費恩曼:沒人能懂量子力學,超光速10000倍的量子糾纏是無解謎題

身為諾貝爾物理學獎的獲得者,以及量子力學的重要推動人, 費恩曼卻提出: 沒人懂得量子力學

量子力學存在了多久?從普朗克1900年的最初提出算起,已經過去了一個多世紀。量子力學是如何提出的?有哪些有趣的實驗?它的發展有哪些科學家的貢獻?它的意義如何? 為什麼費恩曼會認為,沒人懂得量子力學?超光速10000倍的量子糾纏真是無解的謎題嗎?

顛覆人們想象的量子力學

量子力學是誰創造的

1900年普朗克提出了量子的概念,認為這是一份一份傳遞的能量。不過這種對量子的解釋,顯然過于膚淺,沒有得到大范圍的認同,也無法用其解釋清楚某些現象。

當時的科學家,對光是什麼這個問題很感興趣,有些認為 光是波的形式、有些認為 光是粒子的形式,為了得出結論,持有兩種不同觀點的科學家們,決定聚集到一起,做個實驗。

馬克思·普朗克

實驗名叫 雙縫干涉,操作也很簡單,就是在安裝好的實驗裝置上,觀察光透過去的形狀,如果屏幕處出現了兩條杠,則說明光是由粒子構成, 如果出現了許多干涉條紋,則證明光是由波組成

原本該實驗應該結束得很快,可是科學家卻發現,實驗的結果有所差異, 不能簡單地認為光是由粒子或是波構成。為了得到更精確的實驗結果,科學家們用上了攝像機,他們發現,攝像機所記錄的結果,與他們肉眼看到的完全不同。

雙縫干涉實驗的概念圖

比如,科學家用肉眼觀察到的,就是 干涉條紋,而攝像機中記錄的卻是兩條杠。這讓他們很是不解,不過那時候的他們,已經對光的「屬性」有了大致的了解,只不過一直沒有得出確定的結論。

1916年,愛因斯坦通過數學公式(p=mc=h/λ)明確建立了光子的定量分析,最后發展為量子的「波粒二象性」。

物理巨匠——愛因斯坦

也就是說, 光不僅擁有波的屬性,同時也有粒子的屬性

不過這一結論只是被延伸出來的,可能連愛因斯坦自己都沒怎麼搞明白,后來量子力學又經過了 玻爾、德布羅意、玻恩、海森堡等物理學家的發展,形成了一套較為完整的理論,但其實,要讓他們真的將量子力學,解釋清楚,恐怕很難。

光具有波粒二象性

畢竟量子力學,是建立在實驗現象之上的學科,充滿了許多假設,不算是有一幅較為清晰的研究圖景,常常會把人搞得自相矛盾,又或者說, 它本身就充滿了矛盾

哥本哈根學派對量子力學的解釋,算得上是比較系統的,不過愛因斯坦認為, 他們也只是在給量子力學打補丁而已

根本哈根學派的代表人物

哥本哈根學派對量子力學的解釋:

哥本哈根學派認為,量子力學的核心思想是「不確定性」,也就是說,人們無法同時測量出微觀粒子的位置和速度(動能)

量子力學里面的重要公式

該學派認為 不確定性,在量子力學中的所有現象中都存在,比如 人們想要測量某個微觀粒子的位置,就必須先要觀察到它的存在,當然一般無法用肉眼看到,通常需要借助更為精密的儀器。

不過 微觀粒子的質量和體積非常小,很容易受到照射的干擾,人們可以選擇使用 較短波長的波,來測量微觀粒子的位置,但短波所攜帶的能量也會更大, 它同樣會干擾到粒子本身的狀態,使得人們無法測量出它的速度。

光粒子

或者這樣解釋,微觀粒子會在我們觀測它的時候, 以清晰穩定的狀態出現,而沒有受到關注的時候, 它的狀態是很模糊的。聽起來確實很奇幻,但量子力學本身就很詭異。

科學家用波函數來描述這一現象,他們認為:

當我們觀測某個微粒時,波函數就會坍縮,成為精確的粒子,也就是說人們的觀測,直接影響到粒子的狀態。

粒子波函數

這樣說的話,之前科學家所做的 雙縫干涉實驗,會不會也是因為增加攝像機這一觀測器材,光透過的結果才發生了變化?

