卡罗·罗维利 (Carlo Rovelli) 的黑尔戈兰 (Helgoland)

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理解量子革命

Helgoland by Carlo Rovelli

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黑尔戈兰小说的情节是什么?

关于量子物理学的梦幻而抒情的研究,Helgoland (2021) 设定在 2021 年。这本小书中描述的奇怪的亚原子宇宙是一个无法完全确定的宇宙。< /p>

阅读黑尔戈兰小说的是谁?

  • 对科学史感兴趣但不是专业人士的物理学家
  • 有抱负的心理学家,想要更多地了解原子的奇怪世界
  • 任何有兴趣以超现实主义视角看待现实的人

Carlo Rovelli 是谁,他的背景是什么?

物理学家 Carlo Rovelli 是法国马赛理论物理中心量子引力研究小组的负责人,他是一名理论物理学家。他的许多著作,如《物理学七课》、《现实并非表面所见》和《时间的顺序》,都在各自的物理学领域畅销。

对我来说到底是什么?了解量子物理学的最新发展。

维尔纳·海森堡在 1925 年夏天忍不住打喷嚏,这恰好是过敏季节。这位 23 岁的科学家逃到北海的一个小石岛黑尔戈兰岛,以缓解他的花粉症症状。他在这里开始仔细思考原子,终于可以深呼吸。他的发现将对物理学和我们对现实的理解产生深远的影响。这些笔记基于物理学家 Carlo Rovelli 出色的故事讲述,讲述了科学家如何发现和发现量子力学的有趣故事。当您通读本书时,您将了解到海森堡的想法告诉我们关于亚原子粒子奇异而自相矛盾的世界的内容,并且您将看到他的发现如何揭示今天继续使科学家感到困惑的问题。了解花粉症如何帮助科学家发现量子物理学,当事物实际上不是物体时,以及为什么在这些笔记集中不需要多元宇宙。

海森堡是一个新的复杂研究领域(称为量子物理学)诞生的催化剂。

在 20 世纪初期成为一名年轻、雄心勃勃的科学家是一个令人兴奋的时刻。丹麦物理学家尼尔斯·玻尔 (Niels Bohr) 发现了一种奇怪的现象,几十年来一直困扰着科学家。他发现,当加热时,原子会以它们独有的特定频率产生光。这些模式表明电子,即围绕原子核旋转的微小亚原子粒子,仅在距原子核一定距离处运行。海森堡对为什么会发生这种情况感到困惑。为什么电子应该被限制在某些轨道配置中?如果不需要,他们为什么要以特定的可测量方式在轨道之间跳跃?从本质上讲,他想更好地了解量子跳跃的物理学。从中吸取的最重要的教训是:海森堡是一个新的复杂研究领域(称为量子物理学)诞生的催化剂。

这是一个两难选择,因为当时的科学家无法理解电子轨道或这些轨道之间发生的量子跃迁。离散数用于解释经典物理学中粒子的运动。这些数字用于表示位置、速度和能量等变量。然而,事实证明在电子的情况下不可能建立这些因素。当电子在轨道之间跳跃时,科学家们只能看到这些变量的变化,因此限制了他们的观察。为了避免这个难题,海森堡专注于可以看到的东西,即这些量子跳跃期间发出的光的频率和幅度。世界上可能发生的变化。然而,虽然算术非常复杂,但结果正是玻尔所看到的。

另一位科学家 Erwin Schrödinger 采用了一种与其他人略有不同的方法。他相信电子不仅仅是围绕原子核运行的粒子集合,而是围绕原子核传播的电磁波。他还能够通过使用更直接的波动方程数学来精确匹配玻尔的发现。然而,有一个障碍。波是漫射的,但是当检测器检测到电子时,它们是明确定义的点或粒子,而不是波。

我们如何协调这些明显矛盾的模型,尽管它们明显不兼容,但提供了相同的结果?第三位思想家 Max Born 能够提供解决方案。他声称,薛定谔的波计算比海森堡的矩阵计算对电子测量的结果提供了更好的解释,海森堡的矩阵计算恰好提供了进行此类观察的机会。在这个新的量子物理学中,电子似乎以某种方式以波的形式存在,直到被外部观察者看到。然后他们停在一个地方。这导致了一个新的、令人困惑的问题:为什么会发生这种情况?

