如何用通俗易懂的方法解釋量子力學?

趙樹資

量子力學早期的創立人薛定諤和波爾都曾懷疑過量子力學,所以不存在通俗易懂的理解方法,

這裡我簡單說下量子力學的兩個重點。

量子力學和相對論是近代物理學的兩大支柱,相對論研究的是宏觀物體運動的規律,而量子力學則是研究微觀世界物體的運動規律,像原子和分子的結構還有粒子的物理性質。量子力學最鬼魅的地方在於它的不確定性,這就是微觀世界和宏觀世界的最大區別。宏觀世界中,如果拋一枚硬幣然後用手蓋住,讓你猜正反。在硬幣被手掌蓋住的那一剎那,硬幣的正反已經成為不可改變的事實,不以人的意識為轉移。但在量子微觀世界卻不是這樣的,微粒的狀態都是有一定概率的。簡而言之,宏觀世界中的事實是確定的100%的,微觀世界中的事實是不確定的,有一定概率發生的。

量子力學描述不確定性原理中,最經典的就是海森堡測不準原則,說的就是微觀世界中,粒子的速度還有它的位置都是不確定的,不可能同時確定粒子的速度還有位置,如果你強行觀察它的速度,那麼它的位置就不準確,並且速度測量的越準確,位置就越不準確,反之也是同樣的道理。但在宏觀世界中,天文學家可以同時確定火星的公轉速度和自轉速度還有位置,但在微觀世界就不適用,這就是最大區別。

量子力學另一大鬼魅的地方就是量子糾纏,說的就是同一體系下的兩個粒子可以在相距很遠的距離位置發生狀態的同步改變,改變的速度已被證實是可以超過光速的,但由於其不攜帶信息,因此愛因斯坦的光速最快理論依然適用(愛因斯坦所提出的光速是宇宙中最快的速度指的是攜帶信息的物質,不能超光速,量子糾纏不傳遞信息,所以適用)


科學薛定諤的貓

量子力學的本質是什麼?那就是離散。這就好像我們生活中的錢,只有1毛,5毛,1元的,沒有0.542223123元這樣的。這就是離散。在沒有量子的觀念的時候,我們以為世界是連續的,後來才發現是離散的。

那麼,量子的世界裡,什麼東西是離散的呢?能量是離散的,電荷也是離散的。能量的離散,所以我們才能看到不同顏色的光。電荷是離散的,就是說存在一個最小的電荷,那就是電子電量,其他的電量都是電子電量的整數倍。所以,電子的電量就好像我們生活中的1分錢一樣,是錢的最小刻度。

量子力學的這些特點,使得它可以解釋很多現象,首先要解釋的現象是鍊鋼的時候,鋼水的顏色與溫度的關係。你說是紅顏色的鋼水溫度高?還是綠顏色的鋼水溫度高?這個背後就涉及到量子力學中的基礎知識,那就是黑體輻射曲線到底滿足什麼方程的問題。最後還是由量子力學的鼻祖普朗克用能量的量子化來解釋的。其次,我們要解釋的問題是太陽的光譜裡的暗線是怎麼產生的,這個也是用量子力學的能級躍遷的知識才可以解釋這些暗線——當光學儀器的分辨率越來越高,尤其是光柵被髮明以後,我們就可以看到太陽光的暗線,而這些暗線的解釋就需要量子力學。所以,光學的發展,最後必然會導致量子力學的誕生。當然還可以舉很多這樣的例子,比如磁鐵為什麼有磁性,比如玻璃為什麼透明,這些問題的解釋都需要量子力學的知識。


作家張軒中

老實說,量子力學表現的現象很容易講解,但背後的機制理論很難講解。

我覺得理解量子力學,當然可以去讀一些書,理解某幾個基本實驗(雙縫干涉,糾纏態),但是也可以直接從基本假設出發來理解,因為這也並不比理解牛頓定律更困難,反正大多數時候大媽也不懂牛頓定律。從基本假設的角度出發(以下所寫不能嚴格滿足與基本假設的一一對應關係),不用任何數學

首先,我們要知道量子物理研究的對象是什麼?

量子物理研究的東西都超級超級小。

假設我們肉眼能分辨的大小是一個足球場的大小,那麼量子物理研究的就是足球場裡的一個棒球那麼大的東西。

其次,為什麼要有量子物理,沒有會怎麼樣?

