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To see a. world in a. grain of sand. *从一粒沙看见世界
And a. heaven in a. wild flower *从一朵花知道天宸
Hold infinity in the palm of your hand *用一只手把握无限
And eternity in an hour *用一刹那留住永恒
光其实是电磁波的一种,两者具有共同的波的特性
在远古的神话中,往往是“一道亮光”劈开了混沌和黑暗,于是世界开始了运转。光在人们的心目中,永远代表着生命,活力和希望。在《圣经》里,神要创造世界,首先要创造的就是光,可见它在这个宇宙中所占的独一无二的地位。
原来我们之所以能够看到物体,只是由于光从物体上反射到我们眼睛里的结果。
古希腊时代的人们总是倾向于把光看成是一种非常细小的粒子流,换句话说光是由一粒粒非常小的“光原子”所组成的。
但是粒子说也有一些显而易见的困难:比如人们当时很难说清为什么两道光束相互碰撞的时候不会互相弹开,人们也无法得知,这些细小的光粒子在点上灯火之前是隐藏在何处的,它们的数量是不是可以无限多,等等。
光可能是一种类似水波的波动,这就是最早的光波动说。 以太最初是作为光波媒介的假设而提出的
亚里士多德在《论天》一书里阐述了他对天体的认识。他认为日月星辰围绕着地球运转,但其组成却不同与地上的四大元素水火气土。天上的事物应该是完美无缺的,它们只能由一种更为纯洁的元素所构成,这就是亚里士多德所谓的“第五元素”--以太
今天 以太(Ether)作为另外一种概念用来命名一种网络协议(Ethernet)
1665年,牛顿在实验中发现如果让光通过一块大曲率凸透镜照射到光学平玻璃板上,会看见在透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环条纹,也就是著名的“牛顿环
普通的物质是具有累加性的,一滴水加上一滴水一定是两滴水,而不会一起消失。但是波动就不同了,一列普通的波,它有着波的高峰和波的谷底,如果两列波相遇,当它们正好都处在高峰时,那么叠加起来的这个波就会达到两倍的峰值,如果都处在低谷时,叠加的结果就会是两倍深的谷底
明亮的地方,那是因为两道光正好是“同相”的,它们的波峰和波谷正好相互增强,结果造成了两倍光亮的效果(就好像有两个人同时在左边或者右边拉你);而黑暗的那些条纹,则一定是两道光处于“反相”,它们的波峰波谷相对,正好互相抵消了(就好像两个人同时在
不久后,它的领土就横跨整个电磁波的频段,从微波到X射线,从紫外线到红外线,从γ射线到无线电波……
力、热、光、电、磁……一切的一切,都在控制之中,而且用的是同一种手法。
能量必须只有有限个可能态,它不能是无限连续的。在发射的时候,它必须分成有限的一份份,必须有个最小的单位。
能量只能以这个单位为基础一份份地发出,而不能出现半个单位或者四分之一单位这种情况。在两个单位之间,是能量的禁区,我们永远也不会发现,能量的计量会出现小数点以后的数字。 就是6.626×10^-34焦耳*秒
数学从本质上只能告诉我们怎么做,而不能告诉我们能不能做到。
量子论告诉我们,“无限分割”的概念是一种数学上的理想,而不可能在现实中实现。一切都是不连续的,连续性的美好蓝图,其实不过是我们的一种想象。
光是一种波动。对于波动来说,波的强度便代表了它的能量。
每一种特定频率的光线,它打出的电子的能量有一个对应的上限
在这原子核的四周,带负电的电子则沿着特定的轨道绕着它运行。这很像一个行星系统(比如太阳系),所以这个模型被理所当然地称为“行星系统”模型
各种元素在光谱里一览无余:钠总是表现为一对黄线,锂产生一条明亮的红线和一条较暗的橙线,钾则是一条紫线。
原子内部只能释放特定量的能量,说明电子只能在特定的“势能位置”之间转换.一个原子的化学性质,主要取决于它最外层的电子数量
