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为什么物理学家费曼说,世界上没有人懂得量子力学?

(2019-11-13 23:16:04)
好科普!

为什么物理学家费曼说,世界上没有人懂得量子力学?
网络达人


费曼是20世纪最杰出的物理学家之一,参与了曼哈顿计划。(也就是美国原子弹的研制)同时,也获得了诺贝尔物理学奖,而他主要成就是集中在量子力学中。他曾经给大学本科生授课,这门课程的内容后来被整理成书,这本书就叫做《费曼物理学讲义》,是如今最畅销的大学物理学教材。

作为20世纪在量子力学领域的大牛,为什么费曼会说出:世界上没有人懂得量子力学?
世界上真的没有人懂得量子力学?其实,有类似的想法的不止费曼一个物理学家,有很多物理学家说过。比如:量子力学的奠基人,哥本哈根学派的领袖波尔就曾说过:如果有人不对量子力学感到困惑,那只能说明他不懂量子力学。

这么多量子力学领域的专家都有类似的表达,那这当中一定有一些猫腻。之所以他们有这样的困惑,本质上是因为量子力学其实是描述微观世界的物理学现象的理论他们并非对理论感到困惑,而是对于微观世界的离奇现象感到困惑。那微观世界到底存在什么样的离奇现象呢?在物理学史上有一个堪称离奇,诡异甚至是恐怖的实验,这个实验叫做:双缝干涉实验。


为什么物理学家费曼说,世界上没有人懂得量子力学?

由于篇幅关系,我们在这里就不具体讲这个实验到底是咋回事了。我们就说说这个实验另科学家十分困惑的地方是什么。简单来说就是:这个实验有观测者和没有观测者最终得到的实验结果是不同的。具体来说是这样的,在这个实验中,光子或者电子通过双缝之后会在屏幕上成像,如果什么都不管不顾,就会出现干涉条纹。

为什么物理学家费曼说,世界上没有人懂得量子力学?

但是如果在实验装置上加一个探测器,观测电子或者光子是如何通过双缝时,就会出现完全不同的实验结果。是不是神奇?一开始科学家还不信,经过多次反复的实验,这个结果始终就是这样的。也就是说,一个普普通通的物理学实验,最终把观测者卷入到其中,你说诡不诡异?
为什么物理学家费曼说,世界上没有人懂得量子力学?


上帝不掷骰子
无论实验是什么样子,对于理论物理学家来说就是要用理论对其进行描述。在上世纪20年代前后,海森堡提出了矩阵力学来描述,薛定谔提出了薛定谔的波动方程来描述。后来,狄拉克从数学上证明了两者是等价的。实际上,到了海森堡,薛定谔和狄拉克已经是第三代量子力学的科学家,在之前此,第一代是普朗克,爱因斯坦;第二代是波尔,索末菲,波恩;除此之外还有泡利,德布罗意等人。这帮人不光是在研究理论,他们还吵了起来,分成了两派。一派是波尔领衔的哥本哈根学派,主力干将就有海森堡,泡利等人。另一派来头也很大,爱因斯坦领衔,主力干将有薛定谔,德布罗意等人。

他们到底在争啥呢?
说白了,他们就是在争“这个不确定性”海森堡提出了不确定性原理,描述了微观世界的物理现象。他认为,我们没办法同时测量到微观粒子的位置和动量的信息,测了一个,另一个就不准了。那这个该如何理解呢?我们来举个例子,就拿氢原子模型来说,我们传统意义上认为电子是绕着原子核在转的,这类似于地球绕着太阳转。但海森堡认为,所谓的“轨道”其实是假想出来的,并不存在,还不够存粹。他基于当时的实验现象,提出不确定性原理,用这理论来描述电子的运动。具体来说,就是利用“概率”来描述。电子可以出现在下面任意的位置,只不过每个位置的概率不同,因此,可以用电子云来描述。


为什么物理学家费曼说,世界上没有人懂得量子力学?


而波尔反击道:爱因斯坦不要指挥上帝如何做。反对派的主力干将薛定谔更是提出了一个思想实验:薛定谔的猫。用猫的既死又活的叠加态来讽刺哥本哈根学派。无论是爱因斯坦,还是薛定谔都认为量子力学所描述的微观世界是不够完备的。他们其实都在试图证明量子力学的不完备性。爱因斯坦认为,存在着一个最终极的可观的真理,而不是像量子力学所描述的“不确定性”。而爱因斯坦的整个后半生,基本上都在试图证明量子力学的不完备性和试图提出终极理论,但他都没有做成,随着后续的实验,最终的结果都偏向于波尔所领衔的量子力学哥本哈根学派的观点。

实际上,我们无法理解量子力学的一个很重大的原因是我们无法换位思考微观世界的物理学现象和我们所处的宏观低速的世界实在太不同了。这其实和我们无法理解相对论是一回事。我们所处的是低速和弱引力场的世界,而相对论描述的确实大尺度,高速,强引力场的世界。这种时空的巨大差异,导致我们无法理解,所以,说白了,这是尺度造成的。

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