量子力學適用於微觀粒子,而不是宏觀物體,那麼微觀和宏觀的分界線在哪裡?

漫步天下通


很多時候,我們的固定思維強迫我們自己用一種我們認為正確的“錯誤”方式去思考問題,或者是受到其他人的影響不由自主地陷入“套路”中不能自拔!

樓主提問的問題相信很多人也有疑問,認為相對論和量子理論對應的宏觀世界與微觀世界應該存在著明顯的界限,界限“往左”就是宏觀粒子,“往右”就是微觀粒子!

但事實上宏觀粒子和微觀粒子並沒有界限!

這就像“大”和“小”之間沒有界限一樣,你無論如何找不出大和小的界限!

很多人對量子世界中微觀粒子的詭異現象有誤解,比如說不確定性,量子隧穿等,認為它們只適用於微觀粒子!

事實上並不是這樣的,不確定性和量子隧穿同樣也適用於宏觀世界,只不過在宏觀世界的效果非常不明顯,不確定性非常非常小,可以忽略不計!

再比如量子隧穿(類似瞬移),也不是隻適用於微觀粒子,理論上你我也有一定幾率發生“隧穿”,但這種幾率太低,以至於現實中等於不可能發生!微觀粒子發生的幾率高,粒子(物體)越大發生的幾率越低!只是概率的高或者低,而不是發生或者不發生!

再舉個直白的例子。牛頓經典力學只適用於低速世界,當速度很高時(亞光速)需要用到愛因斯坦的相對論,但具體到多高時才會用到相對論呢?低速和高速的分界線在哪裡?

同樣沒有分界線!一個道理!說點再直白點,大和小,多與少等任何一組反義詞都沒有明確的界限!


宇宙探索


題主你好,首先明確量子力學不是僅適用於微觀粒子,對於宏觀物體一樣適用。因此,題主的第一句話是錯的。宏觀量子效應目前也已經被發現了,比如說原子氣體的玻色-愛因斯坦凝聚、超流性、超導電性和約瑟夫遜效應。這幾個效應是凝聚態物理學的研究對象,只要對凝聚態物理有所瞭解,就一定知道——不知道這些的,一定不懂凝聚態物理,某種意義上說,等於不懂物理。

微觀和宏觀是不能用動力學來區分的。原因很簡單,如果動力學理論受到某種尺度的限制,那麼這個理論註定是不自洽的。比如說,在高能物理裡,粒子物理的標準模型就存在不自洽性,因為它受到普朗克尺度的限制。這表明該理論的紫外區域是不完善的。反過來,一個理論如果是自洽的,那麼它一定無法區分宏觀和微觀。量子力學在普朗克常數可以完全忽略時候退化為牛頓力學,但是在什麼樣的情況普朗克常數可以忽略呢?這並非是"在宏觀世界裡"這麼簡單,前面說了,宏觀都存在量子效應。所以在區分宏觀和微觀時,一定不能簡單地把"量子力學是否能退化為牛頓力學"作為判斷依據。就目前來說,這個問題,沒有最好的答案。量子力學的早期奠基者尼爾斯·玻爾非要把量子力學嚴格放置在微觀世界裡,結果宏觀量子效應把玻爾的老臉打腫了。所謂宏觀與微觀之間的那堵牆,壓根兒不存在。因此,就目前的物理學本身來說,根本沒有宏觀和微觀的嚴格界限。所以,題主的問題也是錯的。


科學聯盟


題主的前提有些問題。量子力學適用於微觀粒子,這是大家都公認的,否則就根本不會出現量子力學這個學科了。量子力學不適用於宏觀物體,這是個誤解。

之所以許多人覺得量子力學不適用於宏觀物體,大概是因為很多科普文章給人造成了這樣的印象。這些文章大力地強調量子力學的種種神奇之處,例如在量子力學中你可以同時處於0和1兩個狀態(疊加態),在量子力學中你撞一堵牆可能穿過去(隧穿效應),在量子力學中兩個相距遙遠的粒子可以超光速地同步變化(量子糾纏),在量子力學中你不能同時測準一個粒子的位置和動量(不確定原理),等等等等。這些說法都沒錯,但問題在於,它們強調這些現象在宏觀世界是不可能出現的,於是給很多讀者造成一個誤解:微觀世界和宏觀世界之間有一道鴻溝,量子力學不適用於宏觀世界。

