從「連續」到「離散」,「量子世界」與「宏觀世界」到底有何不同

2021-01-07 數學真美

我們處於一個多姿多彩的大千世界,人們對這個世界的描述總的來說可以分為兩種:一種是:這個世界的「時空」是「連續」的,另一種是:這個世界的「時空」是「不連續」的,即「離散」的。關於這兩個問題的深度思考,早已經從遙遠的古代就開始了。也正是這些深刻的思考,人類才走出了與野獸博鬥的原始大森林,在這顆蔚藍色的星球上創下了一個又一個輝煌燦爛的文明。那麼,「連續」和「離散」的概念為何如此重要呢?還得從遙遠的古代說起。

在遙遠的古希臘,畢達哥拉斯學派對「數」有著近乎瘋狂的崇拜,他們將「萬物皆數(指整數)」的思想作為學派的最高信仰。他認為整個宇宙是由「整數」來統治的,「整數」與「整數的比」足以描述整個宇宙。在那個遙遠而荒蕪的年代,畢達哥拉斯學派對人類文明的推動作用是無可替代的,他用「數」取代了「神」的地位,也是他第一次真正的讓「科學」擺脫了「神」的羈絆,使人類文明真正地走上了康莊的光明大道。但是由於時代的局限性,他帶領著他的學派走上了對「數」瘋狂崇拜的另一個極端。畢達哥拉斯學派最大的錯誤是認為「整數」是「連續的」,也就是說,他認為「整數集」能夠將直線上所有的點用完,任何兩個整數之間不存在其它的數。

但是隨著時間的推移,畢達哥拉斯的學生希帕索斯發現了一個重大的問題,等腰直角三角形的直角邊與其斜邊無法用「兩個整數」的比來表示。由於這個新發現的數「根號2」與之前的所謂「合理存在的數」——有理數在學派內部形成了對立,所以人們被認為是「沒有道理的數」,稱作「無理數」。希帕索斯的發現,觸犯了畢達哥拉斯學派的至高無上的信仰,最終被畢達哥拉斯派人投進了大海,處以「淹死」的懲罰。

無理數「根號2」的發現,就如平靜的湖面拋下了一顆巨石,掀起了千層浪,整個學界沸騰了。這時的人們才恍然大悟,「整數系」並不是「連續的」,每兩個「整數」之間,還存在著無數個類似於「根號2」的「無理數」。也就是說,任意兩個整數之間還存在著無數個「未知的數」。

這時候,人們開始深刻地思考,兩個整數之間的「間隔」,可以無窮地分割下去嗎?如果能,那麼,這些數所描述的宇宙中的「時間」和「空間」可以無窮地進行「分割」嗎?

公元前5世紀芝諾就這些疑問提出了著名的「芝諾悖論」,「芝諾悖論」的核心問題就是討論我們這個世界在「時間」和「空間」上是「無限可分的」還是「無限不可分」的。在接下來的兩千多年裡,無數偉大的學者都曾經深刻地思考過「芝諾悖論」,但是沒有人能夠給出令人信服的答案。大哲學家亞里斯多德曾經認為,如果時間是「無限不可分」的,那麼「每個時間點」就會對應「一個空間點」,那麼在「一個無限可分割的時間段」內,他就可以穿越「一個無限可分割的空間」。這句話說得實在是太玄了,在漫長的歲月裡,沒有人能明白他想表達的是什麼意思。時間靜靜地流淌著,人類的先行者們也在前僕後繼地等待著答案地揭曉。

歷史的車輪滾滾向前,轉眼來到了十七世紀,牛頓和萊布尼茨總結前人對「連續」問題的深刻探討,分別獨立地創造了「微積分」。「微積分」通過「極限」的方法定義「無窮小量」,然後將「無窮多的無窮小量」進行相加,在「第二次數學危機」之後,以「實數理論」為基礎,用數學語言構成了「連續」的世界。

