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人文视角下的物理认知(量子)

量子力学是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支。

1900年,普朗克提出辐射量子假说:电磁场和物质交换能量是以间断的能量子实现的,能量的大小和辐射频率成正比,比例常数为普朗克常数,正确的给出了黑体辐射能量分布。1905年,爱因斯坦引进光量子(光子)的概念,并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系,成功的解释了光电效应。1913年,玻尔在卢瑟福核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。

当人们认识到光具有波动和微粒二象性后,为了解释一些经典理论无法解释的现象,法国物理学家德布罗意于1923年提出了物质波的概念,这就是所谓的德布罗意波。1925年,海森堡和波恩一起建立了矩阵力学。1926年,薛定谔基于量子性是微观体系波动性的反应这一认识,找到了微观体系的运动方程,建立了波动力学,其后不久证明了波动力学和矩阵力学的数学等价性。1927年,海森堡提出了测不准原理。后来,又发展了量子电动力学和量子场论。

量子力学的显得很神秘,在于它的抽象性,也在于没有和人类的实践技术紧密联系起来进行讲解。人类利用电磁波,实现了电视的观看节目,手机现在发展到智能手机,实现了通话和联网的功能。

先来说我们一直纠结的量子的波粒二象性。在电子的双缝实验中,电子会与空气分子的碰撞及电子存在运动辐射,就可以影响到对形成衍射非常关键的各个状态之间的相位关系,这个现象叫量子脱散。也就是说,试验系统和环境系统对双缝实验的结果都会有影响。可以假设一下:将许多二极小磁铁球高速射向宽度为十倍磁球直径的双缝,双缝之间还有一个弱磁场,在入射路线的空气中还漂浮有比磁球更大的球形悬浮物,那么。许多小磁球通过双缝后,会形成类似干涉波的结果,而不可能只有两条竖带。很微小的带有电磁场的多粒子向某一方向运动通过一个缝隙时,由于一些随机性和偶然性,加上对粒子不可忽视的实验环境的影响(比如空气分子比电子大得多),结果会形成物质波。

1939年,世界上第一台投入商业化生产的黑白电视在美国诞生。1954年,推出了彩色电视机。电视机使用的显像管,内部是必须抽掉空气的。一旦进入空气,显像管工作时,内部会出现可见辉光,而显示屏幕上不会再发亮,当然也不会再有任何画面显示。显像管内部有一块荫罩网,上面有十几万个小圆孔或小长条形的孔,显像管工作时有点类似于电子的双缝实验。但电子是精准打到相应的彩色荧光粉上,基本是不存在衍射现象的。

但直到1970年左右,人们才普遍意识到量子脱散现象。比如:在双缝实验中,电子和光子与空气分子的碰撞或发射辐射,就可以影响到对形成衍射非常关键的各个状态之间的相位关系。这种相互作用可以表达为每个系统状态与环境状态的纠缠。也就是说,量子系统的试验结果,是和试验系统及环境系统都有关系的。

量子脱散效应可以解释相对论中时钟变快变慢的原因;环境的不同(引力,速度,温度),影响了原子钟振荡计时系统,因而出现了快慢的差异。

根据量子力学的测不准原理,泡利不相容原理,量子是不可能聚集成一个数学奇点的,但广义相对论的场方程却求解出奇点黑洞结果。这就是量子力学和广义相对论不兼容之处。根据人类的实践经验,物质的体积是不能无限压缩的。还有人类实践中验证过的质量守恒定律和能量守恒定律。在广义相对论和量子力学不可调和的矛盾面前,显然广义相对论的场方程有点不靠谱,那么黑洞学说和宇宙大爆炸学说也就丧失了物理方程的基础。

为了解释光谱线的精细结构与反常塞曼效应,泡利建议对于原子中的电子轨道态,除了已有的与经典力学量(能量、角动量及其分量)对应的三个量子数外应引进第四个量子数。这个量子数就是自旋,是表述基本粒子一种内在性质的物理量。量子力学中的量子场论,将相互作用的能量场也量子化了,带来了计算的简单,但将能量场数学化,抽象化了。

