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为什么量子力学的“叠加态”概念非常可怕呢?
前面文章中我讲解了量子力学的一个概念:叠加态。
也就是说一旦进入了微观世界,微观粒子的运动情况和我们宏观物体完全不一样,宏观物体在某一个时刻都永远只处于一个位置并且只拥有一个速度,但是微观粒子却是在某个局部范围内处于叠加态。
但是叠加态本身是否是一种科学的论述方式呢?为啥这个叠加态概念很可怕呢?今天我们来谈谈这个问题。
首先宏观世界有没有叠加态?其实还是有的,只不过宏观物体的叠加态非常的微弱,微弱的让我们可以直接忽略掉而已。
因为前面我专门写了一篇文章介绍“海森堡测不准原理”,宏观世界的物体波动性之所以不明显,就是因为质量的原因导致。
如果你没看这篇文章,建议可以先去看看。
很多网友对叠加态有误解,比如当我描述一个微观粒子在某时刻所处的位置时,用量子力学的语言来表达就是:微观粒子此时处于A的概率是30%,处于B的概率是50%,处于C的概率是20%,也就是微观粒子同时处于A、B、C的叠加态。
但是大部分网友会这样解释:因为微观粒子运动速度太快了,所以导致我们看起来微观粒子好像同时处于多个位置,如果我们的观察技术提升,那么还是可以看到微观粒子在某一个时刻其实只处于一个位置。
以上的网友解释应该说非常符合我们的常规和直觉对不对?可惜这个解释是错的,因为我们目前的观察技术而言,微观粒子的运动速度再快能快过光速吗?现在的科技发展测量高速粒子的运动速度技术已经非常成熟了,所以你首先要明白一个事实:微观粒子要用叠加态来描述,不是因为微观粒子的运动速度太快导致的。
其次你要明白一点,假设此时有一个电子,我们计算出来电子处于A位置的概率是20%,B位置的概率是80%,那么电子就同时处于A、B位置的叠加态对不对。此时再举一个类似的例子,假设宏观世界里面抛硬币,我往上一扔然后仍由硬币落地,但是我并不去看落地的结果,那么此时我们知道,硬币是正面的概率是50%,硬币的反面概率也是50%,那么请问:此时我们可以说硬币处于正面和反面的叠加态不?
大家可以好好思考这个问题,其实对于扔硬币来说,我们虽然知道概率是各占50%,但是我们未观察结果前,我们不能说硬币处于叠加态。
但是面对一个电子,我们未观察前,我们却可以说电子的确是处于A和B的叠加态。
大家明白这两者的差别没?
没错,电子处于微观世界,当你把一个电子控制在某个局部范围内(比如A和B位置),那么此时你不去观察时,电子的确是同时处于A和B两个位置的,只不过A和B两个位置分到的概率值不同而已。
但是如果你再宏观世界去抛硬币,当硬币落地后,你如果不去观察硬币,那么硬币绝对不是同时处于正面和反面的叠加态,硬币肯定是只处于某一个状态且概率是100%,另一个状态概率是0%。
所以理解叠加态的关键就在于:观察。
没错!当你未观察前,你可以说电子同时处于A和B叠加,但是不能说硬币同时处于正面和反面的叠加。
而且最关键的问题在于,当你未观察前,电子的状态是不确定的,但是硬币正反面结果却是确定的。
当你观察的一瞬间,电子的状态才确定,但是硬币的状态却是你观察前就确定了。
当你再次不观察后,电子的状态再次不确定,硬币的状态依然是早就确定了。
所以微观世界和宏观世界的差别就是:
微观世界:观察前电子状态不确定,观察一瞬间电子状态确定,观察后电子状态再次不确定。
宏观世界:观察前物体状态确定,观察一瞬间物体状态确定,观察后物体状态依然确定。
而且还有一个重点是:微观世界的物体,为啥观察的一瞬间状态就确定了,因为正是你的观察导致微观粒子的状态被确定下来。
你的观察不仅仅是“发现”微观粒子的状态,你的观察还“创造”了微观粒子的状态。
你对微观世界的观察不仅仅是“发现”,你的观察行为和看到的结果产生了因果关系。
当你理解到这一层,你才算真正理解微观粒子的叠加态,到底是要表达啥意思。
简述量子计算机的基本原理是什么?
量子计算机的原理基于量子力学的基本概念,特别是量子叠加和纠缠。
1、量子比特(qubit)
量子计算机的基本信息处理单元是量子比特(qubit),与传统计算机中的比特不同,量子比特的状态可以是0、1的叠加态,即它同时存在于0和1两个状态。
这种叠加态可以通过量子叠加原理进行计算和操作。
2、量子叠加原理
量子叠加原理是指,当两个量子比特进行操作时,它们的状态会相互叠加。
这意味着,在进行计算时,量子比特之间可以同时进行多种不同的计算,从而加快计算速度。
3、量子纠缠原理
量子纠缠原理是指,当两个量子比特之间存在纠缠时,它们的状态是相互关联的。
这意味着,当对其中一个量子比特进行测量时,另一个量子比特的状态也会立即改变。
这一原理被广泛应用于量子通信和量子计算中,它可以提高信息的传输速度和计算效率。
4、量子门
量子门是量子计算中的基本操作单元,它可以对量子比特的状态进行操作。
不同的量子门可以实现不同的计算操作,例如Hadamard门可以将一个量子比特从0或1的状态转换为叠加态。
量子计算机的用途
1、优化机器学习算法
量子计算机可以处理大规模数据,提供更快速、更高效的机器学习算法,从而加速数据分析和预测的过程。
2、模拟物理系统
量子计算机可以模拟量子物理系统,为材料科学、化学等领域提供更加精确的计算结果,推动科学研究的进展。
3、解决优化问题
量子计算机可以利用量子优化算法,解决许多优化问题,如旅行商问题、物流问题等,从而提高生产效率和降低成本。
此外,量子计算机在天气预报、药物研制、交通调度、保密通信、推动科学研究、促进人工智能发展和改善能源管理等方面也具有广泛的应用前景。
量子力学的叠加原理是什么?
