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量子宇宙比你想像的更奇怪

物理學家Sebastian Deffner說,量子世界充滿了奇特的現象,但它們在我們看來可能是正常的,這是有原因的。

量子物理學的確是個有趣的時代!近年來,對量子技術的投資已從十年前的數百萬美元增至2022年的25億英鎊。

荷里活也在大肆炒作"量子電影",包括最近上映的《蟻人》——MCU中的"量子狂熱"。

"量子狂熱"似乎是對我們目前所處的炒作周期的描述,在這個周期中,什麼是事實,什麼是虛構,並不明確。這其中有些是由於故事的編排,有些則與量子物理學有關。不過,我們不應該苛求自己,因為我們很難理解量子系統是如何工作的。在我們的日常生活中,我們通過感官來了解宇宙。視覺、觸覺、聽覺、味覺和嗅覺為我們提供了對任何事物的洞察力和直覺。例如,我們會本能地端起一杯水,而不加任何思考。

但是,如果我們想像那隻水杯墜入位於銀河中心的黑洞,我們就會感到完全困惑。為什麼會這樣呢?因為我們從未親眼目睹過。我們能感知到的事物會影響我們的本能,塑造我們對世界運行的預期。物理學家將此稱為"經典機制"。

冰點溫度下的微小系統與外太空黑洞的行為類似,而我們卻很難理解這種行為。在這種情況下,我們常常假定物體的行為與我們熟悉的生活中的一樣。一個多世紀以來,我們已經意識到量子物理學涉及一些非常不尋常和奇異的現象。

關於量子世界和經典世界之間差異的最著名的解釋性說明,或許更準確地說,是臭名昭著的薛定諤的貓。在這個假設中,一隻貓被關在一個封閉的盒子裏,盒子裏有毒氣,當毒氣被一種元素的放射性分解產生的粒子擊中時,毒氣就會釋放出來。由於我們無法準確預知這種分解會在何時發生,因此箱外的任何人都無法知道這隻貓是否以及何時會死亡。只要盒子不被打開,這隻貓就可以說是處於既死又活的"迭加"狀態。

這個實驗有助於發展量子理論的複雜性,但在很多科幻小說中卻被曲解了。如果一個生物同時處於既死又活的可怕狀態,那就太荒謬了。

薛定諤的真正意圖是想說明,不在盒子裏的旁觀者無法知道貓之前是發生了什麼還是沒有發生什麼。物理學家維爾納-海森堡(Werner Heisenberg)將觀察者的這種不知情定義為"不確定性原理"。在經典觀察者進行測量之前,物理項目的經典狀態是無法確定的。

然而,量子態可以同時存在於許多經典狀態中。然而,這也帶來了一個問題:誰才是經典觀察者?作為人類,我們為什麼要對事物進行經典觀察?為什麼我們在日常生活中看不到任何量子效應?要理解這一點,我們需要知道"觀察"的真正含義。

據估計,我們所獲得的關於周圍環境的信息約有90%來自我們的眼睛。從微觀上講,這意味着我們通過捕捉從物理物體上反射回來的光子(包含動量的能量包)來發現周圍的事物。由於我們從未親眼目睹過量子效應,我們不禁要問,為什麼光子在與物體相互作用的過程中無法獲得任何有關物體量子特性的信息呢?

原因就在於它們與光的相互作用。無數光子從不同角度不斷撞擊物理物體,最終迫使它們穩定在平衡狀態,保持不動。光只能帶走靜止物體屬性的細節。

那麼,這是否意味着,如果我們能觀察到量子態,它們就不是真實的呢?事實上,它們是真實的,但它們的量子特性不會持續太久。

量子態之所以真實,是因為它們可以被視為經典狀態的迭加。問題是,當光子介入時,這種迭加是不可預測的,而且很容易發生變化。理論物理學家已經證明,只有基本的經典狀態才能承受退相干過程。退相干結束了所有其他量子態,只留下被認為是經典的位置。

想過為什麼你和你的朋友看到的物體是一樣的嗎?這是因為我們的眼睛只能捕捉到分散光子的一小部分。而每一部分都有完全相同的細節--物體在光粒子的撞擊下倖存下來的靜態屬性。當一個系統與周圍環境變得穩定時,截取任何光子碎片都會得到相同的數據。因此,觀察變得主觀和相對--你和你的朋友感知到的是同樣的東西。

這就是"量子達爾文主義"的基本方面,它闡明了為什麼對我們來說,宇宙似乎是經典的,而量子效應卻不可見。對我們大多數人來說,"達爾文主義"一詞似乎並不適合物理學。畢竟,我們指的不是生物在進化過程中對周圍環境的適應。達爾文主義的主要原則是"適者生存",這與靜止態的發展過程類似。只有經典態才能在退相干中存活下來,因為非經典態並不適合。

知道了量子系統失去量子性的原因,就有了完全進入這些狀態的明確途徑。我們需要找到將量子系統與其周圍環境完全分離的方法,以防止它們受到影響並失去相干性。

儘管這些論點很有說服力,但量子達爾文主義仍是一個正在研究的領域。大約20年前,洛斯阿拉莫斯國家實驗室的理論物理學家 Wojciech Zurek首次提出了量子達爾文主義的關鍵概念。如今,科學家們正在探索複雜的細節,並以嚴謹的數學方式為其中一些直觀論點提供證據。為了進一步了解這一主題,我們在今年早些時候出版了一本紀念祖雷克70歲生日的書。

對其他人來說,這意味着什麼?雖然看《蟻人與黃蜂女》在量子領域打敗姜文仍然很有趣,但我們應該認識到,量子領域只是一個為娛樂目的而創造的概念。真正的量子宇宙更加奇特,但我們永遠無法親眼目睹。現實情況是,如果探測到構建量子系統的光子,它就不再是量子系統,這意味着我們永遠無法真正接觸到經典世界之外的任何事物。

責任編輯: 李華  來源:煎蛋網 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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