量子真相禁区的10个事实(上)
自量子世界新奇特现象被发现的时刻,支配电,磁和光现象经典和宏观的物理规律在极小的亚原子世界不再适用,一幅崭新的宇宙视野展现在人们的眼前,完全不同于必然、逻辑和理性刻画的物理世界,量子世界的图景比大多数人——包括许多物理学家能够想象和认识的场景更为辽阔和深远,好像在近日举办的国际围棋"人机大赛"中展露的机器人智力优势和人类智力的不足,人们感叹量子世界包罗万象的奇异景观,人类智慧似乎难以彻底把握量子世界的奥秘。以10个有关量子力学的性质,基于量子行为的事实描述激发了人们重新审视奇异的量子宇宙,它在微小和极小的尺度上究竟有怎样的表现。
1,一切事物的量子特性
人们可能想当然地认为,一些事物符合量子力学的特性,另一些事物则不符合量子力学的描述,所有的事物其实都遵循量子力学的规律,不分大小、种类的一切物体都符合量子物理描述的对象和范围,只不过在经典尺度的大物体中,人们很难发现这些物体的量子效应。为什么说相对于理论物理,量子力学是一份迟来的礼物?量子效应发现的困难性是其中的原因。量子力学的诞生是科学世界带给人类文明的最好礼物。物理学家面临了对基本物理问题作深层次解释的问题,诸如:为什么电子的旋转以原子核为中心,原子核好似"珍珠",原子好似"蚌壳",电子在"蚌壳"内以"珍珠"为中心旋转,形成了不同能级的旋转轨道。量子力学对微观粒子的性质给出了准确预测,人们由此相信量子力学的科学性和有效性。
2,量子化不是全盘离散化
"量子"从定义上讲一个是离散的组块,但不是每个事物在短时标概念上都是一份、一份的组块或不可分割的最小成分。电磁波由量子态的光子构成,波被认为有离散化特性,看上去似乎连续的波在量子层面则不连续。在原子核周围旋转的"电子壳"仅有特定的离散半径,但在量子理论中,其它粒子的特性没有呈现离散性,例如:电子的位置在环状传导的金属中不是离散的,电子占据了环状金属带任何连续的位置。构成电磁波的光子能量不是离散的,考虑到这种因素,量子化引力或引力量子化是物理学家取得成功的努力方向,但引力量子化不意味着一种必然性:时间和空间组成的离散化,考虑到其它方面,空间和时间的分离也许是可能的。
3,量子纠缠和叠加概念的不同
量子叠加态是指一个系统在同一时刻具有了两种状态的形成能力,但当人们进行测量时,总会发现特别的一种状态,系统失去了叠加态的特性。量子纠缠是指一个系统的两个部分或更多部分出现了相关性,纠缠态和叠加态是两个完全不同的概念,叠加态不是恒定的状态,一种状态是不是处于叠加态,这取决于人们希望得到的测量结果,例如:一种状态可能是位置的叠加,不是动量的叠加。叠加在整个概念上是指某种不确定的状态,"混沌不清"的状态一直持续,直到人们做出了某种确定性的测量行为。纠缠概念毫不含糊,它是完全确定性的,纠缠态是每一个此类系统的固有特性,人们已利用量子的纠缠特性研发了量子通讯技术。
4,幽灵般的超距作用
量子力学的信息传输不限于局部,这种传输似乎跨越了一片空域,在信息的发送者和接受者之间,信息本身似乎经过了所有的地点,纠缠行为不限于局部,但没有做出任何行为,纠缠只是一种相关性,它不是将非局部、本地的信息传输者或其它观测者连接起来。当人们在某个研究项目的演示中看到了两个相互纠缠的光子,它们被大距离的空间分开,然后对每个光子的旋转进行测量。在大距离的空间之间没有一种信息的传送比光速还快,当人们试图将两个观测结果结合时,涉及到了两地的信息传播,只能以光速进行,不能高于光速。在早期量子力学的兴起中,信息的定义出现了很大混乱,似乎存在超光速的某种"幽灵作用",但今天的人们已经知道,量子理论可能与爱因斯坦的狭义相对论相互协调,信息传送不能超过光速。
5,量子物理得到了积极研究
量子力学实验和理论的建构不是昨天才发生的新闻,量子理论事实上起源于一个多世纪以前,但量子特性的许多方面仅在现在的技术条件下才得到了广泛的检测,量子光学、量子信息、量子计算机、量子密码学、量子热力学和量子计量学等都是近年来兴起的学科和技术,量子技术是现代科学技术领域中非常活跃的部分。量子理论和量子技术的突破和创新为人类赋予了新的能力,人们在量子力学的基础研究领域燃起了希望的热情,为人类的科学进步和经济成长带来了无限可能的机遇。
(编译:2016-3-21)
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