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量子跃迁

在微观量子世界中有一些很神奇的现象,例如:量子纠缠、量子隧穿、量子涨落、量子跃迁等等,这些现象是微观量子世界特有的,在我们所熟知的宏观世界中无法找到与其相似的案例,也无法使用宏观世界的理论(经典力学、相对论)去解释它,所以往往我们去形容这些现象时,都会去套用一些深奥的理论与复杂的公式,这样就让这些微观现象变得十分晦涩难懂。

量子是个统称!光子,电子,夸克,中微子都可以说成是量子,量子力学里没有速度的概念!因为没有速度算符,也就没有速度本征态和速度本征值。因为电子跃迁实际上是电子与其他粒子形成的纠缠系统,如果改变其他粒子的能态就能改变电子的能态。而纠缠系统“幽灵般的超距作用”的作用速度无限大,是不需要时间的。

关于量子跃迁,量子力学给出的定义是:微观状态发生跳跃式变化的过程。电子发生的量子跃迁就是我们生活中最常见的例子。

想要理解量子跃迁,我们可以用太阳系中的天体运动来理解它,在太阳系中,太阳是太阳系的中心,其他的行星(水星、金星、地球、火星)围绕着太阳做椭圆形运动,行星围绕太阳运动并不是随机的,每一个行星都是有其固定轨道的,而原子内部的运动与太阳系天体运动类似。

原子由原子核与电子构成,原子核是原子的中心,相当于太阳,而电子围绕着原子核进行运动,相当于行星围绕着太阳进行运动,而电子的运动虽然与行星椭圆运动本质上是不同的,但是两者也有一个相同点,那就是电子的运动也有其固定的轨道,不同轨道的电子,其能量也是不同的,我们可以把电子围绕原子核运动想象成行星围绕太阳做运动。

现代物理学认为物质是由分孑组成的,分子是由原子组成的,原子是由原子核及绕核运转的电子组成的,电子在原子运转是分层次的,每一层属于电子的能量级,而电子的跃迁是因为,环境改变原子的内引力,即对电子的束缚力,而促使电子的自由度增强,就挣脱本轨道而升迁到外层轨道。电子的轨道移动之所以被成为跃迁,是因为这种移动并不是我们常规意义理解的移动,这种移动往往是跳跃式的,没有中间过程的,跃迁是电子从一个状态瞬间转移到另一个状态。

“电子跃迁”是玻尔提出的一种为解释氢光普形成的原子核与电子组合成的原子模型,因为氢原子核外电子绕核高速旋转,若在旋转过程中不断减小轨道,则要向外幅射”连续”的电磁波,但实验惊奇地发现氢光谱是“不连续”的,为了解释这一实验现象,玻尔提出了“电子跃迁”的假说来回答这个问题。不同的谱线(氢光谱)对应电子绕核运行的不同轨道,电子只可能在这些轨道上运行,也只有在这些轨道间变換,这就形成了电子的跃迁。

电子跃迁与量子纠缠,就是电子作为基本粒子所表现出来的波粒二象性的反应。电子跃迁,是电子当粒子看的运动描述;量子纠缠,从电子而言,本质上是与电子的波动性有关的运动描述。

毕竟量子纠缠最神奇的特征就是它的同时性,或者说是超快的关联速度,这种超快目前只有波动性能够描述。光的速度30万公里/秒,量子纠缠的速度到底多少,还是众说纷纭。但能够达到光速是最基本的。或许超光速?从这个角度出发,按照现有的理论,量子纠缠只能归结为波的传播。

譬如以最简单的氢原子为例。它只有一个电子,基态是s1轨道。当外部注入能量时,如果这个电子捕获了一份能量,它就跃迁到s2轨道,这是激发态。甚至s3或更高。在固体物理(半导体物理)里,基态是最下面一条线,激发态在上面。自下而上,能量递增。阳光照在光伏电池上,里面的电子就跃迁到激发态。激发态不稳定,极易释放能量而回复到基态。光伏电池接上负载,这些能量就让你点灯取暖烧菜煮饭看电视打游戏。

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