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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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量子爱动力学  

2013-02-16 11:37:58|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:Sheldon

就像计算机里的一切数据都是由0和1组成的,世界是由基本粒子组成的。计算机中的一切程序都是对0和1的操作,而世界的一切现象都离不开基本粒子之间的相互作用。描述基本粒子行为的理论是量子力学。例如,有描述电磁相互作用的量子电动力学,描述强相互作用的量子色动力学,以及描述爱情相互作用的量子爱动力学。
“身无彩凤双飞翼,心有灵犀一点通”,李商隐的诗句非常传神地描写了两个粒子陷入爱情时的行为,这便是量子爱动力学中著名的纠缠态。陷入纠缠态之后,粒子的行为产生了强烈的关联——这种关联可以是一致,也可以是相反。比方说,粒子有一种基本性质叫自旋,可以向上也可以向下,谁也管不着谁。要想知道粒子自旋的朝向,就得对粒子进行测量,有几个粒子就得测量几次。但如果让两个粒子形成量子纠缠,然后分别以光速向两个方向传播,那就大不一样了。假设一个粒子运动到北京时,另一个粒子恰好到了上海。当你发现了北京的粒子自旋方向,同时,上海粒子的自旋方向也就知道了。要命之处在于,一旦粒子形成了纠缠,无论它们相距多远,即使身处宇宙的两端,它们对外界测量的应答都可以同时发生。它们的爱情超越了光速。

[现实世界里的量子纠缠, 作者Mark Heath ]

多么伟大的爱情啊!怎么听起来有点儿理想化呢?是的,现实世界除了有量子纠缠之外,还有量子退相干。宇宙中不只有两个粒子,而是至少有1090个粒子。想要天长地久可没那么容易,因为每一对粒子都会受到周围环境的干扰。如果干扰太严重,就很容易发生退相干,于是两个粒子不再缠缠绵绵,结局也许是形同陌路。

退相干还算好的,至少曾经拥有。如果粒子的希尔伯特空间维度过高,连相干都困难,那就不用操量子纠缠的心了。比如,刚才说纠缠时只考虑了粒子的自旋,自旋可以向上可以向下,于是粒子的希尔伯特空间就是两维的。如果有一种非常复杂的粒子,除了自旋之外,还有身高、年龄、外貌、学历、收入、财产、籍贯……甚至还要考虑过往历史的话,希尔伯特空间的维度岂止成千上万,说不定比宇宙中的粒子数量还要多。在这种情况下还想纠缠?那还不如试试买彩票呢。不过也不用太悲观。世界之所以美妙,正是因为维度众多;爱情之所以珍贵,不也正是因为来之不易吗。

因此,量子爱动力学特别强调海森堡不确定性原理。海森堡提出,粒子的一些状态和另一些状态是“相互矛盾”的,粒子不可能同时处于两种“矛盾”的状态之中。简而言之,就是说鱼和熊掌不可兼得,没有十全十美。这不是态度问题,不是能力问题,也不是技巧问题,而是量子的本性。当你看重动量时,粒子的位置就变得不确定。当你想要确定时间时,粒子的能量就说不清楚了。如果既要考虑这里,又要考虑那里,结果哪里都不可能无限精确。不如,就睁一只眼闭一只眼吧。

这就是说爱情不需要经营了吗?非也!这恰恰说明爱情非常需要经营。在量子爱动力学中,粒子之间的任何作用都可以看作一种量子测量。“你到底爱不爱我?”这就是一种测量。不确定性原理告诉我们有些东西不可能同时测量,因此,我们需要了解每一种测量的意义和可能造成的后果。量子测量本身也会干涉粒子的状态,影响粒子的演化轨迹。测量的结果究竟会是心口上一颗朱砂痣,还是墙头上一抹蚊子血?这是测量方和被测粒子共同作用的结果,一个巴掌可拍不响。请谨慎操作,三思后行。

既然量子爱动力学这么神奇,那它能解释断袖之情吗?不但能解释,还获了诺贝尔奖哩!《生活大爆炸》里的天才物理学家之所以叫谢尔顿?库珀,是为了向著名物理学家里昂?库珀致敬。库珀和另外两位物理学家巴丁、施里弗共同创立了描述低温超导现象的BCS理论,获得了1972年的诺贝尔物理学奖。这个理论说,当温度很低的时候,导体中两个同性的电子之间就会产生某种吸引力,于是导体的电阻几乎完全消失了。而同性电子的结合被称为:库珀对!

看吧,谢耳朵是对的!

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