第一集:魔法时代

任何足够先进的科技,初看都与魔法无异。 ——阿瑟·克拉克

​ 如果你完全不懂量子力学,请放心大胆的往下看,我保证不用任何公式就能让你秒懂,连1+1=2的幼儿园数学基础都不需要。

​ 如果你自以为懂量子力学,请放心大胆的往下看,我保证你看完会仰天长叹:什么是量子力学啊?

​ 正如量子力学大师费曼所说:没有人懂量子力学。如果你觉得懂了,那肯定不是真懂。

​ 在烧脑、反直觉和毁人三观方面,没有任何学科能够与量子力学相比。如果把理工男最爱的大学比做霍格沃兹魔法学校,那么唯一和量子力学专业相提并论的,只能是黑魔法。

​ 然而,量子力学之所以如此神秘,并不是因为物理学家的故弄玄虚。其实,在量子理论刚诞生的摇篮时期,它只是一门人畜无害的学科,专门研究电子、光子之类的小玩意儿。

​ 而「量子」这个现在看来很厉害的名字,本意不过是指微观世界中「一份一份」的不连续能量

​ 这一切,都源于一次物理学的灵异事件。

百年战争

​ 20 世纪初,物理学家开始重点纠结一个纠结了上百年的问题:光,到底是波还是粒子?

  • 粒派

    所谓粒子,可以想象成一颗光滑的小球球。

    每当你打开手电,无数光子就像出膛的炮弹一样,笔直地射向远方。

    很多著名科学家(牛顿、爱因斯坦、普朗克)做了很多权威的实验,确凿无疑地证明了光是一种粒子。

  • 波派

    所谓波,就像往河里扔块石头,产生的水波纹一样。

    如果把光看作是一种波,可以完美解释干涉、衍射、偏振等经典光学现象。

    很多著名科学家(惠更斯、杨、麦克斯韦、赫兹)做了很多权威的实验,确凿无疑地证明了光是一种波,电磁波。

    可问题是,波和粒子毕竟是两种截然不同的东西啊!

  • 粒子可分成一个一个的最小单位,单个粒子不可再分;波是连续的能量分布,无所谓「一个波」或者「两个波」;

  • 粒子是直线前进的,波却能同时向四面八方发射;
  • 粒子可以静止在一个固定的位置上,波必须动态地在整个空间传播。

​ 波与粒子之间,存在着不可调和的矛盾。

​ 于是自古以来,塞伯坦星上的科学家就分成两派: 波派和粒派 ,两派之间势均力敌的百年撕逼战争从未分出胜负。

​ 很多人问我:科学家为什么要为这种事情势不两立,大家搁置争议、共同研究不就得了。

​ 为了一个字:

信仰!

千面之神

​ 且问你:《权力的游戏》中,信奉七神的维斯特洛人民,为何要与信奉旧神的关外野人拼个你死我活?

​ 自古以来,人们为了信仰争端大开杀戒,早已不足为奇。

​ 唯一的和谐社会可能是古希腊:他们的神多达百八十号,有管天上、有管地下,各路神仙各司其职,倒也井水不犯河水。

​ 人称:希腊众神。

​ 要命的是,科学家们信仰的神只有一个,而且是放之宇宙而皆准的全能大神。这位神祇的名字,叫作 真理

​ 大到宇宙的诞生,小到原子的运转,科学家们相信,这个世界的万事万物都是基于同一个规律,可以用同一个理论,甚至同一套方程解释一切。比如,让苹果掉下来把牛顿砸晕的是万有引力,让月亮悬在空中掉不下来的也是万有引力。用同一个方程,既能算出地球的质量,也能让马斯克的猎鹰九号火箭上天,这就是科学的威力。

​ 想要一个宇宙、两种规律?

​ 对不起兄弟,别在科学界混了,您可以去跳个槽,比如竞选总统。

​ 当然,科学家们没有谁敢自称是真理的代言人,就连牛顿谦虚起来都是这样的:「我只是一个在海滩上捡贝壳的孩子,而真理的大海,我还没有发现啊!」

​ 就算是捡贝壳,捡的多了,说不定拼到一起就能窥见真理之神的全貌呢!

​ 整个科学史,就像一个集卡拼图的过程。做实验的科学家们每发现一个科学现象,搞理论的科学家们就绞尽脑汁推测它背后的运行规律。不同领域的大牛把各方面的知识、理论慢慢拼到一起,真理的图像就渐渐清晰。

​ 在 20 世纪初,光学的知识储备和数学理论越来越完善。大家逐渐觉得,这一块的真相总算有希望拼出来了——结果却发现,波派和粒派的理论早已背道而驰,还各自越走越远。这就好比你集了一辈子卡片,自以为拼得差不多了。这时突然发现,你拼出的图案居然和别人是不一样的,而且差的不是一点点!

