為什麼物理學家費曼說,世界上沒有人懂得量子力學?

2020-12-03 想法捕手

因為我們至今都只能描述其現象,而無法了解其機制。連事物的成因都不明白,能說懂嗎?而量子就是這麼一群,我們還無法確定具體成因的事物,這就是費曼的原意。

首先,沒人懂量子。

雖然1900年普朗克就提出了量子的概念,即一份一份傳遞的能量。但這樣的描述僅僅是給量子的概念開了個頭。隨後1905年,愛因斯坦對光電效應做出了光量子(光子)的解釋,開始了定性描述粒子與波的統一解釋,而直到1916年,愛因斯坦才通過數學公式(p=mc=h/λ)明確建立了光子的定量分析,最後發展為量子的「波粒二象性」。

光子,作為量子的一個典型代表。就連發現它的愛因斯坦都明確表示,從未搞明白光子到底是什麼。「波粒二象性」對於物理學家來說,更像一個拼湊的名詞,實際上什麼都沒解釋。

正因為如此,隨後發展出來的量子力學也就是建立在誰都沒有搞明白的量子概念之上的。純粹建立在實驗現象之上的量子力學,之所以沒人明白,因為一直缺少一個清晰的物理圖景。被視為正統的「哥本哈根解釋」,對於愛因斯坦來說,不是一條清晰簡潔的物理說明,而像是在為一個不完備的理論打補丁。

量子力學的正統「哥本哈根解釋」

1、玻恩的波函數概率解釋:薛丁格波函數是一種概率波,只能描述在某位置找到某個粒子的概率,觀察測量只是預測某一結果的概率,卻不能預測一定會得到什麼結果。

2、海森堡的不確定原理:有一些成對物理量,它們不可能同時被精準測定,一個越確定另一個必定越不確定,此消彼長。比如動量與位置(ΔxΔp≥h/4π ),時間與能量(ΔEΔt≥h/4π)。

3、玻爾的互補原理:一些物理對象存在看似矛盾的多重屬性,原則上不可能用同一種方法同時看見其多重屬性,只能用不同是方法觀察到它們不同的屬性。

4、玻爾的對應原理:量子的各種規則雖然適用於微觀尺度,但從規則中得出的結論不能違反宏觀上的觀察結果,而且宏觀尺度上還是遵循經典物理學規則。也就是說,在大量子數極限的情況下,量子體系的運動趨向經典力學體系,量子物理定律和方程可以轉化為經典物理定律及方程。

5、疊加態原理:如果A和B是一個粒子的兩種狀態,那麼A+B也是這個粒子的第三種狀態,並同時具有A\B的特徵。

6、波函數坍縮:在一次測量與下一次測量之間,除了概率波函數以外,微觀物體不存在,它只有各種可能的狀態,只有進行了觀察或測量,「可能」狀態才坍縮為實際的「確定」狀態。

其次,量子力學缺乏清晰圖景。

「哥本哈根解釋」這一長串的詮釋,說它像一件華麗衣裳上面的「補丁」,一點不為過。但你不要還不行,少一塊都會衣不蔽體。費曼正是因為清晰地認知了這一點,所以他一直試圖建立一種清晰簡單的量子圖景。

雖然當時量子力學已經有了薛丁格的波動力學與海森堡的矩陣力學兩大處理方式,費曼依然另闢蹊徑,1942年創造出了路徑積分理論

然而,路徑積分理論描繪的量子圖景再次衝擊了人們的傳統認知。從出發點到終點,費曼宣稱量子會同時通過所有可能的路徑。就像一個量子在出發前會瞬間「探測」到它所有的路徑,然後瞬間對所有路徑的概率幅求和,最後決定它該以什麼樣的概率出現在什麼地方。

費曼建立的這個反常識的圖景,讓人們對量子力學更加疑惑了。

雖然疑惑,但路徑積分卻很好用,創立夸克模型的蓋爾曼就曾這樣評價:「量子力學路徑積分形式比一些傳統形式更為基本,因為在許多領域它都能應用,而其他傳統形式將不再適用。」

就連對量子力學一直很牴觸的愛因斯坦也不得不服。當費曼的老師惠勒將這個理論拿給愛因斯坦看過後,愛因斯坦說到:「我還是不相信上帝會擲骰子……可也許我現在終於可以說是我錯了。」

最後,細思極恐的費曼圖。

在路徑積分的研究中,費曼發明了一種用形象化的方法直觀地處理各種量子相互作用的圖——費曼圖。費曼圖只有兩個坐標軸,代表空間的橫坐標與代表時間的縱坐標,所以也叫時空圖。

比如用費曼圖來描述兩個電子之間的相互作用。如下圖,實線代表電子的路徑,虛線代表虛光子的路徑。

兩個電子由於相互交換虛光子(即無法觀測到的光子),而產生了排斥,這就是兩個電子之間的電磁作用力。在費曼圖的描述下,本來難以理解的微觀作用以最直觀的圖像展現了出來,讓人們更好理解了量子之間的交換過程。

然而,後來物理學家發現在虛光子交換的過程中,必須要考慮真空漲落的現象。也就是說,在傳遞過程中,虛光子會轉化為一對正負虛粒子對,然後正負虛粒子對再湮滅釋放出虛光子,這樣就有可能無限循環往復下去。用費曼圖表示如下:

這讓人們對於虛光子到底是怎麼傳播的又疑惑了。所以,量子是真不讓人省心,當你越想了解它,它反而暴露出更令人吃驚的不確定性。

總結

當我們越深刻地去探尋自然,越彰顯出我們的無知。自然一直按自己的方式存在著,至於我們能不能理解,那是人類的事,與自然無關。

由於量子的種種違背直覺的特性,在物理學史上,還出現過各種匪夷所思的解釋,如「我思固我在」的意識論、熱力學詮釋、退相干理論、GRW理論,以及多世界詮釋。

總之,這樣的量子,誰還敢說他懂?

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