像量子纠缠这种颠覆直觉的现象，是怎么在现实的实验中被发现的呢？ 在这里，我讲一下如何做量子纠缠的实验，当你了解了整个实验过程，就能明白量子纠缠不是什么玄幻，而是严谨的科学现实。 第一步，制备纠缠的光子。 怎么制作呢？ 科学家会用一束高能激光照射一种晶体，激光是电磁波，它带有电场，它的电场会强烈地拉扯晶体里的电子，让电子发生振动，这种振动会让一部分高能量的激光光子分裂为两颗低能量的光子，这两颗光子是从一个母体中生出来的，就像是一对双胞胎，所以它们要同时满足能量守恒、动量守恒和角动量守恒。 [Image] 也就是说，它们的总能量、总动量、总角动量这些物理量，加起来都要跟原来的一样，那么这两个小的光子就应该是完美互补的。 那具体是怎么互补的呢？我可以举个例子。 光在传播的时候是携带着电场的，电场的振动方向叫作偏振，如果电场总是沿直线振动，这就是线偏振，线偏振其实可以理解为是两种旋转状态的叠加，一个在顺时针旋转，一个在逆时针旋转，这两种状态叠加起来净旋转为 0，看起来就像是在直线运动。 [Image] [Image] 当原来的大光子分裂成两个小光子时，如果我们测量它们的偏振方向，就会发现：如果一个是顺时针旋转，另一个必然是逆时针旋转，它们的旋转必须完美互补，净旋转也要为0，才能保证角动量守恒。 但最关键的地方是，在测量之前，我们没有办法分辨，到底是哪一个光子是顺时针旋转的，哪一个是逆时针的，并不是因为测量技术有限，而是这一对光子处于整体纠缠的叠加态，它们既在顺时针旋转又在逆时针旋转。 第二步：把纠缠的光子分开。 光子诞生以后，就不会再停下来，而是会往不同的角度飞，它们的飞行方向也是互补的，如果一个往右飞，另一个就会往左飞，看起来就像两条对称的光带，光带上承载着无数对纠缠的光子。 科学家会计算好光子的飞行路径，然后在对称的光路上，分别放置探测器来进行探测。 如果是特别远的距离，比如中国的“墨子号”卫星做过这个实验，它把距离扩大到了1200公里。 卫星先在太空中生成纠缠光子对，然后用两个独立的光路把它们分别发射给地球上两个城市的接收站：一个光子飞往丽江，另一个飞往德令哈。 [Image] 每个光子都沿着预设的轨迹在空中飞行，这样它们虽然飞了很遥远的距离，仍然被准确地接收到。 第三步：对光子分别进行测量。 探测器开始接受光子信号，并且对纠缠的光子进行测量。你可能会想：两地相隔上千公里，科学家怎么知道两边探测到的是同一对光子？答案是靠时间同步。 每一对纠缠光子从诞生的那一刻起，它们的飞行路径和速度都是可计算的。科学家可以精确预测光子到达探测器的时间，时间精度高到纳秒，甚至皮秒级别，然后再通过电脑的比对，就能准确地匹配出真正纠缠的光子。 除了匹配光子，还要对它们进行测量。科学家会在探测器前面放一块可以旋转的偏振片，偏振片有点像一扇百叶窗，只允许特定方向振动的光通过。 如果光子的偏振方向恰好对齐，它就能穿过；如果倾斜 45 度，通过率变成 50%，倾斜 90 度，通过率变成 0。 [Image] 测量的过程，其实就是让光子的偏振方向，从叠加的状态，坍缩成一个确定的结果。 两地的科学家会分别随机地、不停地切换偏振片的角度，去观察这两颗光子的测量结果，看看在不同的角度下，它们还能不能保持某种关联。 第四步：比对光子的关联度。 怎么判断光子之间有纠缠般的关联呢？ 单独看每一个光子，它的结果都是随机的，就像一次次投硬币，有时通过，有时被挡，毫无规律。 但当你把成千上万对光子的结果叠加起来比对时，就会发现一个惊人的统计规律：这两边的随机性居然有强烈的关联。 如果一边的光子选择“通过”，另一边的光子也会给出对应的结果，这种关联随着测量角度的变化，呈现出一种精确的数学曲线，而且它们不仅有关联，关联程度还超过了经典物理所允许的上限，也就是贝尔不等式给出的上限。 贝尔不等式是我上期详细讲过的内容，它的意思是说，如果这两个粒子的关联是靠事先约定好的规则，或者什么隐藏的信息在维系，那么在如此严苛的随机测验下，它们的关联强度不会太高，贝尔不等式给的这个关联数值的上限是 2。 [Image] 但实际的结果明显高于这个上限，甚至可以达到 2.7 以上。这意味着，这两颗光子的关联，不是靠提前预设好的规则和因果，而是真正意义上的、非局域的纠缠关系，哪怕相隔上千公里，它们仍像同一个整体的两端，共享着同一个量子态。 这就是量子纠缠的实验过程。 在 2017 年，中国“墨子号”的实验，实现了迄今为止最远距离的量子纠缠的实验，横跨 1200 公里。 你看，只要你了解了它的底层逻辑，量子纠缠就不再是玄学，而是非常有趣的科学实验。 ***广而告之 一、我的书《迷你物理学》上架中～这是我出版的第一本书，前不久中科院物理所推荐了这本书哟！ 上册写了 100 个常见的物理知识点，下册记录了我感兴趣的物理哲学和科学的思维方式。微信、京东、抖音、淘宝等平台均有销售 二、我的连载前沿科技·科学专栏《静止的量子》已更新两年，未来会继续更新，我会陪伴大家一起探索世界的美妙。（有订阅读者社群） [图片] 我的微信：xiubing234 （欢迎跟我分享有价值的东西） [图片]

