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第三十五集
正如我们的史话在前面一再提醒各位的那样
量子论革命的破坏力那是相当惊人的
在概率解释
不确定性原理和互补原理的三大核心原理中呢
前两者摧毁了经典世界的严格因果性
互补原理和不确定性原理呢
有合力捣毁了世界的绝对客观性
新的量子图景展现出一个前所未有的世界
它是如此奇特
难以想象
和人们的日常生活格格不入
甚至违背我们的理性本身
但是
它却能够解释量子世界一切不可思议的现象
这种主流解释呢
被称为量子论的哥本哈根解释
他是以波尔为首的一帮科学家做出的
他们大多数在哥本哈根工作过
许多是量子论本身的创立者
哥本哈根派的人物呢
除了波尔
自然还有海森堡
波恩 鲍利
克拉莫斯
鱼尔
当也包括后来的韦扎克
罗森菲尔德和盖姆夫等等
当然
实际上在现实中呢
并没有一个正式的党派说叫哥本哈根派
所以并非是一定要到过哥本哈根才有资格跻身其列
粗略的说呢
任何人只要赞同波尔的哥本哈根解释
就可以归为哥本哈根派的成员
而所谓的哥本哈根解释
一直被当做是量子论的正统
至今仍被写进了各种教科书中
当然
因为他太过奇特
太叫常人困惑
近八十年来呢
没有一天他是不受来自各方面的质疑
指责 攻击
也有一些别的解释被纷纷提出
这里面呢
包括隐变量理论
多多宇宙解释
系宗解释
自发定律
推向干历史等等等等
我们的史话以后会逐一的去看看这些理论
但是公平的说啊
至今没有一个理论能够取代哥本哈根解释的地位
也没有人能够证明哥本哈根解释实际上错了
多数人呢
只是争辩说啊
他不完备
隐变量和多世界理论呢
都曾被认为是相当有希望
可惜
他们的胜利直到今天还仍然停留在口头上
因此呢
我们的史话
仍将以哥本哈根解释为主线来叙述
对于读者来说呢
他们当然可以自行判断
并得出他自己的独特看法
哥本哈根解释的基本内容呢
全都围绕着三大核心原理而展开
我们在前面已经说到
首先
不确定性原理呢
限制了我们对微观事物认识的极限
而这个极限
也就是具有物理意义的一切
其次啊
因为随着观测者对于被观测物的不可避免的扰动
现在主体和客体世界必须被理解成为一个不可分割的整体
没有一个孤立的存在于客观世界的事物
事实上
一个纯粹的客观世界是没有的
任何事物都只有结合一个特定的观测手段才谈得上具体意义
对象所表现出的形态
很大程度上取决于我们的观察方法
对同一个对象来说呢
这些表现形态可能是互相排斥的
但必须被同时用于这个对象的描述中
也就是互补原理
最后呢
因为我们的观测给事物带来各种原则上不可预测的扰动
量子世界的本质是随机性
传统观念中的严格因果关系呢
在量子世界是不存在的
必须以一种统计性的解释来取而代之
波函数cosine就是一种统计
它的平方代表了粒子在某处出现的概率
当我们说啊
电子出现在x处时
我们并不知道这个事件的原因是什么
它是一个完全随机的过程
没有因果关系
有些人可能觉得非常糟糕
又是不确定
又是没有因果关系的
那这个世界不是乱套了吗
物理学家既然什么都不知道
那他们还好意思待在大学里面领薪水
或者在电视节目上欺师盗名
然而啊
事情并没有想象的那么坏
虽然我们对单个电子的行为呢
只能预测其概率
但我们都知道
当样本数量变得非常大时
概率论就很有用了
我们没法知道一个电子在屏幕上出现在什么位置
当我们很有把握
当数以万亿计的电子穿过双缝
它们会形成干涉图案
这就好比保险公司
他没法预测一个客户会在什么时候死去
但他对一个城市的总体死亡率是清楚的
所以保险公司他一定是赚钱的
