極簡量子物理學|秒懂核心概念

2020-11-24 騰訊網

【短新聞背景回顧】

中國於2016年8月16日成功發射以「墨子號」命名的世界首顆量子科學實驗衛星。

《華爾街日報》:從戈壁沙漠發射上天的這枚火箭也將驅使中國站到科學界一個最具挑戰性領域的前沿。「研發量子衛星一直是各國競爭的熱點,現中國極有可能贏得這場防黑客通訊技術的競賽,顯示了投身並實現重大項目上的實力與雄心。」

維也納大學物理學家安東-蔡林格:這顆衛星把中國和量子力學推到了一項重大科技突破的邊緣。「長期看,它極可能取代我們當今的通訊技術。

《紐約時報》:傳統通信衛星使用無線電波信號,而量子通信衛星用的則是一種結晶體,會產生一對相互糾纏的光子。即便將其中一個傳輸到很遠之外,它們的屬性依然會糾纏在一起,因此可以通過控制這一屬性來發送信息。

量子加密在任何形式的計算機運算面前都是安全的,這是因為由量子顆粒傳遞的信息在被外界試圖截獲時就會同時被銷毀。因此「雙方能夠秘密交流」。

【極簡量子物理學】

量子物理學如此重要,不可迴避——因為量子通訊、量子加密、量子計算機等前沿應用,已經進入人們的生活了。中國在2018年6月,率先全世界,發射了一顆量子通訊實驗衛星——但是多數非專業人讀者認為量子學非常深奧抽象。

本文通過對幾個最基本概念的梳理,可以讓你瞬間秒懂!——至少在宏觀邏輯、或管理思維、哲學思維層面,可以開始用量子物理學來理解這個「新世界」、「新宇宙」了!

作者:Andrew Zimmerman Jones,物理學博士

量子物理學是研究物質和能量在分子、原子、核,甚至更小的微觀層面的行為。在20世紀初,人們發現管理宏觀物體的規律在如此小的領域中並不起作用。

量子是什麼意思?

「量子」來自拉丁語意為「多少」。它指的是由量子物理學預測和觀察的物質和能量的離散單位。

即使空間和時間看起來非常連續,也具有最小的可能值。——數學上的「連續」,指不存在最小值。

誰開發了量子力學?

隨著科學家們獲得更精確測量的技術,觀察到了奇怪的現象。量子物理學的誕生歸功於馬克斯普朗克1900年關於黑體輻射的論文。

該領域的發展由Max Planck-普朗克,Albert Einstein-愛因斯坦,Niels Bohr-玻爾,Werner Heisenberg-海森堡,Erwin Schroedinger-薛丁格和其他許多人完成。

具有諷刺意味的是,阿爾伯特愛因斯坦在量子力學方面存在嚴重的理論問題,多年來一直試圖反駁或修改它。

量子物理有什麼特別之處?

劃重點啦——

在量子物理領域,非常顛覆地,觀察事物實際上會影響正在發生的物理過程

光波就像粒子一樣,同時,粒子就像波浪一樣(稱為波粒二象性)

物質可以從一個點到另一個點,而不會穿過中間空間(稱為量子隧道)。信息即刻在很遠的距離內移動。——即,「量子穿越」。

事實上,在量子力學中,我們發現整個宇宙實際上是一系列概率。

幸運的是,它在處理大型物體時會崩塌,正如「薛丁格的貓」的思想實驗所證明的那樣——「崩塌」什麼意思?為什麼又是「幸運」的?——後文解釋。

什麼是量子糾纏?

其中一個關鍵概念是量子糾纏,它描述了一種情況,即多個粒子以這樣一種方式相關聯,即測量一個粒子的量子態也會對其他粒子的測量產生約束。這是EPR悖論的最好例證。雖然最初是一個思想實驗,但現在已經通過對貝爾定理的測試進行了實驗證實。

EPR是三個物理學家(愛因斯坦-波多爾斯基-羅森)的姓名首字母,他們要努力證明的就是因為量子力學存在悖論,所以量子力學是不完備的理論。但這一次,愛因斯坦錯了。

量子光學

量子光學是量子物理學的一個分支,主要關注光或光子的行為。

在量子光學水平上,與艾薩克·牛頓爵士開發的經典光學相反,單個光子的行為與輸出光有關。雷射是量子光學研究中的一種應用。

量子電動力學(QED)

量子電動力學(QED)是研究電子和光子如何相互作用的。它由Richard Feynman,Julian Schwinger,Sinitro Tomonage和其他人在20世紀40年代後期開發。

QED關於光子和電子散射的預測精確到十一個小數位。

統一場論

統一場論是一系列研究路徑,試圖通過鞏固物理學的基本概念,試圖將量子物理學與愛因斯坦的廣義相對論相協調——向大師致敬?。

不同科學家,提出了不同的統一理論(有一些重疊),如下:

量子引力

Quantum Gravity

弦理論/超弦理論/ M理論

String Theory / Superstring Theory / M-Theory

大統一理論

Grand Unified Theory

環量子引力

Loop Quantum Gravity

萬物理論

Theory of Everything

超對稱理論

Supersymmetry

與其說各種統一理論已經是科學,不如說統一理論還是哲學!——因為人類需要哲學,讓自己的內心脫離混亂糾結,歸於平靜。

【《顛覆認知的量子物理學》】

最後推薦一段視頻,《極簡量子物理學》課程結束!

視頻|顛覆認知的量子物理學

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    那麼量子力學最不好懂的是些什麼問題呢?我先把量子力學中人們最不好懂的東西介紹給大家,而最不好懂的東西最後恰好是證明了:意識不能被排除在客觀世界之外。一定要把意識加進去你才能夠認識搞懂它。 1、態疊加與坍縮 量子力學的第一個詭異現象叫做態疊加原理和坍縮。
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    當然還有劉慈欣的推薦,我是沒有看到具體推薦語,因此不能說明什麼,畢竟李淼之前出了《〈三體〉中的物理學》。李淼《〈三體〉中的物理學》我買這本書,是因為李淼自己的推薦,他在澎湃問吧上說:「不要老是妄自菲薄,覺得連外國的月亮都比中國的圓。我相信《給孩子講量子力學》就不比《七堂極簡物理課》差。」