2022年诺贝尔物理学奖颁给了Alain Aspect, John F. Clauser 和 Anton Zeilinger 三位教授,以表彰他们“利用纠缠光子进行的实验,证明了贝尔不等式的违反和开创了量子信息科学”。
量子纠缠这个名词是爱因斯坦提出来的,他不仅是相对论的奠基者,同时在量子物理方面也是代表人物。
一般来说,我们会把科学和神学对立起来,因为二者在解释这个世界上用的是截然不同的理论体系和思考方式,科学更加讲究理性和逻辑推演,而神学讲究的传统和内在感受这样的东西,但是一些观点也会认为,二者在追问终极问题的意义上其实是殊途同归的。
比如对于生命的本质,一些传统中的神学会讲灵魂的概念,而据说科学家其实也捕捉到了这种存在,只不过他们是从量子的角度。
量子力学
什么是量子,关于这个词我们经常会提到的两个概念,一个是量子力学,另一个就是量子纠缠,先来说量子,直观上它好像和分子、原子这种描述物质结构的词语是一个意思,但实际上二者有非常本质的不同,量子本身其实要更加抽象。
它描述的是一种不固定的基础单位,只要这个单位是不能继续被分割的,如果物理研究中的某个量被进行了这样的处理,那么我们就把最终的结果称为是量子化的。
量子的概念最早是由普朗克在20世纪初期提出的,借用这个概念,这位科学家成功地解释了一些重要的物理问题。
在这之后,爱因斯坦、德布罗意以及狄拉克等一众物理学家又对建立在量子基础上的理论体系进行了补充和发展,并且提出了很多新的学说,比如量子力学,这个体系后来也跟相对论一起,成为了现代物理学的基础。
跟过往的物理研究相比,现代物理学借助这两个学说走进了微观世界,也就开始在一个更加细微的层面开始了对物质和时空的探索。
那什么是量子力学呢?这个理论创立的关键人物是德布罗意,一位来自法国的物理学大师,他在对光进行深入研究的过程中,提出了一个大胆的假设,那就是光很有可能和我们在宏观世界中看到的各种物质一样,其实是有波粒二象性的,也就是说既可以用粒子的形式来表述,也可以用波的形式来表述。
量子纠缠
在他的这个假设之下,很多物理学家也纷纷开始尝试解释其合理性,从薛定谔到海森伯再到后来的狄拉克,分别用波定方程、矩阵力学和变换理论等途径来延伸这种学说,极大地丰富了量子在力学层面上的内容,也就有了我们今天说的量子力学。
它包含的不仅是各种粒子的机构分析,也对其性质做了细致的探讨,让我们得以在微观的层面上了解量子的运动。
可以说,量子力学其实就是把物质分割到不能再分割之后,然后观察它们之间的相互作用关系。按照这个理论,任何现有的存在都可以被量子化,包括人自己,如果真的像一些神学所描述的。
人的肉体和灵魂其实就是一些非常精微的颗粒组成的,而我们又能借助现代的技术设备捕捉到这些物质的话,那么也就是说,我们可以在微观的层面上看见灵魂。
这件事也确实发生了,一名来自苏格兰的学者向人们展示了他所拍到的灵魂,尽管只是一张模糊不清的黑白照片,但是它确实是在人的身边捕捉到的影像,而且并不属于人的身体部分,本质上讲,这就是摄影机对一些环境中的光子活动轨迹的记录。
但是值得注意的是,这些光子并不像一般情况下的光子摄影里面所呈现那样是相对分散的,相反,它们相互之间有非常紧密的联系。一个光子的活动状态会立马对剩余的光子产生影响,看上去就是一个流动性较大的集合体,相互之间仿佛有一层看不见的网络在连接着,并且拥有者很多相同的物理性质和特征。
如何解释这种现象呢?这就要涉及另外一个重要的概念,也就是量子纠缠。量子纠缠描述的是一种非常有意思的现象,在一个粒子的集合体当中,存在着一种共性让它们能够不被轻易分开,但同时这些粒子之间又能够继续保持着自己的不同。
而且这些不同会在一定程度上影响整个集合的性质,所以我们在对其进行描述的时候,不能单独将这些粒子划分出来,各说各的,它们的个性必须也作为整个系统的共性来进行描述,这也就是所谓的量子纠缠。
这个事实的发现是爱因斯坦与薛定谔等一众科学家共同探讨的结果,特别是薛定谔,他在阅读了爱因斯坦和其它一些人共同发表的关于量子力学的文章之后,很快捕捉到了这一现象,并且尝试用一个术语来表达。
在他写给爱因斯坦的信中,薛定谔尝试用德文准确地表达这一性质,但是也没有对最后的选择非常满意,因为量子纠缠似乎与相对论之间依然存在一些无法解释的矛盾,所以爱因斯坦也把这种现象称作是鬼魅一般的存在。
命运是早已决定好的吗?
