大話科普:最接近神學的科學---量子力學

我認為我可以肯定地說,現在沒有人理解量子力學------理查德·費曼

直到現在,量子理論的神秘面紗依舊未被完全揭開,至於為什麼會呈現出種種令人費解的的性質,就像理查德·費曼說的一樣,沒有人會知道。但是如果沒有量子理論,太陽不會燃燒,原子會四分五裂,所有的物質都會崩解。接下來,我們通過一些簡單的語言來描繪量子理論的冰山一角(注意:並不涉及數學知識與深奧的物理理論,內容較多,大概需要五分鐘讀完)。

在量子理論出現之前,牛頓力學統治世界幾百年,牛頓力學體系幾乎可以解釋宏觀世界所有的現象。牛頓力學的繼承者拉普拉斯說:如果擁有無限的計算能力,並且知道某一時刻所有粒子的位置,人類就可以利用牛頓方程預測整個宇宙的未來,並且可以準確的反推宇宙的過去。這種言論當然是荒謬的,不確定性原理告訴我們:我們不可能同時準確地知道粒子的確切位置與速度(不確定性原理接下來我會說明)。甚至當時有一個年輕人被勸告不要再鑽研物理了,一切註定都是徒勞,因為物理之路已經走到了盡頭,我們需要做的就是繼續完善細節,給已知量多算幾位小數而已。這位年輕人就是量子力學的創始人之一------

普朗克

經典物理的缺陷------紫外災難

當時科學家試圖找出不同頻率輻射所攜帶的能量大小,但是計算結果與實驗測量相當不符,甚至在高頻區能量區域正無窮大,這顯然是不合理的。

一年內,也就是當初那個被勸說不要再鑽研物理的那個年輕人普朗克發現,只要將輻射看作是在確定能量包大小裡間斷進行發射和吸收的,那麼紫外災難就能非常完美的被解釋。這些確定大小的能量包被稱作量子。這是對經典物理(認為輻射是連續的,而且人們觀念裡認為任何事都是連續的)的極大挑戰,甚至連普朗克自己都懷疑自己的發現。

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量子的奇妙性質

微觀領域很多事似乎都不可理解,讓人感到非常的不可思議,甚至違反了我們的常識觀念。

1、疊加態

經典理論是確定的,一個物體要麼在這兒,要麼就在那兒,在確定的時刻只能處於唯一的確定位置,這對於我們當然是不言而喻的,因為宏觀物質就是這樣。而量子理論告訴我們,它不僅可以在這兒,還能在那兒,甚至可以在這兒和那兒之間任何一個位置,此時量子處於這兒和那兒的疊加態。

為了更清楚地理解疊加態,我們來做一個電子干涉實驗。電子槍發射電子,電子通過A、B狹縫,在屏上形成干涉條紋。假如此時我們讓電子槍一次只發射一個電子,經過一段時間後,依然會在屏上形成干涉條紋。

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那我們就要問了,一個電子要麼通過A縫,要麼通過B縫,它能和誰發生干涉呢?但是結果顯示的確產生了干涉條紋,所以電子其實是同時通過了A、B縫,自己和自己產生了干涉現象。這與我們的觀念是完全不一致的,一個東西怎麼能同時從兩個縫裡通過呢?

2、觀察

可終究還是有人不相信有東西能分身,所以就有人改進了實驗,在兩條縫旁邊放上了兩個探測器,如果電子從A縫通過,就會被a探測到,如果從B縫通過,就會被b探測到。接下來令人驚訝的事情發生了,干涉條紋消失了,此時電子要麼就是從A縫通過的,要麼就是從B縫通過的,電子貌似已經預知到我們會觀察它的狀態,所以呈現出來粒子的性質。

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這就是物質與意識的相互作用,物質可以作用於意識,意識也可以作用於物質。我們觀察電子的行為作用到了電子身上,改變了電子的狀態。在未觀察之前,電子處於疊加態,呈現波的性質;觀察之後,疊加態坍縮為定態,呈現粒子性

3、不確定性原理

“粒子的位置與速度不可能同時被精確測定,如果精確測定位置,那麼速度就會非常不準確,如果精確測定位置,那麼粒子的速度就會非常不準確”

這個原理可以通過一個實驗簡單的說明。

我們眼看到的東西都是通過光反射到我們的視網膜上形成的,所以如果想要探測一個基本粒子,我們就需呀一個更小的粒子作為“光”,最好的“光”就是γ射線,這是一種波長非常短的電磁波,所以能量非常高。我們讓γ射線撞擊待測粒子,通過反射。我們就能精確測定待測粒子的位置。但是就是因為這一撞,粒子的速度也就因此改變,所以說這兩種物理量是不能同時精確測定的。

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這只是為了說明這個問題而提出的一個實驗,其實不確定性是量子的一個基本性質,並不依賴於我們的測量工具。

除了這些,量子還有好多奇妙的性質,比如說量子隧穿,量子糾纏,遲滯實驗等,截止到目前,我們依然不理解這些性質背後的道理是什麼,還有很長的路要走。

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