戏说量子与相对论之纠缠

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<<戏说量子与相对论之纠缠>>---量子力学与相对论的双赢及它们之间的纠葛
     [提示：阅读中看起来觉得生涩的词句直接绕过，不会影响阅读]
        一、量子力学简介
       现如今，“量子”成了热词。那么，到底什么是量子呢？可以肯定地说，很多人都是知其一而不知其二，而知其三其四的就谈都不谈了，当然是少之又少。尽管如此，但它不影响我们悠哉悠哉地过日子。嘻嘻。而至于社会上 一时间出现大量量子产品（其中最多的是化妆品），只能沦为笑谈耶。                                      大众为了说起来方便，一般都把量子力学四个字口语化，简称：量子。
      量子，是现代物理学的重要概念。其定义：一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，同时把最小单位称为量子。比如，最容易让大众所熟知的就是电子、光子。     

     量子力学发展初期，是探讨某一个事情发生的可能性的，比如，把一枚硬币向上抛，那么，落地的时候，它不是正面就是反面朝上，即出现正反面的可能性各占50%。说到底就是讨论概率。随后这一规则对解释原子核周围的电子的分布，有极好的说服力，等等。当前，量子力学在微观世界，对微观粒子的解释符合得很好，而且精准。同时量子力学对强子对撞机、芯片、量子通讯、量子计算机等领域的应用以及发展，有着超越的领跑作用。
     量子力学中有一个很特别的术语，叫量子纠缠：两个互相纠缠的粒子，无论相距多远，一个粒子的行为必定影响另一个粒子的状态。譬如说，假如一颗粒子是顺时针旋转，那它的超对称粒子一定是逆时针旋转。而且是超距离同时发生状态变化的。量子通讯就是应用这一原理进行深入研发的，它同时有超高的保密性。正在研发的量子计算机就不言而喻了，是吧。
      量子力学还有一个不确定性原理：同时获知粒子“位置”和“动量”的精确度存在极限，要精确获知粒子的位置，就无法精确得出其动量，反之亦然。而且测量行为会影响量子态，造成被测量的量子态坍缩---测不准原理。这些让人琢磨不透的奇葩现象，就是搞量子力学研究的大佬们静下来的时候，也叫苦不迭，你说是不是有点玄？
     上世纪初， 普朗克提出量子化假说、1905年，爱因斯坦提出“光量子”解释光电效应、1913年，波尔利用量子假说解释原子特性、之后，海森伯创立矩阵力学、薛定谔创立波动力学、狄拉克提出量子电动力学等，逐步建立起完整的量子力学理论。
总之，量子力学对微观世界的阐述一搞一个准。
     二、相对论简介
    相对论自1905年创立以来，对宏观世界物理规律的描摹几乎100%到位，一个多世纪以来，几十项天文学的诺贝尔奖无一不用相对论作为指导，它的前瞻性是无与伦比的，也是一抓一个准。比如：根据质能方程制造原子弹氢弹、恒星演化理论、强引力场光线弯曲、时间空间具有弹性、宇宙有中子星、黑洞、引力波、暗物质等等。总之，相对论对宏观世界的描述，一直站在现代物理学巅峰的制高点，指点宇宙，无所不为，获得前所未有的巨大成功。
    世界犹如万花筒，物理世界精彩多多。相对论公式明确解出说，宇宙中可能存在黑洞这一怪物、宇宙不是静态稳恒的而是在不断膨胀的！爱爷爷有一段时期，下死力要消除这两个不可思议的结论，以说服自己，再去说服喜欢他爱他的大众，于是乎，他在自己心爱的方程式中硬添了一个常数加以平衡。事后大量天文观测表明：他原公式是对的。直到晚年，他才在哈勃常数面前服软，因为哈勃观测数据确凿无疑认定相对论公式是符合宇宙学原理的，犟不过事实，爱老头这才不得不承认宇宙是动态的，可心里还是有些不服气。至于黑洞这一当时没捕捉到的天文猎物，估摸他是带着遗恨终天的。