爱因斯坦有一个贯穿一生的信仰，他认为世界是理性的，凡事皆有因果，每一个现象的背后都有确定的原因，没有什么事情是无缘无故发生的。 但是量子力学踩碎了他的信仰。 在量子世界里，一个粒子可以同时处在多个位置，既在这里同时也在那里，这是叠加态；你无法同时知道一个粒子的位置和速度，这是不确定性；量子力学不会告诉你“未来会发生什么”，而是告诉你“每种结果发生的概率是多少”，自然界的底层运作方式从确定的因果，变成了统计的概率。 更让人难以接受的是： 测量本身会改变现实，你的测量方式影响了测量结果。 对爱因斯坦来说，这些都太荒谬了。 他拒绝接受一个靠概率运作的宇宙，所以说出了那句名言：上帝不掷骰子。 [图片] 他坚信，量子的不确定性只是表象，一定存在某些隐变量决定了结果，这些隐变量是我们还没有找到的真理。 为了反驳量子力学，他和两位同事提出了著名的 EPR 佯谬，也就是用量子纠缠的逻辑悖论来抨击量子力学。 他假设有两个粒子A 和 B，它们在同一个地方生成后，立刻飞向两个相反的方向，如果量子纠缠成立的话，这两个粒子会形成一种纠缠关系，测量其中一个粒子的状态，就能瞬间知道另一个粒子的状态，无论它们的距离再遥远，这种瞬间的关联都是存在的。 [图片] 爱因斯坦说，这绝对不可能，唯一的解释只能是它们在分开的时候，就已经确定好了结果。 就像一对手套，你把它们装进盒子里，然后分隔到很远的地方，只要你打开其中一个发现是左手套，就能立马知道另一个是右手套。因为它们在分开之前，答案就是确定的，打开盒子只是揭晓一个早已确定的答案。 [图片] 但量子力学的描述不是这样的，它认为这两只手套在打开之前都是叠加态的，它们既是左手套同时又是右手套，只有在打开的那一刹那，才坍缩成某一个确定状态。 在 1964 年，有一个叫贝尔的科学家为了验证爱因斯坦的哲学是否是对的，他提出了著名的“贝尔不等式”，他认为可以用实验来证明量子纠缠中的“隐变量”是否存在。 [图片] 那这个贝尔不等式，到底是什么东西呢？ 你想象一下，现在你和你朋友被关在两个房间，没有办法通信，这时候有一个考官要问你们问题，看你们的答案是否一致。但是你们为了假装你们之间是有心灵感应的，所以在事先串通好了，商定了一套应对问题的策略。 [图片] 但不管你们多么聪明，你们的应对策略是固定的，这些策略不可能应付所有的问题，迟早会露馅的，在这种情况下，你们的答案一定会出现不合拍的概率。 你想啊，如果你们两个真的有量子纠缠般的心灵感应，无论有多少问题，你们的答案一致的概率应该是 100%，压根不用事前商量，也不会露馅。 但如果你们的默契是假装的，是事先商量好的，那你们不可能做到 100% 同步。 所以，这个考官的问题设计非常关键，它的设计目的就是要让你们露馅。 比如我可以这么设计考题： 考官会每一轮随机问你们一个问题，问题只有两种类型。你这边会被问到A 类问题和A+ 类问题，而你朋友会被问到 B 类问题和 B+类问题。每次问完，你们都只能回答是或否。 [图片] 那么考官一共可以组合出四组问法： 第一组：考官问你 A 类问题，问你朋友 B 类问题。 第二组：考官问你 A 类问题，问你朋友B+类问题。 第三组：考官问你A+ 类问题，问你朋友 B 类问题。 第四组：考官问你A+ 类问题，问你朋友 B+ 类问题。 要求是前三种问法，你们的答案必须相同，但最后一组答案必须要相反。 [图片] 那如果你们事前商量好应对策略，比如，当你被问到 A 类问题时，你回答“是”，问到A+ 类问题时回答“是”，当你朋友被问到 B 类问题时，他回答“是”，被问到B+类问题时回答“否”。 你们会发现，按照这个策略，在第一、第三、第四组问题，你们都能答对，但在第二组问题时就会露馅。无论你们换任何答题的策略，同样会遇到自相矛盾的地方，你可以试一下，在这个测验中，你们合拍的概率最高不会超过 75%。 [图片] 这就是贝尔不等式的逻辑，当你们合拍的概率小于等于 75% 时，就证明你们表现出来的默契只是串通好的。 [图片] 但是，当你们合拍的概率大于75%时，那就证明你俩的关系是超越理性逻辑的，除非你们有心灵感应或者别的超出常人经验的关系，不然没办法让这个合拍的概率超越极限值。 用同样的逻辑，贝尔设计了验证量子纠缠的方法。 现在有两个电子，它们是由同一个原子产生的，就像两个双胞胎，为了保证总角动量守恒，它们的自旋方向必须相反：如果一个电子自旋朝上，另一个就必定朝下。这是它们之间的关联方式。 接下来，让它们彼此相隔到很远的地方，然后开始测量这些粒子的自旋。 测量的时候随机改变测量角度，用很多对纠缠的粒子，反复测量很多次以后，来观察这些粒子的关联度。 贝尔不等式给它们的关联度计算出了一个数值： S=E(a,b)−E(a,b′)+E(a′,b)+E(a′,b′) |S| ≤2 如果这些粒子的关联程度≤ 2 时，就证明爱因斯坦的隐变量理论正确，世界依然是确定性的。 