原子这个极小的体系和太阳系这个极大的体系之间居然的确存在着许多相似之处。两者都有一个核心,这个核心占据着微不足道的体积(相对整个体系来说),却集中了99%以上的质量和角动量。人们不禁要联想,难道原子本身是一个“小宇宙”?或者,我们的宇宙,是由千千万万个“小宇宙”所组成的,而它反过来又和千千万万个别的宇宙组成更大的“宇宙”?这令人想起威廉?布莱克(William Blake)那首著名的小诗:
To see a. world in a. grain of sand. *从一粒沙看见世界
And a. heaven in a. wild flower *从一朵花知道天宸
Hold infinity in the palm of your hand *用一只手把握无限
And eternity in an hour *用一刹那留住永恒
“分形”,是混沌动力学里研究的一个饶有兴味的课题,它给我们展现了复杂结构是如何在不同的层面上一再重复。
我觉得它“本来”没什么颜色,只有我们给它装上某种外壳并观察它,它才展现出某种颜色来。它是什么颜色,取决于我们如何观察它,而不是取决于它“本来”是什么颜色。
电子如何表现,完全取决于我们如何观测它
量子派物理学家现在终于逐渐领悟到了事情的真相:我们的结论和我们的观测行为本身大有联系
人眼只能感受可见光,波长在400-760纳米左右,这些频段的光混合在一起才形成我们印象中的白色
我们本身的扰动使得我们的测量中充满了不确定性,从原则上都无法克服。采取不同的手段,往往会得到不同的答案,它们随着不确定性原理摇摇摆摆,你根本不能说有一个客观确定的答案在那里。在量子论中没有外部世界和我之分,我们和客观世界天人合一,融和成为一体,我们和观测物互相影响,使得测量行为成为一种难以把握的手段。
在量子论中观测者是和外部宇宙结合在一起的,它们之间现在已经没有明确的分界线,是一个整体。在经典理论中,我们脱离一个绝对客观的外部世界而存在,我们也许不了解这个世界的某些因素,但这不影响其客观性
不存在一个客观的,绝对的世界。唯一存在的,就是我们能够观测到的世界。
电子也是一样。电子是粒子还是波?那要看你怎么观察它。如果采用光电效应的观察方式,那么它无疑是个粒子;要是用双缝来观察,那么它无疑是个波。它本来到底是个粒子还是波呢?又来了,没有什么“本来”,所有的属性都是同观察联系在一起的,让“本来”见鬼去吧。
剃刀原理是说,当两种说法都能解释相同的事实时,应该相信假设少的那个。
随机性是世界的基石,当电子出现在这里时,它是一个随机的过程,并不需要有谁给它加上难以忍受的条条框框。
量子论认为在我们没有观察之前,一个粒子的状态是不确定的,它的波函数弥散开来,代表它的概率。但当我们探测以后,波函数坍缩,粒子随机地取一个确定值出现在我们面前。
一切的一切,当我们不去观察的时候,都是处在不确定的叠加状态的,因为世间万物也都是由服从不确定性原理的原子组成,所以一切都不能免俗。
贝克莱(George Berkeley)主教的那句名言:“存在就是被感知”
我们用于测量目标的那些仪器本身也是由不确定的粒子所组成的,它们自己也拥有自己的波函数。当我们用仪器去“观测”的时候,这只会把仪器本身也卷入到这个模糊叠加态中间去。
人类意识(Consciousness)的参予才是波函数坍缩的原因?只有当电子的随机选择结果被“意识到了”,它才真正地变为现实,从波函数中脱胎而出来到这个世界上。而只要它还没有“被意识到”,波函数便总是留在不确定的状态,只不过从一个地方不断地往最后一个测量仪器那里转移罢了
意识可以作用于外部世界,使波函数坍缩是不足为奇的。因为外部世界的变化可以引起我们意识的改变,根据牛顿第三定律,作用与反作用原理,意识也应当能够反过来作用于外部世界
给“意识”下一个准确的定义都是困难的,它产生于何处,具体活动于哪个部分,如何作用于我们的身体都还是未知之谜。人们一般能够达成共识的是,并非大脑的所有活动都是“意识”,事实上大脑的许多活动是我们本身意识不到的,我们通常只注意到它的输出结果,而并不参控它运行的整个过程。
