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梅毒二期|波粒二象性:世界何以存在?

发布时间:2020/02/26

波粒二象性:世界何以存在?



牛牛手游网前面的课程里,我讲述了量子力学的世界观。这一讲,我们综合前面学到的知识,思考一个终极问题:世界何以存在?


我们先做个思想实验,假如这个宇宙是由一个神创造的,那这个宇宙的运行规则会是什么样呢?现在科学上已经证明了第一步,宇宙起源于一次大爆炸。


那么问题来了,只有大爆炸就够了吗?大爆炸炸出来的东西,就能自动变成我们的世界吗?显然不能。


你会发现,那个神要想创造这个世界,光创造大爆炸还不行。他还得创造一些别的东西才行。


现在量子力学给了一个答案,如果他要让我们的宇宙长成现在这个样子,他在那之前必须先创造波粒二象性,否则,这世界就成不了。


1 世界存在的必要条件:波粒二象性

为了理解这句话的意思,我要先说一说,世界存在的必要条件是什么。什么样的东西才能被称为“必要条件”呢?


这就好比下五子棋,不管你下的时候有什么战术,对方是怎么落子的,最终只要你能把五个同色的棋子连成一条线,那你就赢了。


“五个同色棋子连成一条线”这炸金花游戏大厅下载属于五子棋里的底层逻辑,有了它整个游戏才成立,这就是必要条件。


假如我写创世纪,我可能会写——


一个有物理博士学位的神,第一天先造出了波粒二象性,第二天造出基本粒子模型,第三天造出了大爆炸和万有引力,第四天造出暗物质,第五天造出暗能量。


有了这些,世界差不多就可以自己演变了。还有两天是休息日,这就是七天创造世界的故事。


我敢确定,从物理学的角度看,不管哪个神,要想创造世界,都要先创造波粒二象性。有了它,整个宇宙才成立。


为什么呢?假设这个神物理没学好,不知道需要先创造什么,他就一次一次做实验。


比如,他先造出了大爆炸,结果没注意,炸出来的正物质和反物质一样多,正负相抵,全都湮灭了。这个宇宙就空荡荡一片,不可能出现我们的世界。


第二次他吸取了教训,在大爆炸之前先找了一个合适的粒子模型,保证炸出来的东西不会正负相抵。结果这次,正物质倒是比反物质多,但是炸完以后,物质全是均匀分布的,不能凝聚在一起,形成恒星。


反复试了几次,他终于确信,实验失败,就是缺了一个必要条件,波粒二象性。接下来,我来为你从头捋一遍世界诞生的过程。


2 没有波粒二象性就没有我们的宇宙

在物质诞生之前,波粒二象性就起到关键作用,让宇宙一步一步向我们现在的样子走来。物理学家认为,在宇宙刚诞生10^-35秒的时候,宇宙中只有一种叫暴胀的能量形式,基本上没有我们现在的物质。


虽然我们还不确定暴胀到底是啥,但可以确定,它也是具有波粒二象性的。所以,暴胀的能量是有不确定性的,存在一定程度的波动。


后来,这种存在波动的能量转化成了物质粒子,让宇宙各处的粒子在一开始,就存在微小的不均匀性。再后来,在万有引力的作用下,密度大的地方渐渐聚集成了我们现在看到的星系和恒星。你看,原始的物质不均匀性,就是从波粒二象性来的。


但这,只是个开始。


接下来,没有波粒二象性,恒星就启动不了核反应。


我们就拿太阳来举例子。太阳核心的温度高达1500万度,氢原子核,也就是质子,会在这个温度下发生核聚变。这就是太阳持续发光发热的能源。


但我要告诉你,这个温度比核聚变的典型温度低了好几千倍。这就好比你想让铁,在零下两百多度的环境下化成铁水,简直是不可能的。那太阳为什么就能发生核反应呢?


因为波粒二象性,让质子可以利用量子隧穿效应,以非常小的概率进行核聚变。这个概率特别小,比你买彩票连中好几轮特等奖还要小。


别看这个概率小,它小得恰到好处。因为如果这个概率太大,太阳形成以后,可能只烧了1万年就烧完了。但你看现在,太阳已经稳定燃烧了50亿年,还能再烧几十亿年,就是因为这个概率小得恰到好处。


那宇宙只有星系和太阳就够了吗?不行,还得有行星。


要想形成固体行星,就得有很多种不同的化学元素,比如碳、氧、硅等等。但宇宙中原来没有这些元素,元素都是恒星通过核反应产生的,再在恒星爆炸时,抛向宇宙空间的。


地球在宇宙诞生后90多亿年形成。要想及时形成地球,就得让某些恒星的核反应快一些,早点儿把化学元素合成出来、抛出来。核反应怎样才能加快呢?