但实验表明，它们的关联度可以达到 2.7，远远高于 2，贝尔不等式被证明不成立，爱因斯坦是错的。 这说明它俩之间的关系是超越了常规因果逻辑的，量子确实是叠加态的，也是不确定性的，它们无论相隔多远，仍然是同一个整体，始终以某种方式保持关联。 贝尔不等式被打破的那一刻，不只是一个公式被推翻，而是一个世界观的崩塌，世界并不完全由因果关系决定的，而是概率与关系构成的整体。 一个哲学辩论，在物理实验室里有了答案，所以学好哲学的前提，是需要学好物理的。 下一期我会讲量子纠缠如何在相隔很远的距离实验成功的。 ***广而告之 一、我的书《迷你物理学》上架中～这是我出版的第一本书，前不久中科院物理所推荐了这本书哟！ 上册写了 100 个常见的物理知识点，下册记录了我感兴趣的物理哲学和科学的思维方式。微信、京东、抖音、淘宝等平台均有销售 二、我的连载前沿科技·科学专栏《静止的量子》已更新两年，未来会继续更新，我会陪伴大家一起探索世界的美妙。（有订阅读者社群） [图片] 我的微信：xiubing234 （欢迎跟我分享有价值的东西） [图片]

为什么星球是圆的，而星系却像盘子一样是扁的呢？而且人类没有飞出过太阳系，又是怎么知道银河系的形状呢？ 首先星球为什么大多是圆的，答案是引力。 当一个物体质量足够大的时候，引力就会占主导作用，它会克服物质内部的强度，把物体表面所有的凸起都往质量中心拉，最终形成一个球形，球形是引力势能最低、最稳定的形态。 [图片] 比如地球就是一个球形，但地球上还是会有凸起的山脉，这是因为在局部的尺度上，岩石是有硬度的，会对抗地心引力，而且板块碰撞会不断抬升新的山脉。即便这样，珠穆朗玛峰看似巨大，对比整个地球的大小，也只相当于一个篮球表面上不到0.2毫米的小凸点。 [图片] 那星系为什么又是扁的呢？因为另一个原因“角动量”。 在宇宙的早期，银河系还是一团巨大的气体云，这些气体云的质量分布是不均匀的，它们会向密度最大、引力最大的地方靠拢，这些粒子在移动的时候，运动方向和速度是不同的，它们彼此之间会有碰撞，以至于它们没办法笔直地朝中心靠拢，而是会产生路径的偏斜。它们既偏斜又同时往里坍缩，最终叠加成整体旋转的趋势，同时形成一个整体的角动量。 角动量是指物体绕某个点或某个轴旋转时的运动量，在没有外部干扰的情况下，角动量必须守恒。 [图片] 既然角动量守恒，引力又让气体云的体积越来越小，于是旋转速度就被不断放大，就像花样滑冰选手在收紧手臂时会转得越来越快。 随着旋转速度加快，引力和离心力开始形成博弈：在沿着旋转轴的方向，没有离心力，引力继续把物质压下去，于是厚度越来越薄。 而在垂直于旋转轴的方向，旋转产生了很大的离心力，离心力与引力相互抗衡，当它们达到平衡时，物质不再向中心坍缩，半径趋于稳定，就形成了这个形状。 那为什么是圆盘，而不是方盘或三角盘呢？ 因为引力是均匀的，对任何方向的拉力都一样，圆形又是最稳定的形状。就像大饼师傅甩面团，旋转让面团摊成薄薄的圆饼。 那为什么地球没有甩成圆盘呢？ 因为地球的自转速度不够快，赤道附近的离心力只占引力的0.3%，所以地球赤道是会鼓一些，但也不会变成盘子。 那人类是如何知道银河系是圆盘状呢？ 古人观察夜空的时候，发现空中有一条乳白色的光带，如果银河系是球体，星星应该四面八方均匀分布，而不是集中成一条银河带上。 18世纪，科学家用望远镜数不同方向的恒星，发现沿银河带方向的恒星极其密集，而垂直方向稀疏。这也让人怀疑银河系是扁平的。 [图片] 后面有了射电望远镜和红外观测，科学家通过探测气体云中氢原子释放的电磁波，来追踪气体云和恒星的分布，然后把不同方向的数据拼在一起，发现银河系是一个大螺旋盘。 [图片] 再后来，通过观测恒星的运动速率，发现这些恒星并不是在乱飞，而是在整体绕着同一个中心旋转，这个中心的位置对应着大型黑洞人马座A星，也就是银河系中心。 天文学家通过观察和理论计算，确定了银河系是棒旋星系。 [图片] 不过星系除了盘状，还可能是椭圆星系或者不规则星系，同样，当星球质量不够大时，也可能变成土豆形状或者不规则的形状。 所有的宇宙形状都不是偶然产生的，而是多个力量平衡下的结果。 ***广而告之 一、我的书《迷你物理学》上架中～这是我出版的第一本书，前不久中科院物理所推荐了这本书哟！ 上册写了 100 个常见的物理知识点，下册记录了我感兴趣的物理哲学和科学的思维方式。微信、京东、抖音、淘宝等平台均有销售 二、我的连载前沿科技·科学专栏《静止的量子》已更新两年，未来会继续更新，我会陪伴大家一起探索世界的美妙。（有订阅读者社群） [图片] 我的微信：xiubing234 （欢迎跟我分享有价值的东西） [图片]