量子力学有一个重要理论,叫哥本哈根诠释。
主要内容是:物体在没有被观察前,可以同时以各种可能的状态存在。
这就是所谓的叠加态,有时也被称为波函数。
要想知道物体处在什么状态,必须进行观察。
它使波函数消失,也就是叠加态消失,物体呈现一种确定的状态。
有两个著名的量子力学实验——双孔实验和薛定谔的猫实验,都是围绕叠加态进行的。
双孔实验是在一块纸板上切出两个细长的孔。
纸板的一边放置电子发射器,另外一边放置电子检测屏。
当电子发射器一个一个地向双孔轮流发射电子时,电子检测屏上就会出现明暗相间的条纹图案,这与利用光做双孔实验的结果相同,说明每个电子都像光一样同时通过了两个孔。
可是如果我们在两个孔旁边装上电子监测器,监测电子的实际运行轨迹。
结果发现电子每次只是通过一个孔,原来那种只有电子同时通过两个孔才会出现的明暗相间的条纹图案也不见了,电子检测屏上呈现的只是电子通过一个孔时才有的图案。
好像电子知道有人在监测它们,所以不再像原来那样行动。
著名量子物理学家费曼指出,双孔实验揭示了量子物理学的核心,可是没有人知道这种现象的实质是什么!
薛定谔的猫实验是一种虚构的“思想实验”。
这个实验的构想是:在一个密闭的盒子里,放置一块放射性物质、一套检测机关、一瓶毒药和一只猫。
放射性物质什么时候发生衰变是事先无法预测的。
一旦发生衰变,就会触发检测机关,打碎毒药瓶,继而将猫毒死。
那么,在打开盒子观察前,盒子里的猫会是一种什么状态呢?按照常识来说,会有两种可能:猫可能是活的,也可能是死的;然而量子力学理论认为,这两种可能都同时存在,也就是说,猫既是活的,又是死的。
这显然与人们的传统思维大相径庭。
薛定谔的本意,是想通过这个实验证明这种观点的荒谬性。
然而,随着时光的流转,“叠加态”的说法不仅没有被驳倒和摈弃,反而得到越来越多的理论和实验的支持。
可是,当人们打开盒子,明明看到的是一只活猫,或一只死猫。那么,怎么能够证明在打开盒子之前,猫既是活的,又是死的呢?在目前的量子力学领域,越来越多的人倾向于两种解释:
一种是“意识决定存在”。
人们看到的活猫或死猫的“事实”,是人们进行了观察的结果,也就是人类意识的产物。
是意识“创造”了“事实”,而不是事物的本来状态。
任何事物在观察前和观察后都不是同一个样子。
一种是自然界存在多重宇宙。
另外那些宇宙,也和我们所感知的这个宇宙一样真实,一样存在真实的物体和事件。
那些宇宙中,还有许多个一模一样的你。
不过有的可能与你的初恋情人结了婚(另外宇宙中也有你初恋情人的翻版),生活的十分幸福甜蜜;有的可能从事了你年轻时最喜欢的工作,而且事业有成……以薛定谔的猫实验为例,在打开盒子的那一刻,宇宙就分裂成了两个。
在一个宇宙中,猫是活的;在另一个宇宙中,猫是死的。
哥本哈根派所说的“叠加态”并未消失,只是存在于两个世界。
就如同一条大河,在一座分水岭前分成了两条河;其中的一条又遇到一座分水岭,于是一条河又分成了两条河……自然界无穷无尽的多重宇宙,就是这样不断地永无休止地分裂而成的。
量子世界许多奇异的现象和理论,不仅令芸芸众生大为困惑,也让许多量子学者头晕目眩。
恰如费曼所言:“从常识的观点看,量子力学对自然的描述是荒谬可笑的。
但是它与实验完全吻合。
因此我希望你能够接受自然是荒谬的,因为它确实是荒谬的。
”另一位著名的量子物理学家普朗克也同样感慨道:“科学不能解答自然的最终秘密,这是因为归根到底我们自己就是一个需要解答的秘密。
”
诚如斯言,我们人类本身就是一个大大的问号——我们是宇宙间全知全能的上帝,还是“上帝”眼里的大猩猩?我们看见的就是真实的吗?看不见的就不存在吗?我们究竟掌握了自然界的多少秘密?我们中间还有没有哥白尼和爱因斯坦……这些问题得不到明确的回答,宇宙对于我们就只能是一个深不可测的谜团。
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