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  20世纪,当时理学家们开始纠结一个问题,光到底是波还是粒子?

  为了找到真相,大家决定做一个实验,用一个发射光子的机枪对准双缝发射,假如光束是由粒子组成,那当它通过双缝后呈现在屏幕上时,就一定会留下两道杠,这就和子弹击中目标后会留下孔,是一样的道理,假若光束是由纯波组成,那么屏幕上就会留下如斑马线一样的多道条纹。

  根据波动理论,当水波穿过缝隙时会形成两个波源,两道波源各自震荡干涉,波峰与波峰之间强度叠加,波峰与波谷之间正反抵消,这种屏幕上会出现一道道复杂且唯美的斑马线。

  总之两道杠,粒派胜,斑马线,波派胜。

  第一次实验,把光子机枪对着双缝发射,结果标准的斑马线,第二次实验把光子机枪切换到点射模式,虽然每次只发射一个光子,但是经过一段时间的积累还是出现了干涉条纹,这样人百思不得其解,明明两个狭缝只有一个狭缝有光子,那这个光子是在和谁进行干涉呢?难道他是在和自己干涉吗?

  到这里为止第一个问题出现,为什么会这样?这便是量子力学中的第一个定律,叠加态原理,之前讲的薛定谔的猫,其实就是因为薛定谔不相信叠加态原理,并想告诉玻尔,这个世界上不可能存在不死不活的猫,不过这都是后话了。

  由于当时哥本哈根诠释尚未提出,所以这让物理学家感到尤为蹊跷,并开始尝试第三次实验,在屏幕前面加装两个探测器,一边一个,左右排开,哪边的探测器看到光子,就说明光子穿过了那条缝,通过探测器观测到的数据发现,光子确实是指从左缝或者右缝单一通过,正当科学家以为一切都真相大白的时候,却突然头皮发麻,并在屏幕上看到了明显的两道杠。

  为什么会这样?为什么用探测器观测了就有斑马线变为两道杠呢?

  这便是量子力学中的第二个定律,观察者原理,仅仅观测了就会引起叠加态的坍缩,并看到一个确定无疑的结果,由于当时哥本哈根诠释尚未提出,所以他们也是一头雾水,而且光是波还是粒子似乎都说得过去,正当他们吵得不可开交时,爱因斯坦提出了一个大胆的假说,光量子假说,并在后来演化成了波粒二象性。

  即光子在传播的时候显示为波性,但是在测量时却显示出粒子性,但我要强调的是,波粒二象性只是性质而不是本质,通俗的说,就是既可以表现出波的性质,又可以表现出粒子的性质,而这其中的变量,只是因为观测方式的不同。

  举一个并不恰当但是很容易理解的例子,你是你爸爸的儿子,你爸爸也是你爷爷的儿子,但是你能说你爸爸就是儿子吗?而光也是一样的道理,到这里为止,所有的疑问似乎都迎刃而解。

  双峰干涉实验可怕吗?不可怕,用波粒二象性足以解释,但是几十年后发生的一件事情才是让经典物理学倒塌的关键,这就是1979年惠勒提出的延迟选择实验。

  他们继续重复之前的双缝干涉实验,不过这次只有屏幕没有摄像头,物理学家计算好光子穿过缝的时机,当它穿过后,在最后快要落到屏幕前时,加上探测器,结果无论探测器速度多快,只要最终加上,屏幕上一定是两道杠,反过来,如果一开始有摄像头,哪怕在最后一刻撤掉,屏幕上一定是斑马线,原因就在于探测设备是在光子穿过干涉缝隙之后才对光子造成了影响,但是能影响到光子穿过干涉缝时的状态,这点就很有意思了。

  理论上来讲,冲锋在前是因,被探测在后是果,按照经典物理学的因果律,因能决定果,但在这次实验中,果却能决定了因,也就是说在微观世界中,未来确实能改变从前。

  截止到目前,对于此问题还是没有一个人能给出一个确切的解释,但是套用玻尔的话,在观测发生之前,没有任何物理量是客观存在的,你就会发现这一切都能解释,这就是量子力学神奇的地方,他能将双缝干涉实验和延迟选择实验解释得如此完美,在延迟选择实验后,物理学界无一人不再相信量子力学。

