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观测的妖孽(瓜众也该了解的量子力学2)

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发表于 2020-7-28 12:52:01 | 显示全部楼层 |阅读模式
品质源于技术 服务源于态度
这是阿什卡微信公众号的第789篇原创文章
首发于2020年7月14日






怎么看这个世界,决定了你的世界观。

而世界观,决定了你的人生观、价值观。

“怎么看”,就是观测方法。由观测到观念,我们都是观测者。

空山鸟语是动听的,深谷幽兰是清香的,蜂蜜是甜的,水是柔滑的,86、66、90是迷人的……这是咱俩通过感知得到的结论。

感知,就是观测,一点也不神秘。

但观测的两个关键点却不是人人皆知:比较、定量。

认知世界,绕不开观测。就算纯粹假想、推测出来的东西,最终也要靠观测去证实,否则就是胡思乱想、胡编乱造。

但人类构造太简陋,只有视、听、嗅、味、触五种感官,而且带宽都很窄,观测能力严重受限。比如:

视觉:只能看到波长大约在390~770纳米之间的光,这么窄的范围,我们称之为“可见光”,其余波长的广阔天地,人眼都无法感知。

640.png

比起可见光,两边很宽、很宽,接近无穷


但响尾蛇能看到红外线,蜜蜂则可以看到紫外线。这意味着,我们看不见的东西,它们可能看得见。就算大家都能看见,感知的颜色也不一样。

听觉:人耳能感知的声波频率在20到20000赫兹之间,其余频率的广阔天地我们也无法感知。

但是大象能听到次声波,蝙蝠和蛾子则能听到超声波。

嗅觉:老鼠、狗等动物的嗅觉比人灵敏成千上万倍,它们能嗅出其他动物留下的气味痕迹,就像我们凭眼睛感知脚印和指纹一样清晰自然。雄王蝶GG能循着气味找到11公里之外的雌王蝶MM,如果人类也靠气味找MM,恐怕早绝种了。

可见,就算同一类感官,带宽不一样、敏感区不一样、灵敏度不一样,那么观察到的世界也就不一样。

更何况,有些存在,我们没有适用的感官,比如电磁场。许多昆虫、鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类动物都能感觉地球的磁场,用它来导航,比如鸽子。所以在电磁场中穿行是个什么感觉,我们永远不知道。

所以说,我们认知的世界,只是人类能感知到的样子。

为了能看到更多,更“本质”,我们搞了很多仪器,比如射电望远镜、引力波探测系统,“看到”了遥远的星系、人体内部,计算出了暗物质分布,探测到了引力波,拍到了黑洞。

观测手段拓宽的每一小步,都是视野拓宽的一大步。

所以咱俩看世界,不能坐井观天而安于井,更不能作茧自缚而骄于茧,而需要多视角、多手段,尽量多看。

每次视野拓宽,我们的世界都会有所不同。如果咱俩的三观从中学开始就一直不变,那咱俩一定不是在井里,就是在茧里,或者把茧作在了井里。


但这些仪器,依然只是我们感官的延伸,它们探测到的东西,必须转换为数据、声音、图像来呈现,才能被我们感知,借以加深认知、接近真相。

有的童鞋忍不住要问:难道我们眼睁睁看到的,不是事物的本质吗?比如形状、颜色?

很遗憾,我们眼睁睁看到的,并不那么“本质”。比如碳,它的颜色是什么?它和氧气合体,成为二氧化碳轻舞飞扬时,它是无色透明的,结合成石墨,那它就是黑的,而不小心压成了金刚石……

那么形状呢?形状就是事物占据空间的形式。我们知道太阳是个圆球,同时也知道是球就有边界——太阳的边界在哪里?太阳表面是气体,越往外越稀薄,没有明显边界,并且源源不断往外喷射超声速等离子体带电粒子流,也就是太阳风,也是近稠远稀,渐变的,如果我们能同时“看到”这些,那么这个球从哪里开始算起?人类说,太阳直径大约是140万公里,那是我们人为地给它画了个边界而已。

所以“本质”这种东西,不是那么容易感知的,更不是谁灵机一动就能“参透”的。

这个事实会让所有人不舒服,因为人类都是解释控、本质控,但只要我们是理性的,就不得不接受这一残酷的事实。



比起窥探宇宙奥秘的野心,人类不仅感官太简陋,而且大脑也太简陋——我们花了几千年,才有这个自知之明,才有这个敬畏之心。

从这个意义上说,人最大的野心,不是要统治地球,而是要参透宇宙。世界上最无知、最狂妄的想法是:某祖先早已参透了宇宙奥秘,衣袂飘飘坐等山顶。

不论是出于对自身局限的认识,还是出于对宇宙奥秘的渴求与敬畏,我们都只能老老实实、穷尽办法去观测,能观测到什么,就描述什么。在此基础上,合理地去推测、验证,以前人成果为台阶,集全人类智慧,一步一个脚印地向前摸索,一点一点拓展认知边界,一点一点接近宇宙真相——这就是科学做的事。

但量子力学的出现,让人类在摸索的路上闪了一下腰。

人们发现,粒子都有波粒二象性,既是波,同时也是粒。

而且,你用观测波的手段观测它,它就呈现波动性。比如双缝实验:

