概率

uuspider 2019-12-27 174

有一天,你去公园玩,认识了一个新朋友,你问她:「你有孩子吗?」
她回答:「我有两个孩子。」
你又问她:「有女儿吗?」
她回答:「有。」
现在问题来了,她两个孩子都是女孩的几率是多大?
答案是三分之一。
因为她孩子的情况无外乎三种可能:一个男孩一个女孩,一个女孩一个男孩,两个都是女孩。所以两个孩子都是女孩的几率是三分之一。
第二天,你又去公园玩,看到这个新朋友带着一个女孩在散步,你问她:「这是你的孩子吗?」
她回答:「是的。」
现在问题来了,她两个孩子都是女孩的几率是多大?
答案是二分之一。
因为我们已经看到她的女儿了,她另一个孩子是男是女的几率都是二分之一,所以她两个孩子都是女孩的几率是二分之一。
这就很奇怪了,我们知道她有女儿,然後我们只是向她的女儿看了一眼,她两个孩子都是女孩的几率就从三分之一变成了二分之一?

在整个过程中,我们和这位新朋友的女儿沒有發生任何传统意义上的相互作用。我们只是从女孩那儿得到了一些信息,一些关于她长得高矮胖瘦的信息,然後我们就永久地改变了其他一些东西,比如两个孩子都是女孩的概率。

在量子世界中,微观粒子的种种性质都是以「概率」的方式表现出来的。在这种情况下,当我们获知微观粒子的一些信息的时候,就会永久地改变另一些东西。

量子效应存在于微观世界,我们所处的是宏观世界。这是两个截然不同的世界,你可以理解为两个次元。我们观测微观世界,换种说法就是把微观世界的一些信息搬运到宏观世界,这会导致微观世界發生变化。

猪和蚂蚁看不见微观世界,它们看微观世界需要显微镜,这台显微镜起到的作用就是把微观世界的信息搬运到宏观世界。在观察者效应中,观察者並不重要,重要的是那台显微镜。

观察这一行为究竟是通过什么方式影响到量子的物理规律的?
答案是不知道。这等于是在问「概率是什么」,「概率」可能是我们所处宇宙的一种本源属性,目前沒人知道它究竟代表着什么。

量子物理的發现意味着我们人类对宇宙原理的探索可能有一个上限,超过这个上限的东西是人类无法观测无法理解的。一开始科学家觉得这不重要,因为微观世界不会影响宏观世界。然而薛定谔用猫打比方说明微观世界在某种条件下是可以影响宏观世界的。

想想看,有这么一个东西叫做微观世界,我们无法观测它,但是它可以影响我们,这是不是有点像玄学?

质子的质量是电子的1836倍。按理来说,用电子显微镜去观察质子,电子对质子的影响应该可以忽略不计。但是实际上,用电子显微镜观察质子依然会产生观察者效应。

很多人有一个误解,他们认为现阶段人类造不出对观测对象影响足够小的观测仪器。但实际上这种仪器已经造出来了,其观测结果也证明了观察者效应。

在100年前量子力学刚刚诞生的时候,那个时候的科学家沒有电子显微镜,他们是怎么证明观察者效应的呢?很简单,我们高中物理都做过这样的题:一个a千克的物体以b米/秒的速度撞上一个c千克的物体,然後以d米/秒的速度弹回,问c千克物体的速度?

也就是说,如果仅仅是观测仪器影响了观测对象这么简单的话,那么这个影响是可以算出来的。当时的问题就是计算结果和实验结果不符。

後来的实验证明:只要我们用电子把质子的某些物理量信息带出来,带到宏观世界,就会产生观察者效应,质子的某些性质就会改变。而如果我们不带出质子的物理量信息,那么无论电子和质子如何相互作用,都不会有观察者效应。重点在「信息」两个字上。

女孩例子是绝对沒有问题的。量子力学的基础是概率学,想学量子力学先学概率学。

在经典力学中,我们这样描述一个物体的性质:它位于A点,速度是x米/秒,方向向东。但是在量子力学中,微观粒子的运动是随机的,我们无法准确地得知一个微观粒子的位置信息,我们只能知道它出现在某个地方的几率。我们这样描述微观粒子:我们划定一个范围,它出现在这个范围内的几率是a%,它不在这个范围内的几率是1-a%。

然後我们学科平时的画风是这样的,我打个比方:一个微观粒子出现在某一个划定的范围内的几率是三分之一,然後我们得到了一个条件,这个条件是关于这个微观粒子的一些信息,按照这个条件计算,这个微观粒子出现在这个范围内的几率是二分之一。

然後我们就很蒙逼:难道算错了?答案是沒有算错,因为这个时候我们再去观测这个微观粒子,就会發现它出现在这个范围内的几率就是二分之一。

我刚才明明看的是三分之一,难道我记错了?你沒有记错,刚才它就是三分之一。那么,这个几率是什么时候从三分之一变成二分之一的呢?答案就是你刚才得到这个微观粒子信息的那一刻。

换句话说,在你得到这个微观粒子信息的那一刻,这个微观粒子出现在这个范围内的几率增加了六分之一。

在女孩例子中,新朋友的孩子性别从一开始就是确定的,「概率」只是我们用来推测孩子性别的一种工具。但是在微观世界中,「概率」可以真正地改变粒子的性质。

以上说法是确定的,是在物理学界沒有争议的。

这裡讲一点常识——对物理学专业的人是常识,对一般人来说可能不是——物理学家分两类,一类是做实验的,另一类负责对前者的实验结果做出合理的解释,也就是我们所说的理论物理学家。

当然,並不是说实验物理学家就不能进行理论分析,也不是说理论物理学家不能做实验。但是术业有专攻,顶尖的物理学家往往只专精一样。

对于普罗大众来说,理论物理学家更有名。但是对于物理学界的人来说,我们比较偏爱做实验的。

理论是负责解释实验结果的,也就是说它有可能是错的,但是实验不会错。

我上面的说法「粒子信息泄漏会改变粒子的性质」这个是实验结果,是已经被确定沒问题的,这个在物理学界是沒有争议的。

有争议的是对这种现象的解释,什么坍缩理论啊,平行世界理论啊,这些理论是沒有经过证实的,是有可能错误的。

目前量子力学的现状是知其然不知其所以然,物理学家知道微观粒子会产生什么变化,但是不知道为什么会产生这种变化。

编辑于 2019-12-25・著作权归作者

@大胡子孙
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