  1947年,玻尔将自家族徽设计为中国太极图图案,这足以看出波尔对太极思想的痴迷程度。他认为太极图就是对量子力学最完美的解释,而中国古人也早已在遥远的几千年前就已经领悟到了整个世界的运转规律。从至大无外的宏观宇到至小无内的微观领域基本粒子,其发展变化规律尽在太极之中。众妙之门,无所不在,相互相斥,无始无终。

  不知你是否相信命运的存在,一定要认真读完这篇文章,这篇文章很有可能颠覆你的三观。

  其实,薛定谔还是一个反对量子物理学的人。故事还要从20世纪讲起——1927年深秋,在比利时举办的第五届索尔雅会议上,以爱因斯坦为首的传统物理学派和以玻尔为首的哥本哈根学派就量子物理展开了激烈的辩论:玻尔认为任何物质在没有被观测前处于一种叠加态,也就是随机的状态,即这个世界是随机和不确定的;但爱因斯坦认为这违背了物理学的基本定律。

  由此,两个物理学派展开了长达百年的世纪之战。

  为了反驳哥本哈根学派,同样支持传统物理学派的薛定谔展开了一个大胆的思想实验,这就是闻名于世的“薛定谔的猫”。也就是将一只猫关在装有少量镭和氰化物的不透明密闭容器里。镭的衰变存在几率,如果镭发生衰变,会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫就会死;如果镭不发生衰变,猫就存活。

  当盒子关闭时,我们看不到内部,所以镭处在衰变和不衰变的叠加状态,因为镭的状态不确定,所以机关是否打破了装有氰化物的瓶子也不确定,而装有氰化物的瓶子的状态不确定,就会导致猫的状态也不确定(好水啊),只有当我们打开箱子查看才能确定猫的生死。

  这时问题也随之出现:当我们没有打开箱子时,这只猫处在什么状态?

  传统物理学派认为,这只猫要么是死的,要么是活的,概率分别为50%;但哥本哈根学派认为这种思考方式是完全错误的,量子力学的特别之处就在于它允许猫在死和活两种状态之间存在中间态。在经典物理的理解中,猫只有死或者活两种状态。

  到此为止,薛定谔想表达的问题就出现了:他把量子效应放大到了我们的日常生活之中,就是为了证明一只不死不活的猫在现实世界中实在过于荒谬,这种叠加态根本无法用经典直观的语言去表达,所以这也是“薛定谔的猫”的独特之处。但这个推论如果成立,那么不仅仅是猫,所有的一切当我们不去观察的时候,都是处在不确定的叠加状态,因为世间万物也都是由不确定性的原子所构成的,宇宙的熵只有人们观察后在会降低,但同时又会产生新的熵。

  在此实验后,双方依然进行着无休止的争论,但让人遗憾的是,玻尔和爱因斯坦还是未能在有生之年达成共识,并且直到今天,物理学界都没有一个人能给出近乎完美的答卷。至此,所有事情都指向了导致经典物理学崩塌的那次事件——双缝干涉实验。

  上一期我们讲到熵、信息和噪音,这期我们正式开始信息学的科普。

  噪音是干扰某人获得信息的事物,而数据是噪音和信息的混合,需要用知识将其分离。

  本篇文章最为重要的一点是,信息描述的是一个观察者确定一个宏观态是哪一个微观态是需要的物理量,单位是bit(s)。

  同一个观察者,对同一件事情接受到的信息与用于传递信息的信号形式无关。比如,小黄将写有C的纸条传给小方,提供2bits信息;小黄直接告诉小方答案是C,提供的也是2bits信息;小黄蹬小方椅子3次,提供的也是2bits信息。

  概率和熵的区别在于:概率是某件事情(宏观态)的某个可能情况(微观态)的确定性,而熵是某人对某件事情(宏观态)到底是哪个情况(微观态)的不确定性;概率的输入量是常量(宏观态),熵的输入量是变量(微观态)。

  所以,信息是相对的,接受到的信息是相对于观察者已经对该件事情的了解程度而言的。小黄会做这道题,不管告不告诉小黄正确答案是C,小黄对这道题的熵都为0bit,因为观察者已经拥有这件事情的所有信息,不确定性从最初就不存在;小方不会这道题,熵为2bits,因为观察者没有关于这件事情的任何信息,他需要从4中等概率情况里确定实际情况,不确定性最大;小温知道D是错的,熵为1.58bits,因为观察者拥有关于这件事情的部分信息,不确定性略小,他需要从3种等概率情况里确定实际情况。