从量子纠缠的角度来看,我们可以这样理解:在宇宙的早期,所有的粒子就已经被纠缠在一起,形成了一个复杂的网络。当我们观察一个粒子时,我们实际上是在读取它与其它粒子之间的纠缠关系。而这种关系是超越空间和时间的,它让我们对“命运”的定义产生了新的理解。
在传统的观念中,我们认为命运是由我们的行为和决定所决定的。但在量子力学的框架下,一切似乎并不是那么简单。因为粒子的状态在观察的一瞬间才确定下来,而在观察之前,它们的状态是模糊的、不确定的。这似乎暗示着我们的命运在一开始就是已经设定好的,我们只是在沿着预设的路径前行。
然而,这并不意味着我们完全无力改变自己的命运。虽然粒子的状态在观察之前是不确定的,但我们的观察和选择仍然可以影响粒子的状态。在这个意义上,我们仍然有一定的自由意志。
量子力学与自由意志
那么,量子力学是否否定了自由意志呢?其实并非如此。自由意志和命运并不是互斥的概念。我们可以理解自由意志为量子力学中的一种“概率”,即我们可以通过自己的选择和行动影响最终的结果。
在量子力学中,虽然粒子的状态是不确定的,但我们的观察和测量可以影响粒子的状态。这种影响可能是微妙的,但却是真实的。因此,尽管我们的命运可能在一开始就被设定好了,但我们仍然可以通过自己的行动和选择在一定程度上改变我们的命运。
命运与自由意志:一个互补的观点
综上所述,我们可以得出一个互补的观点:尽管粒子的状态在观察之前就已经确定下来,但我们的观察和选择仍然可以影响粒子的状态。这种影响可能是微妙的,但却是真实的。因此,尽管我们的命运在一开始可能就是已经设定好的,但我们仍然可以通过自己的行动和选择在一定程度上改变我们的命运。
这并不是说我们可以通过自己的行动完全改变自己的命运。而是说,我们可以通过自己的行动和选择影响自己和他人的命运。这种影响可能是微妙的,但却是真实的。因此,尽管我们的命运在一开始可能就是已经设定好的,但我们仍然有一定的自由意志可以影响我们的命运。
直观上看,对“灵魂”的捕捉证实了量子纠缠的理论,但是这个“灵魂”到底是不是神学意义上所说的附身于肉体上的一种生命根基,依然无法确定。
我们所能确定的就是,在人类看不见的微观世界里,存在着一些与我们相互联系的物质,但是它们的存在究竟意味着什么,是不是真的生死攸关,关系重大,目前还很难说。
诺贝尔奖
爱因斯坦曾经与哥本哈根学派在学术上爆发了“冲突”,双方水火不容但是又相互激励,创造了物理史上的一段佳话。
爱因斯坦晚年反对战争,尤其是核战争,有很多小朋友向他写信表达自己对物理的兴趣。
有一次,一个小朋友写信问爱因斯坦:这个世界上最大的能量是什么?
