Physics

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数理不分家。

薛定谔诞辰101周年,一起聊聊那只最著名的“猫”

2018.08.12,是奥地利物理学家埃尔温·薛定谔诞辰131周年,他的薛定谔方程为量子力学奠定了非常重要的基础。

不过,对非物理爱好者来说,薛定谔最著名的,可能不是理论,而是一个思想实验——“薛定谔的猫”。

今天的这三本书,就带你初步了解量子力学。

一、什么是量子力学?

《上帝掷骰子吗》

  1. 量子力学的诞生是在20世纪初,普朗克提出了一个大胆假设:能量不是连续不断的,而是一份一份的。能量的发射和吸收,就像是花钱,每次以几元、几分花出去,而且有最小面值1分钱。能量的“最小面值”,就是“量子”。

  2. 在量子力学中,有一个很重要的概念,就是“不确定性”。如果不去观测,粒子的状态就是不确定的,观测发生的一瞬间,粒子的状态才会确定下来。观测后各种状态的出现概率是可以预测的,但是无法预测具体是什么状态。比如,我们无法预测电子10秒后会跑到哪里,只能预测有哪些可能出现的位置。

  3. 著名的思想实验“薛定谔的猫”能直观地让人理解“不确定性”:盒子里有一只猫和少量放射性物质。有50%的概率,放射性物质会衰变释放毒气,杀死猫;也有50%的概率,放射性物质不会衰变,猫将存活。在打开盒子观测之前,无法知道里面的情况,猫是“既活又死”的状态。这种不确定的状态,只在微观层面,在宏观世界是不存在的。

  4. 可以说,量子力学是“反常识”的,它揭示出世界是不确定的。所以,当时很多物理学家都觉得量子力学理论还不完备,就连爱因斯坦都发出了“上帝不掷骰子”的感慨。后来,随着量子力学的不断发展,才慢慢获得了主流的认可。

更多的量子力学发展故事,欢迎观看《上帝掷骰子吗》。

二、量子力学是如何看待世界的?

《宇宙的结构》

  1. 相对论描述的宏观宇宙中,时空是可以弯曲、拉伸的实体。时空就像一块平整的布,各种天体就像布上放的球,会让布面凹陷,这会影响周围物体的运动。所以,地球围绕太阳转,根本原因是太阳的质量弯曲了时空,改变了地球的运行轨迹。

  2. 量子力学所描述的微观宇宙,和宏观宇宙最大的不同就是引入了不确定性。空间极度扭曲、十分动荡,尺度越小,动荡就越剧烈。

  3. 而且,不仅空间是扭曲的,微观粒子间的作用也很奇特。一个典型的现象就是纠缠效应:隔得很远的两个粒子,不需要借助其他物质,就能实时进行相互影响。好比身在美国的一个人说话,身在中国的另一个人不用通讯工具就能马上知道。

  4. 这两种对世界的观点,差别巨大。所以,当今物理学界普遍在寻找一种更基础的规律,将这两种观点统一解释。于是,物理学家提出了弦理论,因为它限制了微观宇宙的最小研究尺寸,解决了微观的动荡和宏观世界的矛盾,有了统一宏观和微观宇宙理论的可能。

更多对空间的探索认知,欢迎观看《宇宙的结构》。

三、真的有“平行宇宙”吗?

《平行宇宙》

  1. 科幻小说经常会提到一个概念,叫“平行宇宙”,又叫“多元宇宙”,是指我们所在的宇宙并不是唯一的,还有其他宇宙存在,但互相之间不干扰。这个概念也以量子力学为基础。

  2. “平行宇宙”可以很好地解释“薛定谔的猫”实验。原本盒子中的猫“既活又死”,打开盒子就衍生出了两个平行宇宙,一个宇宙中的猫是死的,另一个宇宙的猫是活的。而因为两个宇宙互不干扰,我们才能观测到“生”或“死”唯一的结果。不过,这个理论尚未找到实证支持,还只是设想。

  3. 那么平行宇宙存不存在,对我们有什么影响?其实,对单独的个人来说,关系并不大。但对人类这个物种的来说,思考平行宇宙是有积极意义的——作者认为,现有的计算预测出,我们的宇宙总有一天会变得不适合生命生存,那时,移民到其他的平行宇宙可能会是延续物种的好方法。

更多关于平行宇宙的研究和猜想,欢迎观看《平行宇宙》。

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