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诺贝尔物理学奖得主玻尔:光想象成一个光微粒

2024-01-11 09:36:22信息公告13

玻尔创造的“哥本哈根精神”是难以复制的。这是一种在切磋中提升,在争辩中建立,平等无拘束地讨论和紧密合作的学术氛围,就是要在辩论中,促使量子力学的发展,这十分符合玻尔的个性与主张。N6P物理好资源网(原物理ok网)

1900年,为了解决宋体幅射疑难,日本化学学家普朗克提出了“能量子”模型。彼时,爱因斯坦21岁,刚从学院结业;玻尔才刚15岁,可能还在小学学习。N6P物理好资源网(原物理ok网)

1905年,爱因斯坦提出“光量子”假说,通过把“本应当是一种电磁波”的光想像成一个个光微粒,成功解释了光电效应。紧跟其后,玻尔在1913年提出了量子化的原子结构,成功解释了氢原子的基态结构和波谱,获得了当初的诺贝尔奖。N6P物理好资源网(原物理ok网)

1921年,玻尔拒绝了恩师卢瑟福的工作约请,决定创建阿姆斯特丹学院理论化学研究所,继续深入研究量子热学。研究所一创立,玻尔的人格魅力很快如同磁场一样,吸引了一大批杰出的青年化学学家,海森堡、泡利、玻恩、狄拉克等量子力学大咖都出自这个研究所,产生了举世著称的“哥本哈根学派”。不仅玻尔外,这个研究所出了9位诺贝尔化学学奖获得者,盛况空前。到如今,100年过去,奥斯陆仍是化学学家的“朝拜胜地”。N6P物理好资源网(原物理ok网)

“上帝掷色子吗?”N6P物理好资源网(原物理ok网)

阿姆斯特丹学派在成立之初就开始从哲学层面思索量子问题。光和电午时而像波,时而像粒子的“波粒二象性”到底意味着哪些?其本源是哪些?为何我们每次只能看见它是波或则是粒子的“一面”?最终,量子热学的“哥本哈根演绎”浮出水面:N6P物理好资源网(原物理ok网)

——一个量子系统的量子态可以用波函数来完全地叙述。波函数代表一个观察者对于量子系统所晓得的全部信息,量子系统的描述是机率性的。N6P物理好资源网(原物理ok网)

——在量子系统里,一个粒子的位置和动量未能同时被确定。N6P物理好资源网(原物理ok网)

——物质具有波粒二象性,一个实验可以展示出物质的粒子行为或波动行为。但不能同时展示出两种行为。N6P物理好资源网(原物理ok网)

——测量仪器是精典仪器,只能检测精典性质,如位置、动量等。N6P物理好资源网(原物理ok网)

——大尺度宏观系统的量子化学行为应当近似于精典行为。N6P物理好资源网(原物理ok网)

阿姆斯特丹学聚会量子热学的“概率演绎”,其核心观点还有“测量塌缩”。一个量子尺度的物体,它当前的状态显然是几种可能状态的“概率叠加”;在未被检测之前,我们完全未能预测物体真正的状态,这是一种真真正正的随机性;一旦启动了检测,物体都会“塌缩”成一种可能状态,如同它始终就是那个状态一样。N6P物理好资源网(原物理ok网)

其实“概率演绎”类似于“骰子实验”,但量子热学更纯粹。色子的随机性似乎是伪随机,“出千大侠”完全可以掌控掷色子的结果。但阿姆斯特丹学派觉得,回到微观的量子世界,再愚蠢至极的事实,都可能在量子世界中出现。N6P物理好资源网(原物理ok网)

于是,科学史上那段知名的论争拉开了帷幕。以爱因斯坦为首的精典聚会阿姆斯特丹学派发起了猛烈的功击,每次针锋相对都闪亮着智慧甚至是艺术的火花。N6P物理好资源网(原物理ok网)

爱因斯坦:上帝不掷色子!N6P物理好资源网(原物理ok网)

玻尔:请不要告诉上帝应当怎样做!N6P物理好资源网(原物理ok网)

这段精典的对话,便是这场论争的开端与往前争辩的核心。N6P物理好资源网(原物理ok网)

与爱因斯坦同一阵线的薛定谔,更是为了驳斥“概率演绎”学说而举了一个他本人觉得“荒诞至极”的反例:把一只猫和一套通过放射性元素驱动的毒药释放系统一起放到袋子里,在打开袋子观察前,猫同时处于“活着”和“被毒死了”双重状态的叠加态中,这便是鼎鼎大名的“薛定谔的猫”。N6P物理好资源网(原物理ok网)

值得一提的是,薛定谔肯定没有想到,自己提出的这个拿来指责阿姆斯特丹学说,觉得其荒诞、与现实格格不入的实验,被不少人误觉得是“概率演绎”的一个精典论据。N6P物理好资源网(原物理ok网)