波粒二象性告诉我们,核聚变量子隧穿的概率,会随着温度的升高而急剧增大。


恒星的质量只要比太阳大2倍,核心温度稍微高一点儿,寿命就会降低到几亿年。相比于太阳百亿年的寿命,它算是能迅速把元素抛洒出来的恒星了。


当然,大质量恒星的核反应路径跟前面说的情况略有不同,但道理是一样的,不影响我们的理解。


到这里,我们从宇宙大爆炸一路讲过来,这些知识是哪里来的?大多都是通过恒星的光谱和微波背景辐射得到的。


别觉得这两个名词陌生,你只要记得,它们两个是我们认识宇宙的窗口。这两个窗口携带的信息,也离不开波粒二象性。


3 没有波粒二象性就没有生命

波粒二象性的贡献还远不止这些。即使有恒星,有核聚变,也不一定会有生命啊。人们常说“水是生命之源”,咱们就拿水来举例子。


水形成的条件其实特别苛刻。宇宙当中除了几千度就是零下两百多度,几千度太热了,水分子即便形成也会马上分解;零下两百多度又太冷了,氢和氧根本没机会发生化学反应,形成水。


那水是哪里来的?


多亏了波粒二象性导致的量子隧穿效应,氢和氧才能在零下两百多度的环境下发生化学反应。水是这样,甲醛等前生命分子也是这样形成的。


正是因为有了这些条件,生命才会在36亿年前,在地球的海底热泉口诞生。等一下,海底热泉口的热是从哪儿来的?


这是因为地球内部含有很多放射性元素,会通过放射性衰变向外释放热量,海底热泉口的热很大程度上就是从这儿来的。放射性元素释放能量,也是基于各种量子过程,比如量子隧穿、弱相互作用等等。


这些能量没有一下子释放光,而是持续释放了几十亿年,是因为波粒二象性导致的量子概率性。


产生生命的条件都凑齐了,而生命本身也因波粒二象性而诞生。


你看,生命的基础就是碳、氮、氧这三种元素。这三种元素会分别通过连接4个、3个和2个其他原子后,形成了蛋白质、DNA等复杂的生物分子。


但是为什么这三种原子恰好能连接4个、3个和2个其他原子呢?又是因为波粒二象性,这些原子的波函数算出来的就是这样的特性。


王立铭老师在他的课程里说,生命就是一场持续了40亿年的无可奈何。要我说,生命是一场延续了138亿年的幸运。因为以上任何一个环节出错,我们都不可能存在。


4 没有波粒二象性,就没有我们现代的生活

就算把时间推到现在,我们的现代生活,依然离不开波粒二象性。


我们用的手机、电脑和互联网,里面用到的晶体管、光纤、激光、硬盘,全都要用到波粒二象性。


我们去医院看病时,不用开刀就能知道身体内的情况,因为我们会用磁共振、X光片、PET/CT技术,这些技术也离不开波粒二象性。


我们想要污染更少,比如开发核能,研究太阳能电池,用LED灯代替白炽灯,这些技术同样离不开波粒二象性。


我们这个世界的各种衡量标准,衡量时间、衡量质量、衡量长度,这些国际标准的确定,都需要波粒二象性的帮忙。


有人开玩笑说,牛牛纸牌游戏遇事不决,量子力学。遇到难题解决不了了,别管是什么,就拿量子力学出来解释就对了。但如果抛开好莱坞编剧不靠谱的成分,这个思路其实是对的。


宇宙根本离不开波粒二象性,制造我们世界的造物主,手边的参考书可能真的是量子力学的课本。遇事不决,真的,量子力学。


最后给你留一个思考题:假如我们要制定一个中小学的科学课标准,其中包含量子力学的初步知识。你认为应该怎么排布课程的大致内容呢?说说你的思考。


我们说了这么多量子力学的知识,但还有一个问题没解决,就是我们应该如何对待这些知识?下一讲,我就带你跳出这个学科,站远一点,再来看看它。


——李剑龙《给忙碌者的量子力学课》