​ 是不是有种把对方连人带图都砸烂的冲动?

​ 当时波派和粒派都坚信,自己手上的拼图,才是唯一正确的版本。双方僵持不下直到 1924 年,终于有人大彻大悟:波 or 粒,为什么光不能两者都是呢?

​ 也许在某些时候,粒子看起来就像是波;在另一些时候,波看起来就像是粒子。波和粒如同阴阳一般相生相克,就像一枚硬币的正反两面(波粒二象性),只不过我们一直以来都在盲人摸象、各执一词。

​ 真理确实只有一个,但是真理的表现形式,会不会存在着多个版本?

​ 难道真理就是那个千面之神,用千变万化的面目欺骗了我们如此之久?

灵异的实验

​ 究竟是波,是粒,还是波粒二象,大家决定,用一个简单的实验来做个了断:

  • 双缝干涉实验:

    双缝,顾名思义,就是在一块隔板上开两条缝。

    用一个发射光子的机枪对着双缝扫射,从缝中漏过去的光子,打在缝后面的屏上,就会留下一个光斑。(等效于 1961 年电子双缝干涉实验)

​ 在实验之前,科学家的推测如下:

第一种可能

​ 如果光子是纯粒子,那么屏幕留下两道杠。

​ 光子像机枪发射的子弹一样笔直地从缝中穿过,那么屏幕上留下的一定是 2 道杠,因为其他角度的光子都被板挡住了。

第二种可能

​ 如果光子是纯波,那么屏幕上会留下斑马线般的一道道条纹。

​ 光子穿过缝时,会形成 2 个波源。两道波各自震荡交汇(干涉),波峰与波峰之间强度叠加,波峰与波谷之间正反抵消,最终屏幕上会出现一道道复杂唯美的斑马线(干涉条纹)。

第三种可能

​ 如果光子是波粒二象,那么屏幕图案应该是以上两种图形的杂交混合体。

​ 总之,

两道杠 = 粒派胜;

斑马线 = 波派胜;

四不像 = 平局。

​ 是波是粒还是二合一,看屏幕结果一目了然,无论实验结果如何,都在我们的预料之中。

第一次实验 :把光子发射机对准双缝发射。

结果 :标准的斑马线。

​ 根据之前的分析,这证明光子是纯波。OK,实验结束,大家回家洗洗睡吧。

​ 粒派不服:我明明知道光子是一个一个的粒子!

​ 这样,我们再做一次实验,把光子一个一个地发射出去,看会怎么样,一定会变成两道杠的!

第二次实验 :把光子机枪切换到点射模式,保证每次只发射一个光子。

结果 :斑马线,竟然还是斑马线,怎么可能?我们明明是一、个、一、个把光子发射出去的啊!

​ 最令人震惊的是,一开始光子数量较少时,屏幕上的光点看上去一片杂乱无章,随着积少成多,渐渐显出了斑马线条纹!

​ 光子要真的是波,那粒派也不得不服。

​ 问题是:根据波动理论,斑马线来源于双缝产生的两个波源之间的干涉叠加;而单个光子要么穿过左缝、要么穿过右缝,穿过一条缝的光子到底是在和谁发生干涉?

​ 难道……光子在穿过双缝时分裂成了两个?一个光子分裂成左半光子和右半光子,自己的左手和右手发生了关系?事情好像越来越复杂了。干脆一不做二不休,我们倒要看看,光子究竟是怎样穿过缝的。

第三次实验 :在屏幕前加装两个摄像头,一边一个左右排开。哪边的摄像头看到光子,就说明光子穿过了哪条缝。同样,还是点射模式发射光子。

结果:每次不是左边的摄像头看到一个光子,就是右边看到一个。一个就是一个,从来没有发现哪个光子分裂成半个的情况。

​ 大家都松了一口气。 光子确实是一个个粒子,然而在穿过双缝时,不知怎么就会变形成两道波同时穿过,形成干涉条纹。

​ 虽然诡异了些,不过据说这就是 波粒二象性 了,具体细节以后再研究吧,这个实验做得人都要精分了。

​ 然而,就在这时,真正诡异的事情发生了……

​ 人们这才发现,屏幕上的图案,不知什么时候,悄悄变成了两道杠!

​ 没用摄像头看,结果总是斑马线,光子是波;

​ 用摄像头看了,结果就成了两道杠,光子变成了粒子。

​ 实验结果取决于看没看摄像头?

​ 这不科学啊,做物理实验竟然见鬼了啊!