我们都知道，宏观世界和微观世界遵循着两套完全不同的运转逻辑。很多在微观尺度下发生的现象，一旦放到宏观层面会显得格外地反常。 今年的诺贝尔物理学奖“量子隧穿与能量量子化”，就是把这种只能在微观世界中存在的现象，带到了宏观世界。 首先，什么是量子隧穿呢？ 在我们的日常直觉里，当一颗小球撞上一堵墙时，它会被挡住，或者被弹回来。但是在微观的世界里，粒子在碰到墙的时候，是可能会穿墙而过的哦。 [图片] 为什么呢？ 因为在微观世界里，粒子并不是一颗颗小球，而是一个概率波（波函数）。你没有办法确定它在某个时刻所处的位置，你只能计算它在某个时候出现在某个位置的概率，比如它可能在 A 点出现的概率是 30%，在 B点出现的概率是 10%，在c点出现的概率是 50%，而且这个概率还是随着时间波动的。 [图片] 当这团波在遇到一道势垒，也就是一堵墙或者一个能量障碍时，它不会像小球一样被挡住，而是会有一小部分波渗透进去，出现在另一侧，这就是量子隧穿。 [图片] 它并不是靠能量去“撞穿”这堵障碍，而是因为粒子的存在范围从来就不是局限在一个点上，它出现的概率在遇到墙的时候确实会衰减，但即便衰减到很弱了，仍然会有一些概率的尾巴出现在墙的另一侧，只要概率不为零，那粒子就有机会出现在墙的另一边。 这个现象在量子世界非常常见，但是在宏观世界里，这种穿墙术还从来没有被真正看到过。那如何把量子穿墙放大到宏观层面呢？ 科学家发现，超导体是一种神奇的材料。这类材料在超低温的条件下，电阻会降为零。 [图片] 在普通的金属里，电子穿行的时候会不停地被原子撞击，就像你在拥挤的人群中奔跑，不停被人撞到，电子的能量会被消耗，这就是电阻。 [图片] 但是超导体的温度很低，原子的热运动降到很低，电子不再被阻碍，更奇妙的是，电子会出现奇怪的行为，它们会成对结合，形成库珀对。 原本电子都带负电，本应该同性相斥，但一个电子经过时会轻微吸引金属里带正电的原子核，这种微弱的吸引会对后来的电子产生牵引，于是两个电子变得“间接吸引”，结成了一对。 [图片] 这些库珀对的运动是协同的。 在普通金属中，每个电子都有各自的运动状态，是杂乱的，但在超导体中，所有电子的波函数合并成了一个整体， 它们不再是独立的，而是拥有同一个节拍、同一个动作，整个系统变成了一个宏观量子态，所以，金属结构没有办法散射它们，电子的能量也不会被耗散，所以电阻为零。 这个时候，整个超导体的电子，就像一个庞大的“量子波”，于是，它也就具备了量子隧穿的可能。 [图片] 接下来，科学家要用它做实验了。 他们准备了两块超导体，然后在两块超导体中间放了一层极薄的绝缘层，这个绝缘层相当于一堵电子无法穿过的能量墙。 [图片] 此时，整个系统进入了量子相位耦合态。什么意思呢？ 既然左右两边都是庞大的量子波，既然是波，就有波峰和波谷，也有波动的节奏，这个节奏叫作相位。 [图片] 如果两个波，波峰与波峰对齐，波谷与波谷对齐，它们的相位差就是0，如果一个波的波峰对上了另一个的波谷，它们的相位就是彼此抵消的。 在这个实验装置里，左右两边泛起的电子海洋，节奏是不一样的，有明显的相位差，虽然中间的绝缘层看起来阻隔了彼此，但波是可以穿墙的，两边的相位开始相互感应，产生一种“要让节奏对齐”的趋势。 于是，一部分相位信息就会从一边流向另一边，两边建立了绑定的关系，这就是量子隧穿的结果，也叫做约瑟夫森效应。 不过，这个时候，两边的相位虽然达到了协调，但是进入了一种静态的稳定结构，我们没办法直接观测到它内部发生的变化，所以科学家要想办法让这种隧穿的现象放大，让我们肉眼可以看到。 于是，他们给这个系统施加了一点点电压，这个电压非常非常弱，它只是起到一个触发的作用，就像一个八音盒的发条，它让八音盒启动，但八音盒要发出什么声音，不关它的事。 在这个电压的触发下，系统的相位进入了高速运转的状态，原本两片电子海洋的节奏一致，现在其中一片的波开始略微加速，比如左边的波开始比右边的快半拍，于是，两边的波峰开始不断错位——对齐——再错位。这种持续的节奏差，就像一种能量的脉动，会形成电流，这种电流，被科学家探测到了。 这股电流并不是外部电源“供给”的，而是系统自己产生的，并且这个信号并不是恒定不变的，而是呈现周期性地振荡， 就像心脏一样跳动，这说明系统里的能量变化并非连续的，而是以离散的方式发生的，这就是能量量子化的表现。一种原本只属于微观世界的特征，现在在宏观尺度上也可以看到了。 [图片] 其实量子隧穿和能量量子化的理论早就存在的，而且物理学家约瑟夫森在 1962 年提出了：超导体之间隔着绝缘层，会出现量子隧穿的现象。 今年得奖的三位科学家约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷 和 约翰·M·马蒂尼斯用非常精妙的方法，在宏观层面上观测到了量子隧穿与能量量子化的振荡信号。这项研究其实量子计算机的硬件基础，证实了宏观电路也可以存在量子行为。 [图片] 我们普通人懂得这些知识，并不是要去真的研究，而是理解一个个世界运转的逻辑，这个过程是非常有趣的。 ***广而告之 一、我的书《迷你物理学》上架中～这是我出版的第一本书，前不久中科院物理所推荐了这本书哟！ 上册写了 100 个常见的物理知识点，下册记录了我感兴趣的物理哲学和科学的思维方式。微信、京东、抖音、淘宝等平台均有销售 二、我的连载前沿科技·科学专栏《静止的量子》已更新两年，未来会继续更新，我会陪伴大家一起探索世界的美妙。（有订阅读者社群） [图片] 我的微信：xiubing234 （欢迎跟我分享有价值的东西） [图片]

