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现代物理学7大经典问题,你能理解几个?或许一个都不能理解
2019-11-27 08:03

相对论

我们处在一个什么样的世界中?

相对论是物理学中两大著名理论之一,两者都是阿尔伯特·爱因斯坦提出的。1905年爱因斯坦出版了狭义相对论,后者确定最终宇宙速度极限:光速。并称时间因某物体移动的速度而实现加速或者减慢。

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1916年爱因斯坦提出了更广阔的广义相对论。这个理论建立在狭义相对论之上,主要解决重力的问题,重新定义我们对重力的理解——通过大质量天体而造成的时空扭曲。

这个问题古今中外的哲人和科学家苦苦探寻,至今还没有确定答案。今天的现代人如果还不了解相对论和量子力学,那他至少可以说与现代世界脱钩了,因为我们现在所享有的互联网、高速通信、人工智能、基因技术以及其它诸如航天航空、深海探索,甚至包括大规模杀伤性武器核弹,所有这一切,无不是在相对论和量子力学的基础研究上发展起来的。

广义相对论最准确的描述了整个宇宙中的星系和星系集群的运动。它还预测了奇怪物体的存在,比如黑洞以及引力透镜效应的现象,后者是指光在经过弯曲的时空中会发生弯曲。比如图中显示的星系群阿贝尔1689,因我们所观测到的引力透镜效应而闻名。

因此我们每个现代人很有必要科普一下,从而更深刻理解我们的生存世界。

量子力学

相对论与量子力学一起被认为是现代物理学的两大基本支柱。

量子力学是非常小的领域——亚原子粒子中的主要物理学理论。该理论形成于20世纪早期,彻底改变了科学家对物质组成成分的观点。在量子世界,粒子并非是台球,而是嗡嗡跳跃的概率云,它们并不只存在一个位置,也不会从点A通过一条单一路径到达点B。根据量子理论,粒子的行为常常像波,用于描述粒子行为的“波函数”预测一个粒子可能的特性,诸如它的位置和速度,而非实际的特性。物理学中有些怪异的想法,诸如纠缠和不确定性原理,就源于量子力学。

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弦理论

永信贵宾会,爱因斯坦的相对论,将我们的从牛顿的经典物理世界中解放出来,他描绘了一个空间、时间都可变的世界,物质和能量可以互相转化,即著名的质能方程:E=mc,原子弹由此被制造出来,从此改变了世界战争与和平的格局。爱因斯坦通过严格的证明揭示了:引力事由空间扭曲产生的,而空间之所以会扭曲,是因为有大质量的物体的存在,比如恒星、黑洞。

弦理论(以及它的升级版超弦理论)认为所有的亚原子粒子都并非是小点,而是类似于橡皮筋的弦。粒子类型的唯一区别在于弦振动的频率差异。弦理论主要试图解决表面上的不兼容的两个主要物理学理论——量子力学和广义相对论——并欲创造的描述整个宇宙的“万物理论”。然而这项理论非常难测试,并需要对我们目前描绘的宇宙进行一些调整,也即宇宙一定存在比我们所知的四维空间更多的时空维度。科学家认为这些隐藏的维度可能卷起到非常小以至于我们没有发现它们。

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奇点

量子力学由普朗克研究黑体辐射时提出,后经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、薛定谔、海森堡、泡利、玻恩、狄拉克等人不断完善,今天量子力学彻底改变了人们对物质组成成分的认识。微观世界里,粒子不是球,而是不断跳跃的概率云,它们不只存在一个位置,这些粒子的行为更像是一种“波”。

奇点是指时空开始无限弯曲的那一个点。科学家认为奇点存在于黑洞中央,一个奇点可能自宇宙大爆炸起宇宙如何开始的起点。比如,在黑洞内部,所有恒星的质量都在狭小的空间内压缩,甚至可能成为一个单一的点。当代物理学理论认为这个点是无限密集,尽管科学家认为它是因广义相对论和量子力学的不一致而导致物理学崩溃的产物。事实上,科学家怀疑奇点是非常密集,但并非无限密集。

量子力学与经典力学的一个主要区别

不确定性原理

在经典力学中,一个物理系统的位置和动量,可以无限精确地被确定和被预言。至少在理论上,测量对这个系统本身,并没有任何影响,并可以无限精确地进行。在量子力学中,测量过程本身对系统造成影响。

德国物理学家海森堡1927年提出的不确定性原理是量子力学的产物。这项原则陈述了精确确定一个粒子,例如原子周围的电子的位置和动量是有限制。这个不确定性来自两个因素。首先测量某东西的行为将会不可避免地扰乱那个事物,从而改变它的状态。其次,因为量子世界不是具体的,但基于概率,精确确定一个粒子状态存在更深刻更根本的限制。

不确定性原理

薛定谔的猫

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“薛定谔的猫”是由奥地利物理学家薛定谔于1935年提出的理想实验的名字,它描述了量子力学的真相:粒子的某些特性无法确定,直到测量外力迫使它们选择。整个实验是这样进行的:在一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。在一小时内,大约有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,剩下50%的概率是放射性物质不会衰变而猫将活下来。

海森堡在1927年首次提出:一个微观粒子的某些物理量(如位置和动量,或方位角与动量矩,还有时间和能量等),不可能同时具有确定的数值,其中一个量越确定,另一个量的不确定程度就越大。

根据经典物理学,在盒子里必将发生这两个结果之一,而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。但在量子力学的怪异世界里,猫到底是死是活都必须在盒子打开后,外部观测者“测量”具体情形才能知晓。当盒子处于关闭状态,整个系统则一直保持不确定性的状态,猫既是死的也是活的。这项实验旨在论证怪异的量子力学,当它从粒子扩大宏观物体,诸如猫,听起来非常荒谬。

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量子纠缠

概率主导的世界

纠缠是关于量子力学理论最著名的预测。它描述了两个粒子互相纠缠,即使相距遥远距离,一个粒子的行为将会影响另一个的状态。当其中一颗被操作而状态发生变化,另一颗也会即刻发生相应的状态变化。

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阿尔伯特·爱因斯坦将量子纠缠称为“鬼魅似的远距作用”(spooky action at a distance)。但这并不仅仅是个诡异的预测,而是已经在实验中获得的现象,比如科学家通过向两个处于室温的纠缠的小钻石发射激光。科学家希望未来能够建造量子计算机,利用粒子纠缠进行超高速计算。

在经典力学中,每个粒子的位置和动量,全部是完全可知的,它们的轨迹可以被预言。通过测量,可以确定每一个粒子。在量子力学中,每个粒子的位置和动量是由波函数表达,因此,当几个粒子的波函数互相重叠时,给每个粒子“挂上一个标签”的做法失去了其意义。

量子纠缠

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纠缠的粒子有惊人的特性,这些特性违背一般的直觉。比如说,对一个粒子的测量,可以导致整个系统的波包立刻塌缩,因此也影响到另一个、遥远的、与被测量的粒子纠缠的粒子。

微观量子到宏观宇宙

1954年,爱因斯坦在给马克斯·波恩的信中,提出了怎样从量子力学的角度,来解释宏观物体的定位的问题。

这个问题的另一个例子是薛定谔的猫的思想实验。

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