上帝掷骰子吗？

上帝掷骰子吗？

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《上帝掷骰子吗》是一本关于量子论发展的科普史话，非常不错，非常推荐。

说到这本书，说到量子物理就会想到玻尔的那句“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。”
从波粒二象性到薛定谔的猫，从不确定性原理到多宇宙解释，从量子隧穿效应到量子擦除实验。在看完这些之后，我发现自己对量子物理更加困惑了。有种“这种东西是不可能存在的，但是，它却实际的存在”的感觉。

黑体辐射和不连续性

科学家们从辐射出例子还是波两种不同形式推导出了两个黑体辐射公式。一个适用于短波，另一个适用于长波。而普朗克使用数学的方式推到了一个新公式，既能满足短波又能满足长波。但普朗克发现，要使得新公式有意义，就必须做一个假设，假设能量在发射和吸收的时候，不是连续不断的，而是分成一份一份的。

这就意味着能量只存在1份或者2份，并不存在介于两者之间的。（即，不存在比1份多一点点，但比2份少一点点的能量）这非常违反常识，能量是什么？最常见的就是温度，吸收能量温度变高。如果吸收能量是不连续的，那也就意味着温度也不是连续的。

既然有这么一个公式可以满足短波和长波的黑体辐射，那我们为什么非要在意这个公式的意义呢？先用着再说嘛！不少科学家就是这样想的，这个意义，这个假设我们暂时无视它就好了。（至少当时是这样的）

不确定性原理和量子遂穿效应

不确定性原理说的是，我们不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度。由德国物理学家海森堡于1927年提出。
海森堡通过实验和数学推导，得出了这个结论。有不少物理量都存在这种不确定性关系，例如能量和时间、角动量和角度等等。论证过程太过深奥就不细说了，可结论影响巨大。
一个你意想不到的影响就是恒星里发生的核聚变。（没错，就是太阳！）恒星中心的温度大约为10K，原子核的平均热动能大约为1 keV，要实现核聚变，需要使得原子核与原子核之间的距离小于10nm，这能量大约为1 MeV，足足约为原子核平均热动能的1000倍。也就是太阳根本不可能发生核聚变？
是的，但是不确定性原理合理的解释了这个问题，其中一个物理量被精确测量，所以另外一个物理量会变得有很大不确定性。所以其中某个数值是不准确的，也就不能得出这个能量数值远远小于需要的能量大小。

双缝实验

双缝实验，简单说就是一个光源通过一个双缝障碍物，由于波的特性会双缝处形成两个波，互相干涉形成明亮相交的条纹。（波峰+波峰，波谷+波谷为明亮，波峰+波谷为暗淡）这显示出光的波动性。即使一次只发出一个光子，只要次数足够多，依旧会产生这样的现象。

想象一下，每次间隔1分钟、10分钟、1小时？那这些光子是如何商量好自己汇聚在明亮处的？
自然科学家也很好奇，就检测一下每个光子到底是通过了哪一个缝隙，但是只要这么做了，背后的干涉条纹就会消失，光表现出了粒子性，只通过了其中一条缝，不会产生干涉现象。

不确定性原理也很好的解释了这个现象，当我们观测了其中一个物理量是，另外一个就会产生很大不确定性。

顺带提一下，上帝不掷骰子就是爱因斯坦因为这个而提出的。爱因斯坦坚持认为因果论，由原因得出结果。而不确定性原理认为只有测量了的物理量才有意义，在没有测量之前，是都有可能的。这显然违反了因果论。

薛定谔的猫

不确定性原理解释了很多现象，表现的非常完美，但它的某些推导和解释带来了诡异的情况。上面说过速度和位置是互为不确定的物理量。也就是当我们测量出某个物体的速度时，它的位置具有很大的不确定性。例如我们测量出我们坐飞机时的速度，于是就不确定我们是否还在飞机内了？那我们究竟在不在飞机内呢？
不确定性原理是这么解释的，我们既在飞机内又不在飞机内。这又是什么鬼？当我们想弄清楚时，我们就会观测这个物理量，然后波函数瞬间坍缩，得出了具体的结果。（即我们还在飞机内）当然这只是一个比喻，不确定性只在微观世界中有效，并不影响宏观世界。
很容易联想到薛定谔的猫，由原子核随机衰变事件触发毒药，从而使微观世界影响宏观世界，猫究竟是活的还是死的呢？按照上面的解释，只要我们不观察猫，猫就是又活又死的状态。
纠结吗？一开始还是不纠结的，因为车库里的喷火龙没有什么意义，没有测量的物理量也没有多大意义。
然而，接着事情变得越来越不可想象了。

多世界理论

猫既活着又死了，这听起来还是那么诡异。于是就有了度世界理论，在我们没有观察之前，由于量子随机事件，宏观世界被分成了多个世界。而在我们观察的一瞬间，波函数坍塌，那个我们所存在的世界对我们才有意义，另外一个世界当然也有“我们”，只是对这个世界的我们没有任何意义。
这样很好的解决了猫既活着又死了的问题。听上去很美好，不过却隐藏着更诡异的事情。
我们把猫换成我们自己会怎么样？按照这个理论，世界会分成多个，一个世界中的我们死了，另一个世界的我们还活着。显然对于已经死了的世界，我们自己是没有任何意义的，那我们只能处于那个活着的世界。接着我们把这个实验重复无限次，结果都是一样的。就是我们无法自杀，永远处于那个活着的世界。（或者说活着的世界对我们个体才有意义）
是不是更诡异了？还是想回到既活着又死了的状态？

双缝干涉延迟选择实验和量子擦除实验

还记得上面提到过的双缝干涉实验吧，当观测光子穿过哪个孔时光表现出粒子性，当不观测具体穿过哪个孔时表现出波的干涉特性。而延迟选择实验，却可以让光先表现出具体的粒子性或者波动性，然后再选择是否要观察光子是否通过哪条路径。（是否感觉时间也变得极其不可靠了？）

延迟选择实验，让我们在事情发生之后再决定如何让他发生？听着非常不可思议，然而还有更诡异的实验。量子擦除实验能够让已经发生的事情被擦除。

量子擦除实验由一对相反特性的粒子组成，让其中一个显示出具体的粒子/波动性，之后在给另外一个加上延迟选择，结果就会发现之前显示出特性的粒子改变了自己的特性。（更准确的说是未来的事件擦除了已经发生的事情）

尾声

如果说不确定性还只是在讨论微观世界，那薛定谔的猫就是从微观影响宏观的实验了，好在它只是一个思想实验。但之后更为诡异的“双缝干涉延迟选择实验“和”量子擦除实验”却是真正的实验。

我们不知道量子它是怎么运作的，但它依旧存在与我们的世界之中。你知道身边有哪些东西是依赖量子物理而被发明出来的吗？

• 晶体管
  晶体管的祖师爷是瑞士物理学家布洛赫， 1928年，他在博士论文中提出布洛赫波的概念，在此基础上发展出的能带理论，极大推进了半导体材料的研究进展。能带理论揭示了固体内部电子的运动特点，因为这个理论，科学家才终于弄清楚了导体、绝缘体和半导体究竟是怎么一回事儿。
• 固态硬盘
  它由1927年德国物理学家洪德发现的“量子隧穿效应”为原理制成：只要施加外部电压，电子能像穿越隧道一样，穿过势能远大于自身动能的势垒，进入浮栅，完成写入过程，比传统机械硬盘快得多。