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十个问题带你认识量子力学

时间:2017-02-05 01:20?作者:余梓阳 ?

关注量子科学探讨宇宙奥妙

假如量子力学没有让你深感震动的话,说明你还没真正了解它。

——尼尔斯·玻尔

假如你对量子力学的概念觉得迷惑,不要慌,我信任你其实不是唯独的一个。正如物理学家费恩曼所说的:“我想我能够有掌握地说,没有人懂得量子力学。”

然而,量子理论却渗入到我们生活的各个方面,它描写了我们生活的这个世界是如何运作的。例如,我们每天洗澡在太阳光当中,你可曾思考过为什么太阳会发光?假如你不懂量子力学,就没办法懂得其中的奥妙。

下头,通过十个问题,我尽也许用最简练的语言率领读者懂得量子力学背后的基本思想。

1. 什么是量子力学?

千年以来,科学家一直在询问一个最基本的问题:物质是由什么组成的?目前我们晓得一切的物质都是由电子和夸克组成的,它们都是基本粒子。所谓的基本粒子是指它们不能够由更小的粒子组成。恰是这些基本粒子组成了原子,好比氢和氧,和份子,好比H?O。

十个问题带你熟悉量子力学

△ 原子:由电子和原子核组成。原子核由质子和中子组成,而这二者又分别由夸克组成。

原子和份子是组成这个世界的乐高积木。为了懂得这个微观世界是如何运作的,科学家就需求应用量子理论。

这个理论有很多特别诡异的预言(好比粒子能够同时处于两个不一样的地方),但它同时是物理学中最经得起考验的理论之一。

它是支持我们身旁见到的科技的基础,包含你目前正在应用的手机中的芯片,也是智能手机之所以智能的缘由。

它很奇异,但它是对的,而且特别重要。

2. 等等,说了半天,“量子”究竟是什么意思?

你拿着一罐花生酱走到厨房中,你能够决定把它放到操作台面,或着台面上架子的某一层。但你不能够把花生酱放在架子的层与层之间。在物理学上,厨房的架子的层就是所谓的“量子化”。意味着它们是有级其余。

十个问题带你熟悉量子力学

△ 氢原子中,电子能够在不一样能级中跃迁。(图片起源:John Willey)

在量子世界,一切的物品划分成不一样的级别。举个例子,原子中的一个电子能够处于其中众多“能级”中的一个,能级就像厨房中的架子上的不一样层。在量子世界中,只需用正好的能量将电子踢一下,它就会立马从一个能级跳到另外一个能级。这叫做量子跃迁。

举一个你也许更熟悉的例子,假如你目前驾驶的是一辆量子车,你能够以5千米/小时,10千米/小时,30千米/小时的速度驾驶,但不会在它们之间。也就是说当你换档的时候,车子的速度会立马从5千米/小时跳到20千米/小时。这个转变是瞬时的,所以你甚至不会感觉到加快。这又是另外一个量子跃迁。

3. 常常听到经典力学和量子力学,它们的差别是?

微观世界所屈服的一套规则跟我们习惯的“经典”世界特别不一样。物理学家所谓的“经典”有关于“常识”,也就是某些物品的举动方法跟你平常经历中所预期的一样。

十个问题带你熟悉量子力学

△ 红色区域代表量子谐振子的几率密度,蓝色曲线则表示经典几率散布。在这个情形中量子数n=0.(图片起源:Wolfram)

一个台球就是一个“经典物体”(它在桌子上会直线的滚动),然而一个单独的原子则屈服量子规则(很简单在绿色的桌面随时消失)。

十个问题带你熟悉量子力学

△ 量子数n=50。跟随量子数的增加,量子效应逐步消失,愈来愈向经典接近。(图片起源:Wolfram)

当有足够多的原子联合在一起,奇异的量子效应就会逐步消失,它的举动又变得经典了。这就是玻尔的“对应原理”。

4. 什么是海森堡不确定性原理?