以量子力学为基础,人类又发展了固体物理学、化学、材料科学、核物理学等,激光、电子显微镜、原子钟、医学中的核磁共振、核武器及电子产品的发明和应用,上述学科的理论起到了很大作用。

我们再来说说电视信号和无线广播用的天线及光的偏振,能帮助我们理解量子力学。天线是一种变换器,它把传输线上传播的导行波,变换成在空气中传播的电磁波。接受信号,则是进行相反的变换。一般天线都具有可逆性,即同一天线,可以作为发射天线,也可以作为接收天线。作为发射或接收天线的基本参数是相同的,这就是天线的互易定理。天线的放置方式,有水平,垂直等。天线的极化,是指天线辐射时形成的电场强度方向。天线垂直放置时,电场强度方向垂直于地面时,形成的电波就是垂直极化波。天线水平放置时,电场强度平行于地面,形成的电波就称为水平极化波。随着新技术的发展,又出现了双极化天线,一般分为垂直和水平极化和正负45度极化两种方式。当天线为圆形时,还会形成圆极化波。通讯卫星中星9的信号还利用到左旋极化波和右旋极化波,其实也就是卫星天线高频头内的极化针左旋和右旋造成的。在中星9的高频头内有时还装有塑料的极化片。一般天线或极化针的长度=1/4信号的波长,这样信号的发射或接受的强度才高。接受天线(或极化针)的放置方向(水平、垂直或45度),必须与发射天线的放置方向(水平、垂直或45度)相同,这样才能保障接收到的信号强度最大。接收卫星中星6B或亚洲7号卫星的信号时,卫星接收锅上的圆柱形高频头的安装角度是有要求的,即保障高频头内的极化针是水平或垂直的,否则接收到的信号质量会很弱,甚至完全接收不到信号。

太阳光及灯光是自然光,在垂直于传播方向的平面内,包括一切方向的横振动,且平均来说任一方向上具有相同的振幅。当自然光经过一个偏振片(只允许某个方向振动的光通过)后,就变成了偏振光。若再遇到一个透振方向相同的偏振片,该偏振光完全可以通过。旋转第二个偏振片,通过的光的强度会减少。当两个偏振片的透振方向垂直时,光全部被阻挡。

现在再回到量子的话题。最近的研究证明,量子相干和量子纠缠对量子来说具有操作等效性:在一个系统中,任何数量非零的相干都可以转化为该系统和另一个初始非相干系统之间的等量纠缠。即在实际意义上,它们是等效的,只是概念上有所区别

量子相干性,或者说态之间的关联性,1935年,根据一个假想试验做出的一个预言:在高能加速器中,由能量生成的一个电子和一个正电子向相反的方向飞行。由于二者是由能量无中生有形成的,根据量子理论中的守恒定量,电子和正电子之间的自旋状态是相反和关联的,称为量子相干性。光子纠缠,是将两个光子通过一个BBO的非线性晶体,便得到了处于纠缠态的两个光子,此处还是利用了光的偏振现象。

退相干,通俗的称谓是波函数坍缩效应,是量子力学中引入的一种数学函数。是指原本连续分布的波函数概率幅,在经历观测之后瞬间退变为离散分布于某一特定点的函数。量子力学的正统哥本哈根派则认为人们使用观测仪器观测粒子时,会影响到微观量子的状态,使得量子处于某一本征态,破坏掉量子之间的相干性。

 既然量子相干和纠缠具有等效性,如果观测造成退相干,那么观测也可以造成退纠缠。加上1970年才普遍意识到的量子脱散效应,显然所谓的相干或纠缠是在特定的试验仪器和试验环境中才存在的现象,处于无限远的两个量子之间可以保持纠缠态,是经不起推敲的。纠缠态或相干态是非常脆弱的,测量仪器和环境都会破坏掉量子之间的纠缠态。

在我们正在试验和研究的量子计算机中,量子的脱散效应和退相干是计算机面临的技术难题。量子密钥分配,主要利用偏振光之间的相干性。但光强较弱,,易被破坏,可靠性较低。在物理前沿量子领域,人的主观能动性具有很大的生存空间。于是就有皇帝的新装的故事上演。

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