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量子探索
05-02 23:17科學(xué)達(dá)人
宏觀離不開微觀，隨著研究的深入，我們總是可以找到物質(zhì)和能量的更小組成部分，那么在宇宙中，是否存在一個“最短”的單位，也就是宇宙中最小的基本組成部分呢？在經(jīng)典力學(xué)中，最小的概念或許并不存在，但是在量子物理中，確實存在一個最小的單位——“普朗克長度”
01
宇宙的極限
根據(jù)引力常數(shù)，光速和普朗克常數(shù)，科學(xué)家計算出了宇宙中最小的距離單位“普朗克長度”，從理論上來說，比這個單位更小的距離是不存在的，如果進(jìn)入到比這個數(shù)值還小的距離內(nèi)，一切物理常識就會失去意義。
我們熟知的量子，其實就是能量的最小組成部分，一束光線就是由無數(shù)1普朗克長度的光量子組成的，在達(dá)到這個距離單位后，我們常識中的經(jīng)典力學(xué)就不再適用，同時引力和時空的概念也不復(fù)存在。
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普朗克從年輕到年老的照片
普朗克長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原子核的長度，而在相對論中不可避免的會給宇宙大爆炸的模型中提供一個“零點”，也就是一切時空的開端，有人戲稱這個開端就是上帝的容身之所，但是量子力學(xué)給了我們另外一種可能性，既然距離單位存在最小的極限值，那么時間單位相對也存在一個最短的“普朗克時間”，普朗克時間見證和度量的宇宙大爆炸后的最短時間間隔——10的負(fù)43次方秒。
想要再縮短這個時間去探索宇宙的起點，是不可能的事情，因為超過這個極限，我們的各種理論都會失去作用，因此人類永遠(yuǎn)無法尋找到宇宙的起點，所謂的上帝也就無法存在。
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02
光，究竟是什么？
在宇宙中，一切的基本組成單元都有兩種狀態(tài)，“波”和“粒子”，1905年愛因斯坦提出的光電效應(yīng)中對光量子進(jìn)行了解釋，讓世人認(rèn)識到，光既可以是光波，也可以是粒子，而在1924年，德布羅意提出了物質(zhì)波理論，也就是我們熟知的波粒二象性，再次刷新了人類對光的認(rèn)知。
其實對于光線的研究，早在古希臘時代古代哲學(xué)家就有了相當(dāng)多的研究和理論，但是在隨后的數(shù)千年時間中，對于光的認(rèn)知并沒有越來越深入，只停留在表明和一些現(xiàn)象中，直到17世紀(jì)，針對光線才的兩種不同解釋開始產(chǎn)生了分歧，也就是“波動說”和“粒子說”，在《上帝不擲骰子》一書中，巧妙地把這一段爭端稱為“微波戰(zhàn)爭”。
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隨著研究的深入，我們發(fā)現(xiàn)宇宙并不是和我們想象的一樣，說一就是一，說二就是二，粒子和波的理論都不能完全描述一些粒子和量子的狀態(tài)，有時候從微觀上來看，這個例子確實存在，但是從宏觀上來看，這個粒子又具備波的特征。正是因為如此，想要了解量子力學(xué)，必須擺脫傳統(tǒng)觀念的束縛，擺脫經(jīng)典力學(xué)中機(jī)械宇宙的觀點，才能理解一切都不確定的量子宇宙。
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03
調(diào)皮的光子
在關(guān)于光的實驗中，“雙縫實驗”十分著名，這個實驗可以向我們證明光的兩種狀態(tài)確實是同時存在的，并且這個實驗也并不復(fù)雜，由一個可發(fā)射光或者電子的發(fā)射器，以及一個設(shè)置了兩個通道的木板，最后再加上一個可以顯示光線和電子痕跡的屏幕。
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在發(fā)射器發(fā)射不斷發(fā)射光子后，后面的屏幕會出現(xiàn)一些明顯的痕跡，在這些痕跡中我們可以明顯地看到，光子相互“干涉”后留下的波紋。當(dāng)然，連續(xù)不斷且數(shù)量不少的光子不斷通過兩個通道，是很難證明光的特性的。
1909年，一位科學(xué)家針對這個實驗做出了修改，保證在同樣的時間間隔中，只有一個光子被發(fā)射出來，在進(jìn)行比對后發(fā)現(xiàn)，即使只有一個光子被發(fā)射出來，屏幕上仍然有干涉條紋，也就是說這一個光子，同時通過了兩個通道，自己對自己產(chǎn)生了干涉。這個實驗很好的正面了光子的量子特性。
在隨后的研究中，電子也被證明存在同樣的特性，更加神奇的是，不僅僅是光子和電子，原子核分子也具備這樣的量子特性，難道宇宙的本質(zhì)真的是不確定性，一切都是非決定性的隨機(jī)事件嗎？
04
讓人“毛骨悚然”的雙縫實驗
隨著科學(xué)的發(fā)展，有科學(xué)家在這個實驗中增加了一個環(huán)節(jié)，防止幾個攝像頭，來觀察一個光子是如何從粒子轉(zhuǎn)變?yōu)椴ǖ男螒B(tài)，或許可以幫助我們更好的理解神奇的量子現(xiàn)象，但是在加入了攝像頭后，科學(xué)家驚人的發(fā)現(xiàn)，光子居然以粒子的狀態(tài)安安穩(wěn)穩(wěn)的通過了通道，沒有在屏幕上留下干涉條紋。
在多次實驗后科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，似乎只要人類主動觀察，這些光子的狀態(tài)就不會發(fā)生變化。在自然界中，大部分量子也有同樣的興致，如果不主動觀察，我們就無從知道量子的狀態(tài)，也就是說在沒有觀察者存在的情況下，量子的狀態(tài)是粒子和波這兩種狀態(tài)共存的，就像是薛定諤的貓一樣，如果沒有一個觀察者出現(xiàn)，我們永遠(yuǎn)無法知道這個貓是死還是活。
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但是一個觀察者出現(xiàn)后，這個量子的狀態(tài)就會被確認(rèn)，通常情況下也不會再發(fā)生變化，因此被觀察后的量子，就會發(fā)生“量子坍塌”，不確定性被觀察者變成了確定。在經(jīng)典力學(xué)中，觀察者并不會對任何現(xiàn)象造成影響，但是在量子力學(xué)中，觀察者的存在似乎對宇宙有著很大的影響。
這個答案確實會讓人感覺“毛骨悚然”，人類的主觀意識真的會對宇宙的發(fā)展和狀態(tài)產(chǎn)生影響嗎？這個觀點絲毫有些不唯物主義，但是又確實存在于我們的宇宙中，或許這些問題，只是人類現(xiàn)在的科學(xué)理論不夠完善，在未來人類會找到更加完善的理論來解釋這些神奇的現(xiàn)象。
