03.07 什么是量子叠加态?

GavinYs


现代物理学最先研究的就是我们最熟悉也最陌生的物质——光。

  自从科学家发现世间万物皆是由最微小的例子所构成之后,人们便尝试破解,光这种物质究竟是由什么所构成的?

  于是就有科学家猜想,如果把光这种物质,不停的放大切割,直到它再也不能切割为止,这时人们得到的就是构成光这种物质的最小粒子。科学家把它叫做光子。

  光子的概念被提出之后,科学家就想去破解光子究竟是怎样的一种存在?

  通过阴影效应和其它一些自然现象,人们观察发现,光是一种波。于是人们自然而然地认为光子也应该是一种波。

  直到伟大科学家爱因斯坦。解释了光电效应之后,人们发现光子这种波竟然也具有粒子特性。

  在科学家们的传统认知里,在客观自然界之中。波和粒子是完全不同的两种形态,是无法共存的。可光子既是波也是粒子,这就让人们陷入了巨大的认知矛盾之中。

  于是物理科学家们就开始争论,光子究竟是波还是粒子?于是就有了双缝干涉实验。

  有兴趣的朋友可以去网上搜索一下,双缝干涉实验的具体内容。

  为了有些比较懒的朋友,理解起来方便,我还是用我的语言,简单通俗的讲解一下,双缝干涉实验究竟是怎么回事?

  科学家用一把光子机枪,将单个的光子向一个方向不停地发射,使其穿过两道极其细小的缝隙,然后在一块屏幕上呈现出我们可以观测的影像。

  如果影像是多道斑马状条纹,则证明光子在穿过两道缝隙之时,发生了干涉效应,就可以证明光子是一种波。

  反之影像上则会呈现两道杠,那么就证明光子没有发生干涉效应,也就是说光子是一种粒子。

  估计大家没听懂,不过没关系。大家只需要知道,双缝干涉实验,让物理学家们更加困惑,是因为这个实验过程里,有三个他们用传统知识无法解释的怪异现象。

  我们知道光子机枪发射出来的是单个的光子,而它面前的却有两道缝隙。按照人们的传统理解,这颗光子要么从左边那道缝隙通过,要么就会从右边那道缝隙通过。

  可实验结果却证明,光子是同时从两道缝隙通过。因为光子在通过这两道缝隙之后,发生了干涉效应,在屏幕上呈现多道斑马状条纹,这证明光子是一种波。因为只有波的形态,才能使一颗光子同时通过两道缝隙。

  可是当科学家们在两道缝隙前面,架上高速探测机,想要捕捉光子穿过两道缝隙时的,具体情况的时候,却诡异的发现,光子是以单一粒子的形态,通过了单一缝隙。这是因为屏幕影像上显示的是两道杠,这表示光子是以粒子形态穿过的单一缝隙。

  这个现象可以简单理解为,人们不去观察的时候,光子是以波的形态存在,而当人们想要去观察的时候,光子则表现为粒子形态。

  随着科学技术的进步,科学家们发现在微观领域。不仅仅是光子,其它所有的微小粒子,例如电子、原子、质子,甚至一些大分子,它们都呈现光子这种既是波也是粒子的非常规形态。

  物理学家们把这类微观粒子统称为量子。在这些微观粒子身上,所呈现的不符合常规物理知识的现象,可以归纳总结为一门学问,这就是量子力学。

  爱因斯坦总结归纳了双缝干涉实验和其他一些科学家的研究成果,提出了“波粒二象性”:

  “光是波也是粒子。光在传输的过程中,表现形态是波。当人们观察时,表现形态为粒子。”

  波粒二象性描述了发生在光子身上的两个难以解释的奇怪现象。科学家们进一步在其他量子身上做实验,发现波粒二象性虽然难以理解不可想象,但却是真实存在的,也就是这个归纳出来的假说是正确的。

  波粒二象性进一步推演,人们最终确定了量子领域的两条基本原理。

  量子力学第一原理:微观量子既是波也是粒子。它的专业名称叫做“叠加态”。

  量子力学第二原理:当你不去观察时,微观量子呈现叠加态。当你观察时,微观量子呈现确定态。通俗点讲就是,你不去观察时,量子即是波也是粒子。当你观察时,量子就会呈现,要么是波,要么是粒子的确定形态。它的专业名称叫做“不确定性”,也叫做“观察者原理”。

