量子力学适用于微观粒子,而不是宏观物体,那么微观和宏观的分界线在哪里?

漫步天下通


很多时候,我们的固定思维强迫我们自己用一种我们认为正确的“错误”方式去思考问题,或者是受到其他人的影响不由自主地陷入“套路”中不能自拔!

楼主提问的问题相信很多人也有疑问,认为相对论和量子理论对应的宏观世界与微观世界应该存在着明显的界限,界限“往左”就是宏观粒子,“往右”就是微观粒子!

但事实上宏观粒子和微观粒子并没有界限!

这就像“大”和“小”之间没有界限一样,你无论如何找不出大和小的界限!

很多人对量子世界中微观粒子的诡异现象有误解,比如说不确定性,量子隧穿等,认为它们只适用于微观粒子!

事实上并不是这样的,不确定性和量子隧穿同样也适用于宏观世界,只不过在宏观世界的效果非常不明显,不确定性非常非常小,可以忽略不计!

再比如量子隧穿(类似瞬移),也不是只适用于微观粒子,理论上你我也有一定几率发生“隧穿”,但这种几率太低,以至于现实中等于不可能发生!微观粒子发生的几率高,粒子(物体)越大发生的几率越低!只是概率的高或者低,而不是发生或者不发生!

再举个直白的例子。牛顿经典力学只适用于低速世界,当速度很高时(亚光速)需要用到爱因斯坦的相对论,但具体到多高时才会用到相对论呢?低速和高速的分界线在哪里?

同样没有分界线!一个道理!说点再直白点,大和小,多与少等任何一组反义词都没有明确的界限!


宇宙探索


题主你好,首先明确量子力学不是仅适用于微观粒子,对于宏观物体一样适用。因此,题主的第一句话是错的。宏观量子效应目前也已经被发现了,比如说原子气体的玻色-爱因斯坦凝聚、超流性、超导电性和约瑟夫逊效应。这几个效应是凝聚态物理学的研究对象,只要对凝聚态物理有所了解,就一定知道——不知道这些的,一定不懂凝聚态物理,某种意义上说,等于不懂物理。

微观和宏观是不能用动力学来区分的。原因很简单,如果动力学理论受到某种尺度的限制,那么这个理论注定是不自洽的。比如说,在高能物理里,粒子物理的标准模型就存在不自洽性,因为它受到普朗克尺度的限制。这表明该理论的紫外区域是不完善的。反过来,一个理论如果是自洽的,那么它一定无法区分宏观和微观。量子力学在普朗克常数可以完全忽略时候退化为牛顿力学,但是在什么样的情况普朗克常数可以忽略呢?这并非是"在宏观世界里"这么简单,前面说了,宏观都存在量子效应。所以在区分宏观和微观时,一定不能简单地把"量子力学是否能退化为牛顿力学"作为判断依据。就目前来说,这个问题,没有最好的答案。量子力学的早期奠基者尼尔斯·玻尔非要把量子力学严格放置在微观世界里,结果宏观量子效应把玻尔的老脸打肿了。所谓宏观与微观之间的那堵墙,压根儿不存在。因此,就目前的物理学本身来说,根本没有宏观和微观的严格界限。所以,题主的问题也是错的。


科学联盟


题主的前提有些问题。量子力学适用于微观粒子,这是大家都公认的,否则就根本不会出现量子力学这个学科了。量子力学不适用于宏观物体,这是个误解。

之所以许多人觉得量子力学不适用于宏观物体,大概是因为很多科普文章给人造成了这样的印象。这些文章大力地强调量子力学的种种神奇之处,例如在量子力学中你可以同时处于0和1两个状态(叠加态),在量子力学中你撞一堵墙可能穿过去(隧穿效应),在量子力学中两个相距遥远的粒子可以超光速地同步变化(量子纠缠),在量子力学中你不能同时测准一个粒子的位置和动量(不确定原理),等等等等。这些说法都没错,但问题在于,它们强调这些现象在宏观世界是不可能出现的,于是给很多读者造成一个误解:微观世界和宏观世界之间有一道鸿沟,量子力学不适用于宏观世界。