爱因斯坦思索了良久回答这个小孩子是爱,但是他无法用物理来解释爱是如何产生的。
他将爱称为宇宙最大能量形态,只是他找不到一个合适的物理名字来代爱,在爱因斯坦的心里,爱没有被命名。
爱因斯坦
物理界的巨人
提到爱因斯坦,那可谓是无人不知无人不晓,他的两个相对论可以说是改变了世界。
但是爱因斯坦本人的成就可不单单是两个相对论,我们今天天文上的很多现象,都是他直接或者间接提出来。
比如黑洞,很多人提到黑洞会想到霍金,霍金并不是黑洞的提出者,他只是在黑洞研究上的成就最多。
黑洞一开始只是一个宇宙设想,存在于物理学家的概念里面,而这个概念的诞生,就和爱因斯坦有关。
黑洞源于爱因斯坦的广义相对论
当时的物理学家史瓦西在推导广义相对论的时候,发现了一个神奇的半径,只要小于这个值,它的引力就会非常大,吞噬周围的一切物质,包括光。
这个概念就是黑洞的雏形,之后人们通过研究,认为宇宙中存在这样的天体,在1970年,首次在宇宙观测中发现它,并于2017年拍摄了它的照片,黑洞的发现侧面验证了爱因斯坦广义相对论的正确性。
大家都知道爱因斯坦也获得过诺奖,但是他获奖的理由是对光电领域做出的贡献,而不是他的相对论。
爱因斯坦领奖
因为在当时,狭义相对论也好,还是广义相对论也罢都太超前了,没人能够用实验验证真实性。
直到现在,这两个相对论也没有被完全验证,它们依然是一种理论,后世的物理学家光是专门研究相对论就又有几位获得诺贝尔奖,可见爱因斯坦留下了怎样的财富。
关于爱因斯坦,世界上有一个流传非常广的假新闻,那就是爱因斯坦参与了原子弹的研发。
实际上,曼哈顿计划的名单里没有爱因斯坦的名字,按照他老人家的脾气,就算写上了名字,他也不会去,因为爱因斯坦本人痛恨战争。
爱因斯坦参加会议
宇宙中的最大能量
原子弹虽然不是爱因斯坦造的,但使用的是他的理论,可以说是他的学说的一次实际应用。
可以说,原子能是人类能够掌握的最大能量形态,足以毁灭一座城市,一个国家,甚至是人类本身。
不过核弹的能量虽大,可是比起太阳来说就差远了,太阳是我们所在的恒星系统中最大的能量形式,就连人类也是太阳能量的受惠者。
然而,太阳的能量放在宇宙中那简直不值得一提,就拿银河系来说,太阳这么厉害,不也得乖乖围绕银河的中心旋转。
太阳能量巨大
是的,太阳也有公转,它有比自己级别更高的“上司”,不能随便离开自己的轨道。
银河的中心已经被证实有一个黑洞,人类于2022年公布了它的照片,编号为:人马座A*,这也是人类的第二张黑洞照片。
黑洞具有我们无法计算的能量,因为它几乎什么都能吸收,就连光也离不开它的引力范围。
银河系的黑洞
我们拍摄到的黑洞照片是红色的,其实那并不是黑洞本身的颜色,而是黑洞的引力将恒星撕碎,这些发光的物质就是恒星碎片,它们在黑洞周围组成了吸积盘。
黑洞周围不仅有颜色,还有声音,NASA曾经接收到黑洞吸收星云时周围存在着吞噬之声,因为星云是气体,所以在它形成的吸积盘内不是真空,声音可以传递。
黑洞如此巨大的能量让天文学家们认为,黑洞内部存在着超越光速的物质,只是因为人类还没有发现罢了。
观测黑洞