641.png

单电子双缝干涉实验图样


你用观测粒的手段去观测它,它就呈现粒子性。比如康普顿实验:


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用x射线打原子,就像打台球一样有偏折角,动量守恒



粒子就是这么妖孽。但观测行为本身似乎更妖孽。

对这种奇葩现象,玻尔认为:

1. 波和粒,虽然是“互斥”的,看上去不共戴天,但实际上,它们是“互补”的,谁也离不开谁——波粒二象缺一不可。

2. 但同时,它们就像一个硬币的两面,无论我们怎样看,都只能看到其中一面,要么是粒,要么是波,你看到一个,另一个就不存在——不可能同时观测到两种形态。

3. 而它在什么情况下看起来是粒,什么情况下看起来是波呢?那要取决于你怎么看——观测手段决定观测结果。

这就是“互补原理”。

科学家们还搞了各种奇葩实验,似乎落实了玻尔的看法。

比如量子擦除实验、泄密实验,似乎都显示:你知道光子的路径,它就是粒子,不给你看波动性;你不知道光子的路径,它就是波,不给你看粒子性——就算它走到半路你突然改主意,换了观测手段也一样。

这样一来,粒子似乎善解人意,可以和人“互动”,撩得大家神魂颠倒、想入非非,有的一晕乎就直接掉进玄学坑。

不过幸好,玻尔是错的,准确地说,他的互补原理不准确。

具体哪里不准确,我们只能下一篇聊这些实验时再聊。因为这篇主要聊观测。

1926年,海森堡发布完他创建的矩阵力学后,和爱因斯坦聊天,老爱点拨了一句:是理论决定了我们能观测什么。

小海当时就震精了一地:我们的理论不都是以观测为基础建立的吗?没有观测,哪来的理论?理论,是人类对客观现象的主观认识。你见,或者不见它,现象就在那里,不来不去,你爱,或者不爱它,事实就在那里,不变不移呀!主观认识,能决定我们从客观世界中看到什么?!

你第一次看到这句话,一定和小海一样不服气:我天生就会看我爱您中国姐、看月亮、陪我爱您中国姐看月亮,跟理论有啥关系?

没错,“是理论决定了我们能观测什么”确实毁三观。不过这不赖老爱,要赖就赖我们对“观测”的理解不够深刻。

小海看在这句话是爱因斯坦说的份儿上,认真琢磨开了老爱的继续点拨:在观察之前,我们就会不自觉地,用已有的理论,对观察对象进行某些假设。

这个需要解释下。我们的肉眼靠可见光看东西,于是我们得到了“可见光可以用来观测”的理论,根据这个理论,我们制造放大镜、光学显微镜、望远镜、照相机等,于是观测到了更小、更远、更具体的东西。电磁波被发现后,我们得到了“红外线、远红外线、紫外线、x射线、γ射线也可以用来观测”的新理论,根据新理论,我们制造红外望远镜、x光透视器、射电望远镜等,观测到了原来想都不敢想的东西:人体内部结构、137亿光年外的星系、太阳表面活动的清晰图像等等。

这些观测设备,是怎么设计出来的?我们按照已知的电磁波的性质,假设电磁波在仪器里怎样被反射、折射、放大、聚焦,怎样变成人类眼睛可以接受的图像信息,等等,综合这些因素,去设计、实验、制造、应用。所涉及到的成千上万个技术细节,都是围绕我们已知的理论来进行的。所以说,能看到什么,是选择“怎样去看”决定的,而选择怎样去看,是理论决定的。

“理论决定了我们能看到什么。”现在看看这句话,还荒谬吗?

老爱认为,实际上,观测本身,也是个相当复杂的过程,观测对象发出的信息,比方说振动、气味、声波、电磁波、引力波之类的,传到仪器,仪器按照设计要求,发挥各种作用:接收、反射、放大、聚焦等,然后把信息输出给我们的感官,通过一大串神秘的反应,在意识中形成结果,成为我们的认识。这些过程,是我们事先就知道的。这就是说,我们在观测之前,已经对“能看到什么”有了一个大致的预期。这一切,都是我们的理论决定的。

老爱当时没解释这么细,他只是告诉小海,你那些所谓“可观测到的量”,都是这样观测来的,观测之前,已经用理论做了假定——尽管不是有意的。老爱强调,如果你掌握的理论完全不同,就会做出完全不同的假定,那么,你观测到的那些量,可能也就不同了。

有了这个点拨,小海把手里的货迅速变现,搞定了“测不准原理”,后来在玻尔的助力下,发展成了量子力学的主要基石之一“不确定性原理”。

643.jpg

这个过程告诉我们,人类的观测,不仅受身体局限、设备局限,还受理论局限。不过,如果把这些观测,与已知的靠谱知识紧密结合起来,它就会发生反应,得到新知识,继而变成台阶,让我们更进一步,以此类推,稳步向前。

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言归正传。有的童鞋说了,既然现实条件那么多局限,不如让我们放飞思想,不要受观测局限了——恭喜你,成功地回到几千年前,人类一穷二白只能凭着脑壳空想来臆测世界的年代了。

PS:欢迎讨论,不当之处欢迎指正


-未完待续-


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瓜众也该了解的量子力学1

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