实际情况是,宏观物体也遵循量子力学,牛顿力学就是量子力学的自然推论。这些现象之所以在宏观世界观察不到,并不是因为微观和宏观之间有个明确的分界线,而是因为这些现象的显著程度反比于体系的大小,对于微观体系很显著,对于宏观体系就很微弱。

量子力学中最重要的基本常数叫做普朗克常数,一般写作h,它的量纲跟角动量相同(长度乘以动量,或者说能量乘以时间),大小是6.626E-34 J*s。这个数值跟一个电子或者一个光子的角动量在同一量级,但比一个石子或者一个台球的角动量小得太多了。因此,按照同样的量子力学原理,电子或光子的量子行为就非常显著,而石子或台球的量子行为就几乎观察不到。

量子力学中有一条定理,一个体系的动量的期待值随时间的变化率等于它受到的力的期待值。如果把一个物理量的期待值理解为它在牛顿力学中的值,那么这条定理说的就是牛顿第二定律:F = ma。因此,牛顿力学就是量子力学的一个直接推论。凡是支持牛顿力学的实验现象,都是支持量子力学的。牛顿力学跟量子力学并不矛盾,只是量子力学在宏观情况下的一个近似而已。这条定理是奥地利和荷兰物理学家埃伦费斯特(Paul Ehrenfest,1880—1933)证明的。

埃伦费斯特

最后,我们还可以问:假如微观和宏观之间真的有个分界线,那么会怎么样?这是个有趣的问题,确实有人在做这样的实验。不过由于难度很高,目前还没有得到特别的结果。


袁岚峰


首先,量子力学并不只适用于微观粒子,根据德布罗意物质波的理论,任何实物粒子都对应着一种波,物质波的假说真正孕育了量子力学。量子力学创立之初,其实也叫作“波动力学”。所谓量子力学效应,其实就是指物质表现出的波粒二象性。

那为什么我们常说量子力学是研究微观世界的呢?这就还得回到德布罗意的公式,波长λ=h/p,其中p是粒子动量,h是普朗克常数,h=6.62606896*10^-34 J·s,这是一个很小的量,在宏观尺度波动性并不能显现出来。

做一个简单的计算,即使轻如只有1g的羽毛,慢到只有0.01m/s,它的德布罗意波长也只有λ=6.63*10^-31 m;而一个电子(静止质量9.1*10^-31 kg),即使以1km/s运动,它的德布罗意波长都有λ=7.27*10^-7 m,虽然看上去仍然很小,但一般原子半径是10^-10 m量级,在微观尺度这个波长已经能明显表现出波动性了。

至于说宏观和微观的分界线,并没有严格的标准,关键看你所研究的问题和所对应的德布罗意波长是否在一个量级上。如果波动性可以忽略,那就可以称为宏观问题。


超能网


微观和宏观是一个模糊逻辑,并没有一个明确的分界线,并不是说大于某个尺度就是宏观,小于这个尺度就是微观,所谓微观到宏观,这个过程是渐变的。习惯上说,基本粒子和它们组成的原子分子都属于微观世界。其中基本粒子在标准模型里是点粒子,没有大小。原子和小分子大小一般在10的-10次方米量级,大分子一般是在纳米量级(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)量级,这个尺度归到微观或者宏观都不太合适,所以科学家发明了一个词,叫做介观,顾名思义介于微观和宏观之间。

那么我们说量子力学适用于微观世界,经典力学适用于宏观世界,也只是一个大体的概括,现实是在微观世界里,量子现象也会因为粒子之间很强的相互作用而导致退相干,也就是退化成了用经典物理描述的情况,比如等离子体,和普通气体、液体、固体里的原子分子。反过来说,在宏观世界里,也可以低温等手段控制粒子的量子态,涌现出可以直接用量子力学描述的宏观状态,我举三个比较典型的例子:

第一个例子是激光,光子处于特定的波长/能量附近形成一个量子相干态,没有传播距离限制。大量的光子就可以做经典激光通信,通过光纤遍布全球,使得我们的互联网能有这么快。单个光子就可以做量子通信。

第二个是超导体,在温度非常低的时候,电子配对形成量子态,可以不受晶格散射(即电阻的来源)的限制无损耗传播。高温超导已经把这个转变温度提高到了130K以上(即零下140度左右)。超导和激光囊获了很多次诺贝尔物理学奖。

第三个是我的老本行超冷原子量子气体,通过激光冷却和蒸发冷却技术,可以把某些原子冷却到极为接近绝对零度,在几十微米大小的原子团上展现出宏观量子现象,比如玻色-爱因斯坦凝聚(2001年诺贝尔奖)。下图是我几年前在丹麦做博士后期间做的一个处于经典到量子和过渡中玻色-爱因斯坦凝聚实验。下面比较宽的分布就是冷原子的经典状态(麦克斯韦-玻尔兹曼分布,蓝线拟合),上面凸起的尖峰就是玻色-爱因斯坦凝聚(托马斯-费米分布,绿线拟合)。如果温度进一步降低,宽的分布会消失,只剩下尖峰,即纯的宏观量子状态。


九维空间


答:宏观物体由微观物质组成的,所以量子力学对宏观物体并未失效,只是量子力学在宏观上的使用,并没有牛顿力学方便。宏观和微观也不存在明显的分界线,这是个量变到质变的过程。


我们可以看量子力学的不确定性原理:ΔxΔp≥h/4π。



对于微观粒子,Δx和Δp相当,两者的数值都不能被忽略;但是对于宏观物体,Δp和Δx都远比h/4π大,所以不确定性原理对于宏观物体来说,完全可以忽略,这时候使用牛顿力学更为方便。


至于两者的分界线,在量子力学中有个著名的思想实验——薛定谔的猫。




该实验,就是探讨量子力学的边界问题,一边是微观的元素衰变,另外一边是宏观的猫,却被巧妙地联系了起来!

一方面量子力学的不确定性原理坚不可破,另一方面猫死活的叠加又是那么怪异,其实本质就是在探讨微观和宏观边界。



这个思想实验或许告诉我们:微观和宏观是没有边界的,一切在于你的研究对象!


好啦!我的答案就到这里,喜欢我们答案的读者朋友,记得点击关注我们——艾伯史密斯!


艾伯史密斯


本人昵称3级粒子,下面是我对粒子的理解:本人将我们人类所能观测的,如日、月、星、辰,定为1级粒子;将原子定义为2级粒子,由他为基本单位组成了我们可见的斑斓世界;将电子(或光子)定义为3级粒子【暂不确定,可能将组成电子(或光子)的下一级别的粒子定为3级粒子更为合适】

作为1级粒子的日月星辰的排布和/或重新规划排布,我们人类现阶段是不能操控的,因为我们暂时还没有那么长的杠杆和那么大的力气;(可能还有上一级别或几个级别的粒子;其实太阳系也可以看做是一个粒子;银河系也可以看成是一个粒子;而我们现今所描述的宇宙同样亦可以看成是一个粒子,只是您需要站在不同的高度和位置去看待它,想玩儿这个级别的粒子需要N代人的努力,也可能人类永远无法企及。)

2级粒子即原子,组成了现今人类感觉器官能感知的缤纷世界,这是我们最熟悉的一个层面。我们仿照自然,重新排布着原子核的核外电子形成了各种物质,以满足人类物质需求,如将氢和氧气的核外电子通过碰撞的手段摆放在一起,这便形成了我们赖以生存的水,过程中产生了我们渴求的热能,我们常见的塑料、蛋白质等大分子物质,也都是由一种或数种数量庞大的不同元素原子的核外电子重新摆放构成的。

