[中配]當量子現實來襲，科學家們感到恐慌！

你坐在一個鎖住的漆黑房間裏 但讓人不安的並不是幽閉恐懼症 你完全不知道自己是誰 這纔是關鍵 你並不是在遭受健忘症 恰恰相反 你記得很多 但每個記憶都屬於不同的人 你是不是正在爲期末考試突擊複習的學生 或者是準備打分的教授 或者也可能是你的髮型師 在爲他們兩個剪頭髮 你甚至可能是一位非二元作家 想象着所有這些角色 而這裏有個轉折 所有這些可能性共存 它們不會相互抵消 它們同時存在 直到有人打開門 一束光照在你身上 門口的身影說道 史蒂夫 夠了 別再閒坐着了 你得爲考試複習 就這樣 你終於知道自己是誰了 那些屬於他人的記憶瞬間消失 這不是一些可怕的心理實驗 這只是一種方式來展示量子現象 在個人層面上可能呈現的樣子 它們荒謬 違反直覺 和我們日常生活中接觸的事物截然不同 這正是量子物理如此難以理解的原因 甚至對於科學家來說也是如此 然而它在最基本的層面上支配着整個宇宙 所以今天我將嘗試解釋量子物理這個奇異的世界 從最簡單的概念開始 直到那些挑戰我們對現實所有認知的最驚人實驗 但是你能理清量子物理的關鍵實驗和悖論 而不至於感到崩潰嗎 我們先從基礎開始 沒有這些你將沒有理解其他任何東西的機會 最初的概念源於一次可怕的災難 一次紫外線災難 而且這不是像忘記塗防曬霜 然後曬得連動都動不了那樣 在二十世紀初 兩位英國人雷利爵士和詹姆斯瓊斯打破了經典物理學 他們只想弄清楚物體是如何發光的 雖然他們的方程適用於像星星和熔融金屬這樣的熱物體 但冷黑色物體卻產生了一個可怕的悖論 根據牛頓物理學 它們的分子應該在任何頻率下振動 並在所有頻率上發光 頻率越高 光芒越亮 因此從紫外光譜開始 所有物體應該不斷髮出幾乎無限量的光 顯然這太荒謬了 但拉爾基因無法弄清楚原因 就在這個時候 德國物理學家馬克思·普朗克提出了一個絕對瘋狂的想法 如果分子並不是在所有可能的頻率上不斷髮出光 而是隻在某些特定頻率上分批釋放光 怎麼辦 那時候這聽起來完全是胡說 普朗克本人認爲 這不過是與現實無關的數學技巧 只是一種避免無限輻射問題的方法 老實說 這就像我們在學校時所做的調整計算以適應預設的答案 但後來普朗克的公式引起了阿爾伯特·愛因斯坦的注意 他決定想象這是真的 他建議光並不是連續的波 而是一串個別的粒子 量子 我們現在稱之爲光子 這一洞察對愛因斯坦最終解釋光電效應非常有幫助 光電效應是指金屬板僅在暴露於特定顏色的光線下時纔會產生電流 只有這些光子具有足夠的能量將電子從金屬中寄出 因其在光電效應方面的開創性工作 愛因斯坦獲得了他唯一的諾貝爾獎 這一發現引發了他同行之間關於一個全新科學領域的討論 即這些量子或量子物理的奇怪物理學 但他們沒有準備好面對即將到來的怪異程度 大約在同一時期即二十世紀初 科學家們最終發現原子由三個主要成分組成 帶正電的質子 中性的中子和帶負電的電子 然而看到這些組件在顯微鏡下的排列方式幾乎是不可能的 於是科學家們提出了一系列理論 每一個比前一個都更瘋狂 有些人聲稱電子漂浮在質子布丁中 而另一些人則把原子想象成像積木一樣的小立方體 接着丹麥物理學家尼爾斯·布爾提出 原子必須像一個太陽系 在他看來 電子就像行星圍繞由質子和中子組成的原子核旋轉 但它們不是受引力控制 而是受電磁力的支配 雖然這個模型在每本現代教科書中都有 但布爾時代的科學家很快意識到這不可能是真的 我的意思是當電子圍繞帶正電的質子運動時 會形成一個強大的電磁場 導致電子失去能量並撞入原子核 這意味着物質無法存在 根本沒有 布爾試圖通過量子來解決這一悖論 提出電子無法將能量降低到某一特定水平 即低於一個量子的能量 但是爲什麼我們的原子不會產生電磁場的問題仍然沒有答案 而這時另一位有着瘋狂想法的德國物理學家也登場了 維爾納·海森堡大膽宣稱 電子並不像地球圍繞太陽那樣環繞原子核 相反粒子會形成一個覆蓋所有可能位置的雲 但這裏有個關鍵 