微观世界是随机的,宏观是确定的
经过数千年的发展和探索,人类对世界本质的认识越来越清晰,无数困惑和问题如冰雪入水般消融。
但是,正如苏格拉底曾说过的那样:“知道得越多,越觉得自己无知”,在这一过程中,困惑和问题的总量并未减少,反而越来越多,甚至从某种角度来看,现代人对于世界的了解和认识,其实并没有比原始人多多少。
现如今,如果问什么学科最接近宇宙本质,那毫无疑问肯定是物理学,而在物理学领域中,有着“基石理论”称号的量子力学,绝对是科学家们的“困惑之源”。
俗话说遇事不决、量子力学,在整个人类科学发展史中,量子力学应该是唯一一个具有相悖属性的学科,什么意思呢?
从其本质上来看,量子力学是随机的,粒子所处的位置根本无法精确定位,但用于描述这种过程的方程却是确定的,二者产生了强烈的违和感。
量子力学贯穿生活方方面面
最为现代物理学的基石之一,量子力学的重要性是毋庸置疑的,如果没有量子力学,那么我们对原子和原子核内部的认识将会是一片空白,这将直接影响计算机、化学、航天、医学、材料学等无数领域,许多高科技产品将不复存在。
要知道,像互联网、通信、计算机、手机甚至是核武器,其实都是基于量子力学对微观世界规律的掌握,继而创造出来的新兴事物。
从根本上来看,整个计算机行业其实都基于量子力学。因为现代所有半导体的电子产品都是基于固体力学的“能带理论”,这个理论是量子力学中的一种现象,它让人类了解到了波的性质,所以我们才能够控制硅的电特性,最终制造出所有电子产品的核心——芯片。
正因为量子力学对人类的帮助极大,所以没有人质疑“薛定谔方程”(量子力学最基本的方程)的正确性,也没有人质疑依照此方程得到的实验结果,真正让一些科学家质疑的其实是量子力学的本质。
颠覆认知的不确定性
我们都知道,在宏观世界中,任何一个物体的运动轨迹都是确定的,并且这个物体在每一个时间点所处的位置连起来,都能够连城一条线。
然而,这一切在微观世界中全部被颠覆了。量子力学认为微观世界中的一切只能用概率统计来表达,一旦具体到某个粒子,那么它的状态就变成了不确定的叠加态,也就是“薛定谔的猫”这个思想实验中那只“又生又死”的猫(生、死状态叠加)。
以玻尔为代表的哥本哈根学派,坚信整个世界的本质是不确定的,而这种观点遭到了以爱因斯坦为首的另一派科学家们的反对和抨击。
爱因斯坦:上帝不会掷骰子
爱因斯坦认为,宇宙在本质上是高度和谐的,这种和谐能够通过“数学之美”完美地体现出来。
所以,一个理论如果不美,那么不能说它一定是错的,但至少一定不够本质。在更高的层面上,“和谐”比“对错”更为重要。在爱因斯坦看来,量子力学就是一种不和谐(完备)的理论。
所以,根本不存在又生又死的叠加态的猫,猫是生是死在观测之前就已经确定了,只不过箱子是不透明的,所以只能得到50%的概率是生、50%的概率是死这个“荒诞”结论,宏观世界根本不存在真正随机的事情。
就像抛一枚硬币,可能正常人都会认为正面向上还是背面向上是完全随机的,但其实这并不是真正的随机。
我们之所以会认为这是随机,主要是因为对硬币起始速度、下落速度、发力角度以及空气干扰等数值没有精确认识,如果我们能够得到这些精确数值,那么硬币的朝向是完全能够精确算出的。
所以爱因斯坦认为,宏观世界中没有任何一个事情是完全随机的,如果你认为这件事情随机,是因为你没有发现这件事情中的“隐变量”,一旦找到了“隐变量”,量子力学中那些混沌的角落,将会被“规律”照亮得一览无余。
一切皆可计算的宏观世界
可能许多人看到爱因斯坦的观点会觉得颠覆了认知,宏观世界中真的没有随机事件吗?答案是:没有。
或许会有人反驳,生物意识难道不是随机吗?其实和扔硬币的例子类似,硬币脱手的那一瞬间,正反面其实早已确定,但这个答案对你来说肯定是随机的,因为你根本无法完成这个计算。
人也是同样的道理。觉得人的某种决定或选择是随机,只是因为我们无法像通过风速、上升速度、下落速度等数据计算出硬币正反面那样计算出人的选择,如果真的存在庞大的计算力,这种选择也是能够被计算出来的。
再比如说一个厉害的军事家,他能够通过蛛丝马迹判断出敌人是强攻还是埋伏。对于普通小兵来说,敌人强攻还是埋伏是一个随机事件,但对于军事家来说,显然并非如此。
再比如,某人看到黑白两色的衣服,他知道自己的母亲会选择哪一件,因为他知道母亲喜欢什么颜色。在这里,售货员认为顾客选择黑或白是随机事件,但事实也并非如此。
世界本质
宏观世界中没有真正的随机,微观世界为何却有呢?而“真”随机的微观世界,又究竟怎样和完全确定的宏观世界契合的呢?
正是基于这些方面考虑,爱因斯坦才会认为量子力学是一个不完备的理论,才会认为它其中肯定隐藏着不为人知的“隐变量”。
然而,上世纪60年代理论物理学家约翰·贝尔进行的“贝尔实验”,彻底否定了爱因斯坦提出的“隐变量”,不仅证明了量子力学的正确性,同时也证明了上帝是投掷子的。
如果说宏观世界的确定性和微观世界的不确定性都是对的,那么世界本质也就剩下了唯一一种可能——二者相结合,即量子力学中的“叠加态”。
粒子在没有观察者存在时,处于“既在这又在那”的叠加态,一旦出现了观察者,立即就会坍缩成确定的状态。这种匪夷所思的状态,让宏观世界和微观世界完美的交融。