  虽然信息是相对于观察者而言的,但信息是客观的物理量,不随观察者的主观意识改变。比如,小温认为C是错的,熵不会减少,因为这个“主观认为C是错的”并没有实际帮助小温消除事情的不确定性;“明天太阳从东边升起”这句话,对知道的人而言,提供了0bit信息,对知道太阳或东或西升起的人而言,提供了1bit信息,对觉得东南西北都有可能的人而言,提供了2bits信息。

  同时,信息(熵)还是相对于某件事情而言的。比如,小方对“正确答案是ABCD哪个选项”的熵是2bits,但小方对于“正确答案属于AB还是属于CD”的熵是1bit;又比如小黄告诉小方“正确答案是C”为小方确定正确答案提供了2bits信息,而若想告诉别人“小黄对小方说了什么”这件事情的熵不再是2bits,观察者也不再是小黄或小方,而是除小黄或小方之外的观察者。

  很多人在思考问题的时候,会不经意间切换所要思考的事情,或者根本不知道自己要思考什么事情,这会造成怎么想都想不明白,你可能会疑惑,做数学题明明消耗了很多能量,小明怎么只获得了2bits的信息呢,上面的信息到底是怎样量化的?下一篇文章将解释信息是怎么被定义出来的,以及你现在脑中存在的各种疑虑。,此后你会发现,信息并不是一个虚构的概念,而是一个实实在在存在的和质量、能量一样的物理量。

  此刻的你,接受着我产生的文字,但你知道我所传递的内容不是这些文字本身,而是信息。我们时时刻刻都在获取信息、讨论信息,然而到底什么是信息呢?

  当一件事情(宏观态)有多种可能情况(微观态)时,这件事情(宏观态)对某人(观察者)而言具体是哪种情况(微观态)的不确定性叫做熵(entropy),而能够消除该人对这件事情(宏观态)不确定性的的事物叫做信息。

  熵和信息的数量相等,意义相反,获取信息意味着消除不确定性——也就是熵。比如,小方不会一道数学选择题(正确答案是C),正确答案(宏观态)是A、B、C、D四个选项中哪一个(4个微观态)的不确定性就是熵。这里,正确答案也叫宏观态,而每个有可能的选项都是微观态;宏观态是不考虑内部细节的状态,而微观态是考虑具体细节的状态;熵在A、B、C、D所有可能情况(宏观态)都是等概率(25%)时最大,在确定C(实际情况)时100%后最小。

  能够消除不确定性的信息有三种类型,他们本质都是正确的调整每个情况(微观态)的概率。

  第一种,可以正确的调整实际概率。比如小黄告诉小方“有一半可能性是C选项”,这句话帮助小方将C选项的概率调整到了50%,熵就降低了。

  第二种,能正确地排除某件事情的干扰情况。如小黄告诉小方“D选项是错的”,这句话帮助小方将D选项的概率调整到了0%,这时小方只需要从A、B、C这3种情况里确定实际情况即可,在此基础上,小红再告诉小方“A选项是错的”,这时小方只需要从B、C这两种情况里确定实际情况即可,在此基础上,在此基础上,再有人告诉小方“B选项是错误的”,就只剩下一种情况了,熵完全消失。

  第三种,能够直接确定某件事情的实际情况。比如小黄告诉小方“正确答案是C”,将C选项的概率调整到了100%,这句话直接帮助小方从4种等概率情况里确定了实际情况,熵完全消失。

  但小黄告诉小方“肯定是ABCD里的一项”,这句话就没有帮助小方消除任何不确定性。在这种定义下,并没有假信息一说,只有能够消除某人对某件事情的不确定性的事物才是信息,因此小黄告诉小方“正确答案是D”提供的信息是0(非信息,连假信息都不是),那些不能够消除某人对某件事情不确定性的事物被称为数据或噪音,只获取了噪音的观察者,他对某个问题的熵是不变的。

  前几期讲了核,今天来讲一下核能是怎么在核电站转变为电能的。

  因为反应堆是核电站的心脏,所以我们先从反应堆谈起。反应堆主要有4个组成部分:

  燃料棒:最常见的反应堆以铀235为燃料,核燃料的形式是由铀混合物粉末烧结成的二氧化铀陶瓷芯块。每个陶瓷芯块为直径1厘米、高1厘米的圆柱体。几百个芯块叠在一起装入直径1厘米、长约4米的细长锆合金材料套管内。这样的装置就是燃料棒。燃料棒中的反应属于重核裂变,其过程是——当中子轰击铀235的原子核时,引起裂变,铀核分裂为两个或两个以上中等质量的核(如分裂为钡和氪),同时释放2~3个中子。然后中子又去轰击另外的铀235原子核,引起新的裂变,这种连续不断的反应叫做链式反应。反应过程会产生大量的内能。

  慢化剂:由于核反应所产生的中子运动速度过快,不易被铀核俘获,所以要用适当的方法把这些中子的速度降下来,变成慢中子。通常的方法是使用慢化剂,让中子与慢化剂的原子核发生碰撞而使速度降低。慢化剂是既不吸收中子,也不与中子发生核反应的物质,可以是重水、石墨、二氧化碳或轻水(即纯度很高的普通水)。福岛核电站的反应堆就是用轻水作为慢化剂的。

  控制棒:核电站输出的能量多少需要根据电网的需求来调节,所以反应堆中链式反应的速度也要根据电网需求调节,调节反应速度的装置就是控制棒。控制棒由硼和镉等易于吸收中子的材料制成,核反应压力容器外有一套机械装置可以操纵控制棒。控制棒插入反应堆中的深浅决定反应的速度——插入越深,吸收中子越多,反应速度越慢,完全插入反应中心时,能够吸收大量中子,将阻止链式反应的进行。

  防护层:裂变反应会产生大量的高能射线,如β、γ射线。为了防止这些射线伤害人、动物,污染环境,必须在反应堆及其辅助设备周围设置防护层。通常选择钢、铅、普通混凝土和重混凝土等材料制作防护层。

  现在我们已经对反应堆有所了解,下面我们以两种具有代表性的反应堆——压水堆和沸水堆为例,分析核能是如何转化为电能的。

  压水堆:压水堆的能量传递系统由两个循环回路组成。一回路连接着堆芯和二回路中的蒸汽发生器,回路内压强保持在150个大气压左右。这个压强相对较大,压水堆由此得名。在此压强下可将冷却水加热至约343℃而不沸腾(压强越大,沸点越高)。冷却水在二回路蒸汽发生器的传热管中将压强约为70个大气压左右的二回路水加热至沸腾,形成的水蒸气推动汽轮机运转,把内能转化为机械能。汽轮机再带动发电机转子转动,把机械能最终转化为电能。显然,两个循环回路中的水既是能量传递的载体,又是反应堆的冷却剂,责任重大。

  沸水堆:沸水堆仅具有一个循环回路,在这里,来自汽轮机的水进入压力容器后,吸收能量,温度升高,在280℃左右沸腾。产生的汽水混合物经过堆芯上方的汽水分离器和蒸汽干燥器过滤掉液态水后,直接送到汽轮机,带动汽轮机运转,汽轮机再带动发电机发电。通过汽轮机的蒸汽经过冷凝器凝结为液态水后,回流至反应堆,完成一个循环。因沸水堆中的蒸汽直接通往汽轮机,故该系统被称为直接循环系统。

  由此可见,不管是压水堆还是沸水堆,其能量转化过程都是:核能→内能→机械能→电能。压水堆与沸水堆结构相比,各有短长。压水堆有两个循环系统,第二个循环系统与核燃料没有直接接触,降低了工作场所的放射性强度,给汽轮机等设备的维护带来方便;其缺点是结构复杂,对压力容器的力学强度要求高。沸水堆结构简单,降低了反应堆的工作压力和堆芯温度,提高了反应堆的安全性。但由于沸水堆的循环系统直接连接了堆芯和汽轮机,因此可能使汽轮机受到放射性污染,给设计和维修带来麻烦。我国正在运行的大亚湾、秦山和田湾核电站都属于压水堆,日本福岛核电站则属于沸水堆。

  核电与火电相比,有不少优势,如正常情况下没有有害气体排放,对环境没有污染。单位质量的核燃料和化石燃料相比,前者释放的能量远远多于后者,1克铀235全部裂变放出的能量与2.8吨标准煤相当。所以在运行当中,燃料的运输成本比火电厂低得多。但核电站技术要求高,不仅要求在常态下安全运行,而且要在极端条件下万无一失,因为一旦发生爆炸、泄漏,其灾害远远超过火电。

  让我们期待核电真正能够安全利用的时候吧!

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