王大虎

王大虎: 量子的智慧选择

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构成生命的基础,比如碳、氢、氧等,世界所有物质都是由分子构成,或直接由原子构成,原子指化学反应的基本微粒,原子在化学反应中是不可分割。原子直径的数量级大约是10-10米。原子质量极小,且99.9%集中在原子核。原子核外分布着电子,电子决定了一个元素的化学性质,并且对原子的磁性有着很大的影响。所有质子数相同的原子组成元素,每一种元素至少有一种不稳定的同位素,可以进行放射性衰变。质子数=电子数,因此正负抵消,原子就不显电,原子是个空心球体,原子中大部分的质量都集中在原子核上,电子几乎不占质量,通常忽略不计。假如原子核是葡萄那么大,那么整个原子就有200米左右,原子的大部分空间是不断运动的电磁场,不断运动的电子好比这个200米运动场的一粒沙子,而质子大小好比一个米粒。当然在量子概念里,它们真正的含义是不确定的。

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基本粒子要比原子、分子小得多,现有最高倍的电子显微镜也不能观察到。质子、中子的大小,只有原子的十万分之一。而轻子和夸克的尺寸更小,还不到质子、中子的万分之一。粒子的质量是粒子的另外一个主要特征量。按照粒子物理的规范理论,所有规范粒子的质量为零,而规范不变性以某种方式被破坏了,使夸克、带电轻子、中间玻色子获得质量。现有的粒子质量范围很大。光子、胶子是无质量的,电子质量很小,π介子质量为电子质量的280倍;质子、中子都很重,接近电子质量的2000倍,已知最重的粒子是顶夸克。已发现的六种夸克,从下夸克到顶夸克,质量从轻到重。中微子的质量非常小,目前已测得的电子中微子的质量为电子质量的七万分之一,已非常接近零。

 

图031 原子核构想图(图片来源:微图网)

在国际当前流行的量子构成方面,被科学检验的最成功的是粒子模型,粒子模型是指物质构成单元有不可再分割的粒子构成,粒子模型中基本粒子,在夸克模型提出后,人们认识到基本粒子也有复杂的结构,故现在一般不提“基本粒子”这一说法。根据作用力的不同,粒子分为强子、轻子和传播子三大类。

1905年和1915年,爱因斯坦分别提出狭义相对论和广义相对论震惊了世界。相对论是对牛顿的万有引力提出新的升华,把宇宙表述为时间与空间纠缠一起的四维空间,从此奠定了其物理界的伟大定位。

但是在1927年、1930年两届物理学盛会的索维尔会议中,关于量子力学的辩论,爱因斯坦两次都被以玻尔为首的哥本哈根派打败。爱因斯坦强调量子世界的因果关系,而哥本哈根派强调量子世界的不确定性。爱因斯坦由于被羞辱,从此走上了大统一理论的研究上来,试图寻找新的理论,把相对论与量子力X系起来。

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除了在哲学观念的冲突之外,相对论与量子理论的冲突主要表现在三个方面,普朗克长度一下的10-35米空间里,就会引发量子泡沫,而在宇宙大爆炸的开端以及黑洞,都需要相对论与量子力学结合起来,但是在这些方面相对论与量子力学都是矛盾的。

霍金在他的《时间简史》中坦言,当今世界上可能会有些人在有生之年,发现大统一理论。但这个大统一理论并不是爱因斯坦最初想的大统一理论,不可能通过一个简单的美妙的公式来描述和预测宇宙中的每一件事情。因为宇宙是确定性和不确定性相互统一的,量子理论中测不准原理体现了不确定性。

现代物理学证据证明,量子力学并非不确定,电子可以分裂说明爱因斯坦的疑问并非完全错误,而爱因斯坦研究大统一理论,也是准备用新理论代替统一量子力学与相对论。至少爱因斯坦本人认为相对论并非完美,正如他所认为的量子力学不完美一样。宇宙的深层里面,微观量子世界与宏观相对论时空世界,必然产生联系。当然新理论还要囊括占据宇宙23%的暗物质与73%的暗能量。

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粒子的双重属性粒子性和波动性:微观世界的粒子具有双重属性粒子性和波动性。描述粒子的粒子性和波动性的双重属性,以及粒子的产生和消灭过程的基本理论是量子场论。量子场论和规范理论十分成功地描述了粒子及其相互作用。