量子物理對現代科技的發展有著舉足輕重的貢獻。

沒有量子物理就沒有半導體,就沒有二極管,神馬的。沒有這些東西就沒有電腦手機互聯網

再說量子力學最著名的理論:首先,只要記住一句話。量子物理裡邊只講求概率,不講求規律。你永遠無法測算出足球場裡的棒球在哪裡,你只能算它的概率。比如棒球在球門裡的概率是50%。在中場的概率是20%。所以你就去概率高的地方找棒球,去球門裡找,而不去中場。

一切都是不確定的,只有一定的概率。

其次量子物理學家在全世界裡最出名的兩個人就是薛定諤(Erwin Schrödinger)和海森堡(Werner Heisenberg)。(還有諸多其他出名的物理學家,但是他們在大媽的世界裡或許不出名)

薛定諤提出了超級著名的薛定諤方程 (此薛定諤就是那個薛定諤的貓的薛定諤)

海森堡提出了測不準原理 (沒錯,就叫測不準原理)

薛定諤方程很好的表明了前邊說的,只講求概率,不講求規律的法則。具體薛定諤方程什麼樣子,沒有物理數學的基礎,看了也像看天書。

而海森堡的測不準原理顧名思義,表達了量子力學裡的不確定性。


懷疑探索者

有一句流傳很廣的話,說如果你覺得量子力學沒有任何稀奇之處,就是你壓根不懂得量子力學。

從這個角度是不存在通俗易懂的解釋量子力學的方法的。

因為普通人的理解都是用自己身邊熟悉的現象去理解陌生的現象。量子力學很難和我們熟悉的宏觀現象建立聯繫。當然也並非完全不可能,下面我們會再介紹。

如果是這樣的話,物理學家憑什麼又對量子力學信心滿滿呢?

這也不難理解,因為物理學家對量子力學的信心並非來自他可以理解這個理論,而是來自他們掌握了量子力學這個方法,然後利用這個方法進行的計算迄今為止都與他們的實驗結果或實踐活動相一致。換句話說,物理學家用量子力學能解釋原子光譜,能設計半導體器件,並且不是成功了一次、兩次,而是成功了億萬次,並且精度極高,物理學家對量子力學的自信主要來自這裡。

作為一個強有力的工具,量子力學是值得我們學習的,以後不僅科學家要學,工程師也要學。出於學習和了解的目的,如何理解量子力學,或如何通俗地解釋量子力學就成了一個問題。這個問題更多是基於教學或學習的目的的。

這裡有兩個理解的途徑,一個是講量子力學中物理系統所處狀態是用量子態(或波函數)來描述的,量子態會發生相干的疊加,這和我們以前熟悉的光波的疊加或水波的疊加是一回事。所謂一回事是說它們是基於相同數學語言的。這裡相位很重要,你如果要理解的話,就去理解水波的疊加,因為水的波動是我們的日常經驗,這就有了個簡單的理解途徑。

當然量子力學會強調我們研究的是粒子,而粒子是用量子態或波函數來描述的。這麼一說大多數人還是會糊塗,要想不糊塗必須做計算並把計算結果與實驗聯繫起來。

另外一個理解量子態的途徑是通過光學裡面的偏振態,光是可以有線偏振或圓偏振的,即便是線偏振,偏振方向也可以是很多種,在光學裡我們做偏振實驗,我們發現對一束y偏振光而言,裡面完全沒有x偏振光,但如果我們讓y偏振光穿過一個與y方向呈45°夾角的偏振片的話,我們就能從中間找出x偏振光的成分了。

如果你學過物理光學,以上現象是可以理解的,在此基礎上我們可以把量子態想象為光的不同偏振態。但可惜對大多數普通人來說,物理光學未必比量子力學更容易。所以這個途徑只能說對學過大學物理的人來說是通俗易懂的。


物理思維

我想,按“量→子→力學”思路,來回答本題,力求:①通俗易懂:顧名思義,只說人話。②言簡意賅:尊重智商,不說廢話。③系統扼要:講清要點,不留遺憾。④深入淺出:深刻理解,正本清源。



一,量子之量的本質

這裡的“量”,指數量(quantity)、計量。quantity的詞幹quant =count,是計數(數個數)、統計(樣本個數)。例如:從一數到十:count from one to ten。