  量子力学的这两条原理,有些烧脑。无法抛弃客观世界物理规律的人,难以理解。

  下面我为大家打个比方,将微观量子领域的这两条基本原理,形象的带入我们所熟悉的客观物理世界,你就会发现这两条原理,有多么神奇和不可思议。

  请大家在脑中构建这么一副场景(魔方实验):

  假设有一个生产魔方的玩具厂,他们只生产两种形状的魔方。一种是方形魔方,另外一种是圆形魔方。

  突然有一天,玩具厂的工人将他们工厂生产的一个魔方,放到了你手里,告诉你说,你手里这个魔方,它既是方形的也是圆形的。

  现在你一定认为这个工人在胡说八道,因为你知道他们工厂生产的魔方只有两种形状,要么是方形,要么是圆形。

  正当你准备喝骂对方撒谎之时,你抚摸这个魔方的手掌,所传回来的触觉告诉你,这个工人没撒谎,你手里的这个魔方竟然真的既是方形也是圆型。

  这让你感觉到不可思议?这种既是方形也是圆形的感觉到底是怎么来的?

  于是你翻阅了各种资料,做了各种验证,证明这个魔方的确是这家工厂生产的。

  可是你知道这家工厂生产的魔方只有两种形状,不是方形就是圆形。可是为什么你手里的这个魔方,给你的感觉,它即是方形又是圆形呢?

  接下来你想了三天三夜,终于想明白错在哪里了?

  产生这种疑惑的根源就是你对这家工厂的认识完全错了。这家工厂生产的魔方,不是你认为的方形或者圆形,而是方形和圆形中间的一种状态,或者说是方形和圆形融合之后的一种状态。你给这种状态起了个名字,叫做“叠加态”!

  这种叠加状态就会让你产生即是方形也是圆形的感觉。

  这个实验进行到这里,你会感觉自己被骗了。于是你就疯狂的冲到那家工厂里面,亲手抚摸每一个魔方。然后你发现他们生产的每一个魔方,形状都是这种叠加态。

  现在我告诉你,你手里的这个魔方和工厂生产的所有魔方,它们就是量子也就是微观粒子,那家玩具厂就是造物主。

  造物主制造的量子或者说微观粒子就是这种叠加态形状。具体到光子来说,既是波也是粒子。

  这就是量子力学里面最经典的第一原理,叠加态原理。

  


量子空间与宏观宇宙


这你就需要了解一下量子的波粒二象性。即量子既呈现波的特性(衍射等)又呈现粒子的特性。在不被观察的情况下,他的情况是不确定的,两种可能叠加在一起。这里介绍一下,量子力学的人为干涉学说:在衍射实验中,量子会呈现波性,形成衍射条纹,但人为观察时,便塌缩成一个可能,呈现粒子的状态。薛定谔的猫是,薛定谔为了反驳波尔一派当初提出人的意志对物理现象的会产生影响的假说而做的假设实验,但却成了一个历史难题。原意大致如下:在一个密闭空间里,一个可能衰变的物质A固定一个毒气瓶,里面还有一只猫,当物质A发生了衰变,毒气瓶就会摔破,猫被毒死,物质A不衰变,毒气瓶就不会摔破,猫就会活着。当没有人的意志得干涉,物质A就会存着既衰变了又没衰变的现象,猫就会呈现既活着又死了的状态。

量子力学研究多了,像是研究神学和哲学。


小邓_摩羯


我认为叠加性是一个数学上的概念,叠加性的本质是事物随机性变化的数学描述。

薛定谔的猫是诸多量子困惑中有代表性的一个。一只猫被封在一个密室里,密室里有食物有毒药。毒药瓶上有一个锤子,锤子由一个电子开关控制,电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变,则放出阿尔法粒子,触动电子开关,锤子落下,砸碎毒药瓶,释放出里面的氰化物气体,猫必死无疑。原子核的衰变是随机事件,物理学家所能精确知道的只是半衰期——衰变一半所需要的时间。如果一种放射性元素的半衰期是一天,则过一天,该元素就少了一半,再过一天,就少了剩下的一半。物理学家却无法知道,它在什么时候衰变,上午,还是下午。当然,物理学家知道它在上午或下午衰变的几率——也就是猫在上午或者下午死亡的几率。如果我们不揭开密室的盖子,根据我们在日常生活中的经验,可以认定,猫或者死,或者活。这是它的两种本征态。