     这里要特别提一下的是，爱因斯坦获诺贝尔奖，不是他的相对论，而是他对量子力学光量子理论作    出的阐释。就是说他对早期量子力学作出了特殊贡献。
      三、爱氏与波尔的世纪之辩
     爱因斯坦可谓是相对论的君王，而波尔是量子力学的当仁首相，他俩是学术界绝佳友人，私下他们来往密切，可谓超级脑瓜碰碰撞。他们经常展开学术讨论，有两人小范围的，有多人的，更有大会大课堂的。
     尽管爱因斯坦对量子力学作出了有力贡献，然而他很是不喜欢量子力学中的“不确定性”，他坚守物理学的因果律、决定论的阵地。而波尔则利用不确定性为原子核内部的特性作出了全新诠释，并取得大量成果。比如说，光即有波的特性，同时也有粒子的特性，称为“波粒二象性”，这一特性用相对论解释不透，爱老头没辙摇头。在这风口浪尖上，量子力学能把波粒二象性说得通通透透，实实在在的稍逊一筹。针对“不确定性”，爱因斯坦坚持自己的观点，用“上帝不掷骰子”反驳波尔的量子力学观点，强力认定量子力学的基本理念有缺陷。于是两人搞了6次公开辩论。爱因斯坦用了大量思维实验以图驳倒波尔的“非决定论”。但遗憾的是：爱老头最终没能战胜量子力学在微观世界全新的认识论。在量子力学这一全新领域，爱老头的决定论暗然撤下神坛，有落败的阴影。
     四、相对论、量子力学在物理学领域是双赢的
     已经强调过，相对论在宇宙宏观领域取得骄人成功，而量子力学在微观小世界令人翘首。它们在两个极端都是成绩蜚然。两个理论谁都不能说对方错了。
     所以爱氏与波尔争辩归争辩，并不影响俩老头在物理学中的权威地位。与此同时，俩老头的争辩，看似爱氏落败，但他的思辩艺术，毫无疑问地启迪了后人，同时让后继者开创出了新的专业议题，这才是爱氏的过人之处。这个可爱的爱老头。
     五、如何将两个伟大理论融合在一起，是物理学承前启后的使命
    两个这么了不起的理论，要是把它们捏在一起，不就成了，不就万事胜意了？呵呵，这种做法看似简单，实则不然啰。
    比如，在相对论公式的推演和求解中，经常出现“无穷大∞”的问题，而在把量子力学与相对论相结合的过程中，又经常出现“无穷小1/∞”的麻烦，这让理论物理学家们大为光火。其中，黑洞里的“奇点”，最具代表性。奇点是说，这个点无穷小，但它密度又无穷大，你说是不是让人匪夷所思？因为，不管是在数学上还是在物理学中，无穷大无穷小在数字显示上和计算上“没意义”，你说烦不烦心，且总让人无所适从。也就是说，这两个非常成功的理论，要想把它们凑到一起，总是有点“水火不相容”。
怎么办？好在呀，总有一些超级脑瓜会迎难向前。其中霍金就是非常具有代表性的一位。他开创性地说：黑洞有辐射。当然他这一论据，是用量子力学与相对论初步结合所得出的结果。其数学推导可说是繁琐到了极点，常人看了只会头疼抓瞎。
    目前，想把两个理论拿捏在一起的还有那么几个理论。其中一个是“超弦理论”，另一个是“圈量子引力理论”在领跑。它们都是意在找出一个“量子引力理论”。即以图把量子力学与相对论结合起来，里面即有相对论的精华又有量子力学的通论，其物理数学公式相互交叠，麻麻串串，只有精心抽丝剥茧才能获得一丝收获。这一宏伟蓝图要变为现实，我们只能拭目以待了……

奇遇

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