世界是物质的吗?——量子力学带来的思考

量子是相互作用的物理實體的最小量。不同於組成物質的不可再分的最小實體粒子(particle),量子(quantum)是不可再分最小的能量單位。也就是說,原子、電子、夸克這些都是粒子而不是量子。

最小能量單位在微觀世界是不連續的離散值,比如光子是量子化的,原子裡的電子也是量子化的。這說明世界是不連續的存在。

世界是不連續的存在,意味著世界就像連續圖像組成的動畫片。在這部動畫片裡,人眼能看到的範圍,是波長大約在380至780奈米之間的電磁波,這就是光。比光頻率更高的紫外線,和比光更低的紅外線、無線電波是肉眼看不見的電磁波。這就是說,人眼能看到的是非常有限的一個頻段,大部分的世界人眼不可見。

不同於經典力學對波和粒子的截然區分,在微觀的量子世界裡,光不僅表現為電磁波,也有粒子特徵,相應的,電子不僅表現為粒子,也有波的特徵,這就是波粒二象性。

至於是波還是粒子,取決於是不是在觀察它。當我們不進行觀察時,電子具有波動性,一旦展開觀察,這個電子便呈現出具有確定位置的粒子性。

在不觀察時,由於電子沒有確定的位置,電子便是在各種位置的疊加狀態,這就是量子力學的疊加態。

而觀察時就有一個光子撞擊了這個電子,使得這個電子退出了疊加狀態,這被稱為波函數坍縮;隨後電子表現為具有確定位置的粒子狀態,於是可以從量子力學轉變為經典力學解釋的範疇,這就是量子退相干。

由於量子疊加態和波函數坍縮,粒子的位置與動量不可同時被確定,位置的不確定性越小,則動量的不確定性越大,反之亦然,這就是不確定性原理。

宇宙中的每一個物體在可測量尺度上都表現出波態行為。 因此,從粒子到原子,直到行星,都受不確定原理的影響。不確定性是粒子的內在秉性,即波粒二象性。

一組粒子在彼此相互作用後,各個粒子的量子態就無法獨立於其他粒子單獨描述,即使相距非常遙遠。這就是量子糾纏。

量子糾纏是超光速的瞬時相關,這突破了因果律的局部性原則——某一點發生的事件不能導致另一點同時發生結果。這在經典力學中是不存在的特徵,由此成為經典力學和量子力學之間的核心差異。

以上就是波粒二象性,疊加態,不確定性原理,量子糾纏,波函數坍縮,量子退相干這些在量子世界裡聽起來很晦澀概念的簡單解讀。如果加上各種數學公式的論證和細化,就是量子力學。

愛因斯坦確信上帝是不擲骰子的,量子理論裡的不確定性是因為存在未被發現的隱含變量,並據此推斷量子力學並不完備。

波粒二象性解釋這個世界可以是波,也可以是粒子。不去觀察的時候是波,觀察後就成了粒子。也就是當我們跟物理世界互動的時候,就有了物理實在。

那麼沒有人與客觀世界互動的波是世界的本相,還是通過觀察互動後的粒子是世界的本相呢?顯然,波是世界本相更符合邏輯。

所以,這個世界是由波組成的。

波是由一份一份不連續的(離散)能量小包,也就是量子組成的。根據愛因斯坦的質能等價方程(mass-energy equivalence)E = mc²,物質和能量是同一個概念,凡是有能量的,都有質量。

光有沒有質量呢?光也是有質量的,原來以為光子的靜態質量為0,現在發現光子也可以有不高於上限的質量。

根據量子理論,基本可以推斷世界是由不連續的波,也就是一幀一幀的連續畫面組成的,那麼我們可以想到什麼來類比這個鮮活的世界呢?那就是三維的電影或電子遊戲。「一切有為法,如夢幻泡影,如露亦如電,應作如是觀」,金剛經說的就是這麼回事兒。

但電影裡的物體沒有質量啊?質量又是怎麼來的?

每种基本粒子(particle)都对应着一种量子场(Quantum Field),基本粒子是量子场受到激发而产生的。真空中原本光速前進無質量的基本粒子(波),遇到了一個在真空中場強度唯一不為零的希格斯量子場,受其影響而減慢速度,於是包括光子在內無質量的波(粒子)就獲得了質量。這個過程就是希格斯機制。

希格斯粒子是希格斯場的量子激發,由於它賦予了其他粒子質量,也被稱為「上帝粒子」。

可以說,沒有希格斯粒子,真空中以光速前進的各種波都沒有質量,也不會有波函數坍縮的粒子世界,更沒有今天的這個乍看起來實實在在的大千世界,你和我都不存在。

問題是有了希格斯粒子,我們就真的存在了嗎?神學的實證是科學,科學的起點是神學,盡頭還是神學。

神說,「要有光」,就有了光。

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