因此,量子力學的量,本質上是自然數,即自然界的數:1,2,3...n。“n”是“natural numbers”。畢達哥拉斯的警句:數是自然界最本質的理念。


二,量子名稱的由來

這裡的“量子”(quantum),顧名思義,指統計“事物之量”的單子(monad),準確的說,是物理量的最小單元(unit)。

英文後綴“um”或“on”,泛指“1”個東西。記住量子的標準術語是“quantum”。這些都是量子:

玻色子boson,與“力/波/場”相關,諸如:光子photon、引力子graviton、介子meson、上帝粒子God particle, higgs(boson)。

費米子fermion,與“粒子/有形物質”相關,諸如:中微子neutrino (on→no,好拼讀)、電子electron、核子nucleon、質子proton、中子neutron。


三,量子的宏觀線索

中國人自古就直覺了量子,“子”就是線索:老子、孩子、兒子、男子、女子,小子、廚子、學子、傻子、呆子、浪子、痞子、瘸子、瞎子、聾子...,兔子、蟲子、虎子、獅子、豹子、崽子、狗崽子...,孢子、粒子、種子、豆子、穀子、茄子、瓜子、榛子、梨子、桃子、李子、栗子...,錘子、鑿子、斧子、刀子、袋子、盒子、櫃子、輪子、領子、袖子、褲子、鞋子、靴子、車子、房子、票子、位子、本子、裡子、面子、根子、腦子...,


無定形連續性物質,呈現“子”的線索:石子、沙子、竹子...,水珠子、露子珠、油珠子、淚珠子、汗珠子...

行為、動作或事件,呈現“子”的線索:一下子:打一下子、摸一下子、親一下子、看一下子、玩一下子、嘗一下子、試一下子...,一陣子:鬧一陣子、跳一陣子、唱一陣子、說一陣子...,舉例子、趕場子、耍性子、兜圈子、來點子、吃響子、聽曲子、哼調子...,

總之都是:一個個的、一顆顆的、一粒粒的、一滴滴的、一點點的、一條條的、一束束的、一帶帶的、一波波的、一簇簇的、一團團的、一圈圈的、一次次的、一輪輪的、一回回的..

四,量子的微觀性質

(一)獨立自由,或像顆粒,或像波帶

自然界的一切事物,雖然看起來,混淆朦朧、鐵板一塊、空空如也,但在微觀上,都是由一個個的獨立自由的單子構成。有的量子像一個卷積的“粒子”,可以是費米子。有的像一條波浪形的“帶子”,可以是玻色子。

(二)螺線運動,急速漂移,有波粒二象性

典型的量子,如光子、引力子、中微子、電子電荷,其螺線運動,急速漂移。在一個量子運動軌跡上的兩個點位之間,其時間極其短暫,儀器“視覺暫留”或“幻覺”,拍攝的該量子同時出現在兩個地方,多點位形成“波”,這就是量子運動的“波粒二象性”。由此可以解釋:光的偏射,光的衍射,雙縫干涉實驗。



(三)急速漂移,量子狀態無法測定

由於儀器發射的電磁波量子,對被測電磁波量子有嚴重的干擾,加上量子的急速漂移,因此有量子的“海森堡測不準原理”,即量子的動量與位移,無法同時測定。

(四)量子的空間軌跡,正態大數分佈。





雖然測不準一個量子的瞬間狀態(函數),但是就時間的累積(效應)而言,我們可以知道它在空間的概率分佈,總是正態分佈,符合伯努利大數法則。這就是量子或物質波的“波函數分析法”,或“薛定諤方程”的基本含義。

(五)量子是振子,內秉角動能。

所有量子,例如電子,有天生的自旋或振動,有“自旋角動量”,用h/2π作為1個自旋角動量,簡稱自旋數,h是普朗克常數6.63×10^-34Js。

所有費米子,即“偏粒”量子,自旋數是“½”的倍數:1/2,3/2。所有玻色子,即“偏波”量子,自旋數是“1”的倍數:0,1,2,3,4。其中的0,有待深究。我認為,電子自旋伴隨向心力,可能是萬有引力的一個來源。

