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这是有史以来第一次,人类在科学实验中正式遭遇「灵异事件」。
年前的
月
日,马可尼收到横跨大西洋、人类史上第一个无线电信号的那一天。
似乎什么都没有改变。
包括马可尼自己,当时没有人能够想象,在接下来的一百多年,通信会把世界变成什么样子。
年
月
日,世界第一颗量子通信卫星「墨子号」从酒泉发射的那一天。
就像当年的马可尼一样,我们也无从想象,未来的量子计算与量子通信,终将带来一个怎样的魔法时代。
绝对安全的信息传输?
智商秒杀全人类的人工智能?
瞬移、穿越不再是科幻?
潘建伟教授的量子通信卫星上天了。
年后,人人都会用无法破解的加密网络刷信用卡。你还觉得量子理论是象牙塔里的黑科技,和你的生活毫无关系?
让我们先从神秘的量子理论开始,解密量子通信。
这注定是一场不可思议的旅程。
如果你完全不懂量子力学,请放心大胆地往下看,我保证不用任何公式就能让你秒懂,连
+
=
的幼儿园数学基础都不需要。
如果你自以为懂量子力学,请放心大胆地往下看,我保证你看完会仰天长叹:什么是量子力学啊?
正如量子力学大师费曼所说:没有人懂量子力学。如果你觉得懂了,那肯定不是真懂。
在烧脑、反直觉和毁人三观方面,没有任何学科能够和量子力学相比。如果把理工男最爱的大学比作霍格沃兹魔法学校,那么唯一和量子力学专业相提并论的,只能是黑魔法。
然而,量子理论之所以如此神秘,并不是因为物理学家的故弄玄虚。其实,在量子理论刚诞生的摇篮时期,它只是一门人畜无害的学科,专门研究电子、光子之类小玩意儿。
而「量子」这个现在看来很厉害的名字,本意不过是指微观世界中「一份一份」的不连续能量。
这一切,都源于一次物理学的灵异事件。百年战争
世纪初,物理学家开始重点纠结一个纠结了上百年的问题:光,到底是波还是粒子?
所谓粒子,可以想象成一颗光滑的小球球。
每当你打开手电,无数光子就像出膛的炮弹一样,笔直地射向远方。
很多著名科学家(牛顿、爱因斯坦、普朗克)做了很多权威的实验,确凿无疑地证明了光是一种粒子。
所谓波,就像往河里扔块石头,产生的水波纹一样。
如果把光看作是一种波,可以完美解释干涉、衍射、偏振等经典光学现象。
很多著名科学家(惠更斯、杨、麦克斯韦、赫兹)做了很多权威的实验,确凿无疑地证明了光是一种波,电磁波。
可问题是,波和粒子毕竟是两种截然不同的东西啊!粒子可分成一个一个的最小单位,单个粒子不可再分;波是连续的能量分布,无所谓「一个波」或者「两个波」;粒子是直线前进的,波却能同时向四面八方发射;粒子可以静止在一个固定的位置上,波必须动态地在整个空间传播。
波与粒子之间,存在着不可调和的矛盾。
于是自古以来,塞伯坦星上的科学家就分成两派:波派和粒派,两派之间势均力敌的百年撕逼战争从未分出胜负。
很多人问我:科学家为什么要为这种事情势不两立,大家搁置争议、共同研究不就得了。
为了一个字:
信仰!千面之神
且问你:《权力的游戏》中,信奉七神的维斯特洛人民,为何要与信奉旧神的关外野人拼个你死我活?
自古以来,人们为了信仰争端大开杀戒,早已不足为奇。
唯一的和谐社会可能是古希腊:他们的神多达百八十号,有管天上、有管地下,各路神仙各司其职,倒也井水不犯河水。
人称:希腊众神。
要命的是,科学家们信仰的神只有一个,而且是放之宇宙而皆准的全能大神。这位神祇的名字,叫作真理。
大到宇宙的诞生,小到原子的运转,科学家们相信,这个世界的万事万物都是基于同一个规律,可以用同一个理论,甚至同一套方程解释一切。比如,让苹果掉下来把牛顿砸晕的是万有引力,让月亮悬在空中掉不下来的也是万有引力。用同一个方程,既能算出地球的质量,也能让马斯克的猎鹰九号火箭上天,这就是科学的威力。
想要一个宇宙、两种规律?