在爱因斯坦晚年的时候,他基本上处于半退休的状态,闲暇时间他喜欢看孩子们写给他的信,看见这么多孩子对无力感兴趣,爱因斯坦感到很欣慰。
要知道,兴趣是最好的老师,爱因斯坦小时候就是一个好奇宝宝,对什么东西都怀有兴趣了解。
说到爱因斯坦的童年,又有一个假新闻,那就是爱因斯坦小学的时候数学考1分,但是这没有妨碍他之后成为物理学家。
不同时期的爱因斯坦
爱因斯坦是德国人,德国采取的分制和我们不一样,他们的1分就是满分或者优秀,对应国内的话是95分以上。
所以人家小时候是妥妥的神童,并且物理好的人他的数学一定不会很差,牛顿不仅创立了力学,还创立了微积分,数学是物理最好的拍档。
物理离不开数学
爱因斯坦认为的最大能量
黑洞并不是宇宙中最大的能量形式,按照宇宙大爆炸的假说,爆炸之前的那个点才是最大的。
这个点被叫做奇点,它是宇宙中一切物质的起源,包括人类,我们人类也是这个奇点的“后代”。
那么,一个小小的点,是如何产生这么多物质的,答案就是爱因斯坦的质能转化,爆炸产生的能量,转换为了物质的质量。
这些质量就是我们今天看到的各天体以及看不到的各种粒子,还有我们人类。
宇宙大爆炸
没错,人类也是大爆炸的产物之一,只不过诞生于爆炸之后的137亿年,是不是觉得很神奇,宇宙就是那么神奇。
有一次,爱因斯坦收到一个孩子的信,信中小孩问爱因斯坦,什么是宇宙中的最大能量形式。
爱因斯坦没有回答什么奇点,也没有回答什么黑洞,他只回了一个字:爱。
晚年的爱因斯坦
很多人不理解爱因斯坦为什么要写下这样的回答,因为从他的童年来看,爱因斯坦的父母对他还是很关爱的,他并不是缺爱的孩子。
爱因斯坦本人解释说,这个爱不单单是亲人之间的爱,而是世界的爱。
他说自己已经习惯用一切物理知识来回答身边的事情,唯独爱是无法用任何理论或者实验解释的。
人类为什么会产生爱,爱究竟具有哪些能量是爱因斯坦没有命名的。
爱因斯坦和妹妹
由于自己犹太人的身份,爱因斯坦被迫离开自己的祖国前往美国,从那之后,爱因斯坦就像一根漂泊的野草,一直在异国他乡。
或许是这一层遭遇,让爱因斯坦本人痛恨战争,所以他之后的演讲中,总是在传递着和平。
晚年的爱因斯坦很想回到自己的家乡,但是因为种种原因无法实现,最终在异国的普林斯顿离世。
物理巨匠
后爱因斯坦时代
爱因斯坦离世之后,人类还没有再出现一个能与他比肩的人,不少人认为,物理又再一次陷入了停滞的状态。
可是转念一想,爱因斯坦是1955年去世的,这才过去了67年而已,这段时间对于物理来说太短了。
对于科学我们不能抱着一蹴而就的心态,毕竟爱因斯坦当年考大学,都考了两次,没有人能一直成功,物理学家们面对的失败,可能比很多人打游戏输掉的比赛还要多。
与爱因斯坦同时代的科学家们
这次诺贝尔物理奖的得主,就是在完善前人的理论体系,为后来的研究打下基础。
量子力学是一个深奥而神秘的领域,它让我们对世界的理解产生了深远的影响。在这个领域里,“量子纠缠”现象让我们对命运和自由意志有了新的理解。尽管粒子的状态在观察之前可能就已经确定下来,但我们的观察和选择仍然可以影响粒子的状态。这种影响可能是微妙的,但却是真实的。因此,尽管我们的命运在一开始可能就是已经设定好的,但我们仍然有一定的自由意志可以影响我们的命运。