石头播客

用量子力学解答生命、宇宙以及世间万物的终极之问

石头播客 元宇宙 2022-11-12 223浏览 0

《量子化:量子如何改变世界》

[韩]朴权 著

黄艳涛 译

中译出版社出版

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世界各地的物理学家都曾指出“宇宙量子化”的概念,宇宙空间中的所有物质都是由量子组成的。而量子宇宙中同时也蕴含着深刻的哲学意义,本书从量子的角度探讨了世界的本质,将难度极高的尖端物理学的内容逐一推导成公式,并提出了深刻的哲学命题,解释了生命、宇宙以及世间万物终极之问的答案。

>>内文选读:

量子力学很奇怪,甚至令人难以置信。根据量子力学,世间万物既是粒子又是波。说得更严谨一点,虽然粒子本身像一个点,但它的位置却像波一样散布在空间里,描述这些波的函数被称作“波函数”。

波函数会告诉我们粒子在特定位置存在的概率,我们能知道的只有这个概率。不管我们怎么努力,根本不可能知道更多。乍一听,这似乎是量子力学的极限,但令人感到矛盾的是,正是由于这个极限,量子力学所描述的宇宙才越发妙不可言。

如何理解呢?说量子力学美妙,其核心在于波函数本身而不是概率,这很令人费解。波函数不是普通数字组成的函数,这里所说的“普通数字”是指实数。如果说波函数本身是一个概率,那么波函数就是0和1之间的实数。但是,波函数不仅包含实数,还包含一个被叫作虚数的数字。虚数,按字面意思解释就是“想象的数”,虚数之所以被称作虚数,原因在于它具有平方后变成负数的奇妙特性。

换句话说,波函数是由实数和虚数两类数字组成的函数。这种具有实数和虚数成分的特殊数被称为“复数”。复数,按字面意思解释就是“复杂的数”,而概率,就是波函数的实数和虚数分别平方之后的相加之和。

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那么,问题来了,如果概率是我们所能知道的全部,那为什么还需要波函数呢?换句话说,所谓概率,只有一个数就够了,为什么还非得需要用实数和虚数组成的波函数来表示?

至今还没有人搞清楚真正的原因。只是,若想让宇宙以我们目前熟悉的形态存在,那么概率和波函数,两者缺一不可。即使只有概率也可以实现测量,但波函数也是不可或缺的,因为这是宇宙中一切基本力的相互作用原理。

这里提到的基本力是什么呢?宇宙有四种基本力,即引力、 电磁力、弱力和强力。引力是人们日常生活中最熟悉的力,至于电磁力、弱力和强力,在前面讲述原子时曾经简单地提到过。关于引力,虽然还没有被完全证明,但相信这四种基本力都能依据同一个原理来描述,那就是规范对称性原理。

粗略地讲,所谓规范对称性原理,是指虽然有波函数,但实际可测量的只有概率的原理。说得再直白一点,就是波函数尽管的确存在,但不会显露出来。关于规范对称性原理是如何精确地提供基本力的原理,在后面有更详细的讲述。

少安毋躁,距离得出最终的结论还差十万八千里呢!事实上,如果规范对称性原理能被完美地维持下去,就会出现一个严重的问题,那就是宇宙中一切物质都不能有质量。规范对称性应该被打破,而且应该自发破缺。需要指出的是,规范对称性自发破缺在专业上被称作“希格斯机制”(Higgs mechanism)。规范对称性自发破缺到底是什么,以及如何使宇宙万物拥有质量,同样在本书的后面也会详细阐释。

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越想越觉得量子力学简直妙不可言。

万物皆是粒子又是波,电子的波通过共振来实现原子的稳定性。但是,描述电子的波的波函数不能直接显露出来。实际上,可测量的不是波函数,而是概率。但奇怪的是,正是这一事实提供了力的原理。

需要提醒的是,波函数并没有完全隐藏其形态。如果说要使宇宙万物都拥有质量,那么波函数就不仅是概率,还要以复数形式展现出来。总之,量子力学通过波函数的存在这一事实,提供了支撑宇宙的所有力和质量的原理。这虽然令人难以置信,但其中的玄妙不正是引人入胜的地方吗?

我们的旅行即将开启,且量子力学将担任这趟旅行的“导游”。如同量子力学的名称一样,此次旅行注定将是一次无与伦比的奇妙之旅。在令人期待的旅途中,我们将会欣赏到隐藏在宇宙中的那些令人叹为观止的风景。

当然,这段旅程并不会一路坦途。因为由量子力学引领的旅行将沿着狭窄而细长的道路展开,而且这条窄小的道路还被遮挡住视野的峡谷包围着。即使如此,我还是希望通过这次旅行,能让更多的人窥见峡谷中闪现的美不胜收的景色。旅行结束后,我们将会或多或少地领悟到世纪之问——“我们为什么存在?”

现在,让我们踏上旅程吧!

作者:朴权

编辑:周怡倩

责任编辑:朱自奋


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