在量子物理中,有一些物品基本上是不可知的。例如,你不也许同时晓得一个电子在哪里和它要去哪里。也就是说,不也许同时准确地确定一个粒子的地位和速度,这就是海森堡不确定性原理。

十个问题带你熟悉量子力学

△ 我们永远没办法同时晓得粒子的地位和速度。(图片起源:Chad Orzel)

懂得这个原理的其中一个方法是通过有关的观测效应——对一个系统进行丈量时如何转变其结果。举个例子,为了找出电子在哪里,你必须用某些物品(好比组成光的光子)来探测它。然而,为了探测电子的地位,光子又会转变电子的运动方向。虽然电子告知了你它的地位,但却不晓得它接下来要去哪里。

十个问题带你熟悉量子力学

△ 粒子动量的不确定性 × 地位的不确定性 不小于 二分之一 × 约化普朗克常数。(图片起源:Chad Orzel)

然而,不确定性的起源事实上更加深刻和使人惊奇。不确定性原理之所以存在是缘由是宇宙中的万物都同时体现的像波和粒子。这就是所谓的波粒二象性。

十个问题带你熟悉量子力学

△ 一切的物品像粒子,又像波。(图片起源:Chad Orzel)

事实上,不确定性原理提醒了自然的内在隐约性。

5. 什么是波函数?

量子力学的核心方程是薛定谔方程,它就好比是牛顿第二定律在经典力学中的地位。它看起来是这样的:

十个问题带你熟悉量子力学

△ 薛定谔方程。方程中的H是哈密顿量,为系统的动能和势能之和。(图片起源:Ian Stewart)

该方程的解即为波函数Ψ(x,y,z,t),括号中的x,y,z代表三维的情形 。量子波函数能够有很多也许的解。使人称奇的是不一样的也许解看起来能够互相用处,构成处于中心或不定的状态,称为叠加态。似乎它们联合在一起才能够准确的描写我们宇宙的现实。

6. 可不能够多解释一下什么是叠加态?似乎跟一只猫有关?

试想一下,将一只猫关在一个盒子里,并装有一小瓶的氰化物。在瓶子上有一根用弦吊住的锤子。假若有一个随机的量子事件产生(好比,铀原子的衰变),就出使锤子落下打坏装有氰化物的瓶子。

1935年,奥天时物理学家薛定谔提出了这个思想试验来转达叠加态的概念。

十个问题带你熟悉量子力学

△ 薛定谔猫的思想试验。(图片起源:Wikipedia)

原子的衰变屈服量子定律,所以它的波函数有两个解:衰变和不衰变。假如铀产生衰变,就会打坏装有氰化物的瓶子,猫就会死;假如铀不产生衰变,猫就存活。

从量子力学的角度来看,在我们打开盒子之前,放射性的铀处于衰变和没有衰变两种状态的叠加,猫处于生或死的叠加态,这就是所谓“薛定谔猫”。

7. 前段时间中国发射的量子卫星也一直提到了“纠缠”这个词,那究竟什么是纠缠?

纠缠是指两个粒子(好比光子)间的联络,当你对其中一个进行丈量,会立刻对另外一个产生影响,不管它们相距多远。

十个问题带你熟悉量子力学

△ 量子纠缠,只需对其中一个粒子进行观测,你就立便能够晓得另外一个粒子的状态,虽然它们也许在宇宙的两头。

打个好比,目前我的双手各有一颗不一样色彩的弹珠,我把双手伸到死后随便调换弹珠。从你的概念来看,这两个弹珠是“纠缠”的,假如红色的弹珠在我的左手,这意味着蓝色的就在我的右手。

然而在量子的情形下这更加神奇,缘由是弹珠是没有确定的色彩的,它们能够是红色和蓝色的几率是一样的,美满是随机的。

奇异的是,当你看到其中一颗弹珠的时候,就扼杀了这类随机性。不单单是你看的那颗,而是两颗。假如你看到一个红色的弹珠,你就晓得另外一个是蓝色。

所以,一个纠缠的粒子会立刻影响另外一个,不管相隔多远。爱因斯坦以为这违背了相比较论所限制的宇宙的速度极限(光速),所以将纠缠标签为“鬼怪般的超距用处”。

8. 那物理学家是怎样让光子纠缠的?

有几种不一样的办法。其中一种是将一个高能的光子决裂成两个低能的“子光子”。就像是两个彻底一样的双胞胎,它们之间拥有着神奇的联络。

另外一种办法是让两个光子通过迷宫般的镜子,所以你就没办法晓得它们会在哪一个方向传播。这个“不可知性”就制造了纠缠。

9. 量子力学中有无什么知名的试验?

