6 量子力学

     (这部分内容较难理解可暂时忽略,以后做视频介绍)

      量子力学堪称20世纪最有成就的科学理论,没有量子力学,就没有20世纪乃至21世纪的科学文明。量子世界的神奇根本不亚于中国的神话故事及宗教神奇现象。科学家用“活见鬼”、“幽灵,”等来描述量子力学的神奇性。普朗克最先提出量子的概念,但“有人这样说,当普朗克把量子幽灵从瓶子里放出来后,他被这个幽灵吓得要死”《时间之剑》。然而神奇的量子力学却最能解释“特异功能”及宗教的神奇现象。量子力学在很大程度上改变了人们的世界观。

      量子力学所涉及的是亚原子(原子核、电子)及其以下很小尺度的粒子。量子力学认为描述粒子性质的物理量不可连续取值,存在一个不可再细分的“量子”,所有取值只能是这个“量子”的整倍数。量子力学有几个令人震惊的特性,如波粒二相(象)性、测不准原理、量子纠缠、量子隧道效应等。

a) 双缝试验

      双缝试验的重要结论:光具有波粒二相性;电子及其它粒子也具有波粒二相性。以光为例,光是电磁波,是看不见、摸不着的,符合古人“空”的观念。光还有粒子的特征,即光子,按古人的观念粒子是“物”,也就是佛教中所说的“色”。同样的光即空即色,所有万物粒子都是即空即色,因此有,“色不异空,空不异色,色即是空,空即是色,受想行识,亦复如是”。

      波粒二相性是人类对物质世界的认识的一次飞跃,它揭示了物质的本质,然而早在两千五百年前佛陀就把这一本质说得清清楚楚,还应用于指导众生的修行:“照见五蕴皆空”,无怪乎贾斯特罗(美国航天计划开拓者)说“当科学家登上一座高山后,却发现神学家早就坐在那里了”,神学家似乎在说:等了几千年你们终于爬上来了。一山更比一山高,继续爬吧,爬到最后你们会发现:“科学的尽头是神学”。

      当平静的水面放一个小球并让它按一定的频率上下振动时,水面将激起一圈圈的波浪(见图1-15)。最高的地方叫波峰,最低的地方叫波谷。当有两个相同球放在水面上下振动时,就会有两组波浪,它们相遇后水波相互叠加,有的地方增强,有的地方相互抵消,由此产生波的干涉现象,产生干涉条纹(见图1-16),这是波的特性。

a)     3D 水波图

b)  2D水波图

图 1-15 一组水波

a)  3D水波干涉图

b)  2D水波干涉图

图 1-16 两组水波产生干涉条纹

      牛顿认为光是粒子流组成的,而荷兰物理学家惠更斯则认为光是波。19世纪初,英国物理学家托马斯.杨所做的双缝试验证实光是波。图1-6为双缝试验原理示意图,在光源和屏幕(屏幕翻转了90度以便看到干涉条纹)之间放一个带两条狭缝的挡板。如果只打开一条缝,“左”或者“右”,就只能得到一条光亮条纹,分别称之为“左条纹”、“右条纹”。如果同时把两条缝都打开,得到的不是“左条纹”加“右条纹”的两个条纹,而是图1-6顶部所示的干涉图像。

图 1-17 双逢干涉图

图 1-18 激光通过双缝形成的干涉图

      传统上电子被认为是粒子,将图1-16中的光源换成电子发射装置,单个单个地缓慢将电子发射出去,只要时间足够长,科学家惊讶地发现,仍然得到干涉图像。

按传统观念

  • 第一个奇妙之处是:这些电子怎么就知道前面是单缝还是双缝?发现是双缝就干涉,发现是单缝就不干涉。
  • 第二个奇妙之处是:好像这些电子事先进行了协调似的,该亮的地方去的电子多,该黑的地方就少或者没有电子打上去,每个电子都知道自己应该去哪儿,以便准确地打出干涉图样。
  • 物理学家费曼认为每个达到荧屏的电子实际上穿过了两条缝,听起来非常不可思议。他还认为,每一个从发射源到荧屏上某一点的电子,实际上经历了所有的路径,它似乎无处不在。
  • 更神奇的是,如果安装探测器,记录每个电子是通过哪个孔,此时就没有任何干涉发生,这个现象被称为“波函数的坍缩”。好像这些粒子能够“知道”它们是否被关注了,当发现被关注时就展现出简单的图形;没有被关注时就描绘出干涉图案。

图1-19 延迟选择量子擦除实验示意图(维基)

      量子擦除实验。其原理如图1-19所示,过程较复杂,简述如下:右上端的“光源”发出单个光子经过“上缝”和“下缝”构成的双逢,再经过“BBO”将单个光子转换成两个处于纠缠态的光子,后面的光学棱镜将两个光子分别折射到“上路”最后达到屏幕D0和“下路”最后达到延迟选择量子擦除装置(简称“擦除装置”)。走“上路”的被称为:信号光子,走“下路”的被称为:标记光子。因为处于纠缠态的一对光子性质是完全相同的,要么同时显示粒子特性,要么同时显示波的特性,只要知道其中一个光子的状态,另一个光子的状态也就完全知道了,所以“擦除装置”根据标记光子的信息能向人们显示有关信号光子的两个结果:

