新闻资讯

我们到底生活在量子世界还是宏观世界?你知道答案吗?

长期以来,科学家对量子和宏观世界持以不同的态度,但是还有科学家试图将它们衔接在一起,但是这相当困难!

实际上量子力学真的很让人困惑,我们所熟知的所有物理定律都在量子领域中被打破了。比如说,把一个粒子放在盒子里。根据经典物理学,那个粒子应该永远呆在那个盒子里。但在量子力学中,这个例子可以在你下次看的时候跳出盒子。在古典思维中,你可以任意精确地测量物体的动量和位置。在量子世界里不是这样的,你对一个知道的越多,对另一个知道的就越少。什么东西是波还是粒子?根据经典观点,你可以选择一个,也只能选择一个。但是如果是量子力学,那么两者都有可能。

著名的量子思维实验----薛定谔的猫打让人们对量子世界有了一定的认识,将一只猫关在装有概率放射性物质和有毒物质的密闭容器里。该物质的衰变存在几率,如果发生衰变,会触发机关打碎装有有毒物质的瓶子,猫就会死;如果不发生衰变,猫就存活。根据量子力学理论,这时候猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态,这只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。但是根据经典力学它只有一种可能:死或生。所以简单理解为,量子世界就是事件可能性的叠加态。

虽然量子世界很难理解,但在某种程度上,量子世界的规则归属于宏观的规则。而真相如何,我们并不确定,要回答这个问题将需要一个漫长而神秘的探索旅程。

第一个给量子世界贴上有用标签的人是物理学家尼尔斯·玻尔。20世纪初,世界各地的科学家开始意识到原子和亚原子系统的奇怪和意外行为。经过几十年艰苦的工作,他们已经意识到,某些属性,比如能量,是以被称为“量子”的水平的离散包出现的。当物理学家们开始勾画出一个数学基础来解释这些实验时,还没有人发展出一个完整的、一致的框架。波尔是第一个尝试这样做的人。虽然他没有提供一个完整的量子力学理论,但他确实奠定了一些重要的基础。他还提出了一些后来成为现代量子理论基石的观点。

第一次是在他早期建立原子模型的尝试中。在20世纪20年代,我们已经通过各种非常创新的实验知道,原子是由一个沉重、致密、带正电荷的原子核,周围环绕着一群微小、轻、带负电荷的电子构成的。我们也知道这些原子只能吸收或发射特定能量的辐射。

但是,它是什么样子的呢?玻尔把电子放在围绕原子核的“轨道上”,围绕着密度大的原子核旋转,就像太阳系中的行星一样。在真实的太阳系中,行星可以有它们喜欢的任何轨道。但在波尔的原子中,电子被卡在小轨道上,它们只能有一定的预定轨道距离。通过从一个轨道跳到另一个轨道,原子可以接收或发射特定能量的辐射。它的量子本质就这样被编码了。

但波尔又萌发了一个有趣的想法。实际上有很多可能的方法来构建原子的量子模型,为什么要用这个呢?他发现,当电子在离原子核很远的轨道上运行时,它们的量子性质就消失了,经典的电磁学可以完美地描述原子,只有两个带电粒子。这被称为对应原理,波尔认为他的原子模型是最好的。你可以有任何你想要的量子理论,但正确的是那些在某些限制下让位于经典物理学的理论。

当然,波尔的原子模型是不完整的,后来被保留至今的价层模型所取代。但他的对应性原理依然存在,并成为后来所有量子理论的基石,它是一盏量子物理的指路明灯,让物理学家能够构建和选择正确的数学方法来描述亚原子世界。

但波尔并没有就此止步,他认为,尽管这种对应原理可以允许量子世界和古典世界之间存在联系,但这两个世界并不相同。就在玻尔对这一切感到困惑的同时,他的好朋友维尔纳·海森堡提出了他那即将成名的不确定性原理。

不确定性原理大致是这样的:用将光照到一个粒子上的方式来测量一个粒子的位置和速度,一部分光波被此粒子散射开来,由此指明其位置。但人们不可能将粒子的位置确定到比光的两个波峰之间的距离更小的程度,所以为但普朗克的量子假设,人们不能用任意小量的光:人们至少要用一个光量子。这量子会扰动粒子,并以一种不能预见的方式改变粒子的速度。

所以,简单来说,就是如果要想测定一个量子的精确位置的话,那么就需要用波长尽量短的波,这样的话,对这个量子的扰动也会越大,对它的速度测量也会越不精确;如果想要精确测量一个量子的速度,那就要用波长较长的波,那就不能精确测定它的位置。

波尔采纳了这个想法并付诸实践。他把海森堡的不确定性原理看作是量子世界更大层面的一部分:一切都是成对的。比如波和粒子。在经典系统中,某物要么是纯粹的波,要么是纯粹的粒子。你可以选择其中之一来对某些行为进行分类。但在量子力学中,这两个性质是成对的:所有东西同时既是粒子又是波,并且总是同时表现出这两者的某些性质。

另外,从本质上讲,量子规则依赖于概率,量子力学只能再现经典物理学。基于这两个观点,玻尔认为量子理论永远无法解释经典物理学。换句话说,量子层面,原子及其同类在一套规则下运行,而宏观层面,火车和人在另一套规则下运行。他们可以而且必须通过对应原则联系起来,但除此之外,他们过着各自独立的类似平行世界的生活。

但是一些物理学家认为,我们从根本上生活在一个量子世界,我们可以从纯粹的量子规则中重现经典物理学。这一切仍然是值得思考的。

地址:深圳市福田区益田路3008号皇都广场 电话:0755-83461563 传真:0755-83466379

Copyright © 2015-2020 深圳库德酒业有限公司 版权所有  粤ICP备13010638号