打开APP
userphoto
未登录

开通VIP,畅享免费电子书等14项超值服

开通VIP
量子物理可以有多么简单

一. 什么是经典物理


18至19世纪,科学知识发生了这指数性增长。牛顿力学、电磁学、热力学取得了非凡的成效,各种物质:桌子、椅子、钟表、炮弹、汽车等等都能成功的被这三个领域的知识所描绘其运动与行为。


二. 什么量子物理


经典物理学只能解释宏观物体的运动与行为,但是要描述一个粒子(比如:电子)的运动方式,只能用量子物理解释。量子物理的诞生,彻底颠覆了人们的常识,让我们看看微观世界到底怎么了?


1. 什么是量子


发热体表面物质以一定的离散频率振动,导致热能只能通过微小而离散的能量团进行辐射,这些能量团再不可分,他们被称为“量子”。

量子的概念最先被普朗克提出,后来发现包括光在内的所有电磁辐射都是量子化的,而非连续的。爱因斯坦也因为从这个角度考虑光的特性,成功的解释了“光电效应”而获得诺贝尔物理学奖金。但是,有大量的证据也表明光像是扩散而连续的波。这是为什么?怎么可能既连续又离散呢?


2. 电子跃迁


玻尔发现,在原子内部,电子并非绕着原子核旋转。如果真的是这样,根据经典物理学,带正电的原子核会促使带负电的电子持续释放光能,电子会很快失去能量,并朝着原子核螺旋运动,导致原子塌缩。而事实上电子没有发生这种情况,为什么?

为了解释原子的稳定性,波尔认为,电子不是自由的占据原子核外的任意轨道,而是占据着某些固定的轨道。电子只能从一个轨道跃迁到下一个较低的轨道,并释放与两个轨道的能级差完全相同的能量团,也就是量子。相应的,如果电子跃迁到一个较高能级的轨道上,就要吸收一个相应能级差的能量。


3. 测不准原理


海森堡认为,我们不可能同时知道粒子的位置和速度,我们不观测粒子的时候,它的位置和速度都不可知,只有当我们观测它的时候,才能准确的知道它的位置,或者准确的知道它的速度。粒子的特性完全取决于观测者,而不是客观存在。

比如:白马真的是白的吗?它的颜色取决于观察者的设备,因为人眼对反射光有确定的接收频率,而颜色是由频率决定的,所以我们看到的是白马。如果此白马被其他接收不同可见光频率的眼睛看到后,一定不是白色的。


4. 波动方程


薛定谔发现,电子并不是一个在原子内部做绕核运动的、位置不可知的、模模糊糊的粒子,而是在原子内传播的波。薛定谔将一个没有被观测的粒子描述成为一种物质波,只不过我们一观测,物质波就塌缩成了一个离散的粒子,这个过程,也叫作退相干。后来,薛定谔的原子理论发展成了波动力学。波动方程的解不会告知电子在特定时间点的确定位置,而是提供了一个数集:当我们去测量电子的时候,电子在不同位置出现的概率各有多大。

只要不去测量,电子会同时出现在多个地方。波动方程覆盖整个空间。我们的极限就是计算出电子同时存在于空间各点的概率,而不能在一个特定位置找到电子。这并不意味着认知缺陷,我们也无法通过获得更多的信息弥补此缺陷,概率本事就是微观世界的本质特性之一。


5. 量子隧穿


电子等微观粒子能够穿过它们本来无法通过的“墙壁”,这就是量子隧穿现象。这是因为根据量子力学,微观粒子具有波的性质,而有不为零的概率穿过“墙壁”。

对于电子,什么是“墙壁”呢?比如:在两块金属(或半导体、超导体)之间夹一层厚度约为0.1nm的极薄绝缘层,由于电子不易通过绝缘层,因此绝缘层就像一个“墙壁”。假设电子开始处在左边的金属中,经过试验发现,该电子能够穿越“墙壁”来到右侧的金属中。


6. 量子纠缠


这个更炫。

1982年,阿斯沛和他的小组成功地完成了一项实验,证实了微观粒子之间存在着一种叫作量子纠缠的关系。在量子力学中,有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系,不管它们被分开多远,都一直保持着纠缠的关系,对一个粒子扰动,另一个粒子(不管相距多远)立即(瞬间)有反应。如果观测其中的一个粒子,两个粒子都在瞬间塌缩,不管相聚多远,两个粒子之间在瞬间完成了通讯。


7. 宏观物体为什么没有量子特性?


任何一个宏观物体,比如我、篮球等都是由无数个基本粒子组成的。既然每个基本粒子都在量子力学的控制下,一个宏观物体为什么不能表现出量子隧穿现象、量子纠缠现象呢?

宏观物体由成千上万的大量粒子组成,粒子之间发生碰撞,从而破坏了粒子波动性,也就是粒子瞬间塌缩,从而我们宏观物体没有表现出量子特性。

本站仅提供存储服务,所有内容均由用户发布,如发现有害或侵权内容,请点击举报
打开APP,阅读全文并永久保存 查看更多类似文章
猜你喜欢
类似文章
【热】打开小程序,算一算2024你的财运
量子跃迁被观察和控制,不确定性原理与量子跃迁的量子规律
为什么总说量子力学很奇怪?
量子世界充满了种种神秘,但最大的神秘已经被我们解开?
攻克量子力学两大难题
量子理论究竟是什么?人人都能懂的解释在这里
提干必读:量子卫星“墨子号”的独门绝技
更多类似文章 >>
生活服务
热点新闻
分享 收藏 导长图 关注 下载文章
绑定账号成功
后续可登录账号畅享VIP特权!
如果VIP功能使用有故障,
可点击这里联系客服!

联系客服