漫步者的宇宙

第一章?光子和量子

在1887年的德國，有一個叫海因里希.魯?shù)婪?赫茲的科學(xué)家，正在做一個實驗，這個實驗將證實一個理論——麥克斯韋理論。

只見，他閉合開關(guān)，將這個裝置通電，這是一個由電火花發(fā)生器和在遠處的兩個小銅球組成的裝置，過了一會兒，兩個銅球之間出現(xiàn)了一束藍色的電火花。但赫茲并沒有欣喜若狂，他反而更緊張了，他看向房間另一端的銅環(huán)，銅環(huán)兩端各是一個銅球，幾乎與此同時，銅球間也產(chǎn)生了一個電火花。他迫不及待地算出了電火花出現(xiàn)的速度，其結(jié)果等于光速，這個實驗證明了：光，是電磁波的一種。也證實了麥克斯韋理論。

那么，問題來了，光，究竟是什么呢？

在古希臘時代，人們認為，光，只是一串粒子束，但是，問題來了，為什么光束照在一起不會彈開呢？現(xiàn)在（1887年）赫茲證明了光是一種波，就像聲波一樣（當(dāng)然，電磁波后來被廣泛運用于信息的傳遞中，這產(chǎn)生了電話。）那么，問題又來了，光如果是波，那么它的傳播就需要一種介質(zhì)。光是怎么在真空中傳播的呢？

于是人們擬出了“以太”這種介質(zhì)。

（事實上不存在）

再從光波粒二象性性質(zhì)說起。

說起波粒二象性，我們難免會想到光的另外的一種特點，就是多普勒效應(yīng)，它對聲波和光波都適用，甚至是所有的波。

多普勒效應(yīng)：

物體輻射的波長因為光源和觀測者的相對運動而產(chǎn)生變化，在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高 ，在運動的波源后面，產(chǎn)生相反的效應(yīng)，波長變得較長，頻率變得較低 ，波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大，根據(jù)光波紅/藍移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。

恒星光譜線的位移顯示恒星循著觀測方向運動的速度。物體間存在相對運動趨勢的時候，當(dāng)兩物質(zhì)靠近，就會出現(xiàn)藍移的效應(yīng)，反之，就是紅移。

現(xiàn)階段的紅移有2種，一種是多普勒紅移，還有一種是引力紅移。二者本質(zhì)相同。紅移是現(xiàn)階段觀測宇宙膨脹的有效方法，但是紅移也受到很多的影響，比如光子在撞擊電子的時候，會有能量散失，根據(jù)E=hv，h是普朗克系數(shù)，v是頻率，所以當(dāng)能量散失的時候，它的頻率也會變小，又因為c=λf，所以波長也會變長，那么這樣也會有紅移的效應(yīng)，所以難免會不準確。可能你會看見一個女高音坐在高鐵上大聲唱歌，分貝達到20以上，但是她和你在相互靠近，你可能會聽不見她的身音，音調(diào)可能大于2000Hz，這是完全可能的。就連哈勃定律也是建立在多普勒上的，Vf = Hc x D，Vf是遠離速度，Hc是哈勃常數(shù)，D是該天體距離地球的距離。哈勃常數(shù)也可以說是宇宙膨脹系數(shù)。當(dāng)然，這和宇宙常數(shù)是不一樣的。（宇宙常數(shù)是阿爾伯特對自己的敷衍。）

我們再說說和E=hv有關(guān)的h，h是普朗克常數(shù)，是一個物理常數(shù)，用以描述量子大小。你可以想象一下，你從北京到莫斯科，如果你愿意從太平洋坐飛機去的話，或則你直接走西伯利亞，走直線去看看遙遠的普京大人，你絕對會經(jīng)過其中的一個地點，你會跳過那個地方嗎？量子不是這樣的，他是一份一份的，假如我們把太陽射到地球的光分的特比特別細，我們就可以發(fā)覺，能力是間斷的傳遞的。普朗克常數(shù)的值約為：h=6.6260693(11)×10^（-34） J·s，的確非常非常的小，小的不得了。