實際情況是,宏觀物體也遵循量子力學,牛頓力學就是量子力學的自然推論。這些現象之所以在宏觀世界觀察不到,並不是因為微觀和宏觀之間有個明確的分界線,而是因為這些現象的顯著程度反比於體系的大小,對於微觀體系很顯著,對於宏觀體系就很微弱。

量子力學中最重要的基本常數叫做普朗克常數,一般寫作h,它的量綱跟角動量相同(長度乘以動量,或者說能量乘以時間),大小是6.626E-34 J*s。這個數值跟一個電子或者一個光子的角動量在同一量級,但比一個石子或者一個檯球的角動量小得太多了。因此,按照同樣的量子力學原理,電子或光子的量子行為就非常顯著,而石子或檯球的量子行為就幾乎觀察不到。

量子力學中有一條定理,一個體系的動量的期待值隨時間的變化率等於它受到的力的期待值。如果把一個物理量的期待值理解為它在牛頓力學中的值,那麼這條定理說的就是牛頓第二定律:F = ma。因此,牛頓力學就是量子力學的一個直接推論。凡是支持牛頓力學的實驗現象,都是支持量子力學的。牛頓力學跟量子力學並不矛盾,只是量子力學在宏觀情況下的一個近似而已。這條定理是奧地利和荷蘭物理學家埃倫費斯特(Paul Ehrenfest,1880—1933)證明的。

埃倫費斯特

最後,我們還可以問:假如微觀和宏觀之間真的有個分界線,那麼會怎麼樣?這是個有趣的問題,確實有人在做這樣的實驗。不過由於難度很高,目前還沒有得到特別的結果。


袁嵐峰


首先,量子力學並不只適用於微觀粒子,根據德布羅意物質波的理論,任何實物粒子都對應著一種波,物質波的假說真正孕育了量子力學。量子力學創立之初,其實也叫作“波動力學”。所謂量子力學效應,其實就是指物質表現出的波粒二象性。

那為什麼我們常說量子力學是研究微觀世界的呢?這就還得回到德布羅意的公式,波長λ=h/p,其中p是粒子動量,h是普朗克常數,h=6.62606896*10^-34 J·s,這是一個很小的量,在宏觀尺度波動性並不能顯現出來。

做一個簡單的計算,即使輕如只有1g的羽毛,慢到只有0.01m/s,它的德布羅意波長也只有λ=6.63*10^-31 m;而一個電子(靜止質量9.1*10^-31 kg),即使以1km/s運動,它的德布羅意波長都有λ=7.27*10^-7 m,雖然看上去仍然很小,但一般原子半徑是10^-10 m量級,在微觀尺度這個波長已經能明顯表現出波動性了。

至於說宏觀和微觀的分界線,並沒有嚴格的標準,關鍵看你所研究的問題和所對應的德布羅意波長是否在一個量級上。如果波動性可以忽略,那就可以稱為宏觀問題。


超能網


微觀和宏觀是一個模糊邏輯,並沒有一個明確的分界線,並不是說大於某個尺度就是宏觀,小於這個尺度就是微觀,所謂微觀到宏觀,這個過程是漸變的。習慣上說,基本粒子和它們組成的原子分子都屬於微觀世界。其中基本粒子在標準模型裡是點粒子,沒有大小。原子和小分子大小一般在10的-10次方米量級,大分子一般是在納米量級(10的-9次方米),到了巨型分子,就有10的-8次方米到微米(10的-6次方米)量級,這個尺度歸到微觀或者宏觀都不太合適,所以科學家發明了一個詞,叫做介觀,顧名思義介於微觀和宏觀之間。

那麼我們說量子力學適用於微觀世界,經典力學適用於宏觀世界,也只是一個大體的概括,現實是在微觀世界裡,量子現象也會因為粒子之間很強的相互作用而導致退相干,也就是退化成了用經典物理描述的情況,比如等離子體,和普通氣體、液體、固體裡的原子分子。反過來說,在宏觀世界裡,也可以低溫等手段控制粒子的量子態,湧現出可以直接用量子力學描述的宏觀狀態,我舉三個比較典型的例子:

