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说说微观量子世界的基本概念
2018-05-15 阅读次数:

  我最初对量子力学感兴趣,并开始关注进而研习,是在看经典科幻小说《银河系漫游指南》时,那艘宇宙飞船“黄金之心”利用量子力学中的量子纠缠,可以瞬间到达宇宙任何地方,“因为它里面的一台驱动器,可以使得构成飞船的原子能够与宇宙任何一个角落的原子互相纠缠,并通过控制概率,把发生的概率调到99.99%,进而使得飞船能够航行到任意一个遥远地方。”
  由此渐渐地了解到,牛顿的经典力学世界观只能解释宏观经典世界,却无法解释微观世界——量子力学由此而生(注:量子力学的来龙去脉,向大家推荐曹天元的《上帝掷骰子吗:量子物理史话》,此文篇幅有限,就不详谈了)。
  下面介绍一下量子力学中几个最基本的概念:
  首先,让我们来看究竟什么是量子。
  量子是能量的最小单位,最初被称为能量子,所有的能量一定是这个最小单位的整数倍。这和经典力学中的能量不一样,在经典力学中,能量是连续的。而微观量子世界中,能量是不连续的。现在所有和量子力学有关的东西都可能被叫做量子,如原子、原子核和电子等所有微观世界中的粒子都是量子的,基本粒子没有大小、没有体积,而微观世界就是建筑在量子基础上的,它们的规律是牛顿经典力学所无法解释的。
  其次,所有微观量子世界中的粒子,都具有波粒二象性。
  在量子世界中,首先“颠覆”牛顿经典力学的,是打破了“波”和“粒”界限的波粒二象性(wave-particle duality),即微观粒子同时显示出的波动性与粒子性。
  人们之所以在宏观经典世界(日常生活)中观察不到物体的波动性,是因为它们的质量太“大”了。
  而在量子世界中,基本粒子的质量和尺寸,微小到我们所习惯的日常生活经验之外,以至于刚开始连世界顶级的物理学家,甚至包括爱因斯坦,都完全不能理解一些实验的结果,比如著名的光学实验——双缝实验,经过了长达一个世纪,才弄清楚波粒二象性是微观粒子的基本属性之一,并直接衍生出微观粒子总是处于“既是此、又是彼”的叠加态。
  关于量子叠加态(superposition state)
  在经典力学中,最重要的特点是确定性,而量子力学中最重要的特点是不确定性。比如一个原子,如果不被测量的话,它的中心电子核的能量有多大不能确定,而电子的位置在哪里、速度有多大也不确定,而一旦被测量了之后,才能被确定下来。
  著名的“薛定谔的猫”就是试图用日常宏观经典世界中的案例来形容微观量子世界中的量子叠加态。这那个著名的思想实验里,由于量子的随机性质,在观察那个盒子内部之前,那猫就处于生存与死亡的叠加态。
  让我试着再用一个更浅显的实景来比喻吧:假设在量子世界中有个酒吧,在这个量子酒吧里,假设每个粒子就是一个人。有一天你进去了。我问你,你在酒吧里哪儿?你答复,不知道;再问你,何时走?你回答,不知道。可你一转眼就离开了量子酒吧。在这个量子酒吧里,作为一个粒子,你处于叠加态之中,真无法确定你具体在哪儿,何时离开,除非被观察到……
  上述的形容,肯定违背绝大多数人在日常宏观世界里所能得到的常识。但是,这却是量子世界中的客观现实。
  在量子力学中的不确定性原理(uncertainty principle,也可翻译为“测不准原理”):粒子的位置与动量不可同时被确定,位置的不确定性越小,则动量的不确定性越大,反之亦然。
  因此,表面上来看,微观世界和我们所处的宏观世界是不一样的,宏观世界是确定的,而量子态的世界是概率的(上帝掷骰子)、不确定的,这是量子世界的物理法则,跟我们的宏观世界一样,都是真实的存在。而为何在日常生活中观察不到物体的波动性、叠加态那些量子世界的现象呢,是因为任何肉眼可见的物体的质量都太大了,它的不确定性已经小到完全可以忽略不计了。
  总之,在“颠覆”牛顿经典力学的量子力学中,微观粒子具有波粒二像性,即组成宏观世界中物质的基本粒子,既可以是波,又可以是粒子。被观测时是粒子,不被观测时便是波。因此,科学家称量子世界是“上帝掷骰子”的、概率的、不确定性的世界。

 

 

作者:陈思进 文章来源:科普时报
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