而在不確定性原理中 普朗克常數(shù)有重大地位，粒子位置的不確定性×粒子速度的不確定性×粒子質(zhì)量≥普朗克常數(shù)，打個比方，電子有0.000000000000000000000000000001的質(zhì)量，我們想要測得一個電子的位置，我們已經(jīng)知道了他的速度，所以他的位置或者是能量的精確度不可能比±1x10的6次方更高，而且不可能更加精確。（誤差是不可避免的，這是初二物理老師教過的）。

再繼續(xù)說說測不準，粒子的位置與動量不可同時被確定，位置的不確定性與動量的不確定性遵守不等式（這句話選自360詞條），一個量愈確定，則另一個量的不確定性程度就愈大，和上面所說的都是一個道理，時間和能量之間，也存在類似的關(guān)系。根據(jù)測不準，真空或者任何空間都會憑空出現(xiàn)一對粒子，他們相撞會互相消失，但是當(dāng)反虛粒子掉進黑洞時，就會出現(xiàn)霍金輻射的效應(yīng)，否則黑洞就是黑吃黑，越吃越大，誰能收拾它？哈哈。當(dāng)t越大時，E就越小，反之，t越小，E就越大。So unbelievable！量子力學(xué)的世界是奇妙的！

好的那現(xiàn)在我們接下來討論一位來自奧地利當(dāng)量子力學(xué)史上的著名人物——埃爾文·薛定諤。

聽到薛定諤這個名字想必大家都不陌生。這位先生雖然是位看似高大上的理論物理學(xué)家，但是實際上有著非常……風(fēng)流的歷史。好了……不多說廢話，我們來談一談他的那個著名的理想試驗——薛定諤的貓。

我們先做個假設(shè)：

假設(shè)你的手上有一只空箱子和一只貓?，F(xiàn)在把貓放進箱子中，箱子里有一個由原子衰變控制的錘子。一旦原子開始衰變，錘子就會落下，砸碎錘子下的一瓶**，在箱子中的貓隨即死亡。
好，現(xiàn)在把貓放進箱子中并蓋上箱子蓋。觀察者在外界是無法看到箱子內(nèi)的情況的，也無法聽到聲音。

那么，貓是死是活？

我們知道，隨著時間的推移，原子衰變的概率會越來越大，貓中毒死亡的概率也越來越大。但是外界的觀察者無法得知原子究竟衰變了沒有。我們現(xiàn)在可以產(chǎn)生兩種判斷：

一、原子衰變，**罐被打碎，貓中毒死亡。

二、原子還未衰變，貓依然活著。

那貓究竟是死是活？

答案是：貓既是死的又是活的！

這聽起來似乎很荒謬，怎么可能會有一個東西既是死的又是活的呢？但是量子力學(xué)就是這樣充滿了離奇古怪的原理和猜想。

我覺得，薛定諤在想出這個問題的時候也一定感到很震驚吧。在一番仔細琢磨后，老薛得出貓?zhí)幵诹松c死的疊加態(tài)中。這時可以建立起一個波函數(shù)來描述這種疊加態(tài)。這時候出現(xiàn)了兩種不同的詮釋：

一、當(dāng)外界觀察者開啟箱子觀察時，觀察者就可以決定貓的生死了。打開瞬間，我們得知了貓此刻的狀態(tài)，疊加態(tài)消失，同時波函數(shù)坍塌。

假如外界觀察者一直沒有打開箱子，那么這個波函數(shù)就會一直持續(xù)下去，生與死的疊加態(tài)也不會消失，直到你打開箱子的那一刻。

二、1957年，休·埃弗萊特提出了這樣的一種詮釋：在量子世界分出了兩個世界。一個世界中，貓已經(jīng)死了；而在另一個世界中貓還活著。從你關(guān)上箱子起，世界分成了兩個不同的世界。兩個世界都是真實的，但是除了貓死與否以為都相同。兩個世界都在進行，你看到的只是一個世界的結(jié)局，而在另一個世界，貓還是活著的。(平行宇宙解釋)

那么你認為，那一種詮釋正確？

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