由此看來, 量子力學的世界著實過于詭異了,那些微觀粒子,居然還能感知到自己是否被觀測,還知道用不同的狀態來應對。

微觀粒子

當然也有科學家并不認同這一觀點,比如著名的 薛定諤的貓理論,就是為了反駁和諷刺,不確定性理論所提出的。按照不確定性理論,實驗中的貓。會在處于鐳的衰變和不衰變, 兩種狀態的疊加下,變得既死又活,當然這是不可能存在的現象, 只要將箱子打開,便能知道貓是死是活

薛定諤的貓實驗

哥本哈根學派還根據不確定性原理,提出了 量子糾纏現象,愛因斯坦將其稱為 「鬼魅般的超距作用」,讓我們一起來看看更加詭異的量子糾纏現象。

量子糾纏:

量子糾纏是指,在量子力學中,多個粒子相互作用時,無法再用其單獨的性質解釋,而只能綜合其整體性質來描述。

量子糾纏示意圖

哥本哈根學派基于不確定性原理,提出了量子糾纏的現象,在他們的結論中, 兩個粒子無論相距多遠,只要有一方被發現, 另一方的信息,自然也會浮現出來。比如宇宙兩端的手套,在打開其中一個,發現是左手套時,既然會知道另一個是右手套。

量子糾纏

因為它們在最初形成時,已經確定了其本身的特性,打開后的觀測, 并不會改變結果

而如今我國科學家 潘建偉和他的團隊得出的結論是: 量子糾纏的作用速度至少是光速的10000倍。

這一結論與 愛因斯坦的EPR佯謬不符,也許相對論中的光速現象相矛盾,也就是說,量子糾纏的新發現,推翻了曾經發展量子力學的科學家所提出的理論。

科學家們想象的宇宙中的量子糾纏

如此說來,連研究和發展量子力學的物理學家,都好像無法完全理解它,費恩曼所說的: 「沒人能懂量子力學。」也就能夠理解了。

量子糾纏現象,如今在 量子通訊行業有了應用,人們利用這種現象, 對通訊內容進行「加密」,而且安全性極高,畢竟微觀粒子的不確定性,使得 生成的密碼的隨機性極大,很難破解。就算被破解了,也能跟蹤找到破解者的位置。

量子通訊

費恩曼是誰

理查德·費恩曼被稱為愛因斯坦之后,最睿智的物理學家。 1965年因構建了量子電動力學的新理論,將 諾貝爾獎收入囊中。

雖然他曾說,沒人懂得量子力學,但顯然,他已經是 世上最懂量子力學的科學家之一

物理學家費因曼

理查德 費恩曼發明的費曼圖、費曼規則和重正化的計算方法,是研究量子電動力學和粒子物理學不可缺少的工具

同時理查德 費恩曼也是首次提出 納米概念的科學家,為納米技術的發展影響重大。

納米技術

值得一提的是,他還是查明當年挑戰者號失事原因的人。1986年1月28日, 挑戰者號航天飛機搭載著7名航天員,在佛羅里達州發射升空,僅僅在73秒之后便發生了解體,7名宇航員全部遇難。

此次航天事故影響嚴重,美國航空局和政府決定徹查原因,給家屬和人們一個交代,同時避免類似事故的發生。費恩曼便是參與事故調查的一員,正是他做 了O型環演示實驗,用一杯冰水和一只橡皮環,向公眾演示了挑戰者號解體的真正原因,就是飛機上的橡膠圈, 在低溫環境下失去了彈性

挑戰者號失事現場

密封圈失效,使得燃料艙的火焰泄露出來,燒壞了航天飛機的內部結構,從而導致了解體。


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