「微積分」和嚴格的「分析學」以及以此為基礎的「牛頓經典理論」建立之後,近代人類文明輝煌的帷幕拉開了序幕,諸多的數學分支和大量的科技成果從各個領域呈井噴式增長。當時的科學家們都樂觀地認為,人類的近代科學理論的發展已經足夠完美,科學家們接下來所要做的事情就是對現有的理論進行修修補補,不會再有更大的作為。

然而,人們漸漸地發現,人們無法用當時已有的理論解釋「微觀世界」的很多現象,人們帶著大量的疑問來到20世紀。隨著「量子物理學」的發展,在一定程度上揭示了「世界的本質」。原本我們一直認為它們是連續的也就是「時間」、「空間」和「能量」,現在已經有大量的研究表明實際上它們都是「不連續」的。

1900年,物理學家普朗克發現,能量可以分為不可再分割的單位,並將其命名為「量子」。為了描述量子的體積,人們用「普朗克量子」來形容。這一發現標誌著量子力學的誕生。

在「量子力學」裡,人們發現「時間」和「空間」並不是「無限不可分」的,不可分割的最短的「普朗克長度」為10^-35米,而不可分割的最短的「普朗克時間」為10^-43秒。凡是小於「普朗克」這兩個「度量」的時間和空間,已經無法用現有的物理理論進行描述。

「量子力學」理論足以說明「時空」並不是「無限不可分的」,因而「芝諾悖論」中的阿基裡斯可以趕上烏龜,飛矢也可以穿越時空,達到目的地。

在今天的「量子力學」裡,人們發現了大量「微觀世界」裡的「不連續」現象,比如「能量」常常表現出「不連續」的「分離化性質」,還有其他「物理量」諸如「角動量」、「自旋」、「電荷」等也都表現出「不連續」的「量子化現象」,這些現象無法用牛頓力學為代表的「經典物理理論」去解釋。

「量子力學」所表現出來的「不連續現象」,人們曾經戲言類似於嶗山道士的「穿牆術」可以實現。因為按照「量子力學」的理論來說,組成人體和牆壁的量子與量子之間,存在著「遙遠」的距離,只要時機掌握得巧妙,就可以「穿牆」而出。這似乎像極了很久很久以前亞里斯多德的那句很玄乎的話:如果時間是「無限不可分」的,那麼「每個時間點」就會對應「一個空間點」,那麼在「一個無限可分割的時間段」內,他就可以穿越「一個無限可分的空間」。

當然,這只是一個笑談,畢竟亞里斯多德曾經有太多的論斷都被推翻。「量子力學」發展到今天,已經和「相對論」一起構成了為現代物理的兩大支柱,已經是非常嚴謹的學科。相信在不久的未來,能夠將宇宙的本來面目搞得清清楚楚,繼續推動著人類文明向前大步邁進,綻放出奪目的光芒。