我们在学习物理的时候，并不只是在学习解题方案，而是在习得一套完整的世界观。比如牛顿力学，表面上我们是在学习万有引力和三大运动定律，但实际上是潜移默化地接受了牛顿看待世界的思维方式。 那牛顿的思维特征是什么呢？它又是如何深刻地影响我们呢？ [图片] 一、因果律 牛顿的第一个思维特征是因果律，他是第一个把因果关系写成数学公式的人。 在他之前，人类当然知道“有因才有果”，但都是定性的经验描述，缺乏精确计算。而在牛顿的世界里，因果关系不再是模糊的推理，而是一整套可以推演整个宇宙的数学体系。 比如牛顿第二定律F=ma，它的意思是：物体的加速度，与作用在它身上的外力成正比，与它的质量成反比。在这里，外力是因，加速度是果，连接这个因果关系的桥梁是公式F=ma。 [图片] 从此以后，因果律有了精确的“语法”，这个世界不仅能被解释，还能被计算。 那如果因果可以计算，是否意味着一切结果都能被预言？牛顿的答案是肯定的。 二、决定论 阿波罗 8 号的绕月宇航员威廉·安德斯在接受采访的时候，记者问他飞船是如何操控的，他幽默地回答说：大部分时间都是牛顿在负责驾驶。 他说得没错，火箭的推力计算，宇宙飞行所需的速度、轨迹、返回的角度，全都可以在牛顿的力学体系里推算出来。 [图片] 人们发现，牛顿的这套逻辑不仅可以预测炮弹的轨迹，还可以预测天体的运动，包括工厂里的机械零件和蒸汽机的运转，全都能用力学定律计算。它太有用了，以至于让人们产生了“人类能掌控命运”的信念。 在 19 世纪，法国数学家拉普拉斯提出了一个著名的假想：如果有一个足够聪明的智慧体，它能在某一刻知道宇宙中所有粒子的位置和速度，那么它就能预测整个宇宙的过去和未来。这就是著名的拉普拉斯妖，也是典型的牛顿式的决定论。 [图片] 三、还原论 除此以外，牛顿还认为，宇宙再复杂，也只是无数粒子的组合，只要逐个算清楚它们的受力，再把结果加起来，就能得到整体行为，这就是还原论。 在日常生活里，我们常常使用还原论，比如一座桥梁看起来庞大复杂，但工程师会把它拆成一个个梁柱、逐个计算受力点，再拼成一个稳定的整体。又比如一辆车出问题，修理工会拆开发动机、电路、轮胎，找到具体损坏的零件，然后再组装在一起。 [图片] 还原论让我们相信：只要把复杂的问题拆开，就能逐个解决。这也是我们从小到达贯彻的学习方法。 四、绝对时空观 牛顿的世界观还有一个重要的特征，绝对时空观。牛顿认为：时间是匀速变化的，空间是一个无限大的容器，时间和空间是独立存在的，它们不依赖任何事物。 我们现在的很多直觉，其实都是受到绝对时空观影响的。比如我们觉得一秒就是一秒，到哪里都一样快，房间是静止的容器，物体只是在里面运动。 在这个稳定的时空前提下，牛顿写出了自然规律。他最厉害的地方，是用同一个公式把天上运动的天体和地面掉落的苹果统一了起来。 这让人类第一次相信：世界是有普遍规律可循的，科学不再是零碎的经验，而是寻找普遍规律的事业。只要找到规律，世界就像机器一样，可以被拆解、计算、操控。 工业社会本质上就是牛顿机械宇宙观的衍生物，像建筑工程、蒸汽机、火车、工厂流水线，全都依靠精确计算和标准化流程运行。 世界变成了一个大型的机械工厂，讲究规律和效率，正式这种思维方式，把人类代入了高速发展的时期。 [图片] 但在现代物理学发展以后，这套世界观受到了很多挑战。首先是因果律的动摇，量子力学告诉我们，微观世界的因果关系不再是必然的，而是概率性的。 其次，决定论认为只要知道一件事的初始条件，就能推算未来。但后来复杂科学兴起，发现世界是一个混沌系统，即使计算方程是确定的，微小的误差会被无限放大，长期下来，结果变得不可预测，就像天气这么日常的事，都复杂到无法精准预测。 还原论这个方法也有局限性，它认为整体等于部分之和，但在生命科学、生态学里，出现了涌现现象，单个水分子明明不是湿的，但一群水分子就能涌现出“湿润”的性质，单个神经元本身不会思考，但数十亿神经元连接，就产生了“大脑意识”。 整体不等于部分之和，还原论无法解决复杂系统的问题。 [图片] 在相对论出来以后，牛顿的绝对时空观也瓦解了，相对论证明时间会伸缩，空间会弯曲，时空不再是宇宙背景，而是会参与物质反应。 牛顿的世界观，通过工业化、通过一代代的教育，植入给了我们每个人，堪称思想的奇迹。但随着相对论、量子力学、复杂科学的兴起，我们才发现：世界并不是一台精密的钟表，而更像一个动态的网络，充满不确定与涌现。 科学的伟大，恰恰在于它敢于推翻旧框架，不断更新我们理解世界的方式。 ***广而告之 一、我的书《迷你物理学》上架中～这是我出版的第一本书，前不久中科院物理所推荐了这本书哟！ 上册写了 100 个常见的物理知识点，下册记录了我感兴趣的物理哲学和科学的思维方式。微信、京东、抖音、淘宝等平台均有销售 二、我的连载前沿科技·科学专栏《静止的量子》已更新两年，未来会继续更新，我会陪伴大家一起探索世界的美妙。（有订阅读者社群） [图片]