其实,所谓的化学反应只涉及到原子的最外层电子,是原子的最外层电子重新排布,是一种物理过程,这一过程中放出能量极其有限,如氢和氧气、碳和氧气及石化物的燃烧,氢氧化钠和硫酸的中和反应等,而我们能驾驭的以前也只有这一层面,但是,即便只是这个层面也使人类维系了几千年的生生不息。

核反应也是这一级别的反应,这是近代物理学家多年的努力才得以觑视的秘密,核反应进入到粒子的更深一层,但其本质仍然是粒子的重排,他不只是电子的重新排布,而是质子、中子和核外电子三者按着一定的规则的重新排布,过程中有中微子的释放(原因不明)。

众所周知,核聚变或核裂变过程释放的能量是惊人的,对于我们见惯了燃烧、运动等方式产生热能的人类而言。其理论基础是爱因斯坦的质能方程,从网上或其他渠道看到的资料或论著,并不能支持该理论,核反应中可能并没有几克或几千克的粒子消失而转变成能量,没有试验数据支持,根据人类现在对核聚变和近几百年来对核裂变的实验现象研究,支持不了质量转能量一说,所有观察到的现象,都只是粒子的重新排布,核反应也有如氢和氧、碳和氧的燃烧过程一样,在粒子的重新摆放过程中释放出热能。我想如果方法和反应元素选恰当,核裂变或聚变也可能制冷(有如电子层面的化学反应);

根据人类现有手段:人类的感知,和借助仪器观测到的宇宙,原子层面应该是微观和宏观的分界线,当然随着科技的进步,人们会认识到更小一个级别的粒子,在那一尺度,原子也会被视为庞然大物。


3级粒子


哈哈,你我皆凡人,生在人世间,终日奔波苦,一刻不得闲,患得患失是我们挥之不去的体验,我们的身躯和灵魂行走在这个世界上,是不是恐惧如影随形,时时刻刻的那种随时可能发生的客观世界让我们忐忐忑忑,那就对了,这种恐惧,源自终极恐惧,死亡,其实这种恐惧是一直在保护我们的,本能反应让我们躲避危险与灾难,举个例子,眼睛在受到袭击的时候本能的进行动作,如果让我们的意志去操控,放心,你我早瞎了,其实不光这种本能,再多说一些吧,人的身躯与这个世界有着千丝万缕的联系,我们本来就是一体,如今的科技让我们了解到微粒的大同,这些物质会自己进行稳定的惯性属性,怎么解释呢,说简单一点吧,比如,流血,流血是降血压最直接的方式,一个人的意识遭到摧残,血压定会破管而溢,这时一种正常现象,有人会说,这是科学,心气起来,自然血管壁的压力上升,我们都了解啊!没错,就是这些你我都了解,熟记于心,从小就知道的这些理论,你告诉我,谁定的?为什么?怎么就万有引力,怎么就吃饱了不饿,怎么就困了就睡呢?为什么不是困了,吃点东西就不困了?累了,跑几圈就不累了?渴了,玩盘王者荣耀就不渴了?哈哈哈,这就是终极问题,再回到人的惯性,其实这些问题有一种比较超凡脱俗的解释,那就是“爱”!怜悯,因为一切之初你我不分彼此,直到现在那种相依相存之爱也荡漾在一切规律之中,阳光对树木,河流对沙石,星辰对文明,一切与一切,你把一切分的再小,那也属于一切,你把宏观分的再大也属于一切,这里讲的一切的概念就是一切,记住关键,一切,好了,有点跑题,拿人体举例子吧,人流血,在上天的眷顾下,保住了脑子,血管没破,划了小口子,心里就比较平静,很快愈合,如果继续留,那就死翘翘了对吧,这是两个极端,死了还是眷恋?没错,因为如果让你活着,你的意识和灵魂会生不如死,那他怎么知道的?因为在你流血的过程中,你早已把你那脆弱不看的意识出卖给了一切,一切一看,哎呀,不成,还是切掉一切吧,然后你就死了,哈哈哈,就到这里吧,我有写过关于死亡的回答,放心,你绝对没看到过,百度你也看不到,你想你也想不到,哈哈哈!就这些吧,对了,最后一句,我所回答的一切问题,只不过是聊以寂寞,真相有无数种,无数是什么概念,大家应该很清楚吧,我只不过说了某一种,用逻辑联系起来而已,就这样吧,欢迎转发哦!你的分享是我的荣幸~


