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从宇宙背景温度到量子效应的递减规律(下)

作者:邓如山

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可以在量子理论的思考中提出“十万个为什么”的问题,为了提出量子效用递减规律,本作者仅仅关注宇宙大爆炸过程中量子效应的变化过程,从一个量子效应的参数衡量,我们可以很容易地发现宇宙从微小尺度到宏观结构的演变中发生量子效应递减的规律。√在辐射和粒子为主的宇宙早期,量子效应实现了最大化;而在物质团块和星系为主的宇宙早后期、中期和晚期,量子效应逐渐递减,接近最小化。物质由微小的粒子构成,粒子的存在和运动方式表现为量子化特征,量子效应递减规律不是指微观粒子的量子行为发生了弱化,甚至走向消亡,而是指宇宙在膨胀和宏观结构的形成中,一旦物质粒子结成越来越大的物质体系,那么更大的物质结构意味着量子效应的更小化。比如:地球和太阳是由不同形态的物质构成的,这些物质微粒表现为量子行为,可以将地球和太阳看成是粒子聚合物的“量子体”,但是,地球和太阳作为一个整体失去了粒子的量子行为,如果地球和太阳没有减少粒子的量子行为,在“去量子化”的过程中发生了“转换”——从量子态“转换”到物质态,那么地球和太阳就会表现量子化的“诡秘行为”,我们自身也会像一个“幽灵”,“来无影、去无踪”,比如:“幽魂人物”马云就会同时出现在阿里巴巴集团在杭州的总部和在深圳大运会体育馆设立的“双11”购物节的“会馆”。

有一种观点认为:任何微观粒子运动都是量子化的,任何宏观物质都不表现量子化的特征。这种绝对化的观点实际上将宏观物体的量子属性降低到零的程度,本作者认为,就像宇宙背景辐射的温度不会递减到绝对零值一样,宇宙在膨胀和物质引力收缩的过程中形成的各种天体和宏观结构也不会将量子效应降低到零值的程度。如果天体和宏观结构的量子效应为零,那么意味着天体和宏观结构的演变停止了,进入“量子死寂”的状态,就像背景辐射温度降低到零值,宇宙进入了“热寂”状态一样,没有分子的运动,不会有热辐射的产生,没有粒子、离子和原子的能量态交换、或量子化的“跃迁”,天体和宇宙的运动和转换停止了,这种意义上的“宇宙的终结”不可能发生。我们看不出有什么神明的力量能够主宰宇宙演变和转换的进程,自然微粒的量子作用具有永恒的力量,我们只是不清楚这种“源源不断”的力量是什么?牛顿和爱因斯坦没有发现微观粒子量子效应的力量,没有探索量子运动和转换的规律,这也许是牛顿相信上帝的“第一推动力”和爱因斯坦的哲学含有宗教情怀的原因,他们各自发现了物质和天体的引力和运动规律,但是,这些人类科学史上最伟大的规律也不能完全解释自然运动和转换的属性。

按照牛顿和爱因斯坦的科学思维,我们很难设想天体和宏观结构“隐隐约约”的量子行为。在宏观世界中物体没有明显的量子效应,可能是因为粒子数量太大,随机性被统计规律“抹平”,为什么我们很难在日常生活中观察到宏观物体的量子态?一些科学家认为:物体的大小起着重要作用,物体越大,外力越容易破坏其量子态。据英国《自然》杂志2010年3月17日的刊文,科学家首次观测到宏观物体的量子效应,研究人员成功地将人眼可见的物体置于量子状态,让物体处于动和不动的叠加态。他们的实验表明:量子力学原理不但适用于原子,还可用于日常所见的物体。宏观物体的量子效应可以追溯到“薛定谔的猫”的理想实验,该实验表明,量子力学在一定的范围内适用于由微观粒子组成的宏观物体。微观粒子和宏观物体的量子效应存在必然的联系,这是从微观粒子转变为宏观物体时发生量子效应递减规律的基础,我们可以用一个“等效解释原理”来说明它们之间的联系,被人们津津乐道的“蝴蝶效应”频频出现在各种书籍和杂志中,一个并不复杂的形象比喻具有广泛的影响,在这个生动鲜明的比喻背后,暗含深刻的意义。混沌理论中的“蝴蝶效应”是指墨西哥湾上空一只蝴蝶翅膀的扇动,可以引起加利福尼亚洲的一场大风暴。同样,一个原子物体的量子引力是微乎其微的,但是,一个像太阳一类的恒星聚集的全部原子引力足以维持一个恒星系的稳定运行。