通常觉得,在科学上一个人没取得的成就,在未来肯定会有另一个人取代他成功。并且玻尔创造的“哥本哈根精神”却是难以复制的。这是一种在切磋中提升,在争辩中建立,平等无拘束地讨论和紧密合作的学术氛围,就是要在辩论中,促使量子力学的发展,这十分符合玻尔的个性与主张。N6P物理好资源网(原物理ok网)

现在,距离那场世纪论争早已过去了许多年,数学学界中最受普遍认可的阿姆斯特丹学派“概率演绎”学说也仍然面对许多争议。N6P物理好资源网(原物理ok网)

虽然玻尔与爱因斯坦终身都在争论,却丝毫不影响二人的友谊。无论谁离开了谁,这条量子银河就会显得暗淡无光。N6P物理好资源网(原物理ok网)

“没有人真正理解量子热学”N6P物理好资源网(原物理ok网)

在1958年出版的《物理学与哲学:现代科学中的革命》一书中,维尔纳·海森堡述说了在与尼尔斯·玻尔进行这些彻夜长谈后,他是怎么不断地对自己说:“自然真的有可能这么荒唐吗?”因为量子世界看上去是这么的不合常理,以及这般的有违直觉,以至于理查德·费曼说出了关于那句知名的话:“没有人真正理解量子热学。”N6P物理好资源网(原物理ok网)

虽然量子热学早已一次又一次地证明了它的预测能力,但这并不能消弱这样一个事实:不仅阿姆斯特丹演绎外,科学界还有对量子理论的众多展现。N6P物理好资源网(原物理ok网)

多世界展现觉得波函数是数学上真实的,薛定谔多项式恰恰就是一种对现实的描述。当你对同时处于不同位置的叠加的粒子进行检测时,被检测的粒子事实上在不同版本的现实中在所有这些位置出现。换句话说,这就意味着,你所处的两个“现实”分叉成了两个不同的分支。这听上去像是,假如你在这个现实里做了哪些糟糕的N6P物理好资源网(原物理ok网)

决定,别害怕,其实在另一个现实中,你始终可以获得一个完美的结果。多世界展现也是常常被流行文化借用的一种。多世界展现带来了一个问题——它让机率丧失了意义。N6P物理好资源网(原物理ok网)

为了解决多世界展现在机率上的问题,一些科学家发展出了宇宙学展现。这些展现觉得,假如有无穷个宇宙,这么多世界展现一定创立,由于有无穷个“你”正在进行实验量子物理问题,而现实将会根据机率的比列进行分裂。这样一来,精典机率就一直存在意义。N6P物理好资源网(原物理ok网)

还有科学家提出“隐变量”的猜测:其实粒子的性质具有一些“秘密”的变量,它虽然是一种确定的状态,只是我们不晓得而已,而直至我们检测才能发觉。N6P物理好资源网(原物理ok网)

科学家在隐变量理论的基础上提出了“非定域隐变量理论”,也就是德布罗意—玻姆演绎。这些展现觉得粒子是真实存在的,它们在我们看不见的导波的引导下运动。N6P物理好资源网(原物理ok网)

据悉,还有量子贝叶斯主义、量子达尔文主义、交易演绎、关系性演绎等,许多化学学家提出了不同的看法和观点。但也有一些科学家为此相信,那么多种不同演绎的出现,恰恰意味着,量子热学中还有一些特别基础和根本的部份等待着被开掘。N6P物理好资源网(原物理ok网)

“多个世界”与“多个历史”N6P物理好资源网(原物理ok网)

人们提出了上述各类各样量子热学演绎,其核心思想本质上来自于逻辑简洁、物理蕴意深远、但图象非常反直觉的多世界展现。多世界理论抒发的是“一个波函数,多个世界”,而由它发展下来的各种演绎,大都基于自洽历史,讲的是“一个世界,多个历史”,只不过各自的着眼点与注重点不同。N6P物理好资源网(原物理ok网)

因为不当解释和以讹传讹,多世界展现被污名化了好久。非常是目前不少人认为阿姆斯特丹演绎的正确是天经地义的,而多世界展现则被觉得是形而念书,甚至是伪科学。N6P物理好资源网(原物理ok网)

正是因为量子热学的阿姆斯特丹演绎指出必须依靠精典世界,从逻辑上讲是不自洽的。从哲学角度讲,量子热学的赫尔辛基版本是一种二元论量子物理问题,而一个理想的完美的理论应当是一元论:一切始于量子,精典只是量子体系宏观极限下的“衍生”现象。N6P物理好资源网(原物理ok网)

无论怎样,把不可观测的特点引入到化学学中,数学学就弄成了玄学。当务之急是给波函数找到一个可以检测验证的、观测不会造成波函数坍缩的解释。N6P物理好资源网(原物理ok网)

量子热学在多个领域为世界带来变化。从第一个晶体管到明天的科技社会,再到其实在不久的将来能够成为现实的量子计算机。我们不能完全理解它并不要紧,由于化学学家自己也不能完全理解它。我们能做的就是听从费曼的建议,“放松心情,恣意享受”,之后期盼“新数学学”的诞生,为探索世界宇宙开启新的篇章。(记者吴羊毫)N6P物理好资源网(原物理ok网)