传统的电视或者电脑屏幕
它后面呢
都有一把电子枪
不断的逐行把电子打到屏幕上
形成画面
对于单个电子来说呢
我们并不知道它将出现在屏幕上的哪个点
只有概率而已
不过大量电子叠在一起
组成稳定的画面是确定无疑的
看
就算本质是随机性
但科学家仍然能够造出一些有用的东西
如果你家电视画面老是有雪花
不要怀疑到量子论头上来
先去检查一下天线啊
当然
时代在进步
俺的电脑屏幕呢
现在也变成了薄薄的液晶型啊
那就是另外一回事了
至于令人迷惑的玻璃二项性
那也只是量子微观世界的奇特性质
罢了
我们已经谈到了德布罗一方程
拉姆拉塔等于h除以p
改写一下就是拉姆拉的p等于h
波长和动量的乘积等于普朗克常数h
对于微观粒子来说啊
它的动量非常小
所以相应的波长呢
便不能忽略
但对于日常事物来说呢
他们的质量之大
相比h简直是一个天文数字
所以
对于生活中的一个足球
它所伴随的德布罗一波呢
是微乎其微
根本感觉不到我们一点儿啊
用不着担心在世界杯杯赛赛眼看要入门的那个球
会突突化化一缕波
消失的杳杳无踪踪
是啊
我们还是觉得不太满意
因为对观测行为呢
我们似乎呢
还没有做出合理的解释
一个电子以奇特的分身术穿过双缝
它的波函数自身与自身发生了干涉
在空间中严格的确定的发展
在这个阶段呢
因为没有进行观测
说电子在什么地方呢
是没有什么意义的
只有它的概率在空间中展开
物理学家们呢
常常故弄玄虚的说
垫子无处不在而又无处在
指的就是这个意思
然而
在那之后呢
当我们把一块感光屏放在它面前
以测量它的位置的时候
事情突然发生了变化
电子突然按照波函数的概率分布而随机的做出了一个选择
并以一个小点的形式出现在了某处
这时候
电子确定的存在于某点
自然
这个点的概率就变成了百分之百
而别的地方的概率呢
都变成了零
也就是说
它的波函数突然从空间中收缩
聚集到了这一个点上
在这个点出现了强度为一的高峰
而其他地方的波函数呢
都瞬间降为零
哦 上帝呀
发生了什么事儿
为什么电子的波函数在一刹那发生了这样的巨变
原本形态优美
严格的符合薛定谔方程的波函数在一刹那轰然崩溃
变成了一个针尖般的小点
从数学上来说呢
这两种状态显然是没法互相推导的
在我们观测电子以前呢
它实际上呢
处在一种叠加态
所有关于位置的可能性叠合在一起
弥漫到整个空间中去
但是
当我们真的去看他的时候
电子便无法保持他这样优雅而面面俱到的行为方式了
他被迫做出了选择
在无数可能性中呢
挑选一种
以一个确定的位置出现在我们的面前
波函数这种奇迹般的变化
在哥本哈根派的口中呢
被称之为坍缩
每当我们试图测量电子的位置
它那原本按照薛定谔方程演变的波函数cos便立刻按照那个时候的概率分布坍缩
我们记得
这cos的平方就布概率
所有的可能全都在瞬间集中到某一点上
而一个实实在在的电子便大摇大摆的出现在那里
供我们观赏
在电子通过双缝前
假如我们不去测量它的位置
那么它的波函数就按照方程发散开去
同时通过两个缝而自我互相干涉
但要是我们试图在两个缝上装个仪器
以探测它究竟通过了哪条缝
在那一刹那
电子的波函数便坍缩了
电子随机的选择了一个缝通过
而坍缩过的波函数自然也就无法再进行干涉了
于是乎
干涉条纹一去不复返
奇怪
非常奇怪
为什么我们一观测电子的波函数就开始坍缩了呢
事实似乎是这样的
当我们闭上眼睛
不去看这个电子
它就不是一个实实在在的电子
它像一个幽灵一般
按照波函数向四周散发开去
虚无缥缈
没有实体
而以概率波的形态漂浮在空间中
随着时间的演化
这种概率波严格的按照薛定谔波动方程的指使