我们可以从两个层面来理解量子效应递减规律,一个是宇宙演变的层面,宇宙在膨胀的过程中呈现量子效应递减的规律,微观的宇宙具有最大的量子效应,宏观的宇宙具有最小的量子效应,我们在牛顿尺度和高于牛顿尺度的时空中已经难以发现物体的量子效应。另一个是物质结构的层面,从基本粒子到中子和质子,从中子和质子到原子核和原子,从原子核和原子到分子,从分子到单质和化合物,物质在尺度变大的过程中呈现量子效应递减的规律。粒子具有最大的量子效应,单质和化合物具有最小的量子效应。粒子的量子行为具有不确定性,单质和化合物组成的物体则具有确定性。我们可以把量子效应递减规律描绘为“量子化”转换为“宏观化”时发生的量子效应递减原理,物质由粒子转化为天体和宏观结构时量子效应减少;反之,物质由天体和宏观结构转化为粒子时量子效应增加。宏观化表现为量子行为减少的过程,而微观化则表现为量子行为增加的过程。宇宙从微观性转换为宏观性,必然呈现量子效应的递减,如果宇宙从宏观性转换为微观性,则必然呈现量子效应的增加。

除了量子的“尺度效应”以外,还存在量子的“温度效应”。在超低温等某些特殊条件下,由大量粒子组成的宏观系统呈现整体的量子现象。比如:最近,德国马克斯·普朗克研究所固体物理研究方向的科学家克里斯丁·阿斯特率领的科学团队使用了扫描隧道电子显微镜,证实了科学家在大约20前提出的理论:电流在超低温度下表现一种量子行为。根据波粒二象性理论,微观粒子会象光波、水波一样,具有干涉、衍射等波动特征,形成物质波、或称德布罗意波。我们在日常生活中所见的物体,虽然由服从量子力学规律的微观粒子组成,但是,由于它们的空间尺度远远大于微观粒子的德布罗意波长,微观粒子的量子特性由于统计平均的结果被“扯平”了,因而在通常条件下,宏观物体在整体上并不出现量子效应。然而,在温度降低或粒子密度变大等特殊条件下,宏观物体中的粒子有相干性结合,通过长程关联或重新排列进入能量较低的量子态,形成一个有机整体,使得整个系统表现出奇特的量子性质。例如,原子气体的玻色-爱因斯坦凝聚、超流性、超导电性和约瑟夫逊效应等都是宏观量子效应。量子效应是量子系统所表现的一种不同于宏观系统的物理现象。

宇宙背景温度递减的规律在宇宙学的研究上具有重要意义,比如:恒星和恒星系是在冷的气体云团中形成的,冷气体云团中的气体分子也许更为稳定,更容易聚合在一起,形成气体云物质的“原行星盘”。显然,宇宙中的冷气体分子只有在宇宙背景温度下降到一定的程度才有可能形成,不然在更热的背景辐射中,热运动的气体分子可能变得“动荡不安”,失去结合成稳定气体云团的可能。生命的形成似乎也存在“等效原理”,如果背景温度不递减到“冰冻”的程度,彗星上的有机分子就会在更高的背景温度中“消融”,宇宙太空中的“生命种子”在降落到地球和其它行星之前,可能已经“烧毁”了。宇宙在膨胀的过程中发生的量子效应递减规律在宇宙学的研究上同样有重要意义,在量子效应强大的宇宙早期,行星和恒星,星系和星系团不能形成,在人类生命诞生的宇宙晚期,宇宙背景和太阳系的量子效应已经“消失殆尽”,人类不可能诞生和生活在一个量子效应很强的太空中,地球巨大的物质体量和我们“庞大”的身躯已经将粒子世界强势的量子效应“屏蔽”了。

因此,本作者认为,“宇宙哲学”不仅仅是一种“宇宙自然观”,也是一种“宇宙人生观”、或“人生宇宙观”,我们不能仅仅感激地球和太阳造就的“生命孵化器”,我们在诗歌、散文和中怀着“无比激动”的心情赞美了地球家园和太阳之光,我们在宇宙背景温度和量子效应递减规律中感悟到一个真理:从最近的地方看,地球是人类的“母亲”,从更远的地方看,人类是太阳的“子民”,从最远的天空看,人类是宇宙进化的产物。宇宙包含了微观和宏观世界,“微观宇宙学”包含了原子核物理学、原子物理学。分子物理学等,量子物理学研究其中的基本规律;“宏观宇宙学”包含了行星和恒星物理学、星系和宇宙结构物理学,广义相对论表述了其中的基本规律。“宇宙哲学”是一门将宇宙学和哲学结合起来的学科,它提供了一种研究宇宙的哲学观和方法论,目前属于“冷门”学科,与公众经常讨论的时事话题有很大的距离,但是,宇宙哲学包含的科学思想同样给我们带来心灵震撼和美的感受。

(邓如山2016-11-15)

(Whatisdiminishingofthequantumeffects?)

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