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關於“能量是不均匀的時間”這一點,其中所指的時間是局部空間區域内的時間,這個命题本身就定義在局部空間區域内,僅對局部空間成立。

恩恩,因為全宇宙質能守恆,所以我之前還在想"能量是不均匀的時間"→"不均匀的時間=定值"

針對局部空間啊,那我再想想~


這才使得記录宇宙某一時刻的完整狀態必須把宇宙中每一個自然單位某時刻的狀態全部分毫不差地記录下來,否則還原的過去就只是看起來像過去而不是真正的過去。

如果某一個基本粒子p在某個時間點t全宇宙沒有觀察者去觀察,那這個基本粒子就是未知狀態。

如果要將全宇宙還原到t時間點的狀態,p也必須是未知,如果還原過程讓p變成已知,反而不精確了

知之為知之,不知為不知,是知也。

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本帖最后由 MosesCrutch 于 2017-11-6 08:35 编辑
------第二十四章  魔砂(2)------

三維投影中,一個粒子從粒子源飛出,但撞上了擋板沒能穿過。接著又一個粒子被射出粒子源,這一次鬼使神差地鉆過了擋板上的不知哪一道縫隙,落到了最後的成像底片上,留下一個小白點——顯然表現得更像一顆砂粒,並沒有出現波動的干涉。可是隨著穿過擋板上的縫隙落到底片上的粒子越來越多,底片上的白點分布開始顯現出神奇的規律來:雖然底片正對擋板上的縫隙的位置落下的粒子是最多的,但仍有好幾處別的地方落下了大量的粒子,而還有一些地方雖然離底片上正對縫隙的位置更近,粒子卻仿佛不愿意往那裡去,落在這些地方的總是寥寥無幾。最後,大量粒子的落點在底片上形成了若干條粗細不等的縱向平行條紋的圖案:正對兩道縫隙的地方是白點最多最密集,寬度最寬的兩道白色主條紋,在兩道白色主條紋旁邊,隔著幾道白點很稀少的平行於主條紋的暗紋,又是幾道平行於主條紋而寬度稍窄的白點密集的白條紋,但隨著距離兩道主條紋越遠,它們中的白點逐漸變稀變少,顏色逐漸變淡,最後漸漸消失在黑色的底片上。
“爲什麽除了正對縫隙的地方,還有那么多別的地方有粒子到達,而有一些粒子明明可以到達的地方卻很少有粒子去呢?”動畫投影播放完了,我指著投影中的成像底片問。
“在我們開始研究這個現象之前,讓我先告訴你那個世界的科學家的解釋,請你先想一想他們的解釋對不對,解釋得好不好。”米西雅看來又打算讓我苦其心志地冥思苦想了,她聲形并茂地講道:“在那個世界的20世紀初,一群後來被那個世界的人尊為物理學大神的學者們對這個現象絞盡腦汁研究了數年之久,最後由愛因斯坦牽頭,一致認定微觀粒子既是顆粒狀的,又是彌散在時空中的波動。其中有一位經常和愛因斯坦爭得不可開交的大佬名叫玻爾,他和他的小弟海森堡在這個基礎上走得更遠。他們認為微觀粒子不僅既是顆粒狀的,又是彌散在時空中的波動,而且如果我們想要探測粒子在什麽地方,看到的粒子就是小顆粒的樣子;如果我們不去了解粒子的位置,粒子就會變成波動擴散到整個空間,以至於無處不在。他們爲什麽這麼說呢?因為底片上這些黑白相間的平行條紋就是波的干涉在波的傳播方向橫截面上的投影,稱為干涉條紋。缺少粒子到達的黑條紋就是波動幅度相互抵消的地方,粒子密集的白條紋就是波動幅度相互增強的地方。而這個實驗中,擋板上的兩道縫就像我放在水桶裡的擋板把水波分割成兩個有相干性的波源一樣,也把從一個粒子源出來的作為波的粒子分割成兩個相干波源,因此穿過縫隙的粒子在擋板後的這部分空間中會發生干涉,而成像底片正好就把干涉截獲並顯示出來了。”
我豎起耳朵仔細地聽著,同時竭盡全力讓自己的頭腦高速運行,總算聽明白了米西雅所說的“那個世界的科學家的解釋”。但是我發現這種解釋中似乎存在著一個漏洞,於是立刻向米西雅提出:“他們說微觀粒子既是顆粒狀的,又是彌散在時空中的波動,那麼就應該是即使只有一個粒子,也可以穿過擋板上的縫隙發生干涉現象。可是事實并非如此,一個粒子落到底片上留下的就是一個小點,根本沒有干涉條紋出現啊!只有落到底片上的粒子很多了,才由這些粒子的落點拼出了干涉條紋。而且一道波動可以同時穿過兩道縫隙,而粒子一次只能穿過一道縫隙,如果沒有對準縫隙,還會被擋板擋住,到不了底片上啊!”(如果在那個世界上課時,我像這樣說出自己的想法和疑問,下一秒鐘得到的一定會是老師“閉嘴!滾出去!”的怒吼,而在這裡,我卻可以得到米西雅詳細耐心的講解,聽她講課真是太幸福了!)
“你很聰明,但有了玻爾的補充,你發現的這個漏洞就被堵住了。”
原來,米西雅並不想我開始以為的那樣瞧不起那個世界的科學家。
“玻爾說,如果我們想要探測粒子的位置,看到的就是像小顆粒的粒子。而實驗裝置中最後的成像底片就是用來探測粒子位置的,當粒子落在底片上時我們就知道了粒子的位置,所以這時粒子就成了一個點。當粒子沒有到達底片的時候,我們不知道它在哪裡,所以這時粒子就是彌散在時空中的波,在哪裡都有可能,當然也可以同時穿過兩道縫。”
“那……我們可不可以用別的什麽方法在粒子穿過擋板上的縫隙之前就探測到它們的位置,但又可以讓它們繼續穿過縫隙呢?如果這樣做,結果又會怎麼樣呢?”
“我去年告訴過你,微觀粒子實在太小了,所以對外界的一切都敏感無比。如果你去測量一個微觀粒子的狀態,獲得的只是它在你的測量方法下所呈現出來的狀態,不是在你沒有測量它時它本來的狀態。如果你想在粒子穿過擋板的縫隙之前就探測它們的位置,但又要讓它們被探測之後還能繼續前進並穿過縫隙,是一件幾乎不可能做到的事。因為你用任何儀器探測到了粒子的位置,只是由於粒子在你放置儀器的位置處撞上了儀器,留下了痕跡,但撞上之後粒子的運動方向和速度絕不可能還和撞上之前一樣。這樣一來,本來可以穿過縫隙的粒子,在被你提前探測到位置之後就幾乎不可能再穿過縫隙了;而本來不可能穿過縫隙的粒子,被提前探測到之後卻有可能會穿過縫隙。於是原來通過縫隙的粒子被你提前一探測,就全被弄亂了,落到最後的底片上的位置就會徹底雜亂無章,再也形不成干涉條紋了。”
我總算勉強明白微觀粒子有多難對付了:任何宏觀物體的位置、大小、速度都可以放心去測量,測量的結果就是這個物體本來的狀態。可是對於微觀粒子來說,任何測量行為都會徹底改變它原有的狀態!也就是說,根本就找不到有效的辦法去準確地測量微觀粒子的狀態!
但我還是很不甘心:“難道我們真的就無法測量微觀粒子的狀態了嗎?”
“從理論上說,我們可以測量,但非常困難,要想得到像測量宏觀物體那樣準確的結果是不可能的。那個世界的一些科學家爲了瞭解路途中被認為是波動的粒子究竟經過了擋板上的哪一道縫隙,還想出了一個巧妙的測量方法:用一個發射電子的電子槍來作粒子源,在擋板背面一側的每一道縫隙周圍安裝一個超微型電流互感器,互感器的輸出接在放大倍數特別高的脉衝放大器上。因為電子帶有一個單位電荷量,而電流的定義就是電荷的定向移動,如果一個電子從互感器中穿過,就等於有一個瞬間的電流脉衝出現,電流互感器的線圈中會因為這個電流脉衝的磁場變化而感應出一個電壓脉衝,經過脉衝放大器放大後就可以被記錄儀器捕捉到。這樣,我們就可以根據哪一道縫隙後面的電流互感器輸出了脉衝而知道電子經過了哪一道縫。”米西雅一邊講又一邊用自己的三維投影顯示出了這套實驗裝置。
“果然是個高明的方法!雖然這樣還不能知道電子在途中的準確位置,但我們已經把電子的路徑範圍縮小到經過了哪一邊的縫隙,而且又沒有讓任何東西碰到電子,電子仍可以繼續自由前進到達最後的成像底片!”這個遠遠超乎我想象的辦法確實巧妙,我不得不服。
“然而這種看起來很高明的方法,經過實踐證明,結果一樣不理想。”米西雅接下來的話卻讓我失望,“在實驗中,他們發現每一個電子每次仍然像宏觀的砂粒一樣只能穿過兩道縫隙的其中一道,從來沒有像宏觀的波動那樣同時穿過兩道縫。更不可思議的是,就在他們探測到每個電子每一次經過的是哪一道縫隙時,落到底片上的電子位置竟然還是會變得雜亂無章,形不成干涉條紋!但只要把擋板上的電流互感器拿掉,換張新的底片然後再重做一次實驗,底片上的干涉條紋又出現了!”
我徹底無語。要知道在這個實驗中已經避免了對電子的一切接觸啊!這種實驗結果簡直就是證明了電子是一種有感覺有思想並且很狡猾的智慧生物!它們不僅對我們在做什麽了如指掌,而且知道當我們在做什麽時自己應該怎麼做,知道在我們面前該如何表現!
難道每一個微觀粒子真的都是一隻小得看不見的小精靈?
“客觀地說,那些科學家想出的這種測量方法對於由大量運動電子組成的宏觀電流來說是一種非常棒的無懈可擊的測量方法,但對於單個的電子來說影響還是太大了。你可能以為沒有任何東西碰到電子,所以電子的運動就應該不受影響,可是電子從互感器中經過的這一過程是要消耗能量的,能量少了,動量也會跟著變,電子的狀態還是被不知不覺地改變了!”米西雅打斷了我的胡思亂想,開始解釋這個實驗結果,“電流互感器要輸出電壓脉衝,線圈裡必須要有磁場脉衝進入,線圈兩端的電壓是由磁場的變化按照電磁感應的規律產生的感應電動勢,它的能量來自磁場的能量。而磁場又是由電荷的運動產生的,磁場的能量來自電荷運動的能量。當我們測量並記錄互感器線圈兩端的電壓時,我們消耗了線圈中的感應電動勢能量,按照這條能量的等價轉換鏈,我們最終消耗的是運動電荷的能量!這裡的運動電荷當然就是穿過互感器的電子,所以我們的測量手段看似沒有接觸電子,實際上是要消耗電子能量的。而這一過程消耗的能量雖然對宏觀電流來說完全可以忽略不計,對單個的電子來說卻是相當可觀的,足以徹底改變電子的狀態!在不受任何外界相互作用影響的絕對自由狀態下,一個以速度v運動的電子相當于波長為λ= h/mv的波動,其中m是電子的質量,h是宇宙中的最小作用量[1],是個與任何因素無關的常數。當電子失去能量後,速度就慢下來了,於是它的波長λ顯然就變長了,也就是說,當一個電子穿過帶有電流互感器的縫隙後,它的波長就明顯的變得比沒有穿過縫隙或縫隙上沒有電流互感器時長了。不僅如此,每一次每一個電子穿過電流互感器所消耗的能量也根本不可能完全一樣,也就是說來自同一個粒子源的每個電子每一次穿過縫隙後的波長不但會面目全非,而且還會變得各不相同。而波發生干涉的條件是來自兩個波源的波動波長和初始相位必須要一樣,所以這樣一來穿過縫隙後的任何一個電子都不再滿足發生干涉的條件了,底片上的干涉條紋當然也就消失了。”
雖然米西雅講得很慢,可是我要想理解這麼複雜的問題還是非常吃力,反復思考了十分鐘以後總算是基本上明白了爲什麽擋板縫隙上的電流互感器可以破壞掉底片上的電子干涉條紋。不過,之所以會出現這種情況,是因為電子帶有電荷,而這種測量電子經過了哪道縫的方法是根據電磁感應的原理設計的,雖然沒碰到電子,但測量時吸走了電子的能量,所以改變了電子的狀態。如果用不帶電荷的粒子來做實驗,有沒有類似的辦法來探測粒子的行蹤呢?如果有,可不可以設法避免對粒子的類似影響呢?
我提出了自己的想法,米西雅回答:“很遺憾,無論用哪一種粒子來做實驗,無論用什麽技術手段來探測粒子的路徑,都不可能避免對粒子的干擾。只要探測到粒子過了哪一道縫,就足以讓成像底片上的干涉條紋消失;而只要維持干涉條紋的存在,就無法獲得任何關於粒子方位路徑的信息。因為,宇宙中任何相互作用所交換的能量也是離散的,不能小於6.6261×10^-34焦耳這個不可分割的最小單位值,而只能是這個數的整數倍。如果我們對粒子進行探測時要獲得任何有意義的結果,我們的探測儀器一定從粒子身上吸走了不小於6.6261×10^-34焦耳的能量或者對粒子施加了不小於6.6261×10^-34焦耳的能量,否則我們即使在進行探測,也根本不知道粒子在哪裡或者不在哪裡,等於什麽信息也沒有獲得。這個數正是宇宙最小作用量h的值,也是宇宙中傳遞1比特信息必須消耗的最小能量值。雖然對宏觀物體來說這麼小的能量實在是微不足道,但對電子和光子這些微小的粒子來說就很可觀了,損失或增加這麼多的能量足以讓它們的運動狀態完全改變。所以,不影響粒子狀態的探測方法根本就不存在,因為無論什麽探測方法都不可能讓探測儀器和粒子之間交換的能量小於6.6261×10^-34焦耳這個極限!”
原來相互作用中的能量交換也是離散的,正是這種離散阻止了我們探測微觀粒子的準確狀態!
可是,當我們不去探測粒子的時候,它們爲什麽會變成波呢?照這樣說,不管在什麽地方用什麽方法,只要探測到了粒子的位置,粒子就肯定是小顆粒的樣子,只有不去探測它們的時候它們才是波,那這種波豈不是永遠也看不見嗎?波狀的粒子又有什麽意義呢?
“在那個世界裡,‘微觀粒子既是小顆粒又是波動’這種觀念的確立其實是個不得已的結果,因為找不到更好的解釋。那個世界的絕大多數科學家除了接受粒子隨著人為的探測方法不同而呈現出顆粒和波這兩種截然不同的形態這個實驗現象以外,所做的只是為描述微觀粒子的兩種不同形態建立了兩種精確的數學模型,對於真正從現象背後的本質上統一兩種形態,他們至今還沒有取得什麽進展。通過我剛才的演示和講解以及你自己的思考,你可能注意到了,底片上的干涉條紋是由大量粒子通過擋板上的縫隙後落在底片上的痕跡所拼成的,單個粒子穿過縫隙後落到底片上只能留下一個小點,不會出現干涉條紋。這一細節泄漏了天機:這種粒子顯示出的干涉條紋與宏觀世界中的波動形成的干涉條紋是有區別的!這種被探測到的波動現象本質上還是小顆粒,而純粹的波動是看不見的!這就是我們下一步研究的突破口。”米西雅總結道。
“嗯,是呀,有什麽辦法可以更好地解釋粒子形成的干涉條紋呢?”我點點頭,揉了揉太陽穴。
“你在第一階段的物理課程中所學的知識就是研究這個問題最重要,最關鍵的基礎。讓我們利用這些知識,朝著今天發現的突破口中進發吧!宇宙真相的面紗不久便會被漸漸揭開,你將會看到很多從前無緣得見的奇觀哦!”
“那咱們馬上出發吧!”
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[1] 就是普朗克常數h = 6.6261×10^-34焦耳·秒。普朗克常數又叫“作用量子”,代表了任何物理相互作用中交換的最小能量值。

PS:对前几章的格式进行了调整,并对第二十章中分析推导不够严谨准确的地方进行了修改和补充。
PSPS:米西雅的講課風格越來越像斯坦福的教授了……


【发帖际遇】MosesCrutch 在闲适的成野市玩耍得乐不思蜀,每天大鱼大肉加上各种娱乐活动,却渐渐生疏了探险的本领,失去了 11探险经验 。

际遇事件仅作娱乐,正式设定请见【DL故事集】

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