如果你準確找到電子的位置 你就會失去關於它動量的任何線索 也就是說粗略來說就是它的移動方向 如果你知道它的動量就會失去它的位置 這聽起來瘋狂且完全違反直覺 但海森堡的不確定性原理至今仍然是量子物理的基礎 基於這一原則 埃爾溫·薛定諤提出了這個方程 至今仍在使用 我知道這看起來像是某本數學教科書的噩夢 但你需要知道的就是 它並不能準確定位一個粒子的位置 相反它計算在測量期間找到它在特定位置的概率 簡單來說 量子物理就像是在買彩票 你無法預測中獎票號 你只能打開它查看數十億種可能組合中的結果 通過證明量子系統的基本不確定性 物理學家們創造了一系列新的悖論 首先是觀察者效應 在一個常規的彩票中 每個號碼都是預先印在彩票上的 你的選擇並不會改變什麼 但在量子物理中決定觀察一個粒子的行爲 卻迫使它選擇一個位置 聽起來很複雜 對吧 讓我來給你分解一下 物理學家鮑勃被矇住眼睛 正用手槍瞄準你 但這顆子彈可不是普通的子彈 這是量子 就像電子一樣 這顆子彈只有一個由薛定諤方程計算出的可能位置的圖像 最有可能的位置是在槍管內 而最不可能的是它已經擊中了你 但一旦你停止觀察 它就進入了量子彩票的時刻 鮑勃甚至都沒開槍 但子彈卻可能落在任何地方 即使是牆壁也無法保護你 因爲得益於量子穿隧效應 子彈可以自發地出現在另一側 只要它在概率的範圍內 所以如果運氣不在你這邊 下次你檢查時可能會發現它正卡在你身上 不過最有可能還是在槍膛裏找到它 那爲什麼還要試試運氣呢 給你分享一個生活小竅門 如果你遭遇量子子彈的威脅 就盯着它好好看 多虧了觀察者效應 它永遠不會擊中你 不客氣 真的不用謝我 但你知道真正引起物理學家們好奇的是什麼嗎 這並不是如何躲避量子子彈 這是弄清楚在沒有人觀察時 量子系統會發生什麼 當沒有人看着它時 粒子究竟在哪裏 尼爾斯·波爾認爲這個問題根本沒有意義 粒子並不處於一個特定的位置 而是存在於所有可能位置的疊加態中 換句話說 它在某種程度上是無處不在的 直到有人去觀察 這個想法直接來源於薛定諤方程 但連薛定諤本人也厭惡他所暗示的不確定性 爲了挑戰波爾的觀點 他提出了著名的思想實驗 沒錯 薛定諤的貓 你可能聽說過它 一隻貓被放在一個封閉的盒子裏 盒子裏有一個致命裝置 由一個放射性原子的衰變觸發 在一個小時內 原子衰變的概率是50-50 會激活裝置 然後你知道的 在那一個小時裏可憐的貓的狀態是什麼呢 常識認爲它要麼活着 要麼死了 但由於原子衰變是一個量子過程 貓必須同時存在於活着和死去的疊加態中 這可是關鍵所在 薛定諤創造了這個思想實驗 以表明量子不確定性是多麼荒謬 然而諷刺的是 他的想象中的貓 現在成了量子力學的經典例子 而且值得一提的是 在2023年3月 瑞士聯邦理工學院的研究人員 成功地將一個16微克的藍寶石晶體 放入其振動狀態的疊加中 就像水晶在同時以多種方式振動 彈彈讓薛定諤的貓復活 這次卻是一個水晶 那誰知道 也許有一天我們會學會 如何讓人處於量子疊加狀態 有點像我在視頻開始時 提到的性格變化 厄爾溫 薛定諤最終離開了物理學 因爲他實在無法應對這些量子怪癖 但量子疊加的一個結果 幾乎讓阿爾伯特 愛因斯坦 自己也快要發瘋 瘋狂 實際上可以創造出 兩個具有關聯屬性的例子 例如一個例子的量子自旋可能是正一 而另一個例子的自旋則自動爲負一 它們總是一起達到平衡 保持爲零 但這裏有個問題 如果不進行觀察 你根本不知道哪個例子的自旋是哪個 在你觀察之前 兩者都處於疊加狀態 就像薛定諤的貓一樣 但一旦你測量了一個例子的自旋 你立刻就知道另一個例子的自旋 無論它們相距多遠 這非常重要 想象一個例子飛奔到國家的另一邊 比如從加利福尼亞到華盛頓 你一旦觀察到一個 就立刻知道它的糾纏伴侶的狀態 這個現象被稱爲量子糾纏 你知道嗎 這讓愛因斯坦徹底崩潰了 最讓他感到害怕的是 如果將這些例子分開得足夠遠 關於一個例子的信息 