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量子物理真的那么难学吗?薛定谔的猫说的到底是什么?

如果你的数学够好,量子物理并不难学,通俗地说,量子物理就是用高等数学——线性偏微分方程解应用题。

在量子力学中,当微观粒子处于某一状态时,它的力学量( 如坐标、动量、角动量、能量等) 一般不具有确定的数值,而是具有一系列可能值,每个可能值以一定的几率出现。

微观粒子的运动所遵循的是统计性规律,波函数正是为描写粒子的这种统计行为而引入的。一般来讲,波函数是空间和时间的函数,并且是复函数,即ψ=ψ(x,y,z,t),即在时刻t, 在点(x,y,z) 附近单位体积内发现粒子的概率。波函数ψ 因此称为概率幅,它既不描述粒子的形状,也不描述粒子运动的轨迹,只给出粒子运动的几率分布。微观粒子波函数的确定要满足:单值,连续、有限的条件。此外,还需满足归一化条件:

波函数的平方(概率密度)对全空间积分等于1,也就是说,在空间内找到粒子的概率必须等于1。

再说说薛定谔方程,它是量子力学最基本的方程,也是量子力学的一个基本假设:

描述非相对论实物粒子在势场中状态随时间的变化。

“薛定谔的猫”是奥地利著名物理学家薛定谔提出的一个思想实验,做法是:将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率,如果镭发生衰变,会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫就会死;如果镭不发生衰变,猫就存活。根据量子力学理论,由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加,猫就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“薛定谔的猫”。

翻译一下,用量子力学的语言解释就是:测量一个粒子的位置和速度,其办法是将光照到这粒子上,一部分光波被此粒子散射开,由此指明它的位置。人们不可能将粒子的位置确定到到光的两个波峰之间距离更小的程度,故必须用短波长的光来测量,至少要用一个光量子。这量子会扰动这粒子,并改变粒子的速度,而且位置测量得越准确所需的波长就越短,单独量子的能量就越大,粒子的速度就被扰动得越厉害。你对粒子的位置测量得越准确,对速度的测量就越不准确。

这种不确定性的描述即使在物理学界也是长期存在争议的,在1927年的第五届索尔维会议上,爱因斯坦和玻尔就在量子力学的思想上进行了一番激情互怼。

爱因斯坦:量子力学固然是堂皇的,可一种内在的声音告诉我,它还不是真实的东西。我无论如何深信上帝是不会掷骰子的。

玻尔:爱因斯坦,别去指挥上帝该怎么做!

目前来看,量子力学对微观的解释是符合试验结果的。根据波函数计算,粒子能穿透比它动能更高的势垒,具有隧道效应,这是粒子具有波动性的直接体现,已被试验所证实,并在此基础上开发了扫描隧道显微镜(STM)——很好用,谁用谁知道。即用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针,将它与被研究物质的表面作为两个电极,当样品表面与针尖非常靠近(距离<1nm)时,两者的电子云略有重叠。若在两极间加上电压U,在电场作用下,电子就会穿过两个电极之间的势垒,通过电子云的狭窄通道流动,从一极流向另一极,形成隧道电流I。隧道电流I的大小与针尖和样品间的距离以及样品表面平均势垒的高度有关,通过隧道电流强弱分辨表面形貌。

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