(六)量子糾纏,來自螺線交叉。

下圖,是某科學家想象的量子糾纏圖片。


量子有軌道角動量,來自螺線運動。螺線可能伸展很遠,兩個反向螺旋的螺線會交叉,這恐怕是量子糾纏的根源,也可以解釋“泡利不相容原理”。同頻量子之間的糾纏,比較凸顯,也許是量子密鑰的玄機。軌道角動量,也有向心力性質,可能是引力波與電磁波的主要來源。

(七)量子互斥,來自量子領域專屬權

一個量子,有自己的軌道運動空間,這是它自我存在的理由,如果外界量子可以隨意進入它的領域,它便失去自我存在形式。

因此,任意兩個量子,可以在各自的螺線外圍,交叉糾纏,相互吸引:或萬有引力、或弱作用力、或電磁引力、或強作用力。但是,在各自軌道界內,不容侵犯,不得越雷池半步,這就是所謂的萬有斥力。

電子與電子,無論正負或互反,皆不能輕易緊貼。電子與質子,如氫原子結構,二者之間有互引互斥的守衡運動。分子之間,有範德瓦爾斯力,也是“近臭遠香”:靠近的就排斥,離遠了,相互拉攏。但離得太遠,就分道揚鑣。

(八)關於“超距效應”的解釋

我認為:螺線相速度,可以證否超距作用。

①不管是引力波的速度,還是量子糾纏的速度,都涉及螺旋線速度,即電磁波的相速度,是光速的幾百幾千幾萬幾十萬倍,但絕不是無限倍,因為螺線運動有向心力,而顯萬有引力,即超距作用不存在。

②直覺告訴我,螺線不是像“阿基米德螺線”無窮大發散,自然常數“e螺線”,逼近一個常數2.718......,符合引力常數之邏輯。



③引力波與電磁波的策動源,是同一個振子——“電核系綜”(e-n ensemble),即電子與核子兩個子系統的綜合系統。若干電核系綜的疊加,構成一個天體的萬有引力。


④一個電核系綜,就是一個基元性的電磁震盪器。其中的核外電子,按常規線速度,如2.2×10^6m/s,發射電磁波的相速度,所伴隨的向心力,是萬有引力。特定的電磁震盪器,電子被加速,伴隨更高相速度/向心力,則表現出電磁力。


原道童子


量子(quantum)是現代物理的重要概念。最早是由德國物理學家M·普朗克在1900年提出的。他假設黑體輻射中的輻射能量是不連續的,只能取能量基本單位的整數倍,從而很好地解釋了黑體輻射的實驗現象。

後來的研究表明,不但能量表現出這種不連續的分離化性質,其他物理量諸如角動量、自旋、電荷等也都表現出這種不連續的量子化現象。這同以牛頓力學為代表的經典物理有根本的區別。量子化現象主要表現在微觀物理世界。描寫微觀物理世界的物理理論是量子力學。


定義

一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位,則這個物理量是量子化的,並把最小單位稱為量子。量子英文名稱量子一詞來自拉丁語quantus,意為“有多少”,代表“相當數量的某物質”。在物理學中常用到量子的概念,指一個不可分割的基本個體。例如,“光的量子”(光子)是一定頻率的光的基本能量單位。而延伸出的量子力學、量子光學等成為不同的專業研究領域。其基本概念為所有的有形性質是“可量子化的”。“量子化”指其物理量的數值是離散的,而不是連續地任意取值。例如,在原子中,電子的能量是可量子化的。這決定了原子的穩定性和發射光譜等一般問題。絕大多數物理學家將量子力學視為了解和描述自然的的基本理論。

通俗地說,量子是能表現出某物質或物理量特性的最小單元。

量子力學(Quantum Mechanics)是研究

物質世界

微觀粒子

運動規律的

物理學

分支,主要研究

原子

、分子、

凝聚態

物質,以及

原子核

基本粒子

的結構、性質的基礎理論它與

相對論

一起構成現代物理學的理論基礎。量子力學不僅是現代物理學的基礎理論之一,而且在

化學

等學科和許多近代技術中得到廣泛應用。


量子力學是研究比原子小一級別的目前看是最微小物質即量子的運動規律和作用形式的。大自然存有規律,宇宙充滿秩序,分子原子也是如此,量子不可能是個例外,中國的陰陽學說在分子原子中體現陰陽原理,量子力學理論想來也是陰陽規律為主線。