如果我们用薛定谔方程来描述薛定谔猫,则只能说,它处于一种活与不活的叠加态。我们只有在揭开盖子的一瞬间,才能确切地知道猫是死是活。此时,猫构成的波函数由叠加态立即收缩到某一个本征态。量子理论认为:如果没有揭开盖子,进行观察,我们永远也不知道猫是死是活,它将永远处于半死不活的叠加态,可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理,客观规律不以人的意志为转移,猫既活又死违背了逻辑思维。

首先需要明确一点,薛定谔的猫是一个思想实验,是通过建立一个宏观事物来表达微观属性。我认为这个思想实验建立的挺好,明确的表达了量子的随机性特征。之所以不进行观察我们就永远也不知道猫是死是活,是因为触发电子开关的是由放射性原子控制,这个放射性原子衰变精准时间点是随机的,我们只能知道他衰变时间的几率。

我在之前的文章中也提到,微观粒子是弦,弦的基本单元是“量子比特”,量子比特其实是一种真空中的涡旋。量子比特的自旋方向是随机的。真空类比为超流体(有一个理论叫超流体真空论),真空涡旋自旋方向的随机性是因为真空内能量的不平均性决定的,并不是安静的状态。这种随机性是自然属性,想想一颗羽毛下落为什么总是随机旋转着降落就明白了。

量子比特是一种真空涡旋,随机性是本质,不是观测造成的,量子比特的自旋方向用数学来描述也就只能用叠加性描述。真空涡旋只不过也只是真空中能量的不平均性造成,因为流体就是有这种特性,这和宏观世界中投硬币的概率都不是一个概念。但是微观世界的随机性的综合效应,在到一定尺度后就表现为亚宏观和宏观上的因果性。这个有点类似热分子运动,宏观上就可以表现出热力学综合效应。

当然,如果再深入到更微观的世界,或许真空本身还有它们的组成机制。随机本质的综合效应成就了因果律,而因果律的综合作用也会造成随机性。

在头条问答中看到一个“不确定性原理”能否被视为量子力学中一条不可证伪的基本公理的问题。这里有必要做个回答。

我在之前的文章《从老子、牛顿、爱因斯坦看人类历史上三个极伟大经验认知的发现》中已经提出过,公理性理论有两种,经验公理化理论和观念公理化理论。无论宗教、哲学还是科学,伟大的思想都是公理化思想,观念公理化理论具有约束人和人的群体性作用,而经验公理化理论具有约束人以及与人直接关联的自然。就思想认知本身而已,驱使相关系统熵减的量值越大,其思想越伟大。经验公理化理论明显具有更强大的熵减能力。

特别说明的是,经验公理化理论也只是思想,它起作用的是其中的经验,包括作为公理的原经验和理论输出的加工放大后的经验。而观念公理化理论输出的是观念。这个意义上说,人类可以制造思考出无数个公理化理论,无论是观念公理化理论还是经验公理化理论,理论是一种发明。而经验是一种发现,经验的,是唯一的,这是从生命认知角度看的。

不可证伪性,很多人错误的理解一个理论是可以被证明是错误的。可证伪性,只需要在逻辑上有可能存在一个假设,使得理论不可验证。日本的小泽正直提出“小泽不等式”,认为测不准有缺陷,他们对中子自旋倾向相关的两个值进行测量,成功测出超过所谓“极限”的两个值的精度,使得小泽不等式成立,同时也证明了测不准原理与小泽不等式的矛盾。这项成果发表在《自然-物理》期刊中。由此可见,可证伪性是检验一个理论是否是科学的理论的金钥匙,一点没错。

科学是由经验为基础建立的,追逐本源只会陷入观念的迷茫之中。人的认知,根本上是由动物的应激性演化而来,即只有经验的,才是唯一可以检验可靠性的方法。不可检验的观念认知,如果不能输出为经验,就只能是观念中的产物,这个产物只能约束人和人类群体(比如宗教),不能约束与人直接关联的自然。


