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1700911815 好吧,听起来或许难以相信,没有人知道答案。事实上,这与量子世界最大的神秘事件之一有联系:为什么我们在自己周围哪儿都见不到量子效应?
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1700911817 世界上所有物质都由量子粒子以及量子场的表现所构成,为什么我们以我们现实中所经历的方式经历这个世界,而不是以那些粒子在微小的亚原子水平所经历的方式?
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1700911819 你可以反驳说世界就是这么存在的,物理学的职责并不是为了对规则提出问题,而是揭秘规则。
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1700911821 然而,这种谦逊的表述依然有一个小问题:量子世界的规则与我们每天生活中感受到的现实世界如此不同,应该存在一个某种类似转折点的地方隔开了量子世界与我们日常体验到的、习以为常的所谓“经典”世界。如果那些构成我们身体、存在于空气之中和外太空里的粒子们就像老老实实的网球或棒球般运动,天下就一切太平,那么我们就会了解一切东西——从最微小的到最巨大的。
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1700911823 但它们并不如此行事。
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1700911825 你在通往微小世界的旅程中不止一次地看到它们并不如此行事。例如,在你试图抓住绕着氢原子核旋转的电子时,还记得想要同时了解它所在的位置和运动的速度是多么困难的事吗?好吧,让我们现在再仔细看看这个事实。
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1700911829 再次把你自己想象成缩微版状态。你比原子还小。一颗粒子正朝你飞来。你对它一无所知,不知道它的大小、所在的位置和接近你的速度。你只知道它遵循这量子世界的规则。
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1700911831 你从随身带着的缩微包里拿出一个缩微手电筒,准备打开它,期待着它发出的光能从粒子身上反射回来,不管那个时候粒子位于何处,反射回来的光将飞回你眼中,告诉你那颗粒子的位置。
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1700911833 但并不是任何光都能完成你的任务。
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1700911835 你需要使用“正确”的光。
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1700911837 记得光能被看成波吗?那么,“正确”的光意味着这个光波的两个波峰之间的距离(光的波长)需要大致与你的目标大小相似或更小。如果你用的光波波长太长,它将无法注意到那颗粒子,直接穿过去,就像无线电波能够穿透你房间的墙壁,似乎没注意到这些障碍的存在一样。然而,当波长“正确”时,你就能看到反射回来的光,并且得到你的粒子所在位置,其精确程度就是你使用的光波波长。同时,你还能测量粒子的速度,这样,你就得到了你想知道的所有信息。
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1700911839 简单。
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1700911841 你调节着你最先进的手电筒,获得了一个强有力的光脉冲。瞄准,发射……砰!你击中了某个东西。一个粒子。就在那里。就在你前面。光被反射回来,向你的方向飞来。它从发射飞往粒子并回到你这里所用的时间精确地告诉了你撞击时粒子所在的位置,因此该粒子不可能位于所有地方了。一旦被探测到,粒子就失去了它的量子波动性。从一秒钟的许多分之一之前的所有可能同时位于的位置之中选出了唯一一个,仅仅借助于你的手电筒探针的这个行动。就像那个机器人在白色房间里抛出粒子,这颗粒子无处不在,直到它被某个探测器检测到。这个不可逆的过程被称为“量子波塌缩”。
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1700911843 在塌缩发生之后,你知道了粒子所在的精确位置,精确度是你使用光波的一个波长。现在你想知道它在与光相遇时速度有多快。
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1700911845 但这并不容易。
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1700911847 事实上,你无法精确地回答这个问题。
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1700911849 永远不能。
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1700911851 记住:波长越短,所对应光的能量越高。
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1700911853 所以,对粒子所在位置要求的精度越高,你的手电筒所使用的光波能量就会越高,也就是你对粒子撞击得越厉害——因此你对它接下来的速度知道得越粗略。
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1700911855 对于一个我们所熟悉的世界,这句话的意义很简单。
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1700911857 试试看,在黑暗中,通过射击的方式试图发现某个运动着的物体的位置。撞击会影响你所要探测的东西。如果你发射的东西弹回你处,你就能知道当撞击发生时,你想要探测的东西在哪里。如果你接着射击想知道它去了哪里,你就会发现你的第一次射击已经改变了它的速度。
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1700911859 真的很简单。
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1700911861 然而,在量子世界里,这不仅仅是一个简单的不确定性,而是一个大自然深刻的性质。它表明在本质上你不能同时知道一个粒子所在的位置和它运动得多快。这条规则被称为“海森堡测不准原理”,以发现此原则的德国理论物理学家维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)命名。海森堡是原子世界的量子理论的奠基人之一。他在一九三二年因此工作获得了诺贝尔物理学奖。他知道自己在说些什么。但与后来其他许多人一样,他并不理解这一点。因为它超越了我们的直觉,违背了我们的常识。
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1700911863 这个测不准原理立刻就令量子世界与我们日常经典世界比起来完全不同。
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