可以比光速更快地傳遞到另一個例子 愛因斯坦稱其爲遙遠的幽靈行爲 並花了多年時間試圖證明 宇宙中一定存在某種隱藏法則 來阻止這種現象 劇透警告 這是愛因斯坦錯誤的少數幾次之一 但要解釋原因 我們需要更深入的探討量子物理 不過這有點諷刺 一方面愛因斯坦拒絕了量子糾纏 但另一方面 他卻沒有質疑量子力學中更古怪的特性 讓我們rewind一下 在17世紀 愛撒克·牛頓提出了一種 如今鮮有人關注的理論 光的例子說 根據牛頓的說法 光不是波 它是由一種叫做粒子的小微粒組成的 聽起來很熟悉嗎 這基本上和普朗克的量子理論是一樣的思想 但快進到19世紀初 托馬斯·楊出現 打破了牛頓的美好時光 進行了著名的第一次雙縫實驗 在有兩個狹縫的屏障後面照射光線 你會在牆上看到條紋圖案 那些暗條紋是由干涉造成的 這是波的獨特特性 當兩個波重疊時 它們可以完全相互抵消 所以光絕對是一種波 等一下 我們剛剛得出結論 阿爾伯特·愛因斯坦通過光電效應有力的證明了 光是由量子光子構成的 他甚至因此獲得了諾貝爾獎 這裏到底發生了什麼 光的粒子特性 在雙縫實驗的第二個版本中得到了證明 而這一切只有在二十世紀才得以實現 科學家們添加了一個特殊的探測器 來檢查每個光子通過了哪個縫隙 而且驚訝的是沒有出現干涉圖樣 只有兩條明亮的線 正是光子直接撞擊的地方 所以你說光是粒子 哦 我親愛的夏天寶貝 一旦我們關閉探測器 它又開始像波一樣行爲 僅僅因爲觀察者效應 觀察的行爲本身改變了結果 但最奇怪的事情並不是光既是波又是粒子 畢竟薛定諤的貓既活着又死着 在這個實驗的第三個版本中 科學家們讓單個粒子通過縫隙而不進行觀察 即便如此隨着時間的推移 熟悉的干涉圖案出現在障礙物後面的牆上 就好像每個粒子都獨立的知道自己是波的一部分 並且必須在一個波峯上落下 這裏到底發生了什麼 從量子物理的角度來看 即使你發射的是單個粒子 穿過縫隙造成干涉的仍然是波 但就在它到達牆壁之前 波動坍縮成一個粒子 然後落在圖案的某一條條紋上 通過在縫隙前放置探測器 你提前迫使波在干涉發生之前就坍縮爲粒子 這就是爲什麼你在牆上只能看到來自單個粒子的兩條條紋 如果你能理解這一切 你可能會問觀察的這一行爲究竟是如何導致波的坍塌的 物理學家們嘗試通過新的實驗來解答這個問題 但劇透一下 他們只讓事情變得更糟 他們在同樣的雙縫實驗中添加了一種特殊的晶體 當光子進入晶體時 它會產生一對量子糾纏的光子 所以現在我們得到了四個光子 但每對中只有一隻真的打到牆上 現在請耐心聽我說 由於這些光子都是同一波的一部分 它們依然會產生干涉圖樣 但如果我們把探測器放在不是撞擊牆壁的光子上 而是那些飛向一邊的量子糾纏粒子上會怎麼樣呢 正如你所記得的 一旦我們測量一個粒子 我們瞬間就知道另一個粒子的一切 這就是干涉圖樣消失的原因 你僅剩下牆上對應個別粒子的兩條條紋 讓我再說一遍 我們甚至沒有直接觀察這些光子 只有它們的量子糾纏夥伴 然而這已經足以使波動勘索 但是你猜怎麼着 看起來幽靈般的作用 也可能通過望遠鏡發生實踐 如果你延遲探測器的時間 讓第二對光子在第一對到達牆後很久才擊中它們 你就會重現延遲選擇實驗的最簡單版本 那麼你認爲會發生什麼呢 看起來干涉圖樣應該出現在牆上 因爲在那一刻 第二對光子甚至還沒有到達探測器 而波動根本沒有機會探索 但實際上並不是這樣 不知爲何後來的探測觀察 影響了之前的量子糾纏光子的行爲 使它們在牆上形成了兩條簡單的條紋 所以要麼第一對光子提前知道了未來 要麼第二對光子把信息傳送回了過去 如果你問一位量子物理學家 究竟發生了什麼事 他們只會告訴你 你在想象光子實際上在某個地方飛翔 這一切只是一道波在與自身互動 但我們實際上是從量子糾纏光子的創建開始 而不是波 啊 事實是對這些結果仍然沒有一致的解釋 我們可以肯定的是 量子物理就是這麼奇怪 如果你開始懷疑現實本身的存在 歡迎加入這個圈子 你現在正式成爲一名量子物理學家 