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给孩子的另类科普:光子的旅行路径和量子世界真相

时间:2023-08-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:光子的真实旅行路径就是所有可能性的合集。外婆离开后的日子里,我比以往任何时刻都更渴望触碰那幅永不眠休的太空图景。光子电子都是量子家族的成员[2],我们一直误解了光子在气层中运动的路径,也误解了这个看似客观的世界被显影的真正的方式。作为一个彻头彻尾的无神论者,休·埃弗里特三世最终吩咐家人将他的遗体丢入垃圾桶,而他的女儿也在临终前提出了相同的要求,理由是“以便在合适的平行世界再次与父亲相会”。

给孩子的另类科普:光子的旅行路径和量子世界真相

量子计算:概率世界的迷宫

本单元由腾讯量子实验室张胜誉审读。

张胜誉,腾讯杰出科学家,腾讯量子实验室负责人。博士毕业于普林斯顿大学计算机系,师从2000年图灵奖得主姚期智

我一直在想,这场意义非凡的旅行到底会在何处结束。最后我走到了南半球,看到南十字星湿漉漉地垂挂于南天。一颗橙色的火流星划过,擦亮了夜空中孤独的火种。

第二天,我和几个互不相识的人结伴穿过卡塔丘塔附近的一片沙漠越野车在一成不变的沙径上疾驰。司机将窗帘摇下来,用以阻挡滚滚热雾。车上的人都昏昏欲睡。我坐在最后一排,透过缝隙,打量窗外朦朦胧胧的景象:由光线勾勒出的这片沙漠的腹心地带。

晌午时分,一道明亮而狭长的反光镶嵌在地平线上,像是谁在那里丢弃了一张巨大的玻璃糖纸。它仿佛正在无穷无尽地延展,几座乳房形状的沙丘点缀其上。这幅颤动的画面可能来自一面平坦如镜的湖泊,我不禁赞叹大自然的手笔。

“伙计们都醒醒,往右窗看,那是什么?”司机操着浓重的澳洲口音,抑扬顿挫地喊道。

“一片绿洲!”一个美国人抢话。其他人也像我一样,猜测那很可能是一面沙湖。

“这儿可没湖,我一周都要开上好几回,相信我,这儿什么都没有。”

“所以是海市蜃楼吗?”有人大声问。

“说得没错,你们看到的湖不在那儿,你们看到的也不是湖。”踩下刹车,司机将车停到了矮灌木丛边。

这是我第一次见到真正的海市蜃楼。原来那片看起来真切的水光只是一种光学上的偶然。“湖心”耸立的“岛礁”也在别处,只是在此时此地落入了我的眼底。

很显然,我们看到的一切都是拜“光”所赐。光子抵达了什么,反射了什么,我们便看见什么。常识似乎有助于我轻而易举地弄清楚那到底是一幅什么样的奇观:烈日炙烤下,沙漠表面的气层急剧升温,比上方的气层热得多;炽热地带,空气的微粒总会排列得更加疏松,为了散热似的。当光子逃离太阳的熔炉,穿过密度均匀的物质时,就会沿着直线的形态行进,方向始终如一,所以它通常反射摆在眼前的物体表面的光,我们才总是能够看到视野前方的景象……(www.xing528.com)

而当沙漠的表面和上空已被热魔切割成空气密度不同的两个空间,试图穿越的光子转了个弯,被别处物体的表面阻挡,悻悻而归,于是被它显影的物体并不真的列阵于眼前,而是一种来自别处的错觉……

这是一个多么顺理成章的解释!过去的书本和直觉都是这么告诉我的。直到有一天,我认识了一位叫休·埃弗里特三世(Hugh Everett III,1930—1982)的量子物理学家

这个生吃汉堡、一天抽三包烟、像鱼一样豪饮[1]的独行侠,虽然没能打理好个人健康,却为世人留下了关于平行世界的学术遗产

按照他的看法,光子朝着任何方向移动所照亮的世界皆同时、同等存在。当我们试图去看的刹那,已经分裂出无数个世界,包含蜃景的世界只是其中一个。光子的真实旅行路径就是所有可能性的合集。

休·埃弗里特三世怪诞不羁的观点引发了流行文化的狂欢,但他本人其实拿到了普林斯顿大学物理学博士的正经学位,毕业后一直在五角大楼研究核武器

外婆离开后的日子里,我比以往任何时刻都更渴望触碰那幅永不眠休的太空图景。我迫不及待地想要确认自己在哪里活过,又将眠梦于何乡——即便这种新的学习和发现有些舍近求远,因为它让世界的组织方式重新变得混沌。

我花了很长时间才消化量子力学所揭示的世界的真相。光子电子都是量子家族的成员[2],我们一直误解了光子在气层中运动的路径,也误解了这个看似客观的世界被显影的真正的方式。也就是说,以上关于海市蜃楼的传统解释其实是错的。

我知道,你很可能已经陷入了一片认知的困境。因为你在天空中可以看到乌云,判断很快会有一场降雨;在月亮上捕捉到晕影,知道第二天可能会刮风。这些蛛丝马迹会让你推理出世界的脉络,你却没有办法剖开一只苹果,看到一个活跃着量子的横截面

我们对于那个位于底层的微小世界一无所知,而它们的表现也将完全背叛直觉。当你有勇气进入这片神秘地带,你的至爱之人不是可能复活,而是尚未逝去。他们继续欢笑、流泪,拥有和失去爱,日常地存在于一个此在的你无法触及的世界。

作为一个彻头彻尾的无神论者,休·埃弗里特三世最终吩咐家人将他的遗体丢入垃圾桶,而他的女儿也在临终前提出了相同的要求,理由是“以便在合适的平行世界再次与父亲相会”。

[1] Drink like a fish,谚语,指大口呼吸氧气似的喝酒。

[2] 量子一词来自拉丁语quantum,意为“有多少”,代表“相当数量的某物质”。在物理学中用到的量子概念指的是一个不可分割的基本个体,例如“光的量子”是光的单位。

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