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不确定性:量子力学中的最关键点

(2018-08-18 23:34:20)
标签:

财经

陈思进

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科幻

分类: 科幻科普
(思进注,最近,我那个量子力学系列文章(2018年01月05日开始在《科普时报》上首发)不断在《科技日报》上转发,那我也就再一篇一篇贴上来,和大家分享。)

不确定性:量子力学中的最关键点
文/陈思进

在上文《科学中最奇特的现象——再谈量子纠缠》(《科普时报》2018年06月15日第03版)刊发之后,读者向我提出疑问——“瞬间移动”是否指量子隐形传输可以“超光速”?
因为上文中最后提到:“如果我们接受这个世界就是依照这种‘诡异’的方式运作,我们就可以利用这种纠缠粒子的超距作用,做些有用的事情。如人类一直梦想有一天能以某种方式直接将东西、甚至人本身,从一处瞬间传递到另一个地方,不用经过中间的空间,也就是‘瞬间移动’,这也是我正在创作的科幻长篇系列小说《超越时空》中的科学基础之一。”  
这是一个极好问题!
其实,我在之前的专栏文章里就曾经提到,在此特别再强调一下,迄今为止,光速极限依然是牢不可破的宇宙法则,目前已知的物理定律,还无法突破光速极限,即量子隐形传输无法突破光速屏障。
因此,上文中的“瞬间移动” 依然还是人类的梦想,只有待未来的理论的进一步发展,如能够证明量子之间不存在空间时,像阿西莫夫的科幻经典《基地》中通过超空间进行的量子跃迁——“瞬间移动”才有可能成为现实,目前还只是科幻中的梦想。  
在之前三篇专栏文章中,着重介绍了量子力学中两个最基本的概念,叠加态和量子纠缠,那是按照“哥本哈根诠释”,对量子行为既精简又易懂的解释来叙述,非但得到了绝大多数物理学家的接受,更得到了实验的验证。
那么叠加态和量子纠缠是什么关系呢?
可以这样说,叠加态是量子纠缠的基础。也就是说,如果没有叠加态,也就没有量子纠缠。  
而电子的自旋和其它的量子特性一样,在被测量之前,它们的状态是模糊而不确定的。只要一旦观察(或被观察了)了它之后才会发现,它要么以顺时针方向转动,要么以逆时针方向转动,就像赌场旋转轮盘的轮盘赌,最后会随机指向一个区间。
再举例来说,比如两个电子彼此纠缠,它们首先一定处于叠加态——即它们如何自旋,在被观察前是模糊不清的。如果它们不处于叠加态的话,那么它们就不可能彼此纠缠了。换句话来说,量子纠缠就是在叠加态的基础之上,再加上其它约束条件所形成的。  
而形成叠加态的基础、甚至是量子力学的最关键点是测不准原理(uncertainty principle,也可翻译为“不确定性原理”),即《量子力学并没有否定客观世界》(《科普时报》2018年2月9日第3版))一文中所提及的海森堡不确定性原理:在量子力学中,在观察之前量子的位置与动量不可同时被确定,位置的不确定性越小,则动量的不确定性越大,反之亦然。
先介绍一下哥本哈根诠释的角石——玻尔的互补原理:微观物体的波动性与粒子性互补,从概念而言,微观物体具有波动性或粒子性,有时会表现出波动性,有时会表现出粒子性,即在之前的文章《说说微观量子世界的基本概念》(《科普时报》2018年05月11日第03版)中提到的“波粒二像性”。
因为互补原理阐明,不能用单独一种概念来完备地描述整体量子现象,为了完备地描述整体量子现象,必须将分别描述波动性、粒子性的概念都囊括在内。这两种概念可以视为同一个硬币的两面。就拿光来说,当你测量到它的颗粒性质时,就测不到它的波动性,反之亦然。也就是说,不可能同时观测到粒子与波动。
比如,在这幅著名的视错觉图画《少女和老妇》里,假若你看到了少女的轮廓,就看不见老妇的样貌;反之,假若看到了老妇的样貌,就看不见少女的轮廓。即,你绝对不可能同时看到少女和老妇。
 不确定性:量子力学中的最关键点
接下来,借用叶李华先生在一个演讲中,用宏观世界的现象形容的“测不准原理”:
挑西瓜:好些人在挑西瓜时,总喜欢拿起西瓜先拍一拍,从西瓜发出的清脆声音中,测出这个西瓜是否香甜。不过,这个西瓜在被拍了之后,它的好吃度就会降低,已经不是测量之前的好吃度了;
测水温:使用传统的温度计去测量一小杯热水的温度,当温度计插进热水杯,测出来的温度就不是之前的温度了,一定会降低一些。
从上面的两个例子中不难看出,测不准原理的基本精神,好似陷入了两难的境地:当你测量一样东西,不管是多么微弱的测量,都会或多或少对它造成干扰;可你不干扰它的话,你又做不了测量的工作。
就是这个海森堡表述的测不准原理(或不确定性原理),为哥本哈根诠释奠定了坚固的基础。也就是说,不确定性是量子力学的关键点。 
迄今为止,物理学家们对量子力学中那些似乎诡异的现象本身已然没有争议了,还没有达成共识的只是那些现象(如量子纠缠)的物理过程所发生的细节。因此,对于物理学家们而言:革命尚未成功,同志仍须努力。

2018年06月26日

【陈思进作品】在蜻蜓FM上独家推出《陈思进的投资实战课》(http://url.cn/5IKkuA6)、《10分钟读懂财经新闻》(http://url.cn/54aTAf1)、《思进看世界》(http://url.cn/5HlXOoa)等专辑;在“陈思进”头条号中推出《陈思进财经金融简单说》专栏:http://url.cn/5Ou9Mpr

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