2018-07-19 21:01:14| 人氣1,308| 回應0 | 上一篇 | 下一篇
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不確定性:量子力學中的最關鍵點




迄今為止,物理學家們對量子力學中那些似乎詭異的現象本身已然沒有爭議了,還沒有達成共識的只是那些現象(如量子糾纏)的物理過程所發生的細節。因此,對於物理學家們而言:革命尚未成功,同志仍須努力。


不確定性:量子力學中的最關鍵點

(文/陳思進)

在上文《科學中最奇特的現象——再談量子糾纏》(《科普時報》2018年06月15日第03版)刊發之後,讀者向我提出疑問——“瞬間移動”是否指量子隱形傳輸可以“超光速”?


因為上文中最後提到:“如果我們接受這個世界就是依照這種‘詭異’的方式運作,我們就可以利用這種糾纏粒子的超距作用,做些有用的事情。如人類一直夢想有一天能以某種方式直接將東西、甚至人本身,從一處瞬間傳遞到另一個地方,不用經過中間的空間,也就是‘瞬間移動’,這也是我正在創作的科幻長篇系列小說《超越時空》中的科學基礎之一。”  


這是一個極好問題!

其實,我在之前的專欄文章裡就曾經提到,在此特別再強調一下,迄今為止,光速極限依然是牢不可破的宇宙法則,目前已知的物理定律,還無法突破光速極限,即量子隱形傳輸無法突破光速屏障。


因此,上文中的“瞬間移動” 依然還是人類的夢想,只有待未來的理論的進一步發展,如能夠證明量子之間不存在空間時,像阿西莫夫的科幻經典《基地》中通過超空間進行的量子躍遷——“瞬間移動”才有可能成為現實,目前還只是科幻中的夢想。 


在之前三篇專欄文章中,著重介紹了量子力學中兩個最基本的概念,疊加態和量子糾纏,那是按照“哥本哈根詮釋”,對量子行為既精簡又易懂的解釋來敘述,非但得到了絶大多數物理學家的接受,更得到了實驗的驗證。


                       


那麼疊加態和量子糾纏是什麼關係呢?

可以這樣說,疊加態是量子糾纏的基礎。也就是說,如果沒有疊加態,也就沒有量子糾纏。 
 
而電子的自旋和其它的量子特性一樣,在被測量之前,它們的狀態是模糊而不確定的。只要一旦觀察(或被觀察了)了它之後才會發現,它要麼以順時針方向轉動,要麼以逆時針方向轉動,就像賭場旋轉輪盤的輪盤賭,最後會隨機指向一個區間。


再舉例來說,比如兩個電子彼此糾纏,它們首先一定處於疊加態——即它們如何自旋,在被觀察前是模糊不清的。如果它們不處於疊加態的話,那麼它們就不可能彼此糾纏了。換句話來說,量子糾纏就是在疊加態的基礎之上,再加上其它約束條件所形成的。 


而形成疊加態的基礎、甚至是量子力學的最關鍵點是測不準原理(uncertainty principle,也可翻譯為“不確定性原理”),即《量子力學並沒有否定客觀世界》(《科普時報》2018年2月9日第3版))一文中所提及的海森堡不確定性原理:在量子力學中,在觀察之前量子的位置與動量不可同時被確定,位置的不確定性越小,則動量的不確定性越大,反之亦然。


先介紹一下哥本哈根詮釋的角石——玻爾的互補原理:微觀物體的波動性與粒子性互補,從概念而言,微觀物體具有波動性或粒子性,有時會表現出波動性,有時會表現出粒子性,即在之前的文章《說說微觀量子世界的基本概念》(《科普時報》2018年05月11日第03版)中提到的“波粒二像性”。


因為互補原理闡明,不能用單獨一種概念來完備地描述整體量子現象,為了完備地描述整體量子現象,必須將分別描述波動性、粒子性的概念都囊括在內。這兩種概念可以視為同一個硬幣的兩面。就拿光來說,當你測量到它的顆粒性質時,就測不到它的波動性,反之亦然。也就是說,不可能同時觀測到粒子與波動。


                             


比如,在這幅著名的視錯覺圖畫《少女和老婦》裡,假若你看到了少女的輪廓,就看不見老婦的樣貌;反之,假若看到了老婦的樣貌,就看不見少女的輪廓。即,你絶對不可能同時看到少女和老婦。


接下來,借用葉李華先生在一個演講中,用宏觀世界的現象形容的“測不準原理”:
挑西瓜:好些人在挑西瓜時,總喜歡拿起西瓜先拍一拍,從西瓜發出的清脆聲音中,測出這個西瓜是否香甜。不過,這個西瓜在被拍了之後,它的好吃度就會降低,已經不是測量之前的好吃度了;


測水溫:使用傳統的溫度計去測量一小杯熱水的溫度,當溫度計插進熱水杯,測出來的溫度就不是之前的溫度了,一定會降低一些。

從上面的兩個例子中不難看出,測不準原理的基本精神,好似陷入了兩難的境地:當你測量一樣東西,不管是多麼微弱的測量,都會或多或少對它造成干擾;可你不干擾它的話,你又做不了測量的工作。


就是這個海森堡表述的測不準原理(或不確定性原理),為哥本哈根詮釋奠定了堅固的基礎。也就是說,不確定性是量子力學的關鍵點。 

迄今為止,物理學家們對量子力學中那些似乎詭異的現象本身已然沒有爭議了,還沒有達成共識的只是那些現象(如量子糾纏)的物理過程所發生的細節。因此,對於物理學家們而言:革命尚未成功,同志仍須努力。-----(陳思進 /華爾街金融真相)

台長: 聖天使

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