知道点——量子世界

纵横一川

写在前面的话:

这是一篇讲量子世界的科普文章，由于相关理论及术语的专业性，有些烧脑，以至绝大部分非专业同志难以了解并形不成兴趣；然，当你静下心来，沉浸其中，你会发现它并不远人，其所思所想所理所论，均关系你我，都发生在我们身边；特别难得的是，它给你的是上帝视角，是全新的理念，是我们生命的指南和人生的路标和灯塔。循着它的轨迹，也许你会慢慢发现:

1-这世界原来是空的，一切都源于宇宙粒子振动的造化。震动的不同频率形成不同的元素，不同的元素的不同组合形成了分子，继而有了这花花世界，也有了你我。 这尤如琴弦的振动发出了声音，振动的不同频率形成了声音的不同音阶，不同的音阶的声音组合形成了乐曲。如果我们停止了弹奏，弦的振动便消失了，进而不同的音阶以及美妙的乐趣都随之消失。同理，若宇宙粒子停止了震动，这个世界还存在吗？

2-我们是井底之蛙，井口的口径只是这宇宙的4%。由于我们人体结构的局限，我们所能感知的世界只有这宇宙的4%左右，95%以上的宇宙是我们所不能感知的，但他们却确实存在，我们称他们为“暗物质”。这正如伟大的物理学家霍金所说:“我们何尝不是这鱼缸里的鱼。”

3-我们的身边有着无数个与我们这个世界平行的世界，在那里有着我们不同演变的剧情的存在。随着科技的进一步的发展，特别是量子世界的深度进入，终有一天，我们可以借助某些手段进入那些平行世界，去看那些不同的演变着的自己，去见我们想见的先人。这既不是迷信，也不是神话，而是正在被科学揭示的宇宙真相。这，也正是这篇文章想要告诉我们的。

不妨，你试着看看。也许一遍看不太明白，试着多看两遍，之后将必有所悟、所获、所益。

在量子世界里，微小的粒子从来不是只走一条路，而是同时走遍所有的路。

这听起来是不是感觉有点悬？

我以前也以为任何物体在空间中都只有一条固定的轨迹，最多就是一条直线。但后来我发现这个想法完全错了。

（一）

人类最初理解的世界是用一种确定性的方式，就是物体的运动是线性的，有着直接的因果关系。

牛顿力学告诉我们，如果知道一个物体现在的位置和速度，就能精确预测它未来的状态。

人们一直都沉浸在这种决定论的安全感中，仿佛宇宙是一部巨大的钟表，一旦被上紧发条，就会按照唯一的轨迹运转下去。

然而，量子力学的出现彻底摧毁了这种直觉。

我们先从一个生活中的例子说起，假如在海滩上，你看到有人溺水，如果你直奔入海，你虽然很迅速的下水，但要多游一段。如果你先沿着沙滩多跑几步，再斜插入海，你可能反而会更快。

光的传播就像这样，它会自动选择最快的路径，这就是著名的费马最短时间原理。

（二）

但问题来了，光并没有思维，他是怎么知道哪条路最快的呢？

经典物理只能笼统的告诉我们，光会折射，却无法解释它背后的机制。

直到对量子力学的深入研究，人们才发现，其实光根本就没有做出选择，他只是把所有的路径都走了一遍，而我们看到的那条最快的路径只是无数路径相互干涉的结果。

这种思维的转折就来自普朗克的发现。1900年，他在研究黑体辐射时遇到了一个可怕的悖论，如果能量是连续的，理论上来说将预言出紫外灾难，也就是短波长下能量会发散到无穷大，但实验结果却并非如此。

于是他提出一个惊人的假设，能量只能以一个个不连续的量子形式交换，每一份能量都不是随意的，而是被切割成一小块一小块的，这个“能量块”的大小会随着频率的升高而增大，这个正比关系的系数就是著名的普朗克常数。

人们第一次意识到自然界的连续性其实是错觉。1905年，爱因斯坦在普朗克思想的基础上提出了光量子假说，他认为光不是连续的波，而是一粒一粒的光子。这个想法解释了光电效应，并因此获得诺贝尔奖。

（三）

随着量子思想的发展，波尔提出了氢原子的量子化模型，认为电子只能在某些固定轨道上存在，否则原子将无法稳定。

而德布罗伊则进一步提出，不仅光子有波动性，物质也有波动性。电子不是一颗小球，而是一种波，它在轨道上必须形成助波才能稳定下来。于是“物质波”的概念诞生了。电子既是粒子也是波，这种波粒二象性奠定了量子力学的理论基础。

1925年，海森堡提出了矩阵力学。

第二年，薛定谔提出波动力学。

他们看起来是两种完全不同的写法，但后来人们发现其实说的是同一件事。

薛定谔写下了那条改变世界的方程式，它用波函数来描述粒子的演化。

但波函数究竟是什么呢？它是一种真实的物理实体，还是说仅仅是一种计算工具？这场争论直到今天都没有定论。

（四）

1927年，海森堡又提出一个让人更加震惊的结论，粒子的位置和动量无法同时被精确知道。

这并不是因为实验做的不够好，而是大自然本身就不允许，也就是说，我们的世界在最深层次上是无法完全预测的。

这让决定论的钟表宇宙从根本上崩塌。薛定谔为了讽刺这种荒诞，提出了著名的薛定谔的猫思想实验，一只猫的生死与一个量子事件挂钩，在被观测之前，猫既是活的也是死的。在宏观世界来看，这显然很。荒谬，但这却正是量子叠加的本质。

（五）

狄拉克更是大胆，他把量子力学和相对论统一起来，写下了狄拉克方程，并且预言了反物质的存在。

更令人震撼的是，最后通过实验真的验证了这一点，仿佛理论真的有洞穿现实的力量。

尽管如此，爱因斯坦始终无法接受量子力学的不确定性，他与波多尔斯基、罗森提出了EPR佯谬，认为量子力学一定不完整，背后必然还有某种隐藏变量，否则量子纠缠展现出的鬼魅般的超巨作用，未免也太过于让人匪夷所思。

（六）

可是到了1960年代，约翰贝尔提出了贝尔不等式，并通过实验检验，结果却让人无言以对。

量子力学的预测是正确的，局域隐藏变量解释不了量子纠缠。

换句话说，宇宙真的存在超越常识的非定律性？

（七）

费曼则在这个基础上提出了更疯狂的想法，粒子从A点到B点不是只走一条轨迹，而是所有轨迹都要走，每一条路径都对结果有贡献，只是有的互相抵消，有的互相增强。

于是，我们看到的现实其实是所有可能性的叠加与干涉。

这听起来很不可思议，但这意味着我们所体验到的确定性其实只是一种幻象。

（八）

到了20世纪50年代，修埃弗雷特提出了著名的多世界诠释。

在他看来，量子叠加从来没有坍缩过，而是以无数平行宇宙的形式同时存在，每一次测量其实就是一次宇宙的分裂。

在某个宇宙里，猫是活的，在另一个宇宙里，猫是死的。

（九）

这不得不让我们重新思考，我们所谓的命运是否也像电子的路径一样，在无数平行的世界里同时展开？

多世界诠释告诉我们，每一种可能性或许都真的发生了，只是我们只能体验其中之一。

当你再回头看光的路径选择时，会不会觉得格外深刻？

光没有智慧，却好像比我们聪明，他不是做出选择，而是让所有的可能性都发生，然后在干涉中显现出最优的结果。

（十）

我们的人生呢？

或许也一样，我们以为自己在做选择，其实我们可能同时走在无数条看不见的路径上，只是最终体验到其中的一条。

决定论曾经给我们安全感，但量子力学提醒我们，不确定性才是宇宙的底色。

而在这个不确定性中，自由意志或许并不是幻觉，而是深藏在量子本质里的空间。

你看科学表面上在解释自然，其实也在解释我们自己。

我们是谁？

我们如何存在？

我们的选择究竟意味着什么？

量子力学不仅改变了物理学，也改变了哲学，改变了我们对自由、对命运、对宇宙的理解。