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快速入门量子力学看这篇就够啦!—养生网中医养生养生保健食疗养生养生之道最好的养生网站提供生活小常识100个养生小窍门

2021-10-13 | 来源:未知

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  如果问20世纪物理学最伟大的成就有,量子力学以毫无争议地进入榜单。然而,它反直觉的结论和晦涩的数学表达得人们对它望而生。

  著名物理学理查德·费曼说过:“我想我可以肯定,没人真正理解量子力学。”今天,笔者将比较浅显的角度,带走进量子力学的大门,了解一些量子力学的基本概念和结论。

  说起量子力学,不得不提波动力学的创始人薛定谔。在法国物理学家德布罗意物质波理论的基础上,薛定谔创立了波动力学理论。它和海森堡的矩阵力学等价,是量子力学的两种表现形式。

  正规治疗癫痫的医院怎么才能治好1905年,爱因斯坦曾经提出光在某些情况下也可以表现得和粒子一样,而在其它情况下则依然表现出波动性,这就是光的。受启发,德布罗意认为,其它常见的粒子,如电子、原子、分子等也可以表现出,它们对应的波被称作物质波。

  都知道,一般的机械波或者电磁波,都可以用数学来。用一个波动方程来某个波在空间和时间上的变化,而这个方程的解——波函数,则表示了每个时刻波的形状。

  如果德布罗意的预言是正确的,么对于物质波,该有应的波动方程与之对应。薛定谔就提出了这样的一个波动方程,也就是大名鼎鼎的薛定谔方程。

  这个方程和普通的波动方程不大一样。你可能会问薛定谔是如何提出这个方程的,费曼却认为这个问题是徒劳的:“我们可以从哪里得到薛定谔方程?不可能从你知道的任何东西中得到它。它来源于薛定谔的思想。”

  薛定谔方程的解被称为波函数,它可以告诉我们关于正在考察的量子体系的一切。但是这个“一切”究竟括?

  举个例子,我们假设有一个粒子在一个封闭的盒子里,在给定的边界条件下求解这个系统的薛定谔方程,得到相应的波函数,这个波函数并没有告诉我们这个粒子在某个时间点所处的确切位置。当然,这并不奇怪,因为粒子也具有波动性,要说一个波存在于某一个确定的点、有一个确定的轨迹显然是不可能的。

  那么这个波函数是小儿癫痫病吃什么药描述出了一个波的形状吗?就像我们求解绳子上的波动方程可以知道每一刻绳子的形状一样?答案显然也并非如此。那句话,粒子具有波粒二象性,并纯粹的波动性。

  在我们继续往下讨论之前,请允许我向你保证,薛定谔方程绝对是历史上最的方程之一。它的预演已经得到了次的验证。所以尽管它看上去是那么的奇怪和陌生,人们依然承认它的正确性。

  回到我们刚刚讨论的波函数,在任一时刻t,盒子的任一位置x,波函数的是一个确定的数值,而且这个数通常是复数。这个数究竟意味着什么?1926年,物理学家马克斯·玻恩给出了解释:这个复数的模的平方,代表了t时刻你在x这点找到这个粒子的概率密度。

  为什么会是概率?因为它是一个微观粒子,而不是一个宏观的台球,不经典的物理定律,它的运动没有确定的轨迹。当我们打开盒子观测时,我们一定会在某一个点找到它,但我们无法预测这个点究竟在哪里,我们能知道的仅仅只有概率。

  这便是量子力学第一个反直觉的结论:在这个世界的微观层面,并不像宏观层面那般“确定一定以及肯定”。

  第二个反直觉的结论紧接着就来了。刚刚我们还说,如果打开盒子观察,我们总能在某个点找到那个粒子。那如果我们不打开盒子呢?这个粒子在哪里?答案就是这个粒子在波函数允许它存在的盒子里的任何。

  假设你已经找到了一个波函数,它是这个昆明比较好癫痫病医院哪家薛定谔方程的解,并且描述了这个粒子可能存在于盒子中的某些位置。可能还有另一个波函数,它也是这个薛定谔方程的解,但它描述了这个粒子可能存在于盒子的其它位置。

  如果你把这两个波函数做线性的叠加,你会叠加后的新波函数也是这个方程的解。这表示从某种意义上来说,这个粒子可能同时存在于这两个波函数所描述的位置——这就是所谓的量子叠加态。

  当然,在现实中,但凡我们打开盒子观察,粒子只会在一个位置出现,叠加态会消失,没有人能同时在几个地方看到同一个粒子。为什么所谓的观察或是测量会叠加态的消失呢?这个问题至今还没有答案。

  有人认为波函数在观察中通过某种机制坍缩到了某一个特定的状态,还有人认为现实世界在测量的那一刻分裂成了不同的分支,测量者只能看到众多可能的结果之一。总而言之,这个问题现在还没有定论。

  另一个著名的结论就是海森堡不确定性原理。这个原理告诉我们,你永远不能同时测准一个粒子的位置和动量。

  如果你位置测量得越精确,那么动量的误差范围就越大;如果你动量测量得越精确,那么位置的误差范围就越大。两者不确定度的乘积一定会大于某个确定的值。这并不是你测量工具不够进导致了,这是量子力学薛定谔方程的必然结果。

  除了位置和动量,时间和能量也是不能被同时精确测量的。这表示当时间的测量精度足够高时,能量将有很大很大的不确定范治疗癫痫病的方法有啥围,这便允许粒子在很短的时间内有一个很高的能量涨落,从而越过一些原本不能越过的势垒,实现隧穿,而这个能量似乎没有任何来源,看上去与经典的能量守恒相违背(上并不违背,感兴趣的读者可以自行查阅相关文献)。

  除了最简单的单粒子系统,波函数还可以描述多粒子的体系。在这种情况下,波函数还能表现出一个奇异的性质——量子纠缠。

  当多粒子体系的波函数不能分解为多个单粒子波函数的简单叠加时,粒子间会发生纠缠,一个粒子的状态改变会导致其它粒子的状态也随之改变,这种改变不受时间和空间的限制,被爱因斯坦称为“幽灵般的超距作用”。利用这种特性,量子保密通信成为了可能。

  当然,量子力学的内容远远这些,上面的概念仅仅是冰山一角。想要系统的学习量子力学,还是需要借助数学的工具。本文只是简单了量子力学中一些最基本的内容,帮助大家构建起关于量子力学的一个最基本的图像。不知道在笔者啰嗦这么多之后,你对量子力学的概念是更清楚了呢,还是更糊涂了呢?

  【互动问题:你见过“量子”这个概念在哪些地方被滥用甚至玩坏了?除了“量子”,还有哪些科学名词是经常被误解和滥?】

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