量子世界爲何是不確定的?微觀粒子爲何不能是確定的?
簡單來講,三個字:不知道!
物理學家們都是聰明絕頂的,但在這個問題上,物理學家們與我們普通吃瓜群衆是一樣的,都不知道問題的答案。
但是,“不知道”也是分等級的,物理學家們只是不知道量子世界的“底層邏輯”到底是什麽,不過他們對于量子力學的了解和認知程度顯然比普通人更深。
就好比沒有人知道這個世界的“真相”,但這並不妨礙人們去研究這個世界,在研究世界的同時,可以讓我們逐漸接近世界的真相。
量子世界也是如此,物理學家們並不知道量子世界爲何會擁有如此詭異的不確定性,爲何是量子力學統治著量子世界,但他們知道量子力學的確真實存在。
說白了,量子力學只是物理學家們在探索量子世界的過程中發現的客觀存在的規律,人們並不能決定這個規律的存在,只能發現並利用規律。
有人經常會有這樣的疑問:爲什麽量子世界不允許微觀粒子同時擁有確定的位置和速度?實際上這種質疑是沒有道理的,或者說質疑的方向錯了。
不是量子世界不允許,而是量子世界本來就是那樣子的,物理學家發現了微觀粒子具有不確定性這個事實,至于爲什麽會存在不確定性,天才知道!起碼目前人們並不知道。
那麽,物理學家們是如何理解量子世界的不確定性呢?
有一個公式可以描述微觀粒子速度和位置的不確定性關系,位置不確定性與速度不確定性的乘積,必然不小于一個常數。
這個常數與普朗克常數有關,非常小,但肯定比零要大。這就意味著微觀粒子位置和速度的不確定性不可能爲零。不確定性爲零,就意味著確定。所以,微觀粒子的位置和速度都不可能是確定的,兩者都具有不確定性。
雖然目前未知物理學家們並不知道量子世界爲什麽會有不確定性,但一直在探尋這種現象背後的本質。
網絡上對不確定性的科普中,有一種觀點認爲,是人們的觀測行爲導致了微觀粒子的位置和速度不確定。具體來講就是,不管我們通過任何形式對微觀粒子進行觀測,一定會通過光,光子一定要照射到微觀粒子才能進行觀測。
而光是有能量的,這種能量自然會對微觀粒子的位置和速度造成一定影響,對微觀粒子造成幹擾,改變其運動狀態。
這種觀點很容易被大衆接受,畢竟很容易理解,也很符合我們的日常生活經驗。
但其實這種解釋是不嚴謹的,所謂的“不確定性”並不是因爲人們的觀測行爲導致的,而是量子世界的固有屬性,哪怕是某種觀測行爲不會對微觀粒子有任何影響,這種不確定性仍舊存在。
如果微觀粒子的不確定性是因爲人們的觀測幹擾導致的,那就說明在人們觀測之前,微觀粒子已經具有某種確定狀態,這顯然不是不確定性想要表達的東西。
有很多實驗早就證明了微觀粒子的不確定性肯定是存在的,而觀測行爲只會讓這種不確定性坍縮爲“確定性”。
最著名的實驗就是電子雙縫幹涉實驗,很多人肯定都聽說過該實驗,實驗過程和結果也顛覆了人們的三觀。
這裏就不再詳述該實驗了,總之就是一點,當我們不對實驗中的電子進行任何觀測時,電子的確會表現出不確定性,電子就是一種波,也只有波才能表現出幹涉和衍射行爲,最終在接收屏上産生明暗相間的幹涉條紋。
如果非要把電子看作粒子的話,就會很容易讓我們産生“不愉快”,因爲在我們的固有印象裏,粒子在某個瞬間就應該具有明確的位置和速度。
但現實情況下,如果電子是一種粒子,就會産生違反我們常識的結果:電子這個粒子會變得無處不在,甚至同時出現在兩個不同的地方!
這就很難理解了,就像現實生活中,一個玻璃球可以同時出現在兩個不同的地方一樣,可以出現在你面前,也可以同時在月球上出現,這樣的結果顯然是很難被人接受的。
而當我們試圖對電子的行爲進行觀測時,電子就好像知道有人在觀測一樣,瞬間就從無所不在的不確定性坍縮爲唯一的確定狀態,用物理學術語描述就是:觀測導致了“波函數坍縮”。
也就是說,沒有觀測時,電子會以概率雲的形式表現出來。而一旦實施了觀測,電子就乖乖地表現爲確定狀態。
往深了講,世界的真實狀態到底是什麽,取決于我們的觀測。這是不是意味著根本就不存在所謂的客觀世界呢?
扯得有點遠了,到這裏就打住吧,不然再探討下去就涉及到世界的本質了,我也不敢亂講,不然就有“民科”的嫌疑了。
我想說的是,量子世界的不確定性的確存在,而觀測行爲導致“波函數坍縮”也真實存在,至于量子世界爲什麽會存在不確定性,觀測行爲爲什麽又會導致“波函數坍縮”,人們並不知道。
進一步來講,對于量子世界中的不確定性,我們都知道愛因斯坦和玻爾之間有很大的沖突,以兩人爲首的兩大學派也上演了長達數年的辯論。很多人會因此誤認爲愛因斯坦反對量子力學,其實不然,愛因斯坦也是量子力學的奠基人之一,他怎麽會反對量子力學呢?那不是打自己的臉嗎?
愛因斯坦反對的其實是玻爾爲首的哥本哈根诠釋,該诠釋認爲不確定性就是量子世界的固有屬性,但愛因斯坦並不那麽認爲,他認爲所謂的“不確定性”只是表象,一定還存在更深的“底層邏輯”來诠釋不確定性,愛因斯坦因此還突出了“隱變量理論”,認爲量子力學還存在沒有被發現的某種隱變量,如果發現了隱變量,就能更好地诠釋不確定性了。
但直到目前爲止,物理學家們也沒有找到隱變量存在的證據,甚至著名的貝爾不等式直接否定了隱變量的存在,這也是爲什麽哥本哈根诠釋能成爲如今量子力學的正統解釋。
總結
量子力學中的很多詭異現象,比如說不確定性,疊加態,量子糾纏等是真實存在的現象,之所以很難被我們接受,很大一部分原因在于我們生活在宏觀世界,而宏觀世界裏並沒有那些故意現象,如果我們一開始就生活在微觀世界裏,當然會認爲那些現象太正常不過了,反而會對宏觀世界的運行規律産生懷疑。
而對于觀測行爲導致的不確定性瞬間坍縮爲確定性的“波函數坍縮”,也只是物理學家們的一種假設。言外之意,物理學家們也不知道爲什麽會發生“波函數坍縮”,只是發現了這種現象的確存在。
這就好比我打了你一耳光,你感覺到很疼。“打”這個動作就相當于量子力學裏的“觀測”,而“疼”就相當于“波函數坍縮”。
不同的是,物理學上能解釋“你爲什麽會疼”,但不能解釋“爲什麽會存在波函數坍縮”,起碼目前並不能解釋!其實也不用解釋,剛才說了,波函數坍縮就是一個假設,也可以認爲是公理,公理自然無需解釋!---來源: 宇宙時空-