第一個例子是激光,光子處於特定的波長/能量附近形成一個量子相干態,沒有傳播距離限制。大量的光子就可以做經典激光通信,通過光纖遍佈全球,使得我們的互聯網能有這麼快。單個光子就可以做量子通信。

第二個是超導體,在溫度非常低的時候,電子配對形成量子態,可以不受晶格散射(即電阻的來源)的限制無損耗傳播。高溫超導已經把這個轉變溫度提高到了130K以上(即零下140度左右)。超導和激光囊獲了很多次諾貝爾物理學獎。

第三個是我的老本行超冷原子量子氣體,通過激光冷卻和蒸發冷卻技術,可以把某些原子冷卻到極為接近絕對零度,在幾十微米大小的原子團上展現出宏觀量子現象,比如玻色-愛因斯坦凝聚(2001年諾貝爾獎)。下圖是我幾年前在丹麥做博士後期間做的一個處於經典到量子和過渡中玻色-愛因斯坦凝聚實驗。下面比較寬的分佈就是冷原子的經典狀態(麥克斯韋-玻爾茲曼分佈,藍線擬合),上面凸起的尖峰就是玻色-愛因斯坦凝聚(托馬斯-費米分佈,綠線擬合)。如果溫度進一步降低,寬的分佈會消失,只剩下尖峰,即純的宏觀量子狀態。


九維空間


答:宏觀物體由微觀物質組成的,所以量子力學對宏觀物體並未失效,只是量子力學在宏觀上的使用,並沒有牛頓力學方便。宏觀和微觀也不存在明顯的分界線,這是個量變到質變的過程。


我們可以看量子力學的不確定性原理:ΔxΔp≥h/4π。



對於微觀粒子,Δx和Δp相當,兩者的數值都不能被忽略;但是對於宏觀物體,Δp和Δx都遠比h/4π大,所以不確定性原理對於宏觀物體來說,完全可以忽略,這時候使用牛頓力學更為方便。


至於兩者的分界線,在量子力學中有個著名的思想實驗——薛定諤的貓。




該實驗,就是探討量子力學的邊界問題,一邊是微觀的元素衰變,另外一邊是宏觀的貓,卻被巧妙地聯繫了起來!

一方面量子力學的不確定性原理堅不可破,另一方面貓死活的疊加又是那麼怪異,其實本質就是在探討微觀和宏觀邊界。



這個思想實驗或許告訴我們:微觀和宏觀是沒有邊界的,一切在於你的研究對象!


好啦!我的答案就到這裡,喜歡我們答案的讀者朋友,記得點擊關注我們——艾伯史密斯!


艾伯史密斯


本人暱稱3級粒子,下面是我對粒子的理解:本人將我們人類所能觀測的,如日、月、星、辰,定為1級粒子;將原子定義為2級粒子,由他為基本單位組成了我們可見的斑斕世界;將電子(或光子)定義為3級粒子【暫不確定,可能將組成電子(或光子)的下一級別的粒子定為3級粒子更為合適】

作為1級粒子的日月星辰的排布和/或重新規劃排布,我們人類現階段是不能操控的,因為我們暫時還沒有那麼長的槓桿和那麼大的力氣;(可能還有上一級別或幾個級別的粒子;其實太陽系也可以看做是一個粒子;銀河系也可以看成是一個粒子;而我們現今所描述的宇宙同樣亦可以看成是一個粒子,只是您需要站在不同的高度和位置去看待它,想玩兒這個級別的粒子需要N代人的努力,也可能人類永遠無法企及。)

2級粒子即原子,組成了現今人類感覺器官能感知的繽紛世界,這是我們最熟悉的一個層面。我們仿照自然,重新排布著原子核的核外電子形成了各種物質,以滿足人類物質需求,如將氫和氧氣的核外電子通過碰撞的手段擺放在一起,這便形成了我們賴以生存的水,過程中產生了我們渴求的熱能,我們常見的塑料、蛋白質等大分子物質,也都是由一種或數種數量龐大的不同元素原子的核外電子重新擺放構成的。

