量子物理导引

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近来收到不少关于量子力学相关的提问,于是抽空更新一下博客。本来想录制视频课程,会更形象感性,但是考虑剪辑比较费时间,还是写博文吧。

这些年,基本专注于计算机软件、人工智能算法方面,毕竟对于我而言,相比其他前沿技术,人工智能更有实践条件。也许某个时间,我会做一期或几期人工智能相关网络课程。

本文也许会同步到头条,但不包括相关联的基础知识博文。


浏览方法

可以用浏览器多标签页或多窗口,保留下方的知识纲要;

对于没有电子阅读习惯的小朋友,可以跟我要手写原稿或扫描件打印阅读。


知识纲要

基础一:

波与偏振

基础二:

晶体与各向异性

基础三:

折射、双折射与光轴

基础四:

波片与圆偏振

基础五:

光的量子纠缠

基础六:

格兰·汤普生棱镜

参考一:

双缝干涉与波长测量

参考二:

双缝干涉进(变)化(态)史

参考三:

容易误解读的量子擦除实验


正文

世界变革,日新月异。

越来越多的人对量子、时空感兴趣,原因估计是以下两种情形:

1.不小心看到了传媒的煽动性短视频(改变过去之类的)

2.听了一些成功学大师的讲座

我们直接定位到关键的实验——量子延迟擦除实验,然后相关的知识点再从知识纲要中查阅;

实验是这样的:

激光经过双缝,然后非线性BBO(偏硼酸钡)晶体产生降频的

纠缠

光(参见光量子纠缠);


格兰·汤普生棱镜

将不同偏振光分别折射往不同方向(参见格兰·汤普生棱镜);

在上路,透镜缩小两列光的角度,探测器D0做X方向

扫描

检测;

在下路,棱镜加大两列光的角度,经过半透镜BS1和BS2后,反射光分别用D3和D4探测,即判断光经过了哪个缝;

半透镜透射的光则继续传播,经过反射镜Ma和Mb后,在半透镜BS3处汇合,分别用D1和D2探测,此时路径被BS3擦除,无法确定光的路径;

(透镜和棱镜仅优化空间以便测量,不影响)

细节:

1.光的波长短,致使干涉区域很长,因此BBO晶体(或镀膜)及格兰·汤普生棱镜等可以安置在干涉区域前;

2.与量子擦除实验一样,采用

单光子

,探测器

D1到D4只能有一个有信号

,与D0偶合计数(参见量子擦除实验;也可能没有,即没有产生纠缠光子,或被吸收);

3.探测器D0做X方向扫描,与其他探测器有信号时对比,统计偶合信号量即可知道相应的强度(光子数、振幅);

现象:

1.当确定光子的路线,即D3或D4有信号时,干涉图像消失

2.当D1和D2有信号,即路径信息被擦除时,干涉图像又出现

3.更诡异的是,路径部分的探测器,比D0的距离长8纳秒,也就是这个是后来擦除或检测的路径信息,而D0是先行的探测;

图左中右分别是D0和D1、D2、D3的偶合计数,以及拟合曲线,论文:

该论文在国内可以通过arxiv匿名下载:


https://arxiv.org/abs/quant-ph/9903047v1


讨论

量子论真的很像玄学。

它给人带来无限的想象力、进而抛砖引玉,点燃无限的智慧,同时也带来无限的争论。

这里不得不说一个论述:

测不准原理

,即

不确定性原理

我们通常用旋转操作的不对易性比喻,做3d建模的同学就容易理解了:

有一本印有字母F的书,参考系




绿




代表

X



Y



Z

,带箭头的是书自身参考系,初始与全局一致,如图:

先绕X转90度,再绕Z转-90度

先绕Z转-90度,再绕X转90度

结果发现,两个一样的操作,得到不同的结果;

所谓的测不准原理类似,海森堡(Werner Karl Heisenberg)发现先测量量子的位置ΔX再测量其动量(质量×速度)ΔP与相反顺序得到的是两组不一样的结果,而

这种不一致并非测量仪器精度可以修正


(武德点到为止)

最大的几个争议:

1.根据爱因斯坦的相对论,光子的速度趋向于光速,其时间和空间缩小趋向于零,因此不能说先后因果被倒置;

2.跟相对论一样面临回到过去的时间悖论,只是更尖锐

3.如果把上路也替换为下路的结构,那么将会是谁擦除谁呢?

关于第三点,在我大二的时候(2008年)有纠结过,同年接触了人工智能,就没有深究;在2021年(去年)真的有人发表了,这也是我第一次发现,争论也可以发表论文,惊奇:

引发的一些有趣的争论,如:

薛定谔的猫;

海森堡显微镜;

还有一些名言:

爱因斯坦:不管我看不看,月亮都在那里;上帝不掷色子;

费曼:没有人懂量子力学;

佚名:如果能知道每个过去,就能预见未来,这只是假设,而不是观测事实(即你无法知道每个过去,不记得是谁说的了)

这些基础科普,不得不提一个人:李永乐

能访问国外的同学可以在YouTube上搜,国内的B站、抖音等应该也有;

我也想联系他争论一番,不过没有联系方式

想过在他的专栏上留言或私信,不过每个平台一两百万粉丝的人,不一定能看到;相信看本文的人,很多也看过他的视频,只是我认为我讲的更详细透彻罢了。

目前看,哥本·哈根学派获得更高的接受度,一些传媒甚至以“爱因斯坦是错的”为标题博眼球(不用作何评价,传媒本质如此);

对此大侠我多提出一些设想:

1.用α粒子(氦原子核)或β粒子(电子)在威尔逊云室(马上就要液化的过饱和蒸汽)进行双缝干涉实验,这样既有了运动轨迹,有可以确认是否有干涉条纹;

2.利用同位素做原子双缝干涉实验(放射性标定轨迹)

3.利用玻色-爱因斯坦凝聚态(在接近绝对零度时,物质整体表现为波的性质)进行双缝干涉实验;

当然,这些一样是很多年前的想法了;

为了不使问题过于发散,讨论的部分我将点到为止,下面回归其深层次的本质:


玄学 v.s. 科学

玄学好像是日本人发明的称呼,西方比较接近的叫神学,在中国大部分被定义为迷信;

其特点是有一个至高无上的,永恒不变的真理,或者实体;

宇宙万物都是这个永恒的,至高无上的……(不管什么吧)决定的,其有不可测量、甚至不可感知,也无法否认;

比如上帝,我们无法确认上帝的存在,说他主宰宇宙的一切也解释得通,我们同样无法否认他的存在;

因此,科学后来有个论调:存在即被感知

科学则相反,没有永恒不变的真理,只有不断的探索、发现、进步,用可以测量的证据,使之前的结论更完善、更精确,甚至完全颠覆;

从“两个铁球同时着地”到“万有引力”,再到“相对论”、“量子力学”和 呼之欲出的“弦理论”

新的理论不但能解释旧的理论解释的现象,解释旧的理论不能解释的现象,还可以寓言未知的现象,这是我在赵展岳的《相对论导引》接受到的思想(2005年,高二,物理老师买的);

当然,有时候科学和玄学的界限并不那么明显了。

同时,这篇文章想要说什么?无论是上面的实验,还是玄学与科学的区别,都已经很显然。

(注:


本文可用于短视频创作,概



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