相關焦點

  • 時空是連續並離散的,數百年來終於有人察覺,又有人要得諾貝爾獎
    廣義相對論告訴我們,引力是有質量物體附近被彎曲的時空造成的。簡單來說,物質告訴時空如何彎曲,時空告訴物質如何運動。通過使用廣義相對論,我們可以很輕鬆地解決牛頓引力無法解決的水星進動問題。連續或離散但廣義相對論並不是唯一解釋時空的理論,我們還有量子力學以及它的繼承者量子場論。在量子世界裡,一切微觀的東西都是由隨機決定的。粒子可以在一瞬間出現和消失。能量場可以用它們自己的意志擺動和振動。沒有什麼是可以確定的。
  • 關於量子世界的十大真理
    人們從發現主宰電、磁和光線的宏觀經典物理定律在微小的亞原子尺度不再適用以來,一個全新的世界圖像正在被人們慢慢接受。量子世界的圖像比絕大多數人,即使是那些專家認為的都要更豐富、更包羅萬象。所以在這裡我們將為你列舉量子力學本質的十個事實。可能會讓你重新審視你對我們這個世界的最小尺度的看法。1.一切都是量子。
  • 我們到底生活在量子世界還是宏觀世界?你知道答案嗎?
    長期以來,科學家對量子和宏觀世界持以不同的態度,但是還有科學家試圖將它們銜接在一起,但是這相當困難!實際上量子力學真的很讓人困惑,我們所熟知的所有物理定律都在量子領域中被打破了。比如說,把一個粒子放在盒子裡。根據經典物理學,那個粒子應該永遠呆在那個盒子裡。
  • 宏觀世界內或早已註定,外觀世界又是不確定性,那世界如何定義?
    量子力學的運動軌跡量子力學的出現讓眾多科學家比較困擾,沒有一個人能用理論能定義量子力學,在量子力學中的,粒子它們的位置是無時無刻在變化的,因為有種種不確定的因素,所以只能用函數的方式把它記錄在了方程式當中。雖然現在無法定義量子力學,正是因為有了它才更好了解到原子,如果沒有發現量子力學,或許人類科技要倒退100年之久。
  • 我們只是隨口就說量子,你知道什麼是量子嗎?
    量子是現代物理學的重要概念。最早是由德國物理學家M·普朗克在1900年提出的。量子一詞來自拉丁語quantus,意為「有多少」,代表「相當數量的某物質」。量子是數學概念,用來描述光子、質子、中子、電子、介子等基本粒子的能量特性。
  • 宇宙空間組成是離散的還是連續的?
    如果是這樣的話,我們對連續宇宙的概念只會是一種幻想。相反,粒子可能會從一個離散的位置跳到另一個位置,也可能是在離散的時間段內。光速將是發生這些跳躍的宇宙速度極限:在給定的時間內,我們運動的速度不能超過一個單位的空間。它們似乎沒有在空間和時間上,自由地從一個位置和一個時刻流向另一個位置,而是僅僅在我們能夠感知的巨大的,多次跳躍的尺度上運動。
  • 宏觀世界是各種確定性,微觀世界卻是隨機性,如何定義這一切?
    雖然現在無法定義量子力學,正是因為有了它才更好了解到原子,如果沒有發現量子力學,或許人類科技要倒退100年之久。這樣我們可能用宏觀的世界進行了解,如果我們用微觀世界對它進行解釋,那麼它們一定是沒有規律的在運動。
  • 宇宙的真相,量子理論的本質,物質世界是不連續的,你在瞬間移動
    這個問題觸及了量子理論的本質。這個悖論已經爭論了很多年,也有很多人聲稱已經有了解決方法,認為用積分收斂等數學方法可以解決這個問題,但是這只能解決在什麼時候追上的問題,在無限細分的空間中,兔子是怎麼追上烏龜的,並沒有解決。在這裡先不做過多的爭論,大家現在只要記住有這麼一件奇怪的事情就可以了。
  • 量子物理學是否能解釋這個世界是現實還是虛擬
    2011年,美國的基本問題研究所(Foundational Questions Institute)舉辦的第三屆短文徵文大賽,向物理學家和哲學家提出了以下問題,「物理世界是數位化的還是模擬化的?」大賽組織者原本期待結果會偏向數字一方,因為畢竟量子物理中「量子」一詞本身就意味著「離散」,也即「數位化」。但是,最終很多作者都堅持世界是模擬的,其中就有戴維·唐。
  • 走進神秘的量子世界
    來源:經濟日報日前,中共中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習。量子科技成為輿論關注的熱點話題。這一引發廣泛熱議的新晉「網紅」究竟是「何方神聖」,為何會受到全世界高度關注,在現實生活中又有何應用前景?經濟日報記者帶您一起走近量子科技。認識量子科技先要從量子說起。量子是什麼?