薛定諤的貓的疊加態如果用陰陽規律來說明要好懂些,薛定諤的貓的疊加態就是量子也顯物質的陰陽一體的特性。薛定諤的貓是同時有生有死的,對量子現象外的貓不實用,可在量子上的確存在又生又死的貓,為什麼?是因量子有雙重性,量子的雙重性是合陰陽規律的,量子雖微小可它也合陰陽特性。

陰陽的部分規律是陰裡有陽、陽裡有陰,陰能生陽、陽能生陰,陰是陽、陽是陰,薛定諤的貓的量子疊加態意在說明量子中含有陰陽不可完全分開的特性,微小的量子負載信息強,它雖微小可裡邊也有陰陽,表露陰陽特性更明顯。

量子的波粒二象性可說成量子既是陰也是陽。量子迭加也就是量子中有陰陽兩種對立又相依存的兩個特性。

量子糾纏是指不同地方的量子能相通的關聯著,尤如太極圖中黑白魚的兩個魚眼和兩個魚尾,量子中陰陽特性近的或在它地遇上相似的就可產生感應和共鳴,這又如一地人中有兩個雙胞胎,因相同度高人雖有距離可言行常多同。

量子坍縮是指人所見最近最顯的量子陰陽相對立又依存中的一個面。量子玄就玄在似是而非上,也就是陰能生陽,陽能生陰,陰是陽,陽也是陰,量子有其兩面性。

量子波粒二象性是指量子是陰陽合一體。量子迭加是陰是陽、陽是陰的迭加。量子糾纏是陰和陽相聯互轉共象的糾纏不清。量子坍縮是觀察者對量子只認一是一 二是二。




孜琥


沈大哥

等車半天不到,在你等得不耐煩剛剛走了的時候,車就來了;你買彩票,選定的號碼,每次都不中,終於有一天,你決定換號碼了,結果它就開出了你前面一直堅持的號碼;你買的股票,無論你是做長線,短暫還是超短線,只要你拿在手裡,它就不長,只要失去耐心,一賣就長,你很愛一個人,可她(他)就是不愛你,當你失去耐心不想愛她(他)的時候,她(他)卻突然很愛你了,,生活中許多你想的,卻得不到,因為你想的時候已經干擾了事物原來的狀態,所以往往會呈現事與願違的結果,這就是生活中的量子現象,你關注它,你就改變了它,你想要得結果就會和原來預想的不一樣!這就是量子特性在現實世界裡的表現。


夏後甘霖

通俗的說量子力學就是一個閉合家庭內內部成員之間的相互關係。在這個家庭的外部很難說的清楚。比如你去這個家庭拜訪,如果出來的是男主人,那麼女主人就會在家庭的另外位置。

它的實質是量子力學描述的是基本物質內部的性質。而我們人類是存在於基本粒子外部的。所以量子力學的許多性質在四維時空不適用。



基本物質的維度是由內部空間和外部空間組成。在物質的內部空間個個維度之間是相互正交的。所以需要用復辛代數描述性質之間的關係,既量子力學。

而在基本物質的外部個個維度之間是非正交關係的關係。相互聯繫,互相制約。是黎曼幾何的四維時空。既相對論。

但是當內部空間在四維時空表現其中一個維度時,與其正交的另外一個維度必然保持其垂直關係。既SU2。當兩個維度群體形成SU2關係時,就形成量子糾纏。

所以通俗的說量子力學就好比描述一個房價內一對正交關係就好比一男一女,所以當外部看到男人時女人就一定以另外一個形式出現在四維時空。


科學無止境

首先要弄清量子二字,量子就是說微觀世界是量子化的,是不連續的,一份一份的。舉個例子:宏觀觀察打開的水龍頭,水是連續不斷的水流,若是把水龍頭關小,水流就會變細,想象一下,再關小,水流再細,細到最後,就不是水流了,而是從水龍頭口掉下來一個一個的水分子,哈哈,不是連續水流,而是一份一份一粒一粒了。想象一下電流也是這樣子(電子替代水分子)。所以量子物理(力學)就是在微觀層面(分子原子離子中子質子電子光子⋯)研究物理性質的,它完全不同於經典物理學(牛頓物理學),如波粒二象性、測不準原理、量子糾纏狀態等等。人們認為量子物理學才能準確認識世界,經典物理學只是量子物理學的特殊情況之一。


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