量子的智慧选择:量子实验本身证明了光子,电子或者60个碳分子组成的巴基球的一些不可思议的一面,比如在双缝实验中,一个光子或者电子,能够同时穿越两条缝隙,而历史求和表明量子在传播过程中具有千万个路径,在分光延迟实验中,光子在传播中,光表现出了智慧性,光子似乎看见有人或者物质挡在光子分光的另一条路径上,于是提前就没有通过该路径。而在电子双缝实验中,当有人在一边放上一个摄像机,试图记录电子传播路径的时候,电子似乎知道有人在看,于是选择了另一种传播方式,摄像机的观察影响了电子的选择,这也正是人类对量子不可了解性之一。让我们看看这几个经典实验,并了解量子的神奇性。

双缝实验

托马斯·杨的光实验的现代版被称为双缝实验。

图032 双缝实验

此实验显示,从一个波源发出的一列波,然后这一列波通过开有一对相距很近的狭缝的挡板,通过挡板后两条波的发生衍射,在挡板后远端区域内扩散开来投X屏幕上,有的点波峰遇波峰,波谷遇波谷产生干涉相长。有的点在这里波谷将与波峰相遇,从而产生干涉相消。全部的结果就是屏上出现的明暗相间的条纹,这是波动性强有力的证据。如果用电子,60个碳原子组成的巴基球代替光,那么也会出现类似结果。

单电子双缝干涉实验——如果采取控制手段,单独的一个个发射电子,或者使用弱光源,每次只让一个光子或者电子等(粒子)通过装置,如图034。

 

图033 巴基球富勒烯(图片来源:微图网)

 

图034 单个粒子发射双缝干涉发射实验

实验装置用微小粒子探测器代替屏幕,可对到达的单电子或者光子进行标记。这种单粒子双缝实验效果,如图035所示。

 

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图035 每次双缝发射一个电子或者光子后,探测到电子或者光子,产生的模拟图,分别显示不同数量粒子的结果,毎幅图都包含了前面图的结果。

这种单粒子双缝实验揭示了量子物理奇异性,在此实验实现之前,玻尔与爱因斯曾经为此争论了几十年。后来,随着电子技术和探测器技术的发展,这一实验得以实现,并震惊了所有人,无论他是否是科学家。

这一实验过程是,将电子或者光子一个个向双缝发射,电子(光子)也将在探测器阵列中某一随机点显示。一直持续下去,一个电子(光子)接一个电子(光子)地发射。一开始看起来是随机的,但是发射几十个上百个电子(光子)之后,将开始出现新的现象,大部分光子的着陆点正是波动理论所预言的干涉加强处(这些着陆点大部分处在挡板的“阴影”处)。

少数光子出现在波动理论预言的干涉部分相消处,波动理论预言的干涉完全相消处则没有光子到达。随着持续不断,成千上百万的光子通过装置后,探测器阵列上将会出现清晰的明暗条纹,与波动理论预设的完全一致。

非常奇怪,人们产生质疑,是什么导致了这种现象?这个看起来随机与无法预测的,电子或者光子实验,一个个单独发射,但是结果却出现了清晰简单的与光波一样的图样,人们想问:一个电子或者光子到底是通过哪个狭缝?光子如何“知道”哪里适合着陆,哪里不适合着陆?是什么决定着光子最后的选择哪个着陆点呢?为什么就单独两个光子来说,在理论上是全同的,但是行为上却并不完全相同,不能同时着陆一点呢?与观测结果和量子理论以及一系列实验相符合的唯一解释是,每个单独的电子或者光子(包括巴基球)从光源出发到探测器的过程像波一样运动,每个光子同时通过两个缝,光子产生于一点,探测时也是一点,从光子产生到被探测到(实际是它湮灭)之间,它的行为像波。这就是波粒二象性的本质。此外,概率在这一图像X现了,光子并不知道在哪里着陆,它只知道在不同点着陆的概率:波动理论预言的干涉相长处概率大,波动理论预言的干涉相消处概率小。在这里单个光子——同时通过两个缝——会发生衍射并且会发生干涉,观测者无论什么时候看一个光子(也就是说看探测器,或者你眼睛的视网膜实际记录的光子),它都是一个点。你不看的时候,它就会鬼使神差地像经典理论中的电磁波一样成为波在空间中传播。

 

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