意识不是一种具体的物质实在。意识是一种结构模式,它完全基于物质基础(我们的脑)而存在,但却需要更高一层次的规律去阐释它。这就是所谓的“整体论”(Holism)的解释。
意识只不过是某种复杂的模式结构,或者说,是在输入和输出之间进行的某种复杂算法。任何系统只要能够模拟这种算法,它就可以被合理地认为拥有意识。意识不是一个独立的存在,而是系统复杂到了一定程度后表现出来的客观性质。它虽然是一种组合机制,但脱离了具体的物质(暂时肉体是唯一可能)它也无法表现出来。
“任何一种基本量子现象只在其被记录之后才是一种现象”,我们是在光子上路之前还是途中来做出决定,这在量子实验中是没有区别的。历史不是确定和实在的--除非它已经被记录下来。
各种宇宙常数首先是一个不确定的叠加,只有被观测者观察后才变成确定。但这样一来它们又必须保持在某些精确的范围内,以便创造一个好的环境,令观测者有可能在宇宙中存在并观察它们
科学的历史应该是一个不断检讨自己,不断以实践为唯一准绳,不断向那个柏拉图式的理想攀登的过程。为了这一点,它就必须提供一个甄别的机制,把那些虽然看上去很美,但确实不符合事实的理论踢走,这也就成为它和哲学,或者宗教所不同的重要标志。
当没有观测前,古怪的量子精灵始终处在不确定的状态,必须描述为所有的可能性的叠加。
我们还是不由地怀念那流金的古典时代,那时候“现实世界”仍然保留着高贵的客观性血统,它简单明确,符合常识,一个电子始终有着确定的位置和动量,不以我们的意志或者观测行为而转移,也不会莫名其妙地分裂,而只是一丝不苟地在一个优美的宇宙规则的统治下按照严格的因果律而运行
电子始终是一个实实在在的粒子,但它的确受到时时伴随着它的那个波的影响,这个波就像盲人的导航犬,为它探测周围的道路的情况,指引它如何运动,也就是我们为什么把它称作“导波”的
德布罗意发现,每当一个粒子前进时,都伴随着一个波,这深刻地揭示了波粒二象性的难题。但德布罗意并不相信玻尔的互补原理,亦即电子同时又是粒子又是波的解释。
星系的质量造成了空间的明显弯曲。
我们的世界不可能如同爱因斯坦所梦想的那样,既是定域的(没有超光速信号的传播),又是实在的(存在一个客观独立的世界,可以为隐变量所确定地描述)。
在某段时间里,所有的因果关系都必须维持在一个特定的区域内,而不能超越时空来瞬间地作用和传播。
两个粒子始终存在于客观现实之内,它们的状态从分裂的一霎那起就都是确定无疑的。假如我们禁止宇宙中有超越光速的信号传播,那么理论上当我们同时观察两个粒子的时候,它们之间无法交换任何信息,它们所能达到的最大协作程度仅仅限于经典世界所给出的极限。这个极限,也就是我们用经典方法推导出来的贝尔不等式。
在世界各地的实验室里,粒子们都顽强地保持着一种微妙而神奇的联系。仿佛存心要炫耀它们的能力般地,它们一再地嘲笑经典世界给它们定下的所谓不可突破的束缚,一次又一次把那个被宣称是不可侵犯的教条踩在脚下。这一现象变得如此地不容置疑,在量子信息领域已经变成了测试两个量子比特是否仍然处在纠缠状态的一种常规方法
如果世界的本质是经典的,具体地说,如果我们的世界同时满足:1.定域的,也就是没有超光速信号的传播。2.实在的,也就是说,存在着一个独立于我们观察的外部世界
量子论是一个不完全的理论,它没有考虑到一些不可见的变量,所以才显得不可预测。假如把那些额外的变量考虑进去,整个系统是确定和可预测的,符合严格因果关系的。这样的理论称为“隐变量理论”
有一种功利而实用主义的看法,是把量子论看作一种纯统计的理论,它无法对单个系统作出任何预测,它所推导出的一切结果,都是一个统计上的概念!也就是说,在量子论看来,我们的世界中不存在什么“单个”(individual)的事件,每一个预测,都只能是平均式的,针对“整个集合”(ensemble)的,这也就是“系综解释”(the ensemble interpretation)一词的来源。
站在物理的角度谈“历史”,我们只把它定义成一个系统所经历的一段时间,以及它在这段时间内所经历的状态变化。
在量子力学中一切都是离散而非连续的.
