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1878年，當(dāng)年輕的普朗克（Max Planck）詢問教授Philipp von Jolly，自己是否應(yīng)該繼續(xù)從事物理學(xué)研究時(shí)，這位教授奉勸他尋找另一份工作，因?yàn)槲锢韺W(xué)“可能在某些角落還能繼續(xù)前進(jìn)，在這里或那里可以做一點(diǎn)細(xì)微的整理工作，但是，整個(gè)系統(tǒng)是安穩(wěn)的，顯然，理論物理學(xué)正接近完成?！?/span>
事實(shí)證明，只是把其中一點(diǎn)點(diǎn)細(xì)微的整理工作做好，就讓普朗克獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——并導(dǎo)致了量子力學(xué)的誕生。當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家有一個(gè)小煩惱，是關(guān)于一個(gè)很普通的現(xiàn)象：為什么物體在加熱時(shí)會(huì)那樣發(fā)光？所有材料，不管是由什么組成，隨著溫度的升高，都會(huì)表現(xiàn)出同樣的行為：變紅、變黃、變白。19世紀(jì)的物理學(xué)家無法解釋這個(gè)看似簡單的過程。
當(dāng)時(shí)最好的理論預(yù)言，溫度極高的物體會(huì)釋放出無限的短波長能量，但是我們當(dāng)然知道，即使強(qiáng)大的電流加熱燈絲，也不會(huì)將其變成噴射死亡射線的物體，所以當(dāng)時(shí)的科學(xué)家對這個(gè)問題困惑不已，并稱之為“紫外災(zāi)難”。
1900年，普朗克找到了一個(gè)答案，他猜測，能量只能以離散的“量子”形式被吸收或發(fā)射。能量量子有效地限制了高溫物體在任何溫度下會(huì)釋放的能量，讓紫外災(zāi)難問題迎刃而解。這是對所謂的經(jīng)典物理學(xué)的徹底背離，因?yàn)榻?jīng)典物理學(xué)認(rèn)為能量的流動(dòng)是平滑連續(xù)的。
量子革命就這樣開始了。此后數(shù)十年，愛因斯坦、海森堡、玻爾和其他物理學(xué)家花費(fèi)大量時(shí)間，把普朗克的靈感逐步轉(zhuǎn)化為完整的理論，但這一切都始于沒有人明白物體加熱時(shí)到底發(fā)生了什么。
由此產(chǎn)生的量子理論處理的粒子尺寸和能量量級非常之小，脫離了我們的日常經(jīng)驗(yàn)，對于我們這些哺乳動(dòng)物的遲鈍感官來說，幾乎是覺察不到的。但是，并非完全看不見！一些量子效應(yīng)明目張膽地隱藏在我們的視野中，比如來自火熱太陽的光線，來自遙遠(yuǎn)星星的閃爍。
在日常生活中，我們能體驗(yàn)到多少量子世界？關(guān)于世界的真實(shí)本質(zhì)，我們的感官能收集到什么樣的信息？事實(shí)上，量子現(xiàn)象就發(fā)生在我們的鼻子、眼睛、皮膚等感官里。
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當(dāng)你聞到桂花甜膩膩的香，或者花椒與魚頭那充滿煙火氣的香時(shí)，你的鼻子里到底發(fā)生了什么？對于鼻子，我們知之甚少，就連建造了世界上第一個(gè)核反應(yīng)堆的物理學(xué)家費(fèi)米，也曾經(jīng)在炒洋蔥時(shí)對朋友感嘆道，如果理解嗅覺是如何工作的，該是多么有趣啊。
暖洋洋的午后，有人貼心地為你煮了一杯咖啡，醇香的分子飄散在空氣中，你將這些分子吸入鼻孔，它們附著在鼻腔的粘液上，并嵌入嗅覺神經(jīng)元。嗅覺神經(jīng)元像水母的觸須一樣從大腦懸垂下來，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中唯一持續(xù)暴露在外界環(huán)境的部分。
我們知道，這些分子會(huì)與嗅覺神經(jīng)元表面400個(gè)不同受體中的某一些結(jié)合，但是，這種接觸如何產(chǎn)生我們的嗅覺呢？我們其實(shí)并不是很清楚。
