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微观与宏观的界限

2013-08-14 11:05 作者:苗千来源:三联生活周刊 2013年第32期
根据物理学目前的理论,退相干过程正是微观世界向宏观世界转换的过程,这个过程涉及到量子信息向周围环境的扩散。退相干理论从20世纪80年代发展起来,成为物理学研究的热点问题一直至今。但是,关于微观世界与宏观世界的界限问题,还远没有定论,科学家们使越来越多的“宏观物体”显示出了量子态,而量子世界的本质却还没有显现出来。

物理学家迈尔斯·布伦科(右)利用这台稀释制冷机论证量子力学在宏观世界里的作用

物理学中有一种“假想实验”,这种实验并不需要在现实中真正地操作完成(或者是在现实中无法进行),它可以通过人类的思维过程来完成,这种实验是通过人对于自然界的经验和逻辑推理进行的。世界上最著名的假想实验可能就是伽利略的斜坡实验:一个小球从斜坡上滚下来,之后再攀爬上坡度不等的斜坡。在表面光滑不考虑摩擦的情况下,小球攀爬的斜坡坡度越小,它的运行距离也就越远,我们因此可以推论,当小球在坡度为零的光滑平面上不受阻碍滚动的时候,理论上它运动的距离是无限大,也就是说它将永远运动下去。这个假想实验用来证明物体的运动性质——在不受外力作用的情况下,物体将保持自身的运动状态不变。它推翻了之前亚里士多德的物体只有受力才会运动的观念,并在后来被牛顿总结为牛顿第一定律。

但是也有一些假想实验,人类却无法通过对于自然界的经验和逻辑推理完成,并且可以使人长时间陷入某种悖论中,其中最著名的莫过于物理学家埃尔文·薛定谔提出的“薛定谔的猫”实验,这个实验几十年来一直使物理学家们陷入尴尬的境地。两个不同的假想实验,之所以会出现完全不同的结果,就因为前者需要人们对于宏观世界的经验——在这方面人类完全没有问题,在某些方面,比如物体运动的连续性,人类对其的认知似乎是与生俱来的;而后者则需要对于微观量子世界的理解,人类对于量子世界的探索刚开始,而在量子世界中所展示的,大多都违背人类的直觉和常识,这使得人类无法进行涉及微观量子世界的假想实验,也就因此容易陷入悖论。

人类在进入了量子世界之后,马上意识到在宏观世界和微观世界之间存在着一个界限——量子世界的离奇现象并不会影响到宏观世界,这个界限保护着人们已经习以为常的在宏观世界中的物理定律和生活方式,因此我们从来不用担心家中的椅子因为量子叠加态,同时出现在不同的地方。

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