萬物皆為疊加態粒子：如何用量子物理學詮釋生活？

2020-09-09 讀芯術

全文共2070字，預計學習時長6分鐘


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幾天前，我和朋友通了個電話，他一直在談論他暗戀的女孩艾米。事情是這樣的：卡爾一直猶豫著要不要聯繫艾米，因為他不確定她對他有沒有感覺，又很害怕回復不如願。


在此之前他已經糾結很久了，每一次我都試圖說服他給艾米發簡訊，但都失敗了。所以這一次，我試著用另一種方式來解釋：「你還不明白嗎？現在，她對你的感覺是疊加的。一旦你試探了她的意向，結果就只能二選一。但你得謹慎，你的觀察最終會影響結果。」


他一個字也沒聽懂。於是，我試著解釋得通俗一點：艾米對他的感情很複雜，要得到明確答覆他們需要見一面，而他的表現會影響結果。但若不付出行動，他就只能坐著干著急，還可能錯失良機。


我還是沒能說服他。如果他對疊加之類的知識有所了解，就會明白我的意思。


我不是物理學家，也不是什麼科學家，只是一個量子物理學狂熱愛好者，量子物理學就是我寫作靈感的主要來源。


自從一腳踏入令人著迷的科學世界，我就開始用所學宇宙法則來解釋周圍的一切，其中一個法則與粒子的疊加有關。思考得越多，就越發現生活中應用這一概念的地方越多。首先我們聊聊，什麼是量子疊加？


到底什麼是量子疊加？


量子疊加描述了粒子觀測前的狀態。它意味著一個粒子可以同時處於所有可能的狀態，但會在科學家觀測後立刻塌縮，並選擇一種狀態呈現。更匪夷所思的是，一旦別人再次觀測，該粒子處於任何一種狀態的概率都是相同的，之前的觀測並不會得到一個恆定狀態。


舉個例子，假設你拋硬幣，在看到之前，你永遠不知道它是正還是反。而你每次把它扔出去，它得到正反的概率是相同的。粒子也是如此，唯一的區別是：就算你不看硬幣，你仍然能確信它非正即反。而當一個粒子沒有進行觀測時，它會同時處於所有狀態。這是如何得知的？答案盡在數學中。如果不把粒子描述成同時處於兩種狀態，計算就無法累加。


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微觀如何影響宏觀


曾經有一段時間，科學家決定不再關注該發現。他們認為既然這種令人毛骨悚然的情況只與量子有關，與別的互不相聯，那麼只要放大尺寸，萬事萬物就依然有規律可循（即經典物理學）。


然後，埃爾文·薛丁格帶著他盒子裡的貓出現了。事實上，量子物理學史上最著名的思維實驗就出現在他完全離開該領域後的告別信中，旨在論證微觀世界是如何切實影響了宏觀世界。


在該思維實驗中，薛丁格想像了一隻貓關在盒子裡，盒子裡有一瓶與量子系統有關的毒藥，其衰變與否取決於原子選擇的狀態。如果衰變了，那瓶毒藥就會被打開，貓就會死去；如果沒有，毒藥原封不動，貓會活下來。


但是，要讓原子選定一種狀態，必須先對其進行觀測，在這種情況下，就必須打開盒子。而在那之前，該原子處於一種疊加狀態——既衰變又不衰變，也就是這隻貓既死又活。就像本文開頭講到的艾米對我朋友卡爾的感情一樣。


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時至今日，量子物理學的相關性已不需要用這個實驗證明。它與我們息息相關，我們的智慧型手機、筆記本電腦、甚至烤麵包機都是靠它才能正常運行。不止如此，我還相信所有互相之間形成和保持的關係都遵循了在粒子行為及與它們的交互中發現的規律。如果「活死貓」還不夠刺激的話，從現在開始，重頭戲要來了。

觀察者效應


前文提到，觀測並不會讓粒子保持一個恆定狀態。如果不同的科學家來觀測同一粒子，他們很可能發現截然不同的結果。科學家們因此提出了一個叫觀察者效應的概念。它意味著觀察者成為實驗的一部分，也應將其視為實驗因素。


量子物理學的創始人之一尼爾斯·波爾（Niels Bohr）有一句名言：我們基於[觀測]結果所作的預測取決於我們提出實驗問題的方式，而在這裡，觀察者有選擇的自由……如果不參照觀察者或觀察手段，就不能做出預測。


再說回我朋友


當我第一次把這些瘋狂的概念應用到日常生活中時，它聽起來有點令人毛骨悚然。但隨後，事情變得顯而易見。


想像一下，我的朋友卡爾是一個觀察者，而他暗戀的艾米是一個粒子。她對他的感情很複雜，甚至可能弄不清自己的感受。這來自另一個更理論化的概念，認為世界無論如何都是不確定的，它在觀測發生的那一刻才決定接下來會發生什麼。


一旦卡爾接觸到艾米，他或多或少能辨別出艾米的感覺。同時，他的信念，比如在她面前該如何表現（他是害羞、茫然還是胸有成竹？）將影響艾米是否會喜歡他。


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這個物理定律讓我們再一次認識到行動的重要性，我們會更慎重看待行為造成的結果，但同時也不再懼怕打開那個「裝著貓的盒子」。

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