對于氣味的工作原理，傳統(tǒng)的解釋似乎很簡單：受體會(huì)和具有特殊形狀的分子結(jié)合，就像只有正確的鑰匙才能打開一把鎖一樣。根據(jù)這個(gè)模型，從你的咖啡杯里逃逸出來的每一個(gè)分子，都與你鼻子里的一組特定受體恰好契合。分子與嗅覺神經(jīng)元上的受體結(jié)合，大腦接受到激活信號，并將之解釋為咖啡的氣味。也就是說，我們聞到了分子的形狀。
但是這個(gè)模型有一個(gè)根本問題：形狀和組成截然不同的分子，會(huì)產(chǎn)生同樣的氣味感覺。嗅覺中似乎還包括了比分子形狀更多的東西，但是是什么呢？
一種仍有爭議的觀點(diǎn)表明，嗅覺感知還與分子的振動(dòng)方式有關(guān)。根據(jù)不同結(jié)構(gòu)，所有分子都在不斷地以不同的速度振動(dòng)。我們的鼻子能夠以某種方式檢測到這些振動(dòng)頻率的差異嗎？
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，硫化合物具有獨(dú)特的氣味和特征分子振動(dòng)，而另一種含有硼的分子具有與之不同的形狀，但振動(dòng)頻率相同，令人驚奇的是，含有硼的分子也散發(fā)著硫磺味。在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家將一種麝香味香水中的一些氫分子替換成氘——氘是氫的同位素，含有額外的一個(gè)中子——結(jié)果發(fā)現(xiàn)，人們可以聞到其中的區(qū)別。氫和氘具有相同的形狀，但振動(dòng)頻率不同，這再次表明，我們的鼻子確實(shí)可以檢測到振動(dòng)。
嗅覺可以感知到分子振動(dòng)這一想法仍然有爭議，但如果確實(shí)如此，我們的鼻子是如何感知到分子的振動(dòng)呢？科學(xué)家推測，這可能涉及所謂的量子隧穿效應(yīng)。
在量子力學(xué)中，電子和所有其他粒子都具有波粒二象性——既是粒子，又是波。這有時(shí)會(huì)讓電子彌漫開來，以經(jīng)典物理學(xué)的規(guī)則禁止的方式穿越材料。氣味分子的振動(dòng)可能恰好提供了合適的能量，使電子從氣味受體的一個(gè)部分隧穿到另一個(gè)部分。對于不同分子，隧穿概率有所不同，從而觸發(fā)神經(jīng)脈沖，在大腦中產(chǎn)生對不同氣味的感知。
那么，隱藏在我們鼻子里的可能是一個(gè)精密的電子探測器。然而，我們的鼻子是如何進(jìn)化到懂得利用量子奇異性的呢？科學(xué)家認(rèn)為，我們或許只是將生命的智慧低估了幾個(gè)數(shù)量級，四十億年的自然進(jìn)化是一段很長的研發(fā)時(shí)間，因此，這也并非生命最令人驚奇的事情。
我們?nèi)绾慰匆姽猓?/strong>
你仍然在午后的陽光下，握著暖暖的咖啡杯，眨著眼睛，讓透過窗戶的光線進(jìn)入眼睛。這些光子經(jīng)歷了8分鐘多一點(diǎn)的時(shí)間，穿越了太陽和地球之間大約1.5億公里的距離，進(jìn)入你的眼睛。然而，這些光子的大部分旅程其實(shí)發(fā)生在太陽內(nèi)部，在此之前，它們已經(jīng)花費(fèi)了100萬年的時(shí)間才逃離了太陽，那時(shí)候，我們的非人類祖先剛開始使用火。
在太陽的核心，物質(zhì)非常致密，光子只能旅行一段無限短的時(shí)間，就會(huì)被氫離子吸收，然后，這個(gè)過程會(huì)發(fā)射一個(gè)光子，再次進(jìn)入這個(gè)不斷被迅速終止的旅程，直到時(shí)間盡頭。如果沒有量子隧穿效應(yīng)，太陽甚至永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)出這些光子。然而，經(jīng)過大約1021次這樣的相互作用，終于，一個(gè)光子在經(jīng)歷曲曲折折的漫長路徑后，從太陽表面出現(xiàn)。
太陽和所有其他恒星都是通過核聚變反應(yīng)而產(chǎn)生光：氫離子（質(zhì)子）碰撞在一起形成氦，這個(gè)過程會(huì)釋放能量，每秒鐘，太陽將大約400萬噸物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量。但是氫離子，也就是單個(gè)的質(zhì)子，攜帶正電荷，自然地互相排斥，它們怎么可能融合呢？
