身为诺贝尔物理学奖的获得者,以及量子力学的重要推动人,费恩曼却提出:没人懂得量子力学

量子力学存在了多久?从普朗克1900年的最初提出算起,已经过去了一个多世纪。量子力学是如何提出的?有哪些有趣的实验?它的发展有哪些科学家的贡献?它的意义如何?为什么费恩曼会认为,没人懂得量子力学?超光速10000倍的量子纠缠真是无解的谜题吗?

颠覆人们想象的量子力学

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量子力学是谁创造的

1900年普朗克提出了量子的概念,认为这是一份一份传递的能量。不过这种对量子的解释,显然过于肤浅,没有得到大范围的认同,也无法用其解释清楚某些现象。

当时的科学家,对光是什么这个问题很感兴趣,有些认为光是波的形式、有些认为光是粒子的形式,为了得出结论,持有两种不同观点的科学家们,决定聚集到一起,做个实验。

马克思·普朗克

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实验名叫双缝干涉,操作也很简单,就是在安装好的实验装置上,观察光透过去的形状,如果屏幕处出现了两条杠,则说明光是由粒子构成,如果出现了许多干涉条纹,则证明光是由波组成

原本该实验应该结束得很快,可是科学家却发现,实验的结果有所差异,不能简单地认为光是由粒子或是波构成。为了得到更精确的实验结果,科学家们用上了摄像机,他们发现,摄像机所记录的结果,与他们肉眼看到的完全不同。

双缝干涉实验的概念图

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比如,科学家用肉眼观察到的,就是干涉条纹,而摄像机中记录的却是两条杠。这让他们很是不解,不过那时候的他们,已经对光的“属性”有了大致的了解,只不过一直没有得出确定的结论。

1916年,爱因斯坦通过数学公式(p=mc=h/λ)明确建立了光子的定量分析,最后发展为量子的“波粒二象性”。

物理巨匠——爱因斯坦

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也就是说,光不仅拥有波的属性,同时也有粒子的属性

不过这一结论只是被延伸出来的,可能连爱因斯坦自己都没怎么搞明白,后来量子力学又经过了玻尔、德布罗意、玻恩、海森堡等物理学家的发展,形成了一套较为完整的理论,但其实,要让他们真的将量子力学,解释清楚,恐怕很难。

光具有波粒二象性

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毕竟量子力学,是建立在实验现象之上的学科,充满了许多假设,不算是有一幅较为清晰的研究图景,常常会把人搞得自相矛盾,又或者说,它本身就充满了矛盾

哥本哈根学派对量子力学的解释,算得上是比较系统的,不过爱因斯坦认为,他们也只是在给量子力学打补丁而已

根本哈根学派的代表人物

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哥本哈根学派对量子力学的解释:
哥本哈根学派认为,量子力学的核心思想是“不确定性”,也就是说,人们无法同时测量出微观粒子的位置和速度(动能)

量子力学里面的重要公式

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该学派认为不确定性,在量子力学中的所有现象中都存在,比如人们想要测量某个微观粒子的位置,就必须先要观察到它的存在,当然一般无法用肉眼看到,通常需要借助更为精密的仪器。

不过微观粒子的质量和体积非常小,很容易受到照射的干扰,人们可以选择使用较短波长的波,来测量微观粒子的位置,但短波所携带的能量也会更大,它同样会干扰到粒子本身的状态,使得人们无法测量出它的速度。

光粒子

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或者这样解释,微观粒子会在我们观测它的时候,以清晰稳定的状态出现,而没有受到关注的时候,它的状态是很模糊的。听起来确实很奇幻,但量子力学本身就很诡异。

科学家用波函数来描述这一现象,他们认为:

当我们观测某个微粒时,波函数就会坍缩,成为精确的粒子,也就是说人们的观测,直接影响到粒子的状态。

粒子波函数

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这样说的话,之前科学家所做的双缝干涉实验,会不会也是因为增加摄像机这一观测器材,光透过的结果才发生了变化?

由此看来,量子力学的世界着实过于诡异了,那些微观粒子,居然还能感知到自己是否被观测,还知道用不同的状态来应对。

微观粒子

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当然也有科学家并不认同这一观点,比如著名的薛定谔的猫理论,就是为了反驳和讽刺,不确定性理论所提出的。按照不确定性理论,实验中的猫。会在处于镭的衰变和不衰变,两种状态的叠加下,变得既死又活,当然这是不可能存在的现象,只要将箱子打开,便能知道猫是死是活

薛定谔的猫实验

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哥本哈根学派还根据不确定性原理,提出了量子纠缠现象,爱因斯坦将其称为“鬼魅般的超距作用”,让我们一起来看看更加诡异的量子纠缠现象。

量子纠缠:
量子纠缠是指,在量子力学中,多个粒子相互作用时,无法再用其单独的性质解释,而只能综合其整体性质来描述。

量子纠缠示意图

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哥本哈根学派基于不确定性原理,提出了量子纠缠的现象,在他们的结论中,两个粒子无论相距多远,只要有一方被发现,另一方的信息,自然也会浮现出来。比如宇宙两端的手套,在打开其中一个,发现是左手套时,竟然会知道另一个是右手套。

量子纠缠

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因为它们在最初形成时,已经确定了其本身的特性,打开后的观测,并不会改变结果

而如今我国科学家潘建伟和他的团队得出的结论是:量子纠缠的作用速度至少是光速的10000倍。

这一结论与爱因斯坦的EPR佯谬不符,也与相对论中的光速现象相矛盾,也就是说,量子纠缠的新发现,推翻了曾经发展量子力学的科学家所提出的理论。

科学家们想象的宇宙中的量子纠缠

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如此说来,连研究和发展量子力学的物理学家,都好像无法完全理解它,费恩曼所说的:“没人能懂量子力学。”也就能够理解了。

量子纠缠现象,如今在量子通讯行业有了应用,人们利用这种现象,对通讯内容进行“加密”,而且安全性极高,毕竟微观粒子的不确定性,使得生成的密码的随机性极大,很难破解。就算被破解了,也能跟踪找到破解者的位置。

量子通讯

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费恩曼是谁

理查德·费恩曼被称为继爱因斯坦之后,最睿智的物理学家。1965年因构建了量子电动力学的新理论,将诺贝尔奖收入囊中。

虽然他曾说,没人懂得量子力学,但显然,他已经是世上最懂量子力学的科学家之一

物理学家费因曼

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理查德 费恩曼发明的费曼图、费曼规则和重正化的计算方法,是研究量子电动力学和粒子物理学不可缺少的工具

同时理查德 费恩曼也是首次提出纳米概念的科学家,为纳米技术的发展影响重大。

纳米技术

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值得一提的是,他还是查明当年挑战者号失事原因的人。1986年1月28日,挑战者号航天飞机搭载着7名航天员,在佛罗里达州发射升空,仅仅在73秒之后便发生了解体,7名宇航员全部遇难。

此次航天事故影响严重,美国航空局和政府决定彻查原因,给家属和人们一个交代,同时避免类似事故的发生。费恩曼便是参与事故调查的一员,正是他做了O型环演示实验,用一杯冰水和一只橡皮环,向公众演示了挑战者号解体的真正原因,就是飞机上的橡胶圈,在低温环境下失去了弹性

挑战者号失事现场

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密封圈失效,使得燃料舱的火焰泄漏出来,烧坏了航天飞机的内部结构,从而导致了解体。