      “不确定”,即不能确定信号光子来自“上缝”还是“下缝”;

      “确定”,即能确定信号光子来自“上缝”还是“下缝”。

      当“擦除装置”显示“不确定”时,屏幕D0出现干涉图,当显示“确定”时,D0没有干涉图。也就是说:粒子除了能够“知道”是否被关注外,还能“知道”它选择的路径是否被人们发现。如果人们确定了他所选择的路径,干涉不发生。如果人们没有确定他所选择的路径,干涉就一定发生。科学家难以接受这种结果,于是变来变去做了无数次这类的试验,然而结果都一样。无数次“猫捉老鼠”的游戏,量子一直保持0败记录,科学家只好无奈地接受这个“残酷”的事实。

      在“量子擦除实验”基础上进一步的“延迟选择量子擦除实验”。该实验在上述实验的基础上保证“下路”的长度比“下路”的长,这样当“上路”的信号光子达到D0显示结果时,“下路”的标记光子还在路上,到目的地还有一段距离,信号光子怎么会提前知道标记光子的状态?这个实验给人们带来了以下疑惑:

  • 纠缠态光子能根据未来的情况,改变自己的历史选择?
  • 纠缠态光子能预测未来的情况,从而决定过去的行为?
  • 量子的世界里,未来能够改变过去?

       《宇宙的结构》有一段耐人寻味的话:“未来只是在帮助我们讲过去的故事”。

        波尔:任何一种量子现象只在其被被记录之后才是一种现象。

      《六祖坛经》中云:“时有风吹幡动。一僧曰风动,一僧曰幡动。议论不已。慧能进曰:不是风动,不是幡动,仁者心动”。如果不起心去“记录”,就不会有量子“现象”。同样,如果仁者心不动,也就不会有幡动的“现象”。波尔似乎悟到了一点六祖在一千三百多年前提出的“心动”思想。

图1-20   仁者心动

  • “意识观测”实验即密室仅有双缝实验装置,人们在室外进行“意识观测”,结果表明:意念影响量子干涉结果,且意念力越强,对结果影响越大。

4)不确定性原理及量子隧道效应

重要结论:

  • 粒子是场的表现,场能够直接造就粒子。粒子是一些带有一定能量的场,由不确定性原理限制在一定的范围内。宇宙间除了量子场外一无所有。古代认为:场是看不见摸不着的,是“空”,而粒子与色对应。因此,这里科学再一次说明了“色”、“空”之间紧密的内在联系:“色即是空,空即是色”。
  • 粒子的位置和动量不可能同时精确地被测量。根据不确定原理,一个人瞬间“变”到几百米外,甚至更远的概率不为零,但接近零。如果想要提高这种概率,不妨到百慕大三角洲试试。
  • 根据不确定原理,一个人能够穿过一堵砖墙的概率不为零,但接近零。如果想要提高这种概率,不妨学学崂山道家功法试试。
  • 真空在很小尺度下一点不空,能量涨落非常热闹。

      由前面所述的内容可知,粒子某些属性不能给出确定值,而只能被描述为存在的可能状态的概率分布并可由薛定谔波动方程进行计算。在被观测之后,或者说量子物质与某种物质相互作用之后波函数坍缩,每个具体的状态都存在一定概率成为现实。“粒子(即实物)本身只是场的表现,场能够直接造就粒子。粒子就是一些带有一定能量的场,由不确定性原理限制在一定的范围内。宇宙间除了量子场外一无所有”《大爆炸探秘》。

      法国科学家德布罗意认为实物是一种物质波,能被描述为一个位置概率的波包,即粒子可能所处位置的范围。这个波包的长度是一个物体的位置被确定程度。

a) 较长的波包

b) 较短的波包

图 1-21 波包示意图

       如图 1-21所示波包较长意味着可能存在于较大的空间范围,即不确定性较大,粒子处于A点的可能性最大,处于B点的可能性较小,处于C点的可能性几乎为零。波包短则说明位置较为准确。这适用于亚原子粒子,也近乎适用于所有物质。波包是通过许多具有不同波长的单波组合而成的。波包越短不同波长的单波数量越多,波长不确定性增大。波长决定了动量,因此动量的不确定性增大,反之亦然。

     这个关系式说明,原则上不可能同时绝对精确地测量粒子的位置和动量,如果能精确测出一个电子在什么地方?那么它的动量将变成无穷大,因而根本就不知道那个电子下一刻会出现在宇宙中什么地方?粒子之声并不绝对精确的知道他现在何处,下一步将出现在何处?于是就有了神奇的量子隧道效应。

       图1-22常被用于解释量子隧道效应。粒子被困在陡峭的壁垒中,它能在内部运动,除非有足够的动能,它不会越过两边的山峰而逃离原子核。由于粒子位置的不确定性,描述运动粒子位置范围的波包并不会遇到峭壁就突然为零,而是以指数方式沿峭壁迅速下降,然而不会降至零,有很小的几率瞬间穿过壁垒,跑到外面去。粒子穿过屏障的速度有多快呢?科学家认为这个过程是瞬时的,也就意味着超光速,听起来又颠覆了人们的观点,然而却得到了试验证明。

a)  动能足够可以逃逸

b)  不确定性原理的逃逸

图 1-22   α粒子逃出原子核示意图

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