为什么世界看起来充满秩序，但同时又很混乱？为什么人脸是对称的，但又对称得不那么完美？为什么斑马的花纹看起来很有规律，但又找不到完全相同的两条呢？ [图片] 自然界中有很多这种看似对称，又带着不对称的特征，在物理学里面，这些矛盾背后，其实都指向同一个源头：对称与对称性破缺。 **对称性 对称性是自然界最重要的框架之一。因为有对称性的存在，世界才是有秩序的，规律才是普适的。但如果只有对称，这个世界又会变得空洞乏味，毫无生机。 我在之前的内容里详细讲过对称性在物理学上的含义，简单来说，对称性指的是自然规律在某种变化下，依然保持不变的特性。 比如，你今天做实验和明天做实验，物理规律都是一样的，这就是时间平移对称性。 无论你在地球上做实验，还是月球上做实验，物理规则也是一样的，这就是空间平移对称性。 你在做实验的时候，无论你把实验装置旋转任何角度，物理规则还是一样的，这就是旋转对称性。 你可能觉得这不是废话吗？规律不就是总结世界不变的道理吗？这还真不是废话，而是科学里的硬通货，这些对称性是能在数学上直接推导出守恒定律的。 时间平移对称性推导出能量守恒，空间平移对称性推导出动量守恒，旋转对称性推导出角动量守恒。甚至爱因斯坦的相对论，也是从对称性出发才建立起来的。 所以在很长一段时间里， 对称性就是物理学的最高美学，物理学家默认所有最底层的基本规律都应当尊重对称性。 直到 1956 年，杨振宁和李政道提出宇称不守恒，才撼动了这个信念，他们认为，自然界的弱相互作用可能不遵守宇称守恒。 [图片] **宇称不守恒 什么是宇称守恒呢？我们可以简单地理解为镜像对称，如果把整个物理过程的空间坐标翻转（x,y,z → -x,-y,-z），镜像里的过程应该和原来一样符合同样的物理规律。 [图片] 为了验证这个猜想，华人科学家吴健雄做了一个实验，她用了一种叫钴 60的原子，这种原子具有放射性，在弱相互作用下会发生衰变，同时向外释放出电子，这个过程叫作β衰变。 [图片] 每一个钴 60 的原子核都有自旋，你可以把这些原子想象成小磁针，平时这些小磁针的指针方向乱七八糟，吴健雄用极低的温度和强磁场，让这些小磁针的自旋方向对齐，然后观察这些原子在衰变时，放射出的电子传播方向。 [图片] 结果发现，电子并不是均匀分布的，而是更偏向于沿着自旋的反方向发射。 然后，她再把磁场反过来，让钴 60 的自旋翻转，结果电子的传播方向也跟着调转了，它始终往自旋的反方向飞。也就是说，如果自旋向上，电子就喜欢往下飞，如果自旋朝下，电子就喜欢往上飞。 [图片] 如果宇宙真的是左右对称的，电子的分布应该是均匀的，一半往上飞，一半往下飞，没有哪边是特殊的，但这个实验里，电子却展现出了明确的偏好。 就算电子有明确的偏好，在镜像翻转后，结果也应该跟原来的结果一样，就像你放气球，气球在镜子里的左右虽然是反的，但气球同样都应该是向上飞的，总不能在镜子里气球往下跑吧，这就违反了物理原则了。 [图片] 这说明，β 衰变中的电子发射方向并不对称，宇宙在这件事情上是偏心的，有非常明确的倾向性，这就是宇称不守恒。这个实验让杨振宁和李政道拿到了1957 年的诺贝尔物理学奖。 明明在强相互作用和电磁作用下，宇称都是对称的，偏偏在弱相互作用的情况下却出现了反常的情况，这就是对称性破缺。 **自发对称性破缺 其实对称性破缺主要有两种类型，一类就像宇称不守恒这样的，规律本身就不满足对称性，叫作显式破缺。 还有一种破缺方式：底层规律是对称的，但系统却选择了一个不对称的状态，叫作自发性对称破缺。 比如在日常生活中，铅笔竖直地放着，理论上它可能朝任何方向倒下，这是完美对称的，但现实里，它一定会朝某一个方向倒下去。这就是：规则对称，但结果不对称。 [图片] 非常典型的例子是一块普通的铁，在高温下，它其实并没有明显的磁性。可是当它冷却下来，铁就会带有磁性。为什么会这样？ 因为铁原子里的电子都有自旋，你可以把这些电子想象成一个小磁针，在高温的时候，热运动会让小磁针搅动起来，它们的小磁针乱七八糟指向不同的方向，结果就是相互抵消，整体上就没有磁性。这个时候，系统是完全对称的，无论你把它转向哪个方向，都一样，没有哪个方向是特殊的。 [图片] 可是一旦温度下降，热的干扰不够强了，自旋之间的相互作用就开始主导了，这种相互作用会让电子的自旋倾向于齐刷刷对齐。 理论上，这个方向可能是东、是西、是北，任何方向都行，但在现实中，它们必须选一个方向站队。结果就是：铁在宏观上获得磁性。 [图片] 这就是自发对称性破缺，规律是公平的，发生在任何方向的可能性都是一样的，但在现实里必须选边站，于是对称性在“选择”的那一刻出现了破缺。 除了宇称不守恒和铁磁化，自然界中还有很多对称性破缺的例子，如果世界永远保持完美的对称，它会是死寂而单调的；正因为对称不断被打破，新的活力和复杂性才涌现出来。 我的专栏： 我的书：《迷你物理学》（中科院物理所推荐），抖音、视频号、京东、淘宝均有售

在我们的日常经验里，一个物体最低能量的状态，一定是“静息”的。就像一个小球最终会落在碗的最底部，一个晃来晃去的秋千，最终也会停下来。 可是有一种物质在最低能量的状态下，依然可以像心脏那样，保持周期性跳动的节奏，并且不用消耗额外的能量，这种物质叫作“时间晶体”。 诶，奇怪了，这种不依靠外界能量还持续跳动的物质，不是永动机吗？这不是就违背了能量守恒的原则吗，它到底是什么东西呢？ 首先，什么是晶体呢？ 食盐、钻石、雪花都是晶体，如果用显微镜去观察它们的原子结构，会发现它们的微观结构不是随意分布的，而是呈现一定的规律，周期性地排列在空间里。比如食盐就是钠离子和氯离子排列成立方体格子，钻石是碳原子排成坚固的四面体网络。 [图片] [图片] 而玻璃、橡胶这些东西是典型的非晶体，它们的原子结构的排列是无序的，在空间分布上，它们没有哪个点是特殊的，不同点位，比如 A 点和B 点都没有突出的典型差异，是一种近似的均匀，在统计学的平均意义下，它保持了空间上的连续对称性。 [图片] 相比起来，晶体却非常讲究秩序，它的原子在空间中的分布不再是处处一样，A 点和B 点对应着不同的原子排布，并不均匀，它打破了空间的连续对称，而是隔一段距离就重复一次。 [图片] 于是在 2012 年，有一位诺贝尔物理学奖得主弗兰克威尔切克就想啊，既然空间能结晶，那时间可以结晶吗？这就是时间晶体的由来。 [图片] 这种构想这就很像一个小球，它第一秒在楼上，第二秒掉落在空中，第三秒掉落在地面，但第四秒又出现在空中，第五秒掉落在空中，第六秒掉落在地面，这样循环往复，像是时间在轮回。 [图片] 在 2016 年的时候，时间晶体还真在实验室里被找到了，当然不可能是小球这样的宏观物质，而是一种特殊的微观现象。是怎么发现的呢？ 科学家把 10 个 镱离子困在真空里，让它们排成一条链子，这些离子都有自旋，自旋跟质量和电荷一样，是一个粒子的内在属性，你可以把这些小粒子想象成带有磁性的小陀螺，小陀螺指针的方向就是自旋，自旋的方向要么指向上方，要么指向下方。 [图片] 现在科学家用激光脉冲去照射这些离子，就像打节拍，每隔一段时间就照射一次，这些离子接受到脉冲的信号，然后它们的自旋会发生翻转，比如从上翻到下，或者从下翻到上。 [图片] 正常情况下，假设脉冲波1 秒钟敲打一次，粒子的自旋应该1 秒钟翻转一次，就像有小朋友坐在秋千上，大人在旁边推，大人推一次，秋千动一次。 [图片] 可奇怪的事情是，这些粒子拒绝跟着脉冲波的节拍，而是自己选了一个舒服的节奏，它们两秒钟或者更长时间才翻转一次， 而且，这个周期性的节奏具有一定的刚性，非常稳定，就算你稍微调快或调慢脉冲光，它们依旧坚持“两秒一翻”的模式。就好像有 10 个手拉手荡秋千的小朋友，它们不可能完全只听大人拍手的节奏，他们会自己在内部形成一种集体的步伐。 这说明，脉冲波对它们是一个外部驱动，而真正的节奏是这些离子自发演化出来的，它的这种隔两秒重复一次的节奏打破了时间平移对称性。 你可能发现了，这个实验跟弗兰克提出来的最低能量态的理想的时间晶体不一样，它依然依靠外部的能量驱动，脉冲光给离子注入能量，驱动离子发生了自旋翻转。 它之所以没有违背能量守恒，是因为它虽然是真空的，但是不能算绝对的孤立系统，而是一个开放系统，而且在这个实验的设计中，故意让脉冲光向晶体注入的能量，和它们耗散的能量是平衡的， 就好像你给我一块钱，我再把这一块钱转移出去，你再给我一块钱，我再把这个钱转移出去，这个能量交换的过程驱动了自旋翻转，但这个过程是没有能量累积的，也没有新增的热量会破坏系统的平衡。 况且，这个时间晶体并没有对外做功，它的跳动也只是内部的量子行为，所以并不违背能量守恒，也不是永动机。威尔切克设想的完美版本，在现实层面也无法实现。 在 2025 年 9 月，也就是前不久，科学家宣布开发了一种可以被肉眼看到的时间晶体，它们把液晶溶液（也就是手机显示屏的常用材料），灌入涂有染料的玻璃片之间，然后用特定的光“照射”它们。 结果在显微镜下出现了一种条纹，这些条纹会随着时间以恒定节拍重复出现，持续很长时间。 也就是说，这不仅是空间里的晶格，而是 “时间里的晶格”，像是时间里长出的花纹。 [图片] 时间晶体在未来可能会有很多应用，比如防伪，可以创造不同的时间晶体图案，然后用光照一下，就能看到独特的动态纹路，它也能在量子计算机里做超级稳定的存储器，也可以发展出非常精密的时间传感器等等。 其实你看，任何一个听起来非常玄乎的概念，只要你抽丝剥茧，都能理解它的内在逻辑。有一天这个抽象的概念也会从实验室走出来，面向实际的生活应用。