準備進行最令人驚歎的實驗 這一切源於尼爾斯·波爾和阿爾伯特·愛因斯坦之間著名的辯論 波爾認爲粒子在觀察後隨機選擇它們的屬性 而愛因斯坦則確信這些屬性在一開始就已經確定 我們只是不知道如何獲取那些信息 如果這些隱藏的參數確實存在 那麼宇宙在最小尺度上必然有明確的現實 但如果沒有就會陷入混沌 量子悖論和徹底的腦崩潰 但在1964年 愛爾蘭物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾找到了揭穿宇宙謊言的方法 他提出了一個卓越的定理 想象有兩位科學家愛麗絲和鮑勃 他們在沒有溝通的情況下意外的改變了探測器的靈敏度 因此有時他們會探測到量子糾纏粒子 有時又無法探測到 愛麗絲和鮑勃的結果要麼一致要麼不一致 利用最簡單的概率公式 貝爾計算出如果愛因斯坦是對的 粒子確實從一開始就具有隱藏參數 那麼愛麗絲和鮑勃在最多75%的情況下會得到相同的結果 但如果尼爾斯波爾是對的 宇宙並不在粒子被觀察之前就決定它們的屬性 那麼愛麗絲和鮑勃在重複實驗中的結果會更頻繁的一致 大約85%的時間 很長一段時間 這些貝爾不等式被認爲太複雜 以至於無法通過實驗驗證 但在1972年 美國物理學家約翰·克勞瑟最終採用了類似的方法 通過對量子糾纏光子的極化測量 簡單來說就是波在空間中的方向 我們用箭頭來表示 在此期間 實驗者愛麗絲和鮑勃沒有說一句話 卻旋轉了他們的探測器 因此具有核式極化的光子要麼被兩個探測器同時探測到 要麼完全未被探測到 結果是一致的 在其他情況下 由於設置的變化 只有一個探測器被觸發 因此愛麗絲和鮑勃的結果當然就不同了 最終的統計結果讓約翰·克勞瑟震驚 巧合的次數甚至超過了85% 這意味着貝爾的計算得到了確認 且結果更傾向於不確定性 似乎宇宙在個別粒子層面上 確實沒有明確的局部現實 但愛因斯坦的支持者提出異議 認爲隱藏參數可能不在粒子本身 而是在愛麗絲和鮑勃旋轉探測器的方式中 法國科學家阿蘭·阿斯佩特花了整整十年時間 重現了相同的光子實驗 但增加了能保持恆定設置的探測器 但阿斯佩特在它們與粒子之間放置了石英晶體 隨機將量子糾纏的光子偏轉到一個或另一個探測器 與實驗者無關 那麼在這個沒有阿拉斯和鮑勃的系統中 會有多少次巧合和差異呢 ASPECT進行了數千次測量 再一次證明了愛因斯坦的錯誤 貝爾的計算再一次得到了確認 儘管仍然存在一個未解決的漏洞 在90年代末 奧地利物理學家安東扎伊林格重建了 愛倫·阿斯佩特所搭建的相同實驗裝置 但增加了超快速隨機數發生器 以控制石英晶體的透明度 這意味着如果在粒子內部留有某種影響實驗的 隱含愛因斯坦參數 澤令格完全排除了這種可能性 你猜怎麼着 貝爾的計算得到了驗證 基於所有這些實驗 克拉斯·阿斯佩特和澤令格 在2022年獲得了諾貝爾物理學獎 這意味着整個科學界一致認爲 量子過程從根本上是不可確定的 只有在我們通過觀察強迫它們時 它們纔會獲得特定的參數 所以如果你突然獲得了量子特性 你真的無法弄清楚自己是誰 在所有可能的形態和命運的疊加態中存在 直到其他人觀察你 並將疊加態塌縮爲單一狀態 但希望我能讓你成爲那個對量子物理理解 稍微更深一點的自己 然而其中一個主要問題仍未得到解答 誰或什麼是讓疊加態坍縮的觀察者 最終導致我們無聊的明確的宏觀世界的出現 看來觀察者可以是檢查薛定諤的貓是否活着的科學家 實驗中的無意識粒子探測器 甚至是通過相互作用進行觀察的另一個量子粒子 但我聽過的關於這個主題最瘋狂的理論是 散佈在宇宙中的黑洞 實際上可能是讓宇宙在最大尺度上決定其屬性的觀察者 就像人類的眼睛一樣 它們吸收光線 從而觀察周圍的一切 所以如果沒有黑洞 我們可能真的會擁有量子屬性 但你會想要以疊加態的方式存在嗎 而在坍縮後徹底改變你的生活 請務必在評論中告訴我 你在視頻的哪個環節完全崩潰了 或者你是否能夠跟上並真正理解了內容 今天就到這裏 下次見大家 再見