其實,所謂的化學反應只涉及到原子的最外層電子,是原子的最外層電子重新排布,是一種物理過程,這一過程中放出能量極其有限,如氫和氧氣、碳和氧氣及石化物的燃燒,氫氧化鈉和硫酸的中和反應等,而我們能駕馭的以前也只有這一層面,但是,即便只是這個層面也使人類維繫了幾千年的生生不息。

核反應也是這一級別的反應,這是近代物理學家多年的努力才得以覷視的秘密,核反應進入到粒子的更深一層,但其本質仍然是粒子的重排,他不只是電子的重新排布,而是質子、中子和核外電子三者按著一定的規則的重新排布,過程中有中微子的釋放(原因不明)。

眾所周知,核聚變或核裂變過程釋放的能量是驚人的,對於我們見慣了燃燒、運動等方式產生熱能的人類而言。其理論基礎是愛因斯坦的質能方程,從網上或其他渠道看到的資料或論著,並不能支持該理論,核反應中可能並沒有幾克或幾千克的粒子消失而轉變成能量,沒有試驗數據支持,根據人類現在對核聚變和近幾百年來對核裂變的實驗現象研究,支持不了質量轉能量一說,所有觀察到的現象,都只是粒子的重新排布,核反應也有如氫和氧、碳和氧的燃燒過程一樣,在粒子的重新擺放過程中釋放出熱能。我想如果方法和反應元素選恰當,核裂變或聚變也可能製冷(有如電子層面的化學反應);

根據人類現有手段:人類的感知,和藉助儀器觀測到的宇宙,原子層面應該是微觀和宏觀的分界線,當然隨著科技的進步,人們會認識到更小一個級別的粒子,在那一尺度,原子也會被視為龐然大物。


3級粒子


哈哈,你我皆凡人,生在人世間,終日奔波苦,一刻不得閒,患得患失是我們揮之不去的體驗,我們的身軀和靈魂行走在這個世界上,是不是恐懼如影隨形,時時刻刻的那種隨時可能發生的客觀世界讓我們忐忐忑忑,那就對了,這種恐懼,源自終極恐懼,死亡,其實這種恐懼是一直在保護我們的,本能反應讓我們躲避危險與災難,舉個例子,眼睛在受到襲擊的時候本能的進行動作,如果讓我們的意志去操控,放心,你我早瞎了,其實不光這種本能,再多說一些吧,人的身軀與這個世界有著千絲萬縷的聯繫,我們本來就是一體,如今的科技讓我們瞭解到微粒的大同,這些物質會自己進行穩定的慣性屬性,怎麼解釋呢,說簡單一點吧,比如,流血,流血是降血壓最直接的方式,一個人的意識遭到摧殘,血壓定會破管而溢,這時一種正常現象,有人會說,這是科學,心氣起來,自然血管壁的壓力上升,我們都瞭解啊!沒錯,就是這些你我都瞭解,熟記於心,從小就知道的這些理論,你告訴我,誰定的?為什麼?怎麼就萬有引力,怎麼就吃飽了不餓,怎麼就困了就睡呢?為什麼不是困了,吃點東西就不困了?累了,跑幾圈就不累了?渴了,玩盤王者榮耀就不渴了?哈哈哈,這就是終極問題,再回到人的慣性,其實這些問題有一種比較超凡脫俗的解釋,那就是“愛”!憐憫,因為一切之初你我不分彼此,直到現在那種相依相存之愛也盪漾在一切規律之中,陽光對樹木,河流對沙石,星辰對文明,一切與一切,你把一切分的再小,那也屬於一切,你把宏觀分的再大也屬於一切,這裡講的一切的概念就是一切,記住關鍵,一切,好了,有點跑題,拿人體舉例子吧,人流血,在上天的眷顧下,保住了腦子,血管沒破,劃了小口子,心裡就比較平靜,很快癒合,如果繼續留,那就死翹翹了對吧,這是兩個極端,死了還是眷戀?沒錯,因為如果讓你活著,你的意識和靈魂會生不如死,那他怎麼知道的?因為在你流血的過程中,你早已把你那脆弱不看的意識出賣給了一切,一切一看,哎呀,不成,還是切掉一切吧,然後你就死了,哈哈哈,就到這裡吧,我有寫過關於死亡的回答,放心,你絕對沒看到過,百度你也看不到,你想你也想不到,哈哈哈!就這些吧,對了,最後一句,我所回答的一切問題,只不過是聊以寂寞,真相有無數種,無數是什麼概念,大家應該很清楚吧,我只不過說了某一種,用邏輯聯繫起來而已,就這樣吧,歡迎轉發哦!你的分享是我的榮幸~


