在經典物理中本來是互斥的、不可能發生的,到了量子力學描述的微觀世界,這個現象就是可能發生的。
——李鐵夫
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授課老師 | 李鐵夫清華大學微電子系副教授
迄今,人類有過三次打碎並重建世界觀的機會——
從神話到理性
從古典物理到經典物理
從經典物理到量子物理
那麼,接下來還有沒有呢?我相信肯定是有的。
我先告訴你最近一次世界觀重建——量子物理誕生的故事,你也許會從中得到啟發:在這個不知何時才能來臨的契機面前,我們應該時刻保持自由的眼光、獨立的思考。
波粒二象性
為什麼你的思維單一、狹隘?
19世紀末,著名的物理學家開爾文爵士在一次演講中提到,動力學理論的優美性和明晰性被兩朵烏雲所籠罩著:
如果說相對論是愛因斯坦一個人的獨角戲,那麼量子力學這場物理學的大戲則是群星雲集,帶來了人類思想和認知的徹底變革。
我們先看看這朵烏雲。
這個問題當時困擾了人們很長時間,那就是黑體輻射問題中的紫外災難。很多大科學家在經典物理學的框架下,對它束手無策。
後來,普朗克解決了這個紫外災難問題,他提出:能量的輻射不是連續的,而是一份一份發出來的。這個一份就被普朗克稱為量子。因此普朗克也被認為是量子之父。
在這裡我們要注意,量子並不像原子、質子、電子等等,它不是指一種特定的微粒,而是表示一種離散性或者非連續的特性。
基於這麼一種量子假說,愛因斯坦進一步針對光的本性提出了光量子假說,併成功解釋了光電效應。這個工作讓愛因斯坦於1921年獲得了諾貝爾物理學獎。
經典物理認為光是一種波,但愛因斯坦提出光是粒子。
一直以來光都是一種非常特別的東西,在相對論裡就有光速不變,它的運動速度和其他所有物體的運動速度都不一樣。那光到底是什麼?本來我們好不容易通過麥克斯韋方程組和各種實驗認識到光是一種波,結果現在又只能回到粒子性才能解釋光電效應。
在那之後,又陸續的有很多實驗證實了光的粒子性,發現了光子具有質量、具有能量、具有動能等粒子的屬性。於是人們開始重新思考光的本質,提出了“波粒二象性”這一觀念。
也就是說,我們不再去爭論光到底是一個粒子,還是一種波,而是認為光是一種具有波和粒子兩種屬性的特殊物質形態。
不僅如此,德布羅意還指出,那些原本我們以為是粒子的,比如電子、質子、原子,它們其實也都是波,德布羅意稱之為物質波。這就更加的匪夷所思了,因為當時根本沒有任何現象能夠展現出這些物質的波動性。
但德布羅意的理論很快就被電子干涉實驗所證實,他也因此拿到了諾貝爾獎。洛倫茲評價德布羅意說:“年輕人拋棄物理學中的老概念,簡直是易如反掌。”要知道,洛倫茲就是由於拋棄不了老概念而與狹義相對論的發現擦肩而過的。
互補原理
互斥的概念,竟在高層次統一
我們通過物理學中著名的雙縫實驗,來看一看波粒二象性。
■ 在裝置當中,如果我們發射出普通的粒子,比如說棒球,它們一個一個離散地發射出來,可以穿過狹縫,達到後面的擋板上。每個棒球只可能從某一個狹縫中通過。考慮到棒球跟狹縫之間碰撞的影響,最後在後面的擋板上會形成隨機的分佈。這就是粒子性的體現。
■ 如果我們發射一束波,比如說水波或者聲波,它可以同時通過這兩個狹縫,然後在後面發生干涉,最後出現在擋板上的就是一個清晰的明暗條紋。這就是波動性的體現。
■ 如果我們發射量子微粒,比如說電子又會怎麼樣呢?首先,我們可以做到一個一個地發出電子,就像棒球那樣。這些電子也會像棒球一樣,一個一個地打到後面的擋板上。但最後,卻發現大量電子形成的分佈,卻是像波一樣的明暗條紋。
這就告訴我們,這些電子在出發和到達的時候表現得像粒子,但在穿越狹縫的時候卻像波一樣,它能夠同時通過兩個狹縫。電子在這個過程中既表現了粒子性,又表現了波動性。
在經典物理當中,粒子性和波動性是完全對立的概念。那麼該如何去理解量子力學中的波粒二象性呢?
