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量子力学颠覆了什么?
发布者:admin发布时间:2020-06-04 04:43:06

我们可以先从物理学的几大神兽说起。自从牛顿提出了牛顿三大定律和万有引力定律,再经由法国的几位超级数学家的发扬光大之后,经典物理学一下子走到了颠覆,不仅统一了”天上“和”地下“的物理学,而且预测各种物理现象都十分精确,甚至只依靠纸笔就可以预言海王星的存在。

有个叫做拉普拉斯的数学家出版了巨著《天体力学》后,把这本书献给拿破仑。拿破仑看完就问他,

拉普拉斯其实代表着一种世界观,这种世界观也叫做:决定论。决定论具体来说就是,相信宇宙完全是由因果定律之结果支配。所以决定论者一般都相信存在一个最终终极的理论,可以描述整个宇宙的运行规律。其实,日常生活中,也有很多人相信,随着科学的发展,人类最终可以解释所有的现象,这其实就是决定论。这里多补充一句,决定论是不带任何贬义的,它是一种观念,任何人都有权力相信或者不相信。其实爱因斯坦就是一个坚定的决定论支持者,除了他之外,还有薛定谔,德布罗意等人。

当然,我们说到的拉普拉斯也是决定论的支持者,所以他开始开动脑,提出了一个思想实验,也被叫做:拉普拉斯妖。拉普莱斯妖是和我们熟知的薛定谔的猫齐名的物理学几大神兽之一。关于拉普拉斯妖,拉普拉斯有这样一段描述,我简述一下大意:

如果我们把宇宙现在的状态视为过去的过以及未来的因。倘若存在一个智者,他知道宇宙中每个原子确切的位置信息和动力,那这个智者就能够使用牛顿定律来展现宇宙时整个过程,无论过去还是未来。

这里的智者就是拉普莱斯妖。说白了,拉普拉斯认为存在一个定律(牛顿定律),只要掌握宇宙中所有粒子的信息,并且能快速运算,那就可以知道宇宙的运行情况。

而量子力学颠覆的其实就是决定论。具体来说,我们要从量子力学的基石理论说起。1926年,海森堡提出了不确定性原理,这个不确定原理具体来说就是:

粒子的位置和动量是没办法同时确定下来的,位置的不确定性越小,动量的不确定性就会越大,反之亦然。

所以,海森堡认为,我们是不可能同时掌握粒子的位置和动量这两个量的。而且观测自身就会对粒子产生影响。

发现了没有?不确定性原理和拉普拉斯妖是矛盾的,拉普莱斯妖的前提是能够掌握宇宙中任一粒子的位置和动量。而不确定性原理告诉我们,位置和动量是没办法同时测得的。所以,量子力学可以说从根基上撼动了决定论。这也是为什么爱因斯坦等人一直和量子力学作对的原因,因为他们无法接受量子力学对于决定论的否定,爱因斯坦在和量子力学宗师波尔对决时,就曾说:

这里多补充一句,爱因斯坦是无神论者,这里的”上帝“指的就是决定论中最后的那个终极理论。

所以,爱因斯坦反对的就是量子力学的随机性对于决定论的破坏。不过,事实上,对于决定论的破坏不仅仅是量子力学,只能说量子力学打开了一扇门,而后来的20世纪的各种科学理论都加入了打破决定论的队伍当中。

我们来试想一个场景,有个沙堆,你这个时候一粒一粒沙子放下放,请问,你放到第几粒沙子,这个沙堆会塌?

这个问题看起来好像很容易的样子。实际上,它的复杂程度超乎一般人的想象力,其中每一粒沙子的受力都极其复杂,我们至今对此无解。

再比如:著名的蝴蝶效应,说的是一只蝴蝶在南美轻拍翅膀,可以导致一个月后德克萨斯州的一场龙卷风。

这个其实也叫做混沌系统,指的是在一个动态系统当中。只要初始条件发生一点点变化,就会带来整个系统长期巨大的链式反应。比如,下面的双摆,刚开始有一点点不同,轨迹就会完全不一样。我们就无法用数学对其进行描述。它就是一个典型的混沌系统。

无论是沙堆,还是混沌系统,其实都揭示出宏观状态下,也会出现不确定性的情况。这对决定论是一个致命的打击。实际上,混沌系统和沙堆是无处不在的,我们试想一下股市为什么那么难以预测?国际政治为什么那么难以捉摸?这两个系统内部的因子都是在相互作用的,并且会受到一点点影响就会千差万别。所以,股市和国际政治压根不可能用因果律来解释。20世纪的三论:信息论,控制论和系统论,其实都是在研究如何克服不确定性的学问。所以,不确定性是无处不在的。

最后,我们总结一下,量子力学否定了的是决定论。决定论认为万事万物都有一套最终极的因果律,而量子力学则认为世界是不确定性的,而且20世纪的其他科学理论也都指向了不确定性。而后来的各种现象和实验结果也证明了量子力学的观点。