洋蔥圈之Lastcol


楊春華先生用統一場論回答這個問題。量子力學是原子世界的科學。量子力學起源於對光子的研究,光子的波粒二象性是量子力學的基礎。光子雙縫干涉實驗是量子力學的實驗基礎。宏觀物體的科學是牛頓力學。在微觀和宏觀之間不是一個分界線,而是存在一個分子世界。分子世界的科學是化學,和生物學。

以前人們對於光子的認識是錯誤的。只是對於光子是波粒二象性的表象認識是正確的。直到楊春華先生用統一場論的能量方程,揭秘了光子是具有牛頓質量的,光波是電磁波和引力波的共振波。雖然,楊春華先生的能量方程和愛因斯坦先生的質能方程,形式上是一模一樣的。但是愛因斯坦先生對於方程的理解完全錯誤,他低估了這個方程的分量。這個方程內涵了光子的秘密,宇宙的秘密。

有人說存在宏觀量子效應。這種說法本身就是矛盾的。宏觀怎麼會有量子效應呢,量子就是微觀的代名詞。你不覺得宏觀量子效應的說法滑稽可笑嗎。

楊春華先生髮明瞭統一場論。用牛頓力學把微觀世界和宏觀世界統一起來了。把低速和光速世界也統一起來了。楊春華先生把宇宙物質統一在兩種能量的運動之中,兩種能量就是引力能和電磁能。兩種能量的映射就是兩種力,即引力和電磁力。楊春華統一場論實現了四大作用力的統一。牛頓楊春華理論體系,前無古人後無來者。


超級科學大師


所有的物理理論,從牛頓力學到相對論,再到量子力學,都有它們自身的侷限性,都有成立的範疇,或者說是邊界,概無例外。這些邊界或者範疇,是由這些物理理論的基本假設界定的。比如牛頓力學的基本假設是,存在絕對靜止(它是和勻速直線運動等價的狀態),存在物體運動的絕對參照系。相對論的兩個基本假設,一是運動是相對的,二是光速是絕對的,不變的。而量子力學的基本假設就是量子化,由此得出量子力學的一整套理論。拿量子力學來說,它的界定就是由普朗克常數,以及由它導出的一系列普朗克量(比如普朗克質量,普朗克能量,普朗克速度等等,統稱為普朗克尺度)決定的。只有滿足普朗克尺度的物理系統,量子力學才成立,才有波粒二象性,態疊加,不確定性等等的量子力學概念。離開了這個尺度,一切都變得荒謬。你總不能說一個人走路,過一道門,然後就有波粒二象性。就算薛定諤的貓,如果是真實世界的一隻貓,在箱子沒打開以前,你非要說那隻貓非生非死,有人會相信嗎?人們只相信那隻貓非死即生。所以一切離不開那個界定。

需要特別指出,物理學的假設,不同於數學公理,數學公理可以不是事實,只要具備獨立性,自洽性(不矛盾)和完備性,任何一種假設都能成為公理,而這也決定了數學的公理體系在邏輯上沒有邊界。物理假設不同,它不強調獨立性,自洽性和完備性,假設的提出是根據現象(或者實驗)的觀察總結出來,然後通過進一步的實驗檢驗它的正確性。你會發現,很多物理理論都包含各種各樣的參數,比如普朗克常數,光速,宇宙常數,引力常數等等,這些基本常數都是一些實驗確定的。而所有實驗都有條件,而且不可能窮盡所有的實驗,但是,只要合理,哪怕是有限的實驗,有條件的實驗,都可以被物理邏輯接受。當然,這也決定了物理理論的侷限性,就是說所有的物理理論,都有它成立的邊界。一句話,物理有物理的邏輯,你不能用數學的邏輯來理解物理理論。


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