在量子隧穿中，質(zhì)子的波動(dòng)特性使它們可以略微重疊，就像池塘水面上的漣漪一樣，這種重疊使得質(zhì)子波足夠接近，因此，另一種僅在極短的距離內(nèi)有效、卻也更強(qiáng)的作用力——核力能夠克服質(zhì)子間的電斥力，最終，質(zhì)子聚變，并釋放出一個(gè)光子。
我們的眼睛已經(jīng)進(jìn)化到對這些光子非常敏感。最近的一些實(shí)驗(yàn)表明，我們的眼睛甚至可以探測到單個(gè)光子。這就提出了一種有趣的可能性：人類是否可以被用來測試量子力學(xué)的一些怪異特性？也就是說，一個(gè)人——就像光子、電子或薛定諤那只既死又活的倒霉貓一樣——能直接參與到量子世界嗎？這樣的經(jīng)歷會(huì)是怎樣的呢？
2016年，洛克菲勒大學(xué)的物理學(xué)家Alipasha Vaziri通過研究發(fā)現(xiàn)，人類確實(shí)可以看到單個(gè)光子，然而，視覺或許并不能準(zhǔn)確描述這種體驗(yàn)，看到單個(gè)光子和看到光并不一樣，這幾乎是一種近乎想象的感覺。
在不久的將來，科學(xué)家期待可以通過實(shí)驗(yàn)測試，當(dāng)光子進(jìn)入奇怪的量子狀態(tài)時(shí)，人們會(huì)感知到什么。例如，物理學(xué)家可以誘使單個(gè)光子進(jìn)入所謂的疊加態(tài)，即單個(gè)光子同時(shí)存在于兩個(gè)不同的位置。人們是否能夠直接感知到光子的疊加態(tài)呢？科學(xué)家提出了兩種實(shí)驗(yàn)情形：
一種情況下，光子會(huì)進(jìn)入一個(gè)人視網(wǎng)膜的左側(cè)或右側(cè)，這個(gè)人會(huì)注意到自己在視網(wǎng)膜的哪一側(cè)感覺到了光子。另一種情況下，光子會(huì)被置于量子疊加態(tài)，使其能夠完成看似不可能的任務(wù)：同時(shí)到達(dá)視網(wǎng)膜的左右兩側(cè)。
那么，這個(gè)人會(huì)在視網(wǎng)膜的兩側(cè)都感知到光嗎？或者像物理學(xué)家所說的那樣，光子與眼睛的相互作用會(huì)導(dǎo)致疊加態(tài)“坍縮”到其中一個(gè)位置嗎？如果是這樣，光子會(huì)像理論所預(yù)測的那樣，同樣頻繁地出現(xiàn)在視網(wǎng)膜的左右兩側(cè)嗎？
洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家Rebecca Holmes解釋說：“根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)，處于疊加態(tài)的光子看起來可能與隨機(jī)向左右兩側(cè)發(fā)射光子沒有任何區(qū)別?！?如果參與實(shí)驗(yàn)的人確實(shí)同時(shí)在兩個(gè)位置感知到了光子，這是否意味著這個(gè)人自己處于量子狀態(tài)？對此，她回答道：“你可以說觀察者在極短的時(shí)間內(nèi)處于量子疊加態(tài)，但沒有人嘗試過，所以我們真的不知道。這正是做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的充分理由?！?/span>
觸覺究竟是什么？
仍然回到那杯咖啡，咖啡杯讓人感覺很堅(jiān)實(shí)——一大塊固體物質(zhì)與手的皮膚緊密接觸。然而事實(shí)上，這不過是一種錯(cuò)覺：我們從來沒有真正接觸過任何東西，至少不是兩大塊固體物質(zhì)聚集在一起。原子中99.9999999999%以上的空間都是空的，幾乎所有的物質(zhì)都集中在原子核中。
當(dāng)你用手對杯子施加壓力時(shí)，那種表面上的堅(jiān)實(shí)感來自于杯子中電子的排斥力。電子本身沒有任何體積——它們只是攜帶一個(gè)負(fù)電荷的、瞬息跳躍的、零維的點(diǎn)，像云一樣圍繞著原子和分子。