洋葱圈之Lastcol


杨春华先生用统一场论回答这个问题。量子力学是原子世界的科学。量子力学起源于对光子的研究,光子的波粒二象性是量子力学的基础。光子双缝干涉实验是量子力学的实验基础。宏观物体的科学是牛顿力学。在微观和宏观之间不是一个分界线,而是存在一个分子世界。分子世界的科学是化学,和生物学。

以前人们对于光子的认识是错误的。只是对于光子是波粒二象性的表象认识是正确的。直到杨春华先生用统一场论的能量方程,揭秘了光子是具有牛顿质量的,光波是电磁波和引力波的共振波。虽然,杨春华先生的能量方程和爱因斯坦先生的质能方程,形式上是一模一样的。但是爱因斯坦先生对于方程的理解完全错误,他低估了这个方程的分量。这个方程内涵了光子的秘密,宇宙的秘密。

有人说存在宏观量子效应。这种说法本身就是矛盾的。宏观怎么会有量子效应呢,量子就是微观的代名词。你不觉得宏观量子效应的说法滑稽可笑吗。

杨春华先生发明了统一场论。用牛顿力学把微观世界和宏观世界统一起来了。把低速和光速世界也统一起来了。杨春华先生把宇宙物质统一在两种能量的运动之中,两种能量就是引力能和电磁能。两种能量的映射就是两种力,即引力和电磁力。杨春华统一场论实现了四大作用力的统一。牛顿杨春华理论体系,前无古人后无来者。


超级科学大师


所有的物理理论,从牛顿力学到相对论,再到量子力学,都有它们自身的局限性,都有成立的范畴,或者说是边界,概无例外。这些边界或者范畴,是由这些物理理论的基本假设界定的。比如牛顿力学的基本假设是,存在绝对静止(它是和匀速直线运动等价的状态),存在物体运动的绝对参照系。相对论的两个基本假设,一是运动是相对的,二是光速是绝对的,不变的。而量子力学的基本假设就是量子化,由此得出量子力学的一整套理论。拿量子力学来说,它的界定就是由普朗克常数,以及由它导出的一系列普朗克量(比如普朗克质量,普朗克能量,普朗克速度等等,统称为普朗克尺度)决定的。只有满足普朗克尺度的物理系统,量子力学才成立,才有波粒二象性,态叠加,不确定性等等的量子力学概念。离开了这个尺度,一切都变得荒谬。你总不能说一个人走路,过一道门,然后就有波粒二象性。就算薛定谔的猫,如果是真实世界的一只猫,在箱子没打开以前,你非要说那只猫非生非死,有人会相信吗?人们只相信那只猫非死即生。所以一切离不开那个界定。

需要特别指出,物理学的假设,不同于数学公理,数学公理可以不是事实,只要具备独立性,自洽性(不矛盾)和完备性,任何一种假设都能成为公理,而这也决定了数学的公理体系在逻辑上没有边界。物理假设不同,它不强调独立性,自洽性和完备性,假设的提出是根据现象(或者实验)的观察总结出来,然后通过进一步的实验检验它的正确性。你会发现,很多物理理论都包含各种各样的参数,比如普朗克常数,光速,宇宙常数,引力常数等等,这些基本常数都是一些实验确定的。而所有实验都有条件,而且不可能穷尽所有的实验,但是,只要合理,哪怕是有限的实验,有条件的实验,都可以被物理逻辑接受。当然,这也决定了物理理论的局限性,就是说所有的物理理论,都有它成立的边界。一句话,物理有物理的逻辑,你不能用数学的逻辑来理解物理理论。


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