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爱因斯坦说“上帝不会掷骰子”,到底量子力学讲了什么?

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发表于 5 天前  | 显示全部楼层 | 阅读模式
大家好,这里是小播读书,今天我们继续讲最前沿的科普畅销书《宇宙的琴弦》。前面我们讲了爱因斯坦的广义相对论和狭义相对论,接下来今天我们讲:量子力学。






量子力学是什么?

爱因斯坦为了我们带来了解释宇宙的宏观世界的一套坚贞不破的定律广义相对论,而德国物理学家普朗克给我们带来了宇宙另外一套微观世界的理论:量子力学。量子力学是我们认识微观宇宙的概念框架。当我们考察原子及亚原子的世界时,量子力学将揭示也许更为惊人的微观世界的特性。接下来,就让我们一起进入宇宙的微观世界吧。

1928年,量子力学的许多公式就已经确立了,到现在已经将近100年历史,它是科学史上最精确和最成功的数字预言。爱因斯坦的广义和狭义相对论改变了我们对宇宙世界空间、时间和运动速度的观念。而量子力学向我们展示了宇宙另外一个完全不同的微观世界的自然规律。它们是两个当代物理学的理论支柱,但是爱因斯坦是完全拒绝量子力学的,甚至量子力学的核心人物玻尔曾说过:

谁如果在思路量子力学时不曾有过迷惑,他就没有真正懂得它。可见量子力学并不那么容易接受。






很早我们就知道,地球上万物生命的能量来自太阳,电磁波将太阳能带到地球。根据19世纪的热力学,我们知道即便在一个烤炉中,有数个完整的电磁波峰和波谷,而每一列波都被赋予了相同的能量。这样会推导出一个结论,当烤炉内有无限的波时,这个烤炉内具有无限的能量,当然我们知道这是不可能的,和我们的常识相违背。

1900年,普朗克提出了一个激动人心的猜想,消除了无限能量的烦恼,他假设一列波具有的最小能量正比于波的频率,高频波意味着大能力,低频波意味着小能量。就像海上汹涌的波涛都是短波,而平静的湖面都是长波一样。



普朗克认为,波的最小能量正比于波的频率,而有的波不会对整体贡献能量的。在一个烤炉内,只有有限的波能对烤炉里的总体能量有所贡献。普朗克在计算能量的方程式中增加了一个调节参数,从而能准确地预言任何温度下测量烤炉的能量,这个参数被我们称之为:普朗克常数,大约是平常单位的千亿亿亿分之一。普朗克常数非常小,说明每个能量包的尺度也非常小,按照普朗克的观点,波的能量实际上是一点点传播的,但是那个小点太小了,以至于我们看起来是连续不断的。






爱因斯坦认为一束光其实可以认为是一股光粒子流,化学家刘易斯将这个粒子流称之为:光子。根据光的粒子观,一只普通的100瓦的灯泡每秒钟大概会发出1万亿亿亿多个光子,爱因斯坦用这个新概念提出了光电效应背后的微观机制。他指出:当一个电子被足够能量的一个光子击中时,它会从金属的表面逃逸出来。那么是什么决定每个光子的能量呢?爱因斯坦根据普朗克的引导,提出了每个光子的能量正比于光波的频率。因此爱因斯坦证明了,普朗克的能量包的猜想实际上反映了电磁波的一个基本特性:电磁波由粒子即光子组成,是一束光的量子。这是一个巨大的发现。









现在我们知道水是由大量的水分子组成的,光波是由大量粒子(光子)组成。爱因斯坦通过一系列实验证明,光同时具有粒子性,也具有波动性,也就是说,刚即是粒子也是波。这就是我们说的光的“波粒二象性”。1923年,法国物理学家德布洛意提出了波粒二象性不仅是光具有,也适用于其他物质。1927年,量子力学发展得到了主流科学界的认可,宇宙不再是一个精确的模型,按照量子力学的观点,宇宙也遵照严格准确的数学形式演化,不过那些形式所决定的只是未来发生的几率,不是不一定性。

换句话说,量子力学给宇宙发展带来了不确定性,打破了广义相对论的宇宙确定性和规律性的认知。当然爱因斯坦是反对的,便了那句名言:上帝从不掷骰子

就像爱因斯坦一样,物理学家对量子力学理论一直还存在争议。物理学家理查德·费曼是继爱因斯坦以来最伟大的物理学家之一,他完全接受了量子力学的核心理论。在1927年,物理学家海森堡发现了量子力学的另外一个核心特征:不确定性。随时不断有物理学家加入量子力学的阵营,量子力学也更多地被物理学家所接受。








广义相对论与量子力学

过去100年,广义相对论和量子力学让我们探索宇宙的尺度从最大一直到最小。人类取得了非常多了不起的成就。但是我们也意识到,量子力学和广义相对论没能达到最深层次的认识。因为它们的适用范围是不同的,在一些情况下还有冲突,比如在讨论黑洞的中心、在大爆炸时刻的宇宙等方面这两套理论存在对立矛盾面。

爱因斯坦的能量方程式告诉我们,能量和物质是可以相互转化,量子力学中,海森堡的不确定性告诉我们,能量和动量在微观世界中疯狂涨落,宇宙在微观尺度上类似一个闹哄哄、混沌、疯狂的世界。但是动量和能量在微观世界中可以相互抵消,因此在宏观世界看来,一切都是宁静和太平的。

简而言之,微观世界的混沌状态和宏观世界的规律性就是这两个理论最大的矛盾点。

广义相对论适用于巨大的天文学尺度。在那样的距离,爱因斯坦的理论说明,没有物质意味着空间是平直的。为了把广义相对论与量子力学融合起来,我们现在必须转移关注的焦点,去考察空间的微观性质。






我们说明了如何一点点去暴露越来越小的空间结构。开始的时候,看不出什么来;看图中底下的三层,空间结构几乎是一样的形态。从纯经典的立场看,我们以为这样平直稳定的空间图景会一直保持到任意的距离尺度。

但量子力学完全改变了这种想法。万物都摆脱不了不确定性原理所规定的量子涨落——引力场也不例外。虽然经典理论认为虚空间没有引力场,但量子力学证明,引力场尽管在平均意义上等于零,实际上却因量子涨落而波荡起伏。另外,不确定性原理还告诉我们,关注的空间越小,看到的引力场起伏越大。量子力学展现了一个没有绝望的世界,越是狭小的地方,越是浪花飞溅。

引力场通过空间的弯曲表现出来,而量子涨落通过空间周围越来越强烈的扭曲表现自己。物理学家惠勒发明用“量子泡沫”来描述超微的空间和时间里表现出来的混沌状态,在那个尺度上,空间和时间都失去了意义。在这个尺度上,正是量子力学和广义相对论不相容的地方。

好了,今天的内容就是这些,我们讲了量子力学和爱因斯坦的相对论,到底上帝会不会制筛子呢?到底什么是弦理论呢?我们讲在下一篇文章开启更加精彩的内容。

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