量子力學(xué)定律將電子限制在原子和分子周圍的特定能級。當(dāng)你的手抓著杯子的時(shí)候，會(huì)逼迫電子從一個(gè)能級跳躍到另一個(gè)能級，而這個(gè)過程需要來自手部肌肉的能量，大腦會(huì)將此解釋為接觸固體物質(zhì)。
因此，我們的觸覺來自于我們身體分子周圍的電子和我們遇到的物體之間極其復(fù)雜的相互作用。從這些信息中，我們的大腦產(chǎn)生了這樣一種錯(cuò)覺——我們擁有堅(jiān)實(shí)的身體，并在一個(gè)充滿其他實(shí)體的世界中移動(dòng)。
進(jìn)化并非為了感知現(xiàn)實(shí)
觸覺并不能給我們一種準(zhǔn)確的現(xiàn)實(shí)感。也許，我們所有的感知都與現(xiàn)實(shí)不符。加州大學(xué)歐文分校的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家Donald Hoffman認(rèn)為，我們的感官和大腦不斷進(jìn)化，是為了隱藏現(xiàn)實(shí)的真實(shí)本質(zhì)，而不是為了揭示它。
Hoffman認(rèn)為，不管現(xiàn)實(shí)是什么，都太過復(fù)雜，需要大腦花費(fèi)太多時(shí)間和精力去處理。他將大腦構(gòu)建的世界比喻為電腦的圖形界面：屏幕上所有的彩色圖標(biāo)——垃圾桶、鼠標(biāo)指針、文件夾——與電腦內(nèi)部發(fā)生的事情毫無相似之處。這些圖標(biāo)是抽象、簡化的，讓我們能夠與復(fù)雜的電子設(shè)備互動(dòng)。
進(jìn)化以類似的方式塑造我們的大腦，它不會(huì)以任何形式逼真地再現(xiàn)世界。進(jìn)化并不利于精確感知的發(fā)展，而是獎(jiǎng)勵(lì)那些會(huì)提高生存能力的特征。對于自然來說，適應(yīng)環(huán)境優(yōu)先于感知現(xiàn)實(shí)。
因此，雖然一個(gè)生命體有可能構(gòu)建更精確的現(xiàn)實(shí)表象，但這種表象并不能增強(qiáng)其生存能力。在某種程度上，我們是進(jìn)化以適應(yīng)環(huán)境，而不是來感知現(xiàn)實(shí)。
Hoffman的觀點(diǎn)與一些物理學(xué)家所認(rèn)為的量子理論的核心信息一致：現(xiàn)實(shí)并非完全客觀的，我們不能把自己與我們觀察的世界分開。Hoffman完全贊同這種觀點(diǎn)：“空間只是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，物理對象本身也是我們動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)我看到那邊的山時(shí)，我創(chuàng)建了那個(gè)山的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。然后我把視線移開，就拋棄了那個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因?yàn)槲也辉傩枰?。?/span>
Hoffman的工作表明，我們還沒有掌握量子理論的全部意義，以及量子理論對現(xiàn)實(shí)本質(zhì)的解釋。
普朗克一生的大部分時(shí)間都在努力理解他幫助創(chuàng)建的量子理論，并且始終相信一個(gè)獨(dú)立于我們存在的客觀宇宙。他曾寫道自己為什么決定不顧導(dǎo)師的建議而投身物理學(xué)：
“外部世界是獨(dú)立于人的，是絕對的，對適用于絕對世界的規(guī)律的追求，在我看來，似乎是生命中最崇高的科學(xué)追求?！?/span>
也許再過一個(gè)世紀(jì)，再經(jīng)過一次革命，才能證明普朗克到底是對的，還是像他的老師那樣錯(cuò)得一塌糊涂。
參考鏈接：
http://discovermagazine.com/2018/nov/your-daily-dose-of-quantum?es_ad=122882&es_sh=9c625adbb2227d8a9fe6f4c50d342594
來源：原理
