来自量子物理学的笑话
某个夜晚的某条道路上,有五位量子物理学家正在一辆车上。海森堡的驾驶方式就像他在《黑客帝国》中表现一样。薛定谔坐在前座上,向其他人挥手致意。爱因斯坦和玻尔在后面争论,而埃弗里特坐在他们中间,幻想着另一个宇宙。
很不幸的是他们被拦住了。警官走到海森堡身边,问:“你知道你当时开得多快吗?”
“不,但我们确切地知道我们在哪里,”海森堡回答道。
警察看上去很困惑,说道:“你的车速是 120 公里/小时!”
海森堡举起双臂喊道:“太棒了!现在我们迷路了!”
警察检查了汽车并询问薛定谔后备箱里是否有东西。“一只猫,”薛定谔回答道。
警察打开后备箱,大喊:“这只猫死了!”
薛定谔愤怒地回答:“好吧,现在就是了。”
玻尔说:“好的一面是,刚才我们还没有位置、速度,也没有猫。现在我们三个都拥有了!”
警官厌倦了说:“我只是想知道我需要带多少人回警局!”
“掷骰子吧?”爱因斯坦问道。
“就是这样。我带你们都进来!”警官大喊。
埃弗雷特跳上驾驶座,踩油门,把车开下悬崖。警官听到他的声音逐渐减弱,“我们会在多
元宇宙的某个地方生存下来!”
好吧,希望你能喜欢这个笑话,这其实跟这些物理学家的科学信仰有些关系。今天,我们就来看看这些科学家的信仰。
海森堡
海森堡的名字可能与量子物理学进入大众文化的第一个概念有关:
不确定性原理。通俗地说,不确定性原理被理解为无可争议的事实,即有些事情永远无法得知。这听起来并不那么高深。事实上,这听起来有点蹩脚。
在经典物理学中,一切都是预先确定的,实际测量的精度仅受存在的噪声量的限制。在量子物理学中,某些属性无法同时定义,并且试图测量其中一个属性会导致另一个属性的精度降低。海森堡解释说,“位置知道得越精确,速度知道的就越不精确——反之亦然。”这就是为什么海森堡对警察说——是的,我正在解释这个笑话——他不知道自己开得多快。因为他确切地知道自己在哪里。如果他的位置的不确定性很小,那么他的速度的不确定性一定很高。当警官告诉他他的行驶速度有多快时,关系发生了转变,海森堡一定不再知道他在哪里。有趣,对吧?
就其价值而言,量子物理学的不确定性超出了海森堡确定的位置与速度关系——量子物理学表明,无论某人对它的了解如何,事物的属性与其说是不确定的,不如说是无法定义的。如果我们无法定义它,它是真实的吗?
薛定谔
薛定谔可能是仅次于爱因斯坦的第二最著名的量子物理学家,而这一切都是因为一只猫。薛定谔的猫出现在诗歌、电视、网络漫画、电影、视频游戏和音乐中,甚至可能在T恤上。
猫的起源其实并不是一个复杂的故事。在薛定谔写的一篇文章中,它几乎是一个插入式的评论,内容是关于当今量子物理学中仍在争论的解释问题。摘录翻译如下:
人们甚至可以提出相当荒谬的案例。一只猫被关在一个钢制房间里,还有以下装置(必须确保其免受猫的直接干扰):在盖革计数器中,有一点点放射性物质,如此之小,也许在过程中一个原子衰变的时刻,但也以同样的概率,也许没有衰变;如果发生这种情况,计数管就会放电,并通过继电器释放锤子,击碎一小瓶氢氰酸。如果一个人将整个系统留给自己一小时,那么如果同时没有原子衰变,人们会说猫仍然活着。第一次原子衰变就会毒害它。整个系统的功能将通过将活猫和死猫(请原谅这个表达)等量混合来表达这一点。
公众对薛定谔的猫的理解或多或少反映了这一点——但没有复杂的语言。基本上,薛定谔把一只猫放在一个盒子里,它可能会被毒死,也可能不会。直到盒子被打开我们才能知道,所以在此之前量子物理学说猫同时是死的和活的——这种状态被称为叠加。人们通常只从表面上理解这一点。
那么,笑话就是薛定谔在汽车后备箱里放了一只叠加的量子猫。警察通过展示一只死猫来破坏叠加。事实上,杀害动物并不好笑。
1935 年,当薛定谔写下上述内容时,对量子物理学所规定的世界非决定论的一种流行解释是,现实是模糊的。薛定谔基本上是在嘲笑这种解释,他说如果电子真的是模糊的物体,那么猫也一定是——显然是胡说八道!
