我認為我可以肯定地說,現(xiàn)在沒有人理解量子力學------理查德·費曼
直到現(xiàn)在,量子理論的神秘面紗依舊未被完全揭開,至于為什么會呈現(xiàn)出種種令人費解的的性質(zhì),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(zhì)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:并不涉及數(shù)學知識與深奧的物理理論,內(nèi)容較多,大概需要五分鐘讀完)。
在量子理論出現(xiàn)之前,牛頓力學統(tǒng)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(xiàn)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,并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(yù)測整個宇宙的未來,并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鉆研物理了,一切注定都是徒勞,因為物理之路已經(jīng)走到了盡頭,我們需要做的就是繼續(xù)完善細節(jié),給已知量多算幾位小數(shù)而已。這位年輕人就是量子力學的創(chuàng)始人之一------普朗克。
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(jié)果與實驗測量相當不符,甚至在高頻區(qū)能量區(qū)域正無窮大,這顯然是不合理的。
一年內(nèi),也就是當初那個被勸說不要再鉆研物理的那個年輕人普朗克發(fā)現(xiàn),只要將輻射看作是在確定能量包大小里間斷進行發(fā)射和吸收的,那么紫外災(zāi)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(jīng)典物理(認為輻射是連續(xù)的,而且人們觀念里認為任何事都是連續(xù)的)的極大挑戰(zhàn),甚至連普朗克自己都懷疑自己的發(fā)現(xiàn)。
微觀領(lǐng)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(tài)
經(jīng)典理論是確定的,一個物體要么在這兒,要么就在那兒,在確定的時刻只能處于唯一的確定位置,這對于我們當然是不言而喻的,因為宏觀物質(zhì)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,此時量子處于這兒和那兒的疊加態(tài)。
為了更清楚地理解疊加態(tài),我們來做一個電子干涉實驗。電子槍發(fā)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(fā)射一個電子,經(jīng)過一段時間后,依然會在屏上形成干涉條紋。
那我們就要問了,一個電子要么通過A縫,要么通過B縫,它能和誰發(fā)生干涉呢?但是結(jié)果顯示的確產(chǎn)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(chǎn)生了干涉現(xiàn)象。這與我們的觀念是完全不一致的,一個東西怎么能同時從兩個縫里通過呢?
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(fā)生了,干涉條紋消失了,此時電子要么就是從A縫通過的,要么就是從B縫通過的,電子貌似已經(jīng)預(yù)知到我們會觀察它的狀態(tài),所以呈現(xiàn)出來粒子的性質(zhì)。
這就是物質(zhì)與意識的相互作用,物質(zhì)可以作用于意識,意識也可以作用于物質(zhì)。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(tài)。在未觀察之前,電子處于疊加態(tài),呈現(xiàn)波的性質(zhì);觀察之后,疊加態(tài)坍縮為定態(tài),呈現(xiàn)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,那么速度就會非常不準確,如果精確測定位置,那么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(wǎng)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。
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(zhì),并不依賴于我們的測量工具。
除了這些,量子還有好多奇妙的性質(zhì),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(zhì)背后的道理是什么,還有很長的路要走。
關(guān)注我,我將持續(xù)更新科學科普內(nèi)容。歡迎留下你的見解,還有你想知道的好玩的都可以告訴我