听话而确定的按照经典方式发展
这个时候
与其说它是一个电子
不如说啊
他是一个鬼魂
一团混沌
一幅浸润开来的水彩画
一朵概率云
爱丽丝梦境中那难以捉摸的柴俊猫的笑容
不管你怎么形容都好啊
反正它不是一个实体
它以概率的方式扩散开来
这种概率似波动一般起伏
可以干涉和叠加维克塞所精确描述
但是
当你睁开眼睛
奇妙的事儿发生了
所有的幻影
所有的幽灵都消失了
电子呢
散发开去的波函数在瞬间坍缩
它重新变成了一个实实在在的粒子
随机的出现在某处
除了这个地方之外呢
一切的概率波
一切的可能性都消失了
化为一缕清风的妖怪重新凝聚成为了一个白骨精
被牢牢的摁死在一个地方
电子回到了现实世界里来
又成了大家所熟悉的经典粒子
你又闭上眼睛
刚刚变回原形的电子又化为概率波向四周扩散
再睁开眼睛
它又变回粒子
出现在了某个地方
你测量一次
它的波函数就坍缩一次
随机的决定一个新的位置
当然
这里的随机呢
是严格按照波函数所规定的概率强度分布来决定的
我们呢
不如叙述的更加生动活泼一些
金庸在笑傲江湖第二十六回里呢
描述了令狐冲在武当脚下与冲虚一战
冲虚一柄长剑换为一个个光圈
让令狐冲眼花缭乱
看不出剑尖所在
用量子语言说呢
这时候冲虚的舰已经不是一个实体
它变成了许许多多的虚剑
在光圈里分布开来
每一个虚舰舰呢
都代表了一种可能性
它可能就是实剑间所在
充虚的剑
可以为一个波函数所描述
很有可能在光圈的中心
这个波函数的强度最大
也就是说
这剑最可能出现在光圈中心
现在
令狐冲挥剑直入
啊 注意
这是一次测量行为
好在那瞬间呢
这冲虚剑的波函数坍缩了
又变成了一柄石剑
令狐冲运气好
他真的出现在了光圈中间
于是破了此招
要是猜错了呢
那免不了断送一条手臂呀
但冲虚剑的波函数总是坍缩了
他无论如何要实实在在的出现在某处
这才能伤敌
在张国梁的三国演义评画里啊
有一个类似的情节
赵云在长坂坡遇上了张秀
啊 当然
另一个版本呢
说是高览
后者使用一招百鸟朝凤
枪尖幻化为千百点
赵云侥幸破了此招
他随便一挡
迫使其波函数坍缩
结果呢
正好坍缩到了两枪相遇的位置
然后张秀是心慌意乱
反死于赵云之蛇盘急探枪下
哎
这就不多说了啊
我们还是呢回到物理上来
这种哥本哈根解释听起来未免也太奇怪了
我们观测一下
电子才变成实在
不然就是个幽灵
许多人一定觉得不可思议
当我们背过身或者闭着眼的时候啊
这电子一定在某个地方
只不过我们不知道而已
但正如我们指出的
假使电子真的在某个地方
他们只能通过一道狭缝
这就难以解释干涉条纹
而且
我们以后呢
也会看到啊
这实验完全排除了这种可能
也许我们说幽灵太耸人听闻了
严格的说啊
电子在没有观测的时候
什么也不是
谈论它是无意义的
只有数学可以描述波函数
按照哥本哈根解释
不观测的时候呢
根本没有实在自然
也就没有实实在在的电子
事实上
不存在电子这个东西
只存在我们与电子之间的观测关系
我已经可以预见到即将扔过来的这个臭鸡蛋的数量
不过啊
它现在还是一个波函数
等一会儿再坍缩
然而
在那些扔臭鸡蛋的人中呢
有几位是让我感到十分荣幸
事实上呢
哥本哈根派这下遇到真正的麻烦了
他们要面对一些强大的怀疑论者
这些人中间呢
不少还刚刚跟他们并肩战斗过
二十世纪物理史上最激烈
影响最大
意义最深远的一场争论马上就要展开
这使得我们能够对自然的行为和精神有更加深刻的理解
下一章
我们就来谈谈这场伟大的辩论
波尔
爱因斯坦之争
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