想象你隨意撿起地面的一顆石子,奮力向上拋擲,自然而然,你會目睹石頭的降落,甚至可以輕易地將其接住。
這顆石子并不會無休止地向上攀升(當然,如果你的力氣足夠大,理論上它確實可以持續(xù)上升),它也不會突然從你的視線中消失,更不可能轉變成空氣或其他物質。
所有這些,都是我們日常生活中的常識,用科學的術語來表述,便是我們的世界是可預見的、可描述的、可了解的,是確定無疑的。這便是愛因斯坦所謂的“認知論”,是經(jīng)典物理學的一環(huán)。
簡言之,無論何物,只要我們掌握了它的所有參數(shù),就能精確推斷它的未來動向。
然而,量子力學的出現(xiàn),卻讓我們原本熟悉的經(jīng)典物理戛然而止,它徹底顛覆了我們對世界的傳統(tǒng)認知。
我們不妨借用文章開頭的例子來做一個比喻。
你向上投擲的石頭,不僅沒有下落,反而是毫無規(guī)律地向四面八方飛散。更令人抓狂的是,石頭似乎同時存在于兩個地方,甚至在你還未投擲之前,它已經(jīng)在空中飛翔。
你會不會因此而徹底瘋狂?
然而,在量子世界中,這正是每日上演的奇景。這不僅令你我這樣的普通人感到瘋狂,科學家們對此也同樣震驚不已,他們困惑不已:為何量子世界會如此違背我們的直覺?
簡單而言:無人知曉答案,至少目前無人知曉。但這并未阻擋科學家們尋求答案的決心。
兩個處于糾纏狀態(tài)的粒子,無論它們相隔多遠,即便是在宇宙的盡頭,也能即刻感知到對方的存在。當我們觀察其中一個粒子的狀態(tài)時,另一個粒子的狀態(tài)便會立即確定,仿佛兩者之間存在某種心靈感應。
這種只能通過概率來描述微觀粒子的現(xiàn)象,帶來了許多令人震驚的發(fā)現(xiàn)。例如,微觀粒子可以穿越那些看似不可逾越的障礙,突破能量壁壘,這就是所謂的量子隧道效應。
這就好像,盡管你沒有足夠的能量越過5米高的墻,但在量子世界中,微觀粒子卻可以輕松地做到這一點,它們可以突然穿越那道“墻”,微觀粒子的位置是不確定的,可能出現(xiàn)在任何地方。
在量子世界里,還有一種更為奇妙的現(xiàn)象——量子糾纏。
無論兩個糾纏的粒子相隔多遠,哪怕是宇宙的兩端,它們都能夠即刻感應到彼此的存在。當我們觀測其中一個粒子的狀態(tài)時,另一個粒子的狀態(tài)會立即確定,仿佛兩個粒子之間存在心靈感應。
愛因斯坦將這種現(xiàn)象稱為“鬼魅般的超距作用”。
在愛因斯坦看來,我們的世界是有局域性的(簡單來說,任何物體對周圍事物的影響速度不能超過光速,即光速是速度的上限),這也被稱為“局域實在性”。但量子糾纏打破了這一特性,表明了世界其實是非局域的。
實際上,量子糾纏并不傳遞任何信息,并沒有違反“光速極限”的規(guī)定。但對于這種奇異的現(xiàn)象,愛因斯坦非常排斥,他認為量子世界一定還隱藏著某種尚未被發(fā)現(xiàn)的“隱變量”,這才導致量子世界顯得如此奇特。
而以波爾為首的哥本哈根學派的解釋則是,任何微觀粒子都處于疊加態(tài),即不確定性。
用一個宏觀的例子來說明:
假設我們將一副手套分別裝入盒子,放在相隔1000光年的地方(無論距離多遠都可),分別標記為A點和B點。
按照經(jīng)典物理的詮釋,盡管我們不知道A點是左手套還是右手套,但實際上它已經(jīng)確定了,只是我們尚未打開盒子去確認而已。無論我們觀察與否,它都是確定的。
如果A點的手套是左手套,我們立刻會知道B點的手套是右手套。
但在量子力學的詮釋中,A點究竟是左手套還是右手套是不確定的,這里的“不確定”并非因為我們未曾觀察,而是它的“內在性質”。也就是說,A點是左手套和右手套的疊加態(tài),當我們觀察的那一刻,疊加態(tài)就會坍縮成確定的狀態(tài)。
簡言之,量子世界的確定性,取決于觀測這個行為。
對于愛因斯坦和薛定諤等反對哥本哈根學派的科學家而言,量子糾纏和“疊加態(tài)”是極其駭人聽聞的,他們很難接受。
然而,在20世紀60年代,貝爾進行了一系列實驗,這些實驗更傾向于支持哥本哈根學派的觀點,也就是非局域性的觀點,其中最著名的便是貝爾不等式。
因此,量子世界的不確定性得到了主流科學界的認可。
事實上,量子糾纏現(xiàn)象對量子計算機的研發(fā)至關重要,它可以讓量子計算機的運算速度相對于傳統(tǒng)計算機實現(xiàn)質的飛躍。
量子計算機與傳統(tǒng)計算機在本質上完全不同,最大的區(qū)別在于計算方式。
量子計算機為何速度如此之快?
舉個例子就明白了。假設有兩個電器,每個電器有一萬根電線,這兩萬根電線必須一對一連接起來,并且必須與特定的電線連接才能正常工作,但你不知道是哪一根。
在這種情況下,我們必須逐一進行測試,把其中一個電器的一根電線與另一個電器的一萬根電線分別連接,這意味著最多需要一萬次才能找到正確的連接方法。
如果把所有的電線都試驗一遍,最多需要一萬乘以一萬次(即一億次)的嘗試才能完成。
但在量子世界中,這一切都變得簡單了,由于量子糾纏可以在瞬間完成,兩萬根電線就像是糾纏中的兩萬個粒子,在理論上,它們可以瞬間確定正確的連接方式。
當然,這只是理論上的分析,實際操作起來還是很復雜的。例如,科學家控制一對糾纏的粒子并不困難,但要同時控制很多對糾纏的粒子就非常具有挑戰(zhàn)性了。這也是制造量子計算機的難題之一,我們還有很多困難需要去克服。
但不管怎樣,量子力學為我們揭示了一個截然不同的世界,它既怪異又顛覆了我們的世界觀,但它的應用卻是真實存在的,并且已經(jīng)給我們帶來了不一樣的科技體驗,例如你每天都在使用的手機中的芯片,就運用了量子科技。
科學家們對于量子力學本質的探索永無止境,在未來的某一天,當我們揭開量子力學的神秘面紗時,很可能意味著人類文明和科技將邁上一個全新的臺階!
特別聲明:以上內容(如有圖片或視頻亦包括在內)為自媒體平臺“網(wǎng)易號”用戶上傳并發(fā)布,本平臺僅提供信息存儲服務。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.