由于它们的存在,叠加提出了关于现实本质的具有挑战性的问题。

有一个著名的思想实验,它以一种直截了当的方式解释了量子物理学令人困惑的领域。它的特点是一个盒子里有一只猫,上面附有一个奇怪的小工具。激活后,它会释放出一种强效镇静剂,有助于使该生物进入睡眠状态。让我们假设小工具仅在某个量子事件发生时才被激活,例如原子的解体。此外,让我们假设薛定谔方程预测该事件将在任何给定时刻发生,几率为二分之一。因此,在我们打开盒子之前,我们不会知道事件是否发生了。这只猫似乎同时在睡觉和警觉。

这被称为量子叠加,当两个相互冲突的特性同时存在于同一物理空间时就会发生。因为这是一个众所周知的难以理解的概念,物理学家和哲学家花了几十年的时间才对它的工作原理提出令人满意的解释。从中吸取的最重要的教训是:由于它们的存在,叠加会引发有关现实本质的具有挑战性的问题。它被称为薛定谔的猫,它揭示了量子物理学最基本的奥秘之一。尽管叠加似乎是不可能的,但科学家们已经证明它们确实存在。例如,单个光子看起来好像沿着两条完全不同的路径传播!关于这个奇异的现实,有多种相互竞争的理论,通常称为解释。

多个宇宙的想法是一种可能的解释。在这个模型中,猫既睡又醒的概念得到了合乎逻辑的结论。因此,由于触发发生的几率是二分之一,因此两个事件都会发生,尽管在不同的时间范围内,如上所示。作为观察者,你也生活在这些其他时间线中的每一个。事实上,由于存在无限数量的量子事件,因此有无限数量的时间线或宇宙需要考虑。

隐变量假说是一种对立的解释,它通过将薛定谔波与量子粒子本身区分开来避免了无限宇宙的存在根据这个理论,薛定谔所表明的概率以我们所做的真实方式存在尚未理解,尽管可见的物理世界只有一种形式。因此,即使我们只观察到一只醒着的猫,在我们的现实中也存在着一只睡着的猫的可能性。

然而,还有第三种解释,称为量子贝叶斯主义或 QBism,这是完全不同的。根据这个理论,叠加和薛定谔的概率只不过是信息,而这些信息只是部分完整的。当观察者打开盒子并查看猫时,他们对情况有了更多的了解。以这种方式,观察者通过观察他周围的世界一点一点地创造现实。然而,这首先回避了观察者是谁的问题。

关系式解释描绘了一个一切都在不断变化的宇宙。

根据外行人对量子物理学的理解,量子叠加会一直存在,直到观察者介入并确定真正发生了什么。结果,一个电子在不确定的概率云中嗖嗖嗖嗖,直到科学家带着电子探测器过来,并通过观察确定电子的真正位置。但是,是什么让他如此独特的科学家呢?她身上有什么东西赋予她具有特殊权利的观察员的地位吗?她的实验室外套,她先进的技术设备,或者她作为一个有感知能力的生物的存在,具有观察、思考和意识的能力,都是她成功的因素。事实是这些东西都不存在。在量子理论的关系解释下,观察不包括这个词的常规含义中的观察。实际上,每一种交互都可以被视为一种观察。

这里最重要的一课是关系解释描绘了一个一切都在不断变化的世界。谈到量子理论时,将其称为“观察”有点用词不当。物理学的自然世界与从外部观察这个世界的特定主体(通常是人类)之间存在区别。另一方面,量子物理学的关系解释消除了这种差异。根据这个概念,宇宙中的每一个实体既是观察者又是观察者,既被观察又被观察。

宇宙充满了令人难以置信的各种物体,从光子或光粒子、彩虹到猫、时钟和星系等等。这些通常被称为物理系统的实体都不能存在于真空中。他们不断地相互交流。而且,实际上,是物理系统之间的各种相互作用决定了它们的特性。如果某物与其他事物没有任何交互作用,那么它就没有任何意义。

通过这种方式,通常称为信息的所有物理特性都链接在一起。也就是说,它们总是在不断变化,根据情况出现和消失。这是我们已经知道在某些方面是正确的。只有通过检查两件事之间的关系才能发现诸如速度之类的品质。当您在船上行走时,您的速度会有所不同,具体取决于您是参照船的甲板还是海面进行测量。

把世界想象成一个无限的关系网络,创造属性似乎不是革命性的,但它确实是。让我们回到薛定谔的猫的故事。当在盒子里时,猫要么睡着要么醒着,这取决于它与扳机的距离,然而,从外面看,猫似乎两者都不是。这两种说法都是正确的,因为如前所述,不同的关系会导致不同的现实。重要的是当时正在检查的任何关系事件或参考框架。

关系模型简化了量子纠缠的过程并消除了它的神秘感。

考虑两个处于量子叠加态的光子,它们同时是红色和蓝色。除非我们进行观察,否则我们无法确定两者的确定条件,除非我们进行观察,否则我们无法确定薛定谔猫的确定状态。尽管如此,由于每个光子都有两种可能的结果,因此每种颜色在被看到时都有 50% 的概率出现。将这些光子中的一个发送到维也纳,将另一个发送到北京,看看情况如何。如果我们看一看维也纳光子,我们会发现它要么呈现红色,要么呈现蓝色。为了这个例子,让我们假设它是红色。现在,当我们看到北京光子时,应该是被观测到的维也纳光子持续时间的一半左右。

