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三分钟了解量子力学入门

故事从光子的波粒二象性开始,这次我们主要研究光子的粒子特性。上高中的时候大家都做过干涉实验,光穿过小孔在墙上留下间隔相等的明暗条纹——光栅。

发生这个现象的原因是有的光子从小孔的左侧通过,有的从右侧通过。那如果一次只释放一个光子会发生什么呢?试验结果表明还是会出现光栅,这就说明你释放的光子至少变成了两个。把光子换成电子的结果也是一样的。

于是科学家又做了一个实验,在纸板上开孔的一侧放上光子检测器。测试光子究竟是从左面还是右面投射到墙上的。实验的结果变成了光子只从一侧通过,没有形成光栅。

量子力学有别于传统认知的地方就在于,在常规状态下扔硬币的结果非正即反。正反之间只存在一种可能。但在量子力学的世界,事物可能同时出现两个状态。即一个光子从小孔的左右两侧同时通过。(薛定谔方程就是描述这个事件的,那只非生非死的猫也是这个意思。)

那为什么在科学家观测试验过程以后,光栅就消失了呢?用薛定谔方程解释这种现象叫波函数坍缩。举个例子,大家都知道电子无时无刻都在自选。如果你问台球打出去后的自旋转方向,所有人都会马上告诉你它在正向自旋还是反向自旋。这是宏观世界中的自旋,回到微观世界中的电子自旋问题就很难回答。它既是在做正向自旋也在做反向自旋。当你定性的观察以后它才会产生实质性的正向坍缩或反向坍缩。也就是说,因为你观察的行为直接影响到了事物的发展规律。

有一种很科幻的解释,其实你的观测也并没有影响到电子的旋转。正向和反向自旋其实都存在,只不过一个在你所处的宇宙,另一个处在和你平行的宇宙当中。

讲这些的目的不是让你学量子力学。我们生活的世界有符合我们这个“尺度”的物理规律,艾萨克牛顿爵士就都解释清楚了。可在高速运动的体系中,或者极大极小的体系中,牛顿的《三大定律》和《自然数学的哲学原理》就不好用了。不要那么死气沉沉的相信你所学到或者相信的东西,也许有很多看似矛盾的事物可以同时存在且成立。

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