量子力学中最知名的试验我想莫过于双缝试验。试验的设置很简单:把粒子(通常是电子或光子)打向一面有双缝的屏幕,在双缝后面还有个探测屏幕。

这个试验之所以知名是缘由是它描写了上头我们提到的很多奇异现象。

我们首先在水中进行双缝试验。很简单,你只需用手指在水中滑动便能够制造出波。这些波通过双缝的时候会互相干预,构成明显的干预条纹。这是波的举动。

目前,把试验从水中挪出,用子弹射向双缝。你在屏幕后看到的是两条并排聚积而成的子弹,而不是干预图案。这是粒子的举动。

出色的来了,假如你把电子射向双缝,会产生什么?假如你预期电子是粒子,那么你在探测屏幕看到的情形就跟子弹的一样。但事实呢?

十个问题带你熟悉量子力学

△ 知名的双缝试验。中心的探测屏幕代表粒子是经典时的举动,但事实上粒子是量子的,所以会产生干预条纹(红色框)。(图片起源:NewScientist)

我们看到电子会在探测屏幕产生干预图案,就似乎每个电子都同时通过双缝一样,而且互相干预。这似乎暗示着电子是波。

因为电子是量子物体,我们没办法晓得它的地位(海森堡不确定性原理)。电子有必定的几率会通过其中一条狭缝,有必定的几率会通过另外一条。因为通过两条缝的几率是一样的,它事实上同时通过两条狭缝(叠加态)。

电子的举动又像粒子又像波,这类所谓的波粒二象性简直让人抓狂,但又让人入神。目前你也许会开始思考,岂非我们不能够千方百计晓得电子是通过哪条狭缝吗?

十个问题带你熟悉量子力学

△ 双缝试验。A:不观测电子通过哪条狭缝的情形下,会在探测屏上构成干预条纹。B:一旦进行观测,干预条纹就会消失。(图片起源:Quanta)

固然能够,我们能够在某处放一个光源,监测电子是从哪条狭缝通过。然而,一旦这么做,我们会发现本来的干预图案就立马消失了!!!

也就是说,一旦进行观测,波函数就“坍缩”了。

因为你晓得了电子通过哪条缝,它就不再处于叠加态,所以它只通过了其中一条。电子的波的举动就消失了,它体现就好像子弹般。

假如你目前感觉头脑不怎样好使了,这很正常,缘由是物理学家也挖空心思的想要解释这看起来不言而喻的悖论。

10. 物理学家对此有什么解释吗?

记得我刚接触量子力学的时候,我对很多现象都没办法懂得。为了清除我脑海里的疑问我一直的向教授发问。固然,教授通常的建议是:“先不要问,只需了解计算就行”。一旦我采用了这个建议,个人的经历发现量子力学要比经典力学简单的多。但这其实不是一个准确的立场。确实也有很多物理学家只对答案有兴趣,而拒绝去思考到底产生了什么。

其实一旦你去思考这背后的原理的时候,你就会发现量子力学的无限魅力。下头我简单的列出三个对量子力学的出色诠释:

十个问题带你熟悉量子力学

△ 多世界诠释。假若有一个异性跟你搭赸,你的答复会产生两个不一样的结果,要么各矜持续做单身狗,要么高兴的结婚生子。(图片起源:Max Tegmark)

多世界诠释以为,当我们对一个系统进行观测时会分别出多数个平行宇宙,每个都是波函数的一个也许解,而我们只是在其中一个特定宇宙。

十个问题带你熟悉量子力学

△ 哥本哈根诠释。(图片起源:Quanta)

哥本哈根诠释则以为,在观测之前,电子是没有确定的地位的。每个电子都像波一样疏散开来,同时穿过两条狭缝,它们互相干预在探测屏上产生了明暗条纹。但只需观测者试图晓得电子是从哪条缝通过时,该观测刹那间将电子的地位“坍缩”至一个点,损坏了干预的产生。也就是说,观测会致使波函数的坍缩。

十个问题带你熟悉量子力学

△ 导航波理论。(图片起源:Quanta)

德布罗意-玻姆理论,又称为导航波理论,在玻姆力学中,量子物体被当作是经典粒子,电子一直拥有确定的地位,即便该地位没办法被观测者发觉。该电子的地位会遭到“导航波”推进的影响。一个电子只能穿过一条狭缝,但导航波同时穿过两条狭缝。导航波的干预带来了探测屏幕上的干预图案。在狭缝的丈量会致使导航波的“坍缩”,所以便能够晓得电子的道路了。

至此,通过这些基础的了解,希望你开始对量子力学产生必定的兴趣。也许能够试探浏览《量子力学的核心——薛定谔方程》,也能够浏览曹天元的大作《天主掷骰子吗:量子物理学史话》,固然,假如你想掌握量子力学这门学科能够从《费恩曼物理学课本》(第三卷)开始。

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