然而,这就是事情开始变得奇怪的时候。如果维也纳光子是红色的,那么无论情况如何,北京光子也将永远是红色的。量子纠缠是这种看似神奇的联系的名字。从中吸取的最重要的教训是:关系模型简化了量子纠缠的过程并消除了它的神秘感。量子纠缠是物理学领域有史以来最不寻常的现象之一。尽管两个光子纠缠在一起,但即使它们相隔很远,它们的特性也相关或匹配。当然,一副红色手套同样与空间相关——即使相隔很远,它们仍保持相同的颜色。然而,在它们被看到之前,一对红蓝叠加的光子既不是红色也不是蓝色。那么,一个人如何才能与另一个人竞争?

毕竟,第一个光子或许能够以某种方式与第二个进行通信。尽管如此,尽管信号必须以超过光速的速度传播,但还是在长距离内检测到了纠缠。或者,这对夫妇可能会在分开之前确定一种色调。此外,一组被称为贝尔不等式的复杂方程也排除了这一理论。那么,在这种情况下到底发生了什么?关系模型或许能够提供一些指导。

请记住,在此范式下,只能通过交互找到属性。没有实体可以同时看到维也纳和北京光子这一事实意味着它们中的任何一个都没有与另一个相关的任何实际特征。维也纳光子的红色色调仅在维也纳的观众中可见,而不是在任何其他位置。结果,北京的光子,甚至北京的一切,在维也纳人眼中都处于量子叠加态。除非双方看到对方,否则任何比较都是无用的。

尽管如此,这些看似完全不同的事件可能会联系在一起。维也纳的科学家可以通过电话与北京的同事进行交流。这种相互作用或观察提供了关于维也纳光子红色色调的信息,结果导致纠缠光子呈现红色。因此,没有跨越时间和空间的神秘联系,而是将这些联系起来的关系网事件并为其提供自己的特征。

哲学和科学在各自的研究领域有着千丝万缕的联系。

恩斯特马赫可能是最重要的思想家,但从未被广泛宣传 在他作为科学家和哲学家的角色中,他产生意想不到的见解和具有挑战性的思维的能力为他赢得了广泛领域的粉丝和评论家学科。马赫的著作受到俄国革命家弗拉基米尔·列宁的严厉批评。另一位革命者亚历山大·波格丹诺夫 (Alexander Bogdanov) 为他们报仇雪恨。著名作家罗伯特·穆西尔 (Robert Musil) 的史诗著作《没有品质的人》(The Man without Qualities) 中融入了马赫思想的几个方面。此外,爱因斯坦和海森堡都承认马赫的理论对他们自己的发现产生了重大影响。那么,马赫倡导的哪些革命性思想在政治、艺术和物理领域引起了如此大的骚动?事实证明,他提出宇宙是由感觉组成的,这与关系量子理论有着奇怪的共鸣。

这里最重要的一课是哲学和科学密不可分。在整个 18 和 19 世纪,一种被称为机制的哲学假设控制了大部分科学界。在最基本的层面上,该机制声称现实以类似于时钟的方式运作。宇宙是一个巨大的空容器,被称为空间,所有的现象都是由物质在这个容器中严格相互作用构成的。根据 Ernst 的说法,这种范式很有帮助,但也有其局限性。他认为机制的概念过于形而上学或空灵。与此相反,他认为科学应该专注于可以看到的东西,即组件相互作用时产生的感觉。如果这听起来很熟悉,那是因为海森堡受同一概念的启发而研究电子的行为,最终导致了量子理论的发现。

另一方面,马赫的思想有着更广泛的应用。根据他对现实的看法,物理事物不是机械相互作用的自主组件,而是这些相互作用的结果,这些相互作用创造了世界。并且观察者不被认为与整个系统不同。他们也只有通过遭遇获得对宇宙的感官理解。再一次,这个想法似乎预示着量子物理学的关系解释,根据这种解释,特征并不是孤立于其环境而存在的。

声称马赫具有量子物理学的预知知识并不意味着他确实做到了。另一方面,马赫的观察证明了科学与哲学之间的重要相互作用。如果海森堡没有漠视马赫并如此严格地坚持机械论,海森堡可能不会做出他的开创性发现。同样,现代哲学家可能会参与最新的科学理解,以提高和改善他们对现实和宇宙的看法。那么,当应用于诸如有意识思考之类的难题时,所有这些如何发挥作用?这将在下一节中更详细地讨论。

