font

7月 08, 2015

量子力學的現狀、以及「量子自殺」、「奧卡姆剃刀理論」。

我前幾天讀到量子物理的「量子自殺」理論,結果昨天就做夢夢到自己被人開槍給殺了但是沒有死…讀了「量子自殺」之後夢到自己被開槍,我大概是世界第一人。
 
或許也是這個理論實在夠吊詭的,所以我決定來講講「量子自殺」。但是講量子自殺之前,我必須先說明為什麼會有這樣的理論。沒錯的,我又要講回量子力學最不可思議的「雙狹縫干涉實驗」,以盡量淺顯易懂的方式。(或許你可以看看我整理過的這兩篇:如果你問我,有比古文明、外星人、神秘現象更迷人的東西嗎?我的答案只有一個--量子力學。《上帝擲骰子嗎》-我看過最有趣的量子物理的科學歷史書
 

在牛頓古典力學之下,物理學家一直相信在物理的世界中所有東西都是可以預測和找到運算方式的,無論是愛因斯坦或牛頓都會異口同聲的跟你說:「是的,我相信所有物質都在我們的掌控之中。」大至星體運行的軌道、小至球體落下的曲線,每個東西一定都可以找的到公式來解釋,即使是代表著最微小的物質單位電子也不例外。
 
愛因斯坦是非常相信因果論的,他認為所有物理現象都可以得到科學的因果論解釋,所有一切都是有原因的,沒錯,就是愛因斯坦說過最著名的那句話:「上帝不會擲骰子!」,但量子力學卻重重的打擊了愛因斯坦的論點。因為量子力學中著名的「雙縫實驗」發現,上帝不但擲骰子,還不知道把骰子丟到哪去了。

雙縫實驗是怎麼做的?其實很簡單,霍金在《大設計》講這個雙縫實驗,拿了足球的舉例來說,想像一個人站在定點踢足球,足球最終的位置都會被記錄下來,這沒問題吧?接著,比較不一樣的是,這個實驗在踢球者的中間隔了一片開有雙縫的板子。OK,所以我們會得到的結果應該會是這樣:一、球沒踢進雙縫裡;二、球踢進左邊或是右邊的縫。

最終按照物理法則,應該會是下圖的結果,沒錯吧?




好了,就是那麼簡單,唯一不同的是,量子力學的「雙縫實驗」,用的其實就是代表著物質的最小單位的、比足球小上好幾十億倍的小球——「電子」來做這個實驗,而發射電子的則是精密的科學儀器、記錄電子軌跡的是一個屏幕,電子打在屏幕上就會留下痕跡。目前為止,你已經完全理解雙縫實驗的原理了。

物理學家預測電子這個小球,大概也會像我們在踢足球一樣,足球踢過雙縫之後會堆兩堆。但吊詭的來了,實際上隨著發射的電子越來越多,最後發現電子竟然在屏幕上形成了具有「波」性質的干涉現象。



以足球來講,就是得到這樣詭異的結果:




物理學家傻眼了,但天真的想,可能是一次發射太多電子了,電子之間互相碰撞才會得出這樣詭異的結果吧?於是他們改成「一顆一顆」發射電子,但…竟然還是得到一樣的干涉圖形。這完全沒道理啊!難道電子自己可以干涉自己?!物質是有軌跡的,他並不是「波」,為什麼會出現波的性質?

於是物理學家決定在兩個狹縫旁邊擺上偵測器(光源),觀察電子到底從哪個縫隙通過的,第二個可怕的事情又來了,擺上偵測器之後,干涉現象消失了!電子似乎又恢復了物理法則,屏幕上變成了很合理的兩條痕跡,就像我們踢足球該有的結果。

物理學家發現這個「觀察」的行為因為有光(光子)的介入,而影響了實驗結果。請注意,這個實驗是極小的物質,所以一點點微小的干擾是會大大影響實驗結果的,套句《上帝擲骰子嗎》書中作者說的話:「這就像是派光子出去探測電子的位置,最後光子回來之後,回報說,報告報告,我剛剛看到電子了,但是他不知道被我撞到哪裡去了!」的道理。(我覺得形容得挺貼切XD),這就是海森堡所提出的「測不準原理」。


於是乎,電子的干涉現象因為這個測不準原理成了最大的謎。看不懂我在講什麼的,直接看這個影片「超乎想像的宇宙 3:量子躍遷 」14:08分處對於雙縫實驗的精彩影片。





好,總之問題來了,電子在被「觀察」到之前,到底在哪裡?為什麼電子會出現干涉圖形?雙縫實驗的結果竟然是告訴了我們:我們沒辦法預測電子在哪裡,我們只能知道它出現在這個空間「機率」是多少。電子在未被觀察到之前,很可能是一團不確定位置的機率波,所以才會互相干測。我們再複習一下這個干涉圖形:




白色點是電子打到屏幕上的痕跡,而從這個干涉圖形來解釋的話,你可以說電子有更高的機率出現在白色點點密集的區塊。嗯…我相信你要吐了,因為這一切實在「太荒謬了!」物理學搞到最後發現他們竟然只能預測量子出現位置的機率?而物質本身很可能只是一團機率波?你到底在說什麼?!說到這裡,有人就說過這個量子力學的笑話:「你們這些研究量子力學的科學家,竟然告訴我你們找不到量子的位置在哪裡?我家兒子至少還找的到自己的皮球!」來調侃量子力學XD,

回過頭來說,愛因斯坦不是說上帝不擲骰子的嗎?物理學家慌了手腳,認為「一定是哪裡出錯了!物理學不能落入這種詭異的論調裡!」於是拼命研究量子力學,這下越補越大洞了,從各種強而有力的「量子躍遷」、「量子糾纏」…等等實驗證明量子力學還真的是越研究反而越讓人無法理解,著實幫愛因斯坦的話打上一個大大的問號:「上帝真的不擲骰子嗎?」

總之,量子力學現在還是個未解的謎,所以你不理解是正常的。至少你不用預測明天睡醒發現自己躺在馬路上的機率是多少。也因為量子力學還沒有得到一個完備的解答,剛剛我們在講的雙狹縫實驗,電子的位置到底在哪這個問題,物理學上也分成了兩派觀點:哥本哈根詮釋多世界詮釋

哥本哈根詮釋相信電子在被觀察到的那瞬間「崩陷」了,也就是電子在被觀察到的瞬間隨機決定了它的位置。而多世界理論認為,沒有機率這回事,所有的可能實際上都發生了,只是他在瞬間分歧成了不同的宇宙。(這就是我們浪漫的平行宇宙論了。)

你說你聽不懂?沒關係,「薛丁格貓」就是比較具體的思想實驗。用來解釋量子力學這樣微觀物理如果應用在宏觀物體上會是怎樣的。這個實驗是這樣的:把一隻貓和放射性物質放進一個封閉的空間裡,一分鐘後,這放射性物質會有一半的機率會衰變,讓貓死掉,有一半的機率不會發生衰變,貓會活著。

OK。那麼以量子力學的角度來說,「觀察」這件事才造就了貓的結果。你不去觀察,貓就是處在「又死又活」的疊加態,直到你「觀察」了牠,他才會是死亡或是活著。很離奇吧?這就是量子力學很重要的概念和根基。

而用「薛丁格貓」來解釋的話,我們可以說哥本哈根詮釋認為的是,我們只有單一的宇宙,存在的是「機率」的問題,也就是貓活著或死掉各別是50%的機率。但是多世界詮釋就不同了,他們認為貓活著或死掉這兩個可能都發生了,只是發生在不同的宇宙,也就是平行宇宙論。在我們「觀察」的那一瞬間,宇宙分歧成了:貓活著的宇宙、貓死掉的宇宙。

這兩種派別沒有完全被證實,所以都只是可能,但是你有沒有發現一件事?愛因斯坦的因果論完全被量子力學排除在外了。機率和平行宇宙兩種走向似乎都領著我們走向更無法想像的路。

當然這一切都是量子力學未解之謎而延伸出來的理論,聽起來有很懸疑的意味,但是充滿了非常多科學的驗證和根據的。好,我終於可以說「量子自殺」了。(能看到這裡還記得我前面在講什麼我真的要佩服你)

「量子自殺」也是一個思想實驗,從「薛丁格貓」實驗延伸出來的解釋,維基百科裡面解釋得夠清楚,我直接引用:『實驗將「薛丁格貓」中的貓改為一個實驗者。此時根據哥本哈根詮釋,實驗者在實驗中存活與否的機率各有50%。而根據多世界詮釋,實驗後會在兩個不相干的世界中各存在一個實驗者,其中一個活著,而另一個則死了。那麼如果多世界詮釋是正確的話,在經過任意次實驗後,總會存在某個世界,其中實驗者永遠不會死(只有這個世界對實驗者有意義的),這便被稱為量子永生(quantum immortality)。』
 
當然不會有人真的去實驗這個東西,因為無論如何實驗者都無法「證明」兩個理論的正確性。說到這裡,順道一提,在科學上很多理論解釋都要考慮到「奧卡姆剃刀理論」。我個人蠻喜歡這個理論的思維,這理論的核心思想是:「在同一表象下,比較簡單的那個理論更可能是正確的那一個。」除非你發現了更多的證據。沒錯,這理論的重點就在於「減少假設」,很多時候,如果非必要,不需要加入多餘的假設。「奧卡姆剃刀理論」除了自然科學上的應用外,在社會領域也有越來越多的應用。




延伸閱讀:
維基百科-雙縫實驗
維基百科-量子躍遷
維基百科-量子糾纏
維基百科-哥本哈根詮釋
維基百科-多世界詮釋
維基百科-薛丁格貓
維基百科-奧卡姆剃刀理論
維基百科-量子自殺


Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...

ShareThis