  • 在量子的世界裡,到底是能穿越時空,還是能進入平行世界?
    在量子的世界裡,到底是能穿越時空,還是能進入平行世界?在過去我們老是猜想,量子世界是微觀的一個極致,它是把我們宏觀世界無限放大化的一個結果,那麼理論上在那個世界,應該能夠看到時間和空間的交接縫隙。根據鏡面光滑原理,無論是多麼光滑的物體,哪怕是空間,當它放大到無數倍之後,也就是說進入到量子空間,我們就會發現它那由無數時間和空間編織起來的構造。
  • 微觀相干量子退相干,宏觀相見相識再分別,兩個世界邊界在哪裡?
    有一定科技基礎的小夥伴們一起來思考,薛丁格的貓是量子糾纏的很形象的假設,既相關又不相干,在微觀世界兩個相干量子無視距離可以相互影響,在宏觀世界,一顆長滿瓜子隨著太陽轉動的向日葵,瓜子落地後不再做一樣的動作,長成兩顆獨立的向日葵。
  • 擴展到連續體上?如何計算量子粒子的動力學?
    精確計算許多相互作用的量子粒子動力學是一項艱巨任務。然而,對於這樣的系統,有一種很有前途的計算方法:張量網絡,目前正在馬克斯普朗克量子光學研究所的理論部門進行研究。張量網絡的初始焦點是限制在晶格中的量子粒子,就像它們出現在晶體中一樣,或者出現在未來量子計算機的量子寄存器中。
  • 都說「遇事不決量子學」 量子到底是個啥?
    谷歌方還對此稱「這意味著首個只能由量子計算機完成的工作已經出現並完成」,將之譽為「邁向全面量子計算的裡程碑」,並使用了「谷歌獲得量子霸權」的字眼,引發廣泛轟動。但正在人們紛紛爭論谷歌是否真的獲得「量子霸權」,以及「量子霸權」究竟有何實際意義之際,這篇「吹皺一池春水」的「量子霸權」論文居然神秘消失。
  • 量子糾纏是一種什麼樣的形態,量子糾纏和宏觀宇宙到底有什麼聯繫
    不要說龐大無邊界的宇宙,就算是微觀世界,實際上人類也沒有研究透徹,甚至可以說微觀世界更加神秘,遠比宇宙要更難以研究,量子糾纏就是在這樣的背景下,出現在我們面前。大家生活的絲帶充斥著雷射技術、生物科學、網際網路、雲科技等,一系列的新鮮名詞。
  • 量子世界與現實世界有什麼不同?科學家:在量子世界時間可能倒流
    關於量子世界,存在許多說法,以至於是否真實存在量子世界現在還得不到一個確切的答案。在2018年的好萊塢作品《蟻人2》中,就曾出現了量子空間,當然這只是一種影視劇的表演形式罷了,至於真實的量子世界,現在還沒有一種完美可以表達的視頻作品。
  • 微觀世界和宏觀世界有啥不同?看完才知道真相
    上一期我簡單談到了微觀世界的一些特性,其中介紹了微觀粒子具有的一個運動狀態「疊加態」,今天我將進一步講解微觀和宏觀世界到底有啥不同。第一個不同在於:可預測性。但是微觀世界則不是這樣,因為你壓根無法獲取到初始參數,微觀世界有很多物理量是相互矛盾
  • 微觀的盡頭是宏觀嗎?一口氣讀懂微觀世界和宏觀世界的差別
    除此之外,在量子力學中還存在更多顛覆傳統物理知識的定律,從根本上上來看,在量子力學中,宇宙是不確定的,一切都需要看概率,任何事情都有可能發生,但是在相對論中,宇宙就像是一個絕對精準的機械鐘錶,每一秒過去後,下一秒的事實就已經被決定了。
  • 遇事不決量子力學,量子究竟是什麼?一文搞懂,拒絕被坑
    這個世界並沒有像數學中描述的那樣,具有無限小、無限可分的概念。事物只能分成有限個部分,並且存在最小的單元,這個世界不是連續的。一堵看似密不透風的牆,實際上是有許許多多的微粒構成的,並且存在一些很小的不可分割的基本粒子。
  • 量子比特:一隻又死又活、不死不活的薛丁格貓
    因為量子力學告訴我們「存在」這一理解世界的根本概念,並不是像我們想像的那麼簡單。我們知道物理的研究對象是世界上各種各樣的存在。到底什麼是「存在」?我們每個人都覺得自己知道這個簡單的概念。但我們頭腦中固有的這個「存在」的觀念,其實是一個經典觀念。這個經典存在觀念,是在我們對宏觀世界的觀測中總結抽象出來的。但是,在研究觀測微觀世界時,我們發現這個經典的存在觀念,和微觀世界的實驗觀察完全不吻合。