检查关系和相关性可以洞察大脑的运作。

只需浏览几分钟互联网,就会发现量子思想在各个领域的大量创新应用(或者更准确地说,是误用)。大师们称赞量子唯灵论,骗子医生提倡量子疗法,科技企业家赞美各种量子胡说八道,等等。量子物理学的内在怪异似乎有办法点燃那些对它感兴趣的人的想象力。另一方面,量子理论能否为生命的基本问题提供线索?它是否能够解释爱,阐明美与真理的起源,或者提供对存在的有意义的解释?不,完全没有 但是,将关系量子理论的思想应用于意识的本质等主题可能会开辟新的研究途径和对该现象的探究。

从中学到的最重要的一课是:检查关系和相关性可以洞察大脑的运作方式。一般而言,心灵哲学为人类心灵提供了三个主要模型。有二元论,它认为心灵是作为一个与身体和宇宙其他部分不同的、近乎精神的实体而存在的。一方面,存在唯心主义,认为思想包括并解释了所有存在的事物。另一方面,有一种朴素的唯物主义,认为心理体验只是​​基本物理过程的结果。

关系量子理论可能会提供与传统量子理论不同的思维视角。重要的是要考虑该短语的含义以理解它。意义在人类认知中的重要性怎么强调都不为过。当我们看到符号、阅读文字或思考想法时,我们知道它们具有某种意义,因为它们与我们在物理宇宙中的外部事物相关或表示。根据德国哲学家弗朗茨·布伦塔诺 (Franz Brentano) 的说法,意向性是我们彼此互动并在现实中找到出路的过程。

然而,意向性是如何形成的?解决这个问题的一种方法是查看相关的相关事实。相对信息是当两个系统相互通信时发生的一种相关性。下落的岩石是相关信息的一个例子,当外部项目岩石与内部状态相关联时,就会创建相关信息,内部状态是您的大脑对岩石下降的决定。当这些知识变得重要时,是因为它会影响您身体的反应,即远离正在发生的任何事情。

在这种情况下,意向性是由外部和内部之间的关系所产生的信息产生的:看到落石预示着危险,你会根据这些信息采取行动避免它。当然,在本说明中仅简要描述了跨不同系统发生的物理过程。你不得不躲避一块石头的事实并不能说明你的特殊经历。更难以解释这种主观体验是如何形成的。这被称为意识的“难题”,并且一直是争议的根源。

研究量子物理学可能会让我们对宇宙有全新的认识。

当你看着一只猫时,你看到了什么?你看到的是什么?根据传统的视觉概念,感知主要与信息的获取有关。使用猫的形状、头发和胡须,光子被反射并进入您的眼睛。您的视网膜将光转换为信号,然后发送到您的大脑。最后,你的神经元将信息转换成一张可爱的猫的图片,这就是你所看到的。然而,这并不完全正确。实际上,您的大脑会预测您的眼睛应该看到什么。眼睛继续收集光线,但它们只传输与之前图片相冲突的信号。正是这些我们预期与所见之间的差异,为我们提供了理解外部世界所需的关键知识。从中吸取的最重要的教训是:研究量子物理学可能会让我们对宇宙有全新的认识。

使用一种称为投射意识模型的概念,我们可以提供对大脑起主导作用的视觉的第二种解释。根据这种观点,大脑通过不断改进其先入为主的信念和心理来产生意识。对我们感官收集到的信息做出反应的表征。这意味着我们对现实的感知是一种不断更新和进化的“确认的幻觉”。在某些方面,科学和哲学基于相同的思想。人类对世界如何运作形成了一个单一的形象,然后,通过经验和实验,我们发现现实与世界如何运作的这种想法不同和矛盾的所有方式。当然,虽然我们的大脑在几分之一秒内完成这个过程,但科学在相当长的时间内完成它。测试和开发新想法需要一个社区,而完成这个过程需要几十年的时间。

我们的量子物理学理论,包括关系解释,只是这种持续发展过程的最新表现。目前,它们根据我们现在可以看到、绘制和测量的内容,为我们提供了对现实的最准确表示。然而,无论如何,这是一个非常奇怪的图像。关系量子物理学描绘了一个宇宙,其中不存在静态和稳定的物体。与在空间中相互作用的离散事物相反,现实完全由一个相互作用的网络组成,其中事件在无休止的泡沫中汇聚和消散。我们也陷入了人际关系的漩涡中。这种持续不断的联系可能是我们的身份或主观性的原因。以这种方式看世界似乎很奇怪,甚至会产生幻觉,但目前,这种幻觉已经得到验证,我们应该拭目以待,看看它接下来会把我们引向何方。

小说黑尔戈兰的结局。

这些笔记传达了以下主要信息:在 20 世纪初,一群年轻科学家,尤其是易过敏的维尔纳海森堡,开始解构对物理学的传统理解。他们的量子宇宙范式以不确定性和概率为特征,取代了之前的确定性和机械世界模型。根据量子物理学的关系解释,量子现实由不稳定连接的网络组成——真实和真实可能会根据发生的关系而改变。

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由 BrookPad 团队根据 Carlo Rovelli 基于 Helgoland 编写



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