量子力学告诉我们,微观粒子的状态和运行规律是经典物理学无法描述的,因为微观粒子的行为完全违背了我们的传统认知,甚至颠覆了我们的人生观和宇宙观。
这就是为什么一些物理学大佬会这样说:如果你第一次接触量子力学,并没有被量子世界的奇怪行为所迷惑,那并不意味着你很聪明,更不代表你真的懂量子力学,相反,因为你根本不懂量子力学!
说白了:无知者无所畏惧!
其实,别说那些吃瓜的普通人,所有的物理学家都还想不明白:量子世界为什么这么诡异?
在量子世界里,有太多的地方违背了我们生活的常识,甚至完全违背了人们认为坚不可摧的“因果律”。
量子力学已经发展了100多年,那么今天的物理学界是如何描述量子力学的呢?
波粒二象性这是量子力学的核心思想,但实际上,这种“谦虚”的描述方式恰恰凸显了人类的“无能和不甘”,因为我们真的不知道如何准确描述量子世界的怪异行为,只能用“波粒二象性”的模糊定义来描述。
在现实中,我们很难理解一个物体既有粒子特性又有波,一个会显示粒子,另一个会显示波,微观粒子的状态是什么,最终取决于我们的观察,当我们不观察时,它是不稳定的波动,微观粒子无处不在。 一旦进行观察,粒子就会立即坍缩成粒子状,成为确定存在的粒子。
让我们来看看我们的经典世界是如何描述物体的状态和运动的。
在物理课上,我们都学过粒子的概念,在研究一个物体的运动时,我们通常可以把物体当作一个粒子,给它建模以便于理解,然后我们就可以准确地测量和计算物体的相关物理量,比如质量、速度、加速度等,这些都可以用牛顿经典力学来计算。
中学的物理不涉及相对论的知识。 实际上相对论也属于经典物理学的范畴,这与牛顿的经典力学相同,只是相对论描述了宏观物体在高速下的运行定律。
使用牛顿力学和相对论,完全有可能描述我们宏观物体的运动定律。
随着对微观领域的深入探索,科学家们有了不同的发现。 原子核、电子、质子、中子甚至夸克的存在相继被发现。 当科学家观察这些微观粒子的运动规律时,他们发现牛顿的经典力学和相对论并不好用,不符合经典物理学的**。
例如,如果根据牛顿的经典力学,原子核带正电,而电子带负电能量在电子运动过程中衰减,最终落到原子核,但这在现实中并没有出现。
显然,经典物理学有一个难题:如何解释电子等微观粒子的行为?
玻尔是第一个提出“.电子转变电子只能吸收或释放比能量,即光量子的整数倍的能量,因此它们只能在不同的能级上跳跃,而不能在两个能级之间跳跃。
然而,玻尔的理论也是有缺陷的,不能解释电子云现象。
随着电子双缝干涉实验的发展,物理学家发现了更多奇怪的现象,并了解到电子等微观粒子也具有波粒二象性,这意味着电子可以同时出现在两个不同的地方,甚至任何地方。
那么,您究竟如何描述微观粒子的状态呢? 只能使用不确定性原理。虽然我们不能同时得到微观粒子的速度和位置信息,但微观粒子的速度和位置的不确定度满足一定的关系,即速度不确定性和位置不确定性的乘积一定不小于一个常数,这个常数虽然小,但大于零。
物理学家还发现,虽然我们无法确定微观粒子的速度和位置信息,但我们可以用概率来描述它们,这可以描述微观粒子出现在某个位置的概率。
这就是“概率波”解释,用于解释薛定谔方程中的”波函数”。也就是说,微观粒子的行为就像波一样不可预测和无处不在,它们的行为只能用概率波来描述。
为什么会这样?
对不起,人类不知道,也束手无策,只知道微观世界确实是这样的,不确定性和概率波是微观粒子的固有属性,人们只能用概率来描述微观粒子的运动。
这就像“掷骰子”,最后会是什么时间,它是不确定的,它是随机生成的。 阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)和薛定谔(Schrödinger)等物理学大佬无论如何都无法接受微观粒子的概率行为,爱因斯坦坚信这一点。上帝不会掷骰子但今天的主流科学界显然更支持“上帝确实掷骰子”。
还有一个问题,宏观物体是由微观粒子组成的,既然微观粒子是不确定的,只能用概率来描述,为什么宏观物体的状态是确定的呢?
最重要的是,微观粒子的不确定性也是“相对的”,因为任何观察行为都会引起微观粒子的“波函数坍缩”,从不确定到确定,从模糊的波动状态到真实的确定状态。
更深层次的含义是:世界的现实是否取决于我们的观察? 当我们不观察时,世界是模糊的,当我们观察时,世界变得真实?
这很难接受,但就目前而言,这是真的。 那么一个大问题来了,为什么我们的观察行为会导致微观粒子”。波函数坍缩从波坍缩到粒子呢?
不幸的是,人类仍然不知道这个问题的答案,但他们已经观察到这种行为确实存在,所以他们将其描述为“波函数坍缩”。 说白了,所谓的“波函数坍缩”,不过是科学家根据观测结果倒推得出的结论从本质上讲,它是“如果”。
当然,网上也有人会提出这样一种观点,即观测之所以导致波函数坍缩,是因为观测本身就意味着它必须与微观粒子相互作用,从而影响微观粒子的状态。
这种观点确实更容易被我们接受,毕竟更符合我们的生活经验,但又站不住脚,毕竟如果观测行为干扰了微观粒子的量子态,就意味着量子体系在观测之前就有了某种确定的状态,这显然与“观测行为改变了量子态”相矛盾。
当然,虽然物理学家们并不知道量子世界为什么会出现“波函数坍缩”,但他们还是提出了许多假设,比如平行宇宙假说、高维空间,甚至“意识决定论”,但我们仍然不知道哪一个才是量子世界的本质。
大自然总是这样,总是在人们以为要触及大统一理论的时候,给人一个“耳光”,衍生出越来越多不可思议的自然现象。
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