对不起兄弟,别在科学界混了,您可以去跳个槽,比如竞选总统。
当然,科学家们没有谁敢自称是真理的代言人,就连牛顿谦虚起来都是这样的:「我只是一个在海滩上捡贝壳的孩子,而真理的大海,我还没有发现啊!」
就算是捡贝壳,捡的多了,说不定拼到一起就能窥见真理之神的全貌呢!
整个科学史,就像一个集卡拼图的过程。做实验的科学家们每发现一个科学现象,搞理论的科学家们就绞尽脑汁推测它背后的运行规律。不同领域的大牛把各方面的知识、理论慢慢拼到一起,真理的图像就渐渐清晰。
在
世纪初,光学的知识储备和数学理论越来越完善。大家逐渐觉得,这一块的真相总算有希望拼出来了——结果却发现,波派和粒派的理论早已背道而驰,还各自越走越远。这就好比你集了一辈子卡片,自以为拼得差不多了。这时突然发现,你拼出的图案居然和别人是不一样的,而且差的不是一点点!
是不是有种把对方连人带图都砸烂的冲动?
当时波派和粒派都坚信,自己手上的拼图,才是唯一正确的版本。
双方僵持不下直到
年,终于有人大彻大悟:波
粒,为什么光不能两者都是呢?
也许在某些时候,粒子看起来就像是波;在另一些时候,波看起来就像是粒子。波和粒如同阴阳一般相生相克,就像一枚硬币的正反两面(波粒二象性),只不过我们一直以来都在盲人摸象、各执一词。
真理确实只有一个,但是真理的表现形式,会不会存在着多个版本?
难道真理就是那个千面之神,用千变万化的面目欺骗了我们如此之久?灵异的实验
究竟是波,是粒,还是波粒二象,大家决定,用一个简单的实验来做个了断:
双缝,顾名思义,就是在一块隔板上开两条缝。
用一个发射光子的机枪对着双缝扫射,从缝中漏过去的光子,打在缝后面的屏上,就会留下一个光斑。(等效于
年电子双缝干涉实验)
在实验之前,科学家的推测如下:
第一种可能
如果光子是纯粒子,那么屏幕留下两道杠。
光子像机枪发射的子弹一样笔直地从缝中穿过,那么屏幕上留下的一定是
道杠,因为其他角度的光子都被板挡住了。
第二种可能
如果光子是纯波,那么屏幕上会留下斑马线般的一道道条纹。
光子穿过缝时,会形成
个波源。两道波各自震荡交汇(干涉),波峰与波峰之间强度叠加,波峰与波谷之间正反抵消,最终屏幕上会出现一道道复杂唯美的斑马线(干涉条纹)。
第三种可能
如果光子是波粒二象,那么屏幕图案应该是以上两种图形的杂交混合体。
总之,
两道杠=粒派胜;
斑马线=波派胜;
四不像=平局。
是波是粒还是二合一,看屏幕结果一目了然,无论实验结果如何,都在我们的预料之中。
第一次实验:把光子发射机对准双缝发射。
结果:标准的斑马线。
根据之前的分析,这证明光子是纯波。
,实验结束,大家回家洗洗睡吧。
粒派不服:我明明知道光子是一个一个的粒子!
这样,我们再做一次实验,把光子一个一个地发射出去,看会怎么样,一定会变成两道杠的!
第二次实验:把光子机枪切换到点射模式,保证每次只发射一个光子。
结果:斑马线,竟然还是斑马线,怎么可能?我们明明是一、个、一、个把光子发射出去的啊!
最令人震惊的是,一开始光子数量较少时,屏幕上的光点看上去一片杂乱无章,随着积少成多,渐渐显出了斑马线条纹!
光子要真的是波,那粒派也不得不服。