的思想实验中,一个封闭的盒子内装有一只猫,一瓶毒药和一个在实验过程中有50%的机会衰变的放射性原子。

▲如果这个原子衰变,毒药瓶将会破裂,猫会死亡。如果这个原子不衰变,猫就会存活下来。根据量子理论的数学理论,猫在同一时间会同时处于活着和死亡的状态,直到有人打开盒子查看——在那一刻,其中一个状态将变为现实。


这怎么可能呢?当盒子关闭时,没有人在看它的时候,猫的状态是什么?猫是活着还是死了?我们是不是仅仅通过观察就导致了其中一种状态?目前,量子理论仍然没有提供令人满意的解释。


06

物理学的不确定性世界


德国物理学家维纳·海森堡提出了另一个引人注目的量子现象,这就是著名的海森堡不确定性原理。海森堡指出存在特殊的量子状态,例如,如果我们知道电子的确切速度,我们就不知道它的位置。根据这个原理,相反的情况也是如此——如果我们确切地知道一个电子在哪里,我们就无法知道它的速度!但是,如果我们大致知道电子的速度,我们就可以大致知道它的位置。


总的来说,在量子世界中进行测量是奇怪的,完全不同于人们用经典物理学思考测量的方式。在旧的“大陆”上,我们可以拍摄一块落下的石头,拍照的过程不会对石头产生丝毫影响——它会继续下落,好像什么都没有发生过一样。但在这个新大陆上不是这样的!拍摄电子时,拍摄的过程会显著影响电子的位置或速度!物理学家仍然无法解释这个神奇的效应。测量总是会改变被测量的东西吗?如果是这样,那么在我们测量之前电子是什么?也许它是完全不同的东西,只有我们测量了它才使其“成为”电子。


在量子理论的背景下,物理学家喜欢问一个奇怪的问题:如果一棵树在森林里倒下而没有人听到,它究竟有没有发出声音呢?对这个问题的答案看起来可能很显而易见,但是把它放到量子世界思考时,答案却并不那么明显——这是另一个版本的猫在盒子里的问题:在我们打开盒子之前,猫的状态是什么?


07

这一切意味着什么呢?


读到这里,你已经粗略尝到了量子的味道,现在我要问你一个问题:这个陌生的新大陆意味着什么?看起来我们没有办法知道在我们不观察时量子系统中正在发生什么。我们只能计算事情可能发生的概率(比如在我们打开盒子时猫活着的概率与死亡的概率)。


我在30多年前上大学学习物理学时,我的一位教授曾说过类似的话:量子理论就像一个厨师用微波炉做饭一样——他知道如何使用它,但不知道它是如何工作的。


一些物理学家相信量子实验的所有可能结果同时发生,只不过在不同、独立的宇宙中。根据这个概念,我们身处其中一个宇宙之中,只能意识到我们所处的宇宙,但在所有其他可能的宇宙中,也存在着我们的复制品!例如,在薛定谔的思想实验中,如果我发现猫是活着的,那么还有另一个宇宙——一个我毫无关联且一无所知的宇宙中,我看到猫是死的。


还有一些人认为,是人类的大脑创造出所有的量子怪异现象。这一观点的支持者认为,在没有人类的世界里,量子的奇特现象不会存在。还记得我之前问过的问题吗:如果树在森林里倒下,而没有人在附近听到,它会发出声音吗?持这种观点的人会回答“不”,因为他们相信人类是物理宇宙的中心。阿尔伯特·爱因斯坦不喜欢这个想法,曾经问他的朋友:“你真的相信当你不看着月亮的时候它不存在吗?”


其他人,包括我在内,认为如果量子世界描述的是一种万物都相互连接的现实——而不是我们通常感知到的分离和分隔的——那么量子现象突然就变得自然和符合逻辑。根据这种观点,存在一种新型的波,遍布整个空间,瞬间连接了它的所有部分和粒子。例如,这种波瞬间连接了两个纠缠粒子,以及其他更大的“粒子”,如月球和地球。薛定谔的实验中,猫会有一种存在于两个叠加态的波,即活着和死亡,但猫本身一直处于其中一种状态,每种状态的概率都是50%。它最终状态的确定将取决于它的初始状态,而这个初始状态我们并不确定。


你会选择哪种观点呢?


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词汇

光电效应: 当某种类型的光照射到原子上时,空气会充满电荷。1905年,爱因斯坦利用新的原理解释了这一现象,奠定了量子理论的基础。


量子理论: 一种新的物理理论,在20世纪初开始发展,试图解释组成原子的微小部分如何运作。


量子跃迁: 电子似乎会从原子核周围的一个轨道(或能级)“跃迁”到另一个轨道,不会存在于轨道中间。


量子纠缠: 两个微观“双胞胎”粒子之间的神秘联系,它们可能相距甚远。纠缠粒子的行为就像它们之间存在超光速的心灵感应连接一样。

叠加态:  一种量子态,两种不同的可能性同时存在,但当我们观察它们时,我们只看到其中一种可能性。


海森堡不确定性原理:一种量子原理,指出我们无法同时知道微小粒子的位置和速度——我们对其中一种性质了解得越多,对另一种性质的了解就越少。


概率: 一种衡量某件事发生可能性的方式。例如,当我们观察一个小时的放射性原子时,我们只能预测它在一个小时内衰变的几率。



小评审员

MAOR    年龄:13岁


我住在里雄莱锡安(Rishon Lezion)。我喜欢阅读各种各样主题的文章,尤其是社会科学和人文领域。我订阅了《纪元》(Epoch)杂志,它的内容涵盖地缘政治到科学技术。在业余时间,我喜欢学习,也喜欢写作(三年级时,我凭借一首诗获得了全国写作比赛的冠军,我仍然在继续写诗)。我还在学习世界语——国际语言,并参加了一门关于博弈论的在线课程。能够参与本项目,我感到非常高兴!


作者

ZOHAR MALINIAK


我今年65岁,住在基法尔·耶胡绍阿(Kfar Yehoshua)。我是四个儿子的父亲,也是一个孙子的爷爷。在我的一生中,我在以色列的许多地方生活过,并从事过多种职业:我曾是一名建筑工人和泥水匠;是建两个新居民区的合伙人之一,一个居民区在以色列南部,另一个在北部。我获得了物理学的学士和硕士学位,以及量子理论哲学博士学位。我曾是两所不同学校的校长,教授了20年高中数学和物理,并在一个师范学院教学数年。我一直在探寻生命的意义,无论是普遍的生命意义还是我个人的生命意义。而数十年来,量子理论的意义不断地引发我的思考和探索。近年来,我的爱好和自我疗愈方法是养鸡、种菜,自给自足。


原文:《The Mysterious “Land” of Quantum Physics》

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