自 1935 年以来,我们已经找到了薛定谔猫悖论的解决方案。但是,物理学家至今仍在争论这个问题。公平地说,我们知道的比以前多得多。然而,我们可能只是制造了更多的悖论!但一直很清楚的是,这个实验永远不可能进行。要创造这样的猫叠加需要与任何环境(包括空气)完美隔离。不幸的是,这只猫肯定会死。
玻尔
尼尔斯·玻尔是无人知晓的最著名的量子物理学家之一。他在物理学界因两件事而闻名:作为“量子物理学之父”和撰写关于科学的神秘哲学。他的部分著作包括与爱因斯坦关于量子物理学的公开辩论。这些都是传奇。
大多数科学家相信,即使是他们无法直接感知的事物也是真实的。例如,可以根据电子对其他事物的影响来推断电子,但它们本身是真实的事物吗?玻尔认为,除非你直接观察它们,否则不会。玻尔说,正是观察行为导致了所讨论事物的存在。不管怎样,正如薛定谔用猫向我们展示的那样,事物的量子本质不必局限于微观领域。因此,玻尔不得不说,在警察测量之前,它们的速度并不存在——就此而言,猫也不存在。
爱因斯坦并不喜欢这种观点,他曾问另一位物理学家,他是否真的相信月球只在他亲眼所见时才存在。我不确定在这个问题上是否已经达成共识。
爱因斯坦
阿尔伯特·爱因斯坦无疑是有史以来最著名的物理学家。他的名字是“天才”的代名词,他凌乱的外表是古怪的理论科学家的缩影。在他一生的大部分时间里,他的理论都是默默无闻的,只有其他物理学家才知道。然而,他无疑是物理学家中记者最喜爱的人,尤其是因为他的风度和经常被引用的俏皮话。
到目前为止,他最著名的台词是“
上帝不会与宇宙玩骰子”,他多次解释过这句话。许多人都知道这句话的主题是量子物理学。因此,人们常常认为爱因斯坦有宗教信仰,并相信上帝不会认可量子物理学,甚至认为量子物理学与爱因斯坦所信仰的任何宗教(大概是犹太教)不一致。
但是,爱因斯坦本人后来写道:我不相信有上帝,我从来没有否认这一点,而且已经明确表达过。如果我身上有某种东西可以被称为宗教的话,那么那就是对我们的科学所能揭示的世界结构的无限钦佩。
与宗教方面无关,这句话的情感是显而易见的——不满。爱因斯坦不喜欢量子力学。这并不是说他不相信这是对证据的准确描述——毕竟,他确实因量子物理学的一项关键进展而获得了诺贝尔奖。出于审美原因,他不喜欢它。当时,他正在寻找宇宙的确定性定律,而不是量子物理学所要求的无法解释的随机性。
爱因斯坦想要一个更深入的理论,并在晚年不断寻找它。但爱因斯坦想要的那种理论是不可能的——这一事实在他去世多年后得到了证实。关键的见解来自对纠缠的更丰富的理解,纠缠是一种只有在量子理论中才有可能的相关性。纠缠让爱因斯坦很恼火。但今天我们将其视为实现新一代量子技术的资源。
埃弗里
特休·埃弗里特三世(Hugh Everett III)的思想在量子物理学领域具有革命性,以至于它们就像来自另一个宇宙——顺便说一句,这正是他所提出的。埃弗里特引入了多世界解释,这表明量子过程的所有可能结果都在某个“世界”或宇宙中物理实现。这一理论与更为保守的解释不同,使得埃弗里特脑海中典型的一天就像一部特别狂野的科幻连续剧。
这个理论是埃弗里特对量子力学难题的解决方案,这些难题甚至让玻尔和爱因斯坦等最聪明的人都感到困惑。当他的同行们争论猫是活着、死了还是两者兼而有之时,埃弗里特漫不经心地提出“两者”是正确的答案,但不在同一个宇宙中。在一个宇宙中,猫活着,而在另一个宇宙中,薛定谔的猫死了。这是量子物理学描述我们从未见过的叠加问题的假设解决方案。
不幸的是,过于认真地对待这一点可能会导致一些黑暗的道路。如果我们一遍又一遍地重复薛定谔的猫实验,总会有一个猫居住的宇宙。这就是
所谓的量子永生。当埃弗雷特在我们的笑话结束时,用这辆车并将其驶下悬崖,他不仅沉迷于鲁莽驾驶,而且阐述了他自己的论点——在多元宇宙的某个地方,他们绝对成功逃跑了。