​ 一个貌似简单的小实验做到这份上,波和粒子什么的已经不重要了,重要的是现在全世界的科学家都懵逼了。

​ 这是有史以来第一次,人类在科学实验中正式遭遇灵异事件。

观察者魔咒

​ 你还没看出灵异在哪里?好吧,请先看懂下面这个例子:电视里正在直播足球比赛,一个球员起脚射门——

​ 「咔」暂停,你预测一下这个球会不会进?

在球迷看来: 球进还是不进,和射手是不是 C 罗、梅西有关,和对方门将的状态有关,和裁判收没收钱说不定还有关。

在科学家看来: 有关的东西更多,比如球的受力、速度和方向,距离球门的距离,甚至草皮的摩擦力、球迷吼声的分贝数等等。

​ 不过,只要把这些因素事无巨细地考虑到方程里计算,完全可以精确预测三秒后球的状态。但无论是谁,大家都公认的是,球进与不进,至少和一件事情是绝对无关的:

​ 你家的电视。

​ 无论你用什么品牌的电视,无论电视的屏幕大小、清晰度高低、质量好坏,无论你看球时是在喝啤酒还是啃炸鸡,当然更无论你看不看电视直播——该进的球还是会进,该不进就是不进,哪怕你气得把电视机砸了都没用。

​ 你是不是觉得,上面说的全都是废话?那么,仔细听好:

​ 双缝干涉的第三次实验证明了,在其他条件完全相同的情况下,球进还是不进,直接取决于在射门的一瞬间,你看还是不看电视!

​ 看还是不看,这是一个问题!

​ 光子从发射器射向双缝,就好比足球射向球门;用摄像头观测光子是否进缝、怎么个进法,就好比用电视机看进球。

​ 第三次实验与第二次的唯一区别,就是实验 3 开了摄像头观察光子(看电视),实验 2 没放摄像头(不看电视)——两次实验的结局竟截然不同。

这,就是观察者的魔咒。

​ 难道说,不看光子它就是波,看一眼,它就瞬间变成粒子?难道说,「光子是什么」这一客观事实,是由我们的观察(放不放摄像头)决定的?

​ 难道说,对事物的观察方式,能够改变事物本身?

三观崩塌

​ 在所有人懵逼的时候,还是有极少数聪明人,勇敢地提出了新的理论:光子,其实是一种智能极高的外星 AI 机器人。

​ 之所以观察会导致实验结果不同,是因为光子在你做实验之前就悄悄侦查过了,如果发现有摄像头,它就变成粒子形态;如果发现是屏幕,就变成波的形态。

​ 这个理论让我想起了传说中的:

​ 难道机器人阿童木真的存在?(「阿童木」是日语「アトム」的发音直译,词语源自英语「Atom」,意即「原子」)

​ 这种扯淡理论居然没被口水喷死,还要做实验去验证它,可见科学家们已经集体懵逼到了什么地步。

第四次实验

​ 事先,只有屏幕没有摄像头;

​ 我们算好光子穿过缝的时机,等它穿过之后,再以迅雷不及掩耳之势加上摄像头。(等效于 1978 年惠勒延迟选择实验)

​ 结果是啥?

​ 无论加摄像头的速度有多快,只要最终加上了摄像头,屏幕上一定是两道杠;反过来,如果一开始有摄像头,哪怕在最后一刻秒秒钟撤掉,屏幕上一定是斑马线。

​ 回到看球赛的那个例子,就好比:我先闭上眼睛不看电视,等球员完成射门、球飞出去 3 秒钟后,我突然睁开眼睛,球一定不进,百试百灵。

​ 在你冲出门去买足彩之前,我先悄悄提醒你:这种魔咒般的黑科技,目前只能对微观世界的基本粒子起作用。要用意念控制足球这样的大家伙,量子还做不到啊!

​ 请注意,加不加摄像头,是在光子已经穿过双缝之后再决定的。不管光子在穿缝的时候变成什么形态,过了缝应该就定型了。

​ 既然光子的状态在加摄像头之前就定型了,为什么实验结果还是能在最后一刻发生变化?

​ 难道说,在之后做出的人为选择(未来),能够改变之前已经发生的事实(历史)?

​ 而且,加摄像头的速度,可以做到非常快(40 纳秒)。就算光子真的是个狡猾的微型变形金刚,当它变成波的形态穿过双缝,在最后一刻却发现面前是一个摄像头时,它也来不及再次变身了吧?

​ 「主观决定客观」「未来改变历史」「外星人其实是无处不在的光子」……

​ 好端端一个实验弄得谣言四起,物理学家们纷纷感到几百年来苦心经营的科学体系正在崩塌。

​ 与之一起崩塌的,还有全人类的三观。

​ 量子魔法时代的大幕,正在徐徐拉开。

下一章:薛定谔的猫


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