我认为叠加性是一个数学上的概念,叠加性的本质是事物随机性变化的数学描述。


我们先从一个最基本的量子比特自旋方向的随机性来分析,量子比特一般用Bloch球来表示,如图:

图中绿矢和蓝矢,分别表示经典计算中所用的0和1两种状态。右边量子比特示意图中的红矢,表示量子世界中一个一般的叠加态,这些所有叠加态的端点,组成一个半径为1的单位球面,称之为Bloch球面。经典比特中的0和1也被包含在这个球面中。

量子比特自旋的方向是随机的,其随机性描述方法就是通过固定的两种本征态不同的几率的叠加来描述。叠加态就是有几种本征态叠加在一起的粒子状态。

用数学上的方法,如果ψ1是体系的一个本征态,对应的本征值为A1,ψ2也是体系的一个本征态,对应的本征值为A2,根据薛定谔方程的线性关系,ψ=C1ψ1+C2ψ2也是体系一个可能的存在状态。

从这里就可以看出了,叠加性是物理意义,其实就是随机性的数学描述,而之所以产生这种方法的描述,是因为人们习惯用古定的参照物的思维。再次说明了,所谓的叠加性本质是随机性,叠加性本身这个概念是思维中的存在,是数学上的。

再看看四维时空,空间三维,再加一个时间一维,组成了四维时空。

将一块石头扔进水塘,水表面的涟漪向四周散开,并且涟漪以圆周的形式越变越大,这个二维的池塘水面加上一维的时间,扩大的水圈与时间就能画出一个圆锥,顶点是石头击中到水面的地方和时间。类似地,从一个事件出发的光在四维的空间-时间里形成了一个三维的圆锥,这个圆锥称为事件的过去光锥。

无论是三维空间还是四维时空,都是先建立一个固定参照系的方法,如同上面说的叠加性,方法是一样的。在纯数学中,一个n(n可以为非整数)个数的序列可以被理解 为一个n维空间中的位置。当n=4时,所有这样的位置的集合就叫做四维空间。人们还可以构建非整数维的空间,即分形的空间。或许以后还会构建复数空间和负数空间,这都只是思维上的,目的只有一个,就是用固定参照来描述事物的运动。

笛卡尔是这个思路的集成创始人,据说解析几何就是他看到天花板上的飞虫后想到的,定位飞虫,一个很好的方法就是先构建一个固定的坐标参照背景,每个坐标都可以用数学描述,笛卡尔定位飞虫的坐标是数字,后来的叠加性是概率。

从上面的分析看,所谓的N维时空,还有叠加性,就是纯思维中产物,是思维中的存在。很多人,包括理论创始人,也自然的把思维中的产物当作真实存在,并且解释给大众,也就造成几乎所有人都不知道到底这些概念通过逻辑组合起来以后的真实的物理意义。

我们需要明确真实的物理意义,而不是追求思维存在。存在的真正含义在于思维工具的输出,而不是思维工具内部的零件,即这些概念。数学,本质是一种思维工具,是观念的产物,这种具有自进化功能的工具即包含了观念性质的零部件,也包含了具备通过加工后输出原始经验的能力,但关键是零部件本身还仅仅是观念的,是思维中的。

叠加性是一个数学上的概念,叠加性的本质是事物随机性变化的数学描述。


探索猫


stemmer原创新观点:量子叠加态的本质:单一量子为多重几率波的态叠加。


首先,基本量子为几率波,不是理想波。


其次,基本量子,单一复合量子都不止一个几率波,而是两个或多个几率波的态叠加,其中,位置与动量,质量与时间分别为共轭态叠加,共轭态几率的积大于等于量化普朗克常数。


最后,在分子尺度以上,态叠加在强力、弱力、电磁力及引力效应共同作用下,被屏蔽在微观尺度下,不在宏观观测上体现。


推论:无论测与不测,月亮就在那个地方。电子、质子、中子、光子、中微子等等均测不准,服从测不准原理,服从不确定性原理。



stemmer


从字面看“量子”无非就是有质量的微子。它的运动方式,子之间的引与排,是螺旋有规则的方向运转,形成微力分,重者为光,轻者为、气,至于什么加钛,只是他们叫的名字,以上理论,已经在里边了。


分享到:


相關文章: