量子力学是人类科学发展史上的一座里程碑。但我们一般只听过量子力学这个词,对其内涵真正了解的人并不多。从本书标题能够看出,这是一本写给孩子的量子力学科普读物。而通篇读来,个人感觉这也是一本非常适合成年人阅读的入门读物。
在介绍量子世界之前,有必要先介绍一下经典世界。20世纪以前,我们对经典世界的认知主要来自于牛顿,在牛顿爵士的成名作《自然哲学的数学原理》中,他建立了一门全新的学科——经典力学,也叫牛顿力学。其核心是牛顿三定律和万有引力定律。
牛顿第一定律说的是如果没有外力,物体会一直保持他原有的运动状态。
牛顿第二定律说的是力能改变物体运动的速度。
牛顿第三定律说的是如果你对物体施加一个作用力,就会收到物体给你得一个大小相等、方向相反的反作用力。
而万有引力定律则说的是任何两个有质量的物体之剑都会存在一个彼此吸引的力,其大小与两个物体只俩个的乘积成正比,而与两个物体间距离的平方成反比。
这四条定律为我们揭示了生活中各种现象的成因。可以说在宏观世界里,我们的日常生活中,大到日月星辰,小到柴米油盐,全都可以用牛顿爵士发现的这几条定律来描述。
在这举个例子对经典力学做一个诠释:假设有一个茶杯,倒扣在桌子上,形成一个密闭的空间。然后,我们把目光聚焦在这一空间内的分子上(空间内存在大量分子),这个分子的运动轨迹在我们看来应该是无序的,我们无法判断他下一个时刻的位置。而现在我们假设有一台超级计算机,能够掌握并运算出所有分子的各种状态参数,那么根据牛顿的四个定律,只要计算机运算能力够,便能运算出某个分子下一个时间的位置和运动状态,同时也能推导出之前任何一个时刻该分子的位置和状态。
那么由此推广开来,我们整个世界未来某一时刻的运动状态也能通过一台具有超强运算能力的计算机,运用牛顿四个定律计算出来。做一个形象的比喻,我们整个宇宙,成为了一个超级复杂的机械,他的运动状态是可以预知的。这样便引出了另一个不可思议的问题,是不是我们经历的所有事都是注定的,不可改变的?在这一前提下,又可以推断出,我们人类根本就没有什么自由意志,一切都是早已注定的!是不是有点可怕呢?
而量子世界的发现,则完全打破的这一理念。1900年,普朗克有了一个惊人的发现,物体热辐射所发出的光,其能量并不是连续的,而是一份一份的,大小等于光的频率乘以一个很小的常数(普朗克常数)。而我们所说的“量子化”其实就是指这种物理量本身不连续、总是一份一份分布的特性。也就是说量子并不是一种物质,而是一种能量分布状态。所有遵从量子力学的东西都被叫做量子。之后,爱因斯坦发现了光子和光电效应,海森堡在1927年发现了量子力学的不确定性原理。自此,量子力学的大门真正朝我们打开。那么不确定性原理到底指什么呢?是指原子及更小单位粒子的位置和速度不可能被同时测准,因此无法精确地算出他未来的运动情况。事实上,微观粒子根本没有确定的运动轨道,而是像云雾似地弥散在很多地方。当一个原字处于一个简单的原子状态时,他是不确定的。但如果一个原子成长成一个很大的分子,那他就变成了一个经典的物体,就确定了,这也解释了经典世界的物质为什么不会突然坍塌和爆炸的原因。
量子力学诞生以来,已经为人类作出了巨大的贡献,比如半导体二极管和三极管的发明,直接促成了集成电路那只计算机也的发展,这给人类科技指数级发展速度,提供了坚实的基础。但任何一个事物的发展都有其临界点和瓶颈。有专家预计,到2030年,摩尔定律将失效,因为那时的晶体管会小到原子级别,而到了那个级别,不确定性原理将取代我们经典世界的牛顿定律,从而无法得出确切的结果。而那时,量子计算机将是一个发展趋势,不过,其中的路还很漫长。
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