尼爾斯·玻爾,這位量子力學的奠基人之一,提出了互補原理,非常好地解決了這個困擾。
他說,一個經典物理學概念A的應用,不可避免地要排除經典概念B的應用,但是B在另一些條件下又是必不可少的,那麼就必須把A和B這兩種經典概念融合到一起,才能形成對現象詳盡無遺的描述。
也就是說,粒子的概念和波的概念,在經典物理中本來是互斥的,不可能統一到同一個物理實體上。你不可能踢著踢著足球,看著它突然化作了一個波,就像水波繞過水中的石頭一樣,繞過了守門員,然後又變成了一個球進門了,這是不可能發生的。
但是,正如我們在波粒二象性實驗中看到的那樣,到了量子力學描述的微觀世界,這個現象就是可能發生的。簡單來說就是,波和粒子在同一時刻本來應該是互斥的,但是它們在更高的層次上卻是統一的。
反直覺
請放棄在腦中建立圖像的嘗試
要指出的是,不管是粒子還是波,都是經典物理中的概念,屬於經典物理的語言。所以,互補原理是什麼呢?其實就是當我們用經典語言來描述量子世界時,所做的一個邏輯補充。
我們之前的課也說過,儘管牛頓之後已經不斷有新科學出現,但牛頓的影響仍然在持續。量子力學幾乎顛覆了所有經典物理的概念,但它仍然無法完全拋棄用經典物理的語言來進行理論的詮釋。
所以為什麼到了現在,量子理論已經被眾多的實驗所證實,但對於理論的解釋仍然存在一定的爭議呢?可能就是我們還沒有建立起一套完整的、屬於量子世界的物理語言。
當然這很難,因為幾乎所有的人都會覺得,只有在頭腦中建立起一個圖像,我們才算認識了一個事物。比如說,我們可能在其他課程中學過冰山模型、奧卡姆剃刀模型、營銷漏斗,以及查理·芒格的格柵理論等等。我們在說這些抽象模型的時候,都會用冰山、剃刀、漏斗、格柵這些形象的描述來幫助大家理解。
再比如說,有時人們跟我說:“老師你講得太抽象了,舉個例子吧。”這樣的要求,就是要通過已知的圖像來建立新的認知。這種認識世間萬物的方式,正是牛頓的方式,或者說牛頓式的思維。
在牛頓力學當中,幾乎所有的科學概念都和日常經驗緊密結合,緊密到每個概念,你都能在頭腦中浮現一個圖像,緊密到我們都忘了它只是一個抽象的概念。比如力、質量等等。而正如海森堡所說:“量子法則很清楚地告訴我們,我們平時的這些直覺概念,比如說位置、速度、大小,都沒有辦法簡單直接地用在微小粒子之上。”
也就是說,量子力學要求我們超越這種牛頓式的認識方式,要求我們放棄在頭腦中建立一個經典圖像的嘗試,不要用視覺想象任何東西。
這當然是反直覺的,所以就像玻爾所說:“誰如果不對量子物理感到困惑,那他肯定是不懂它。”
新“實在論”
絕對客觀?不,你隨時改變著它
如果在剛才的狹縫前,安裝一個探測器,看看電子到底是怎麼通過狹縫的,那麼我們會發現,它只會通過一個狹縫。而這個時候,最後擋板上呈現的就回到了粒子性的完全隨機分佈,不再出現明暗條紋了。
我們只是在實驗中多加了一個探測器,結果就全變了。好像這個電子在通過狹縫的時候,竟然能夠知道有沒有人在觀測它,然後就可以根據有沒有人觀測來表現出不同的特性。或者說,我們的觀測會影響到量子實體的行為。
這就更加神奇了!不僅量子物體是一種以我們無法建立具體圖像的方式存在的,而且它還並不是一種絕對客觀的存在。
經典物理學中,我們認為外部世界是客觀存在的。即使我們尚未能完整並且準確地認識這個世界,但那只是我們自己的能力尚未達到。外部世界本身肯定是客觀存在,跟我們的意識無關。這種觀念被稱為客觀實在論。
經典物理學中把物理定律看作是對自然規律的準確描述,並且認為物理學家在科研過程中只是一個觀眾的角色,我們的行為不會給這些研究的客體帶來實質性的干擾。
但在量子現象中,我們既是演員又是觀眾。我們的觀測行為不可避免地影響著對象的行為,一切都跟我們的觀測行為掛上鉤了。我們和被觀測的對象融為一體了,相互影響,主客體之間的界限變得模糊了。我們不可能去研究一個所謂的絕對客觀的實在世界,只能知道我們所觀測到的世界是個什麼樣子的。
我們的觀測方式會改變世界的呈現方式。我們不能從事物被觀測時的樣子,來推測它不被觀測時的樣子。這種推測所必需的連續性假設,在量子世界中是不成立的。
海森堡說過:“我們觀察的不是真正的自然界,而是呈現在我們問問題方式之下的自然界。”
在這種情況下,科學變得有點像愛情一樣,不再是絕對客觀的了。就像愛情是兩個人之間的一種關係,科學不再描述的是那個獨立存在的世界,而是描述的一種我們對這個世界的認識。就好像描述我們和世界之間的一種互動。
波爾說,物理學不告訴我們世界是什麼,只能說觀察到的世界是什麼。這個就是量子力學所帶來的新的實在論,也徹底擊碎了經典科學賴以成立的根基。甚至愛因斯坦都感嘆道:“我為了使物理學的理論基礎和這種新型的知識相適應,所做的一切努力都徹底失敗了。就像從一個人的腳下抽走了地基,他在任何地方也找不到可以立論的堅實基礎了。”
小結
我們人類自己的認知有沒有侷限性呢?人類非常想以人類社會的形式去解釋自然,用我們能夠看到的世界去想象那個看不到的世界。然而,我們的抽象思維卻始終難以突破具象現實的侷限。
互補性原理是什麼呢?它其實就是一種無奈的妥協。我們為了能夠用粒子和波來建立未知的量子世界的圖像,只能用互補性原理來解釋。
所以,面對未知的世界,我們只能:
通過觀測,瞭解它們呈現在我們面前的樣子;
不能簡單地認為這就是世界本身,也不能簡單地融合各種現象,而是必須跳出具象畫面對我們認知的影響,建立抽象的模型;
這個抽象模型也不是科學對於世界的描述,而是科學為我們描述的關於世界的知識。
我們應該如何看待世界、看待科學呢?大概可以向愛因斯坦學習一下,他說:“我從未試圖在任何場合取悅別人。”正是這種自由和獨立,讓他能夠與他專注探索的事件保持恰當的距離,也讓他避免讓自己內心的平衡,置於像他人的意見、習慣、判斷等不穩固的基礎之上。
科學不再是世界的終極真理
我們如何應對?
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*本文根據李鐵夫在混沌大學商學院的課程整理而成,內容僅為完整課程的1/4,轉載請聯繫授權。部分圖片源自pexels.com、unsplash.com
撰稿:雨熱
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好奇心是物理的核心力量