每一种不同的情况都应该对应于一种特定的历史.世界上的每一个粒子,事实上都处在所有可能历史的叠加中!但一旦涉及到宏观物体,我们所能够观察和描述的则无非是一些粗粒化的历史,当细节被抹去时,这些历史便互相退相干,永久地失去了联系。
假如我们不考虑单个粒子,而考虑许多粒子的组合,我们就发现一个强烈的方向。比如我们本身只能逐渐变老,而无法越来越年轻,杯子会打碎,但绝不会自动粘贴在一起。这些可以概括为一个非常强大的定律,即著名的热力学第二定律,它说,一个孤立体系的混乱程度总是不断增加的,它的量度称为“熵”。
原来所有粒子都是弥漫在空间中的某种场,这些场有着不同的能量形态,而当能量最低时,这就是我们通常说的“真空”。因此真空其实只不过是粒子的一种不同形态(基态)而已,任何粒子都可以从中被创造出来,也可以互相湮灭
。
宇宙中就总共有着4种相互作用力:引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。它们各自为政,互不管辖,遵守着不同的理论规则。 我们认为这是不言而喻的事实:每一种力都是被相同地创造的。
We hold the truth to be self-evident, that all forces are created equal.
物理学家有一个梦想,一个深深植根于整个自然的梦想。他们梦想有一天,深壑弥合,高山夷平,荆棘变沃土,歧路变通衢。他们梦想造物主的光辉最终被揭示,而众生得以一起朝觐这一终极的奥秘。而要实现这个梦想,就需要把量子论和相对论真正地结合到一起,从而创造一个量子引力理论。它可以解释一切的力,进而阐释一切的物理现象。这样的理论是上帝造物的终极蓝图,它讲述了这个自然最深刻的秘密
任何粒子其实都不是传统意义上的点,而是开放或者闭合(头尾相接而成环)的弦。当它们以不同的方式振动时,就分别对应于自然界中的不同粒子(电子、光子……包括引力子!)。我们仍然生活在一个10维的空间里,但是有6个维度是紧紧蜷缩起来的,所以我们平时觉察不到它。想象一根水管,如果你从很远的地方看它,它细得就像一条线,只有1维的结构。但当真把它放大来看,你会发现它是有横截面的!这第2个维度被卷曲了起来,以致于粗看之下分辨不出。在超弦的图像里,我们的世界也是如此,有6个维度出于某种原因收缩得非常紧,以致粗看上去宇宙仅仅是4维的(3维空间加1维时间)。但如果把时空放大到所谓“普朗克空间”的尺度上(大约10^-33厘米),这时候我们会发现,原本当作是时空中一个“点”的东西,其实竟然是一个6维的“小球”!这6个卷曲的维度不停地扰动,从而造成了全部的量子不确定性!
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