物理学最震撼我的地方，并不是它发现了一个什么前所未有的新现象，而是它能发现一些完全不一样的东西，竟然是同一回事。 比如质量和能量在某种意义上是一回事，电场和磁场在某种意义上是一回事，引力和加速度在局域范围内也是可以划等号的。 在物理学中，这种等价关系非常多，它告诉我们，宇宙看似充满差异，其实背后都有非常深刻的关联。 那么问题来了，为什么完全不一样的现象，背后会指向同一个源头呢？这个源头的底层逻辑到底是什么？ 其实，等价关系之所以在物理学中频繁出现，有一个非常主要的原因，那就是我们的宇宙有一个很重要的偏好，叫作对称性，不光我们人很喜欢对称的东西，宇宙也很喜欢。 我们日常生活中提到的对称，是一种有秩序的形状，比如一只蝴蝶的翅膀是左右对称的，镜子里的人影和照镜子的你是对称的，这种对称是我们眼睛直观捕捉到的一种整齐的感觉。但其实对称最核心的要素是“不变”。 [图片] 我们直觉上认为的对称性，是一种形状上的不变，也就是说一个物体在镜像、旋转、平移等几何操作下，它的外形或图案不变。 比如一张扑克牌，旋转 180 度，还是一样的，这个扑克牌就具有旋转对称性，一颗爱心左右翻转后，和原来的形状完全重合，它就具有左右镜像对称性。 [图片] 但在物理学里，对称性有更深入的含义。它不光是形状在某种变化下保持不变，而是物理规律在某种变化下保持不变。 比如你今天做一个实验，明天再做同一个实验，不会因为你做实验的时间变了，这个实验的物理规则就发生变化，物理规则不受时间影响，这就是时间平移对称性。 又比如你在北京做一个实验，你的朋友在成都做同一个实验，不会因为做实验的空间变了，物理规则就会发生任何变化，物理规则不受空间的影响，这就是空间平移对称性。 又比如你做实验时候把实验装置旋转 90°，物理规则不会因为你做实验的方向变了就发生任何变化，物理规则不受方向的影响，那么它就具有旋转对称性。 有一个很厉害的数学家叫做诺特，她用数学方法推导出一个很惊人的定理“诺特定理”，她认为每一种连续的对称性，都会对应着一种守恒定律。 [图片] 比如时间的对称性就必然对应着能量守恒，为什么呢？你想象一下，现在有一个单摆，你今天把它拉到同样的高度放手，明天再做一次。如果能量不守恒，那今天它可能越摆越高，明天可能越摆越低。这意味着：明明是同样的起点，却因为时间不同，结果发生了变化。 一旦这样，你光凭今天和明天的时间差，就能分辨出物理规律不一样。那这就违背了时间对称性。所以要保证时间对称性，宇宙必须匹配一个硬性的约束条件，那就是总能量必须守恒，不能时间一变，就凭空多一些能量或少一些能量。 举一个不恰当的例子，就好像你坐公交车，你今天坐和明天坐，同一个线路的票价是不变的，这是因为公交公司一定有什么定价制度来保证这个价格不变。也就是说，这个不变的背后，一定会匹配一套规则的约束。 又比如空间平移对称性对应着动量守恒，为什么呢？你想一下，现在有两个一模一样的火箭，一个在北京发射，一个在成都发射，除了地点不一样，其他条件全部相同，那么同样的燃料给它们产生的动量，也就是往前的冲劲应该是一样的。 [图片] 如果动量不守恒，会出现什么荒谬的情况呢？有可能在这里发射的时候，火箭嗖一下地飞起来了，换个地方发射，同样的发射条件，火箭就是慢吞吞地起不来，那么你就光凭“发射地点的位置不同”就能分辨出物理规律的不同，这就违背了空间对称性。所以，为了保证空间的对称性，宇宙必须匹配一个硬性的约束条件，那就是总动量守恒。 [图片] 再举一个不恰当的例子，这就像你点外卖。无论你在北京还是在成都，只要你点同一家连锁品牌的汉堡，你就能吃到同样的味道，怎么做到的呢？如果要保持这个口味的不变，背后必须有一套统一的配方和供应链做支持。也就是说，这个不变的背后，必须匹配其他隐藏条件的约束。 同样，在物理学上，要保持连续的对称性，一定要匹配某一种对应的宇宙规则来兜底，这套规则就是守恒定律。 除了上面举的两个例子，还有很多别的对应关系，比如旋转对称性对应角动量守恒，电磁规范对称性对应电荷守恒，强相互作用的规范对称性对应色荷守恒等等。 那么这个对称性和守恒定律，和我开头讲的等价现象，又有什么关系呢？ 其实质量和能量，电场和磁场，重力和加速度这种等价关系之所以存在，都是对称性的必然产物。 比如有一种对称性叫做洛伦兹对称性，它指的是在不同的匀速参考系中，物理规则都必须保持不变，为了维系这个物理规则的不变，爱因斯坦在这个前提下，把时间和空间整合成了时空，并且推导出了质量与能量是等价的。麦克斯韦的方程也天然满足洛伦兹对称性，在这个对称性的前提下电场和磁场的表现就是等价的。 还有很多不同的对称性，对应着不同的等价，换句话说，等价是一种现象，这些现象背后的原因是对称性，而守恒定律又是对称性伴随的结果。 讲到这里你有没有感觉到，宇宙看似纷繁复杂，其实是彼此勾连的，当你找到这些勾连的时候， 就像打通了任督二脉一样舒畅，你会发现我们看见的差异只是因为视角的不同，世界的本质是同源的。 这就是为什么物理学家特别热衷于去研究统一场论，因为他们最大的野心就是试图找到一个最简单的统一的理论框架，来解释万物的规则。 当然，不是所有的等价现象都跟对称性有关，也不是所有的对称性都那么完美，我之前也讲过对称性也会有破缺的时候，这使得我们的世界既有对称性带来的秩序，也有对称性破缺带来的意料之外的活力。