为什么微观粒子的状态是不确定的,必须用概率来描述?

小夏 科学 更新 2024-02-02

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。

完成! 优质作者名单

相似文章

    声子是微观粒子世界的“热传递体”

    在物理学中,声子是准粒子,是在固体晶格结构中传递热量的量子力学实体。声子是晶体中原子或分子的集体振动,可以传递能量,但本身没有电荷。声子在固体材料中的行为是量子力学的重要应用,对于理解物质的热性质 电子输运性质和超导性具有重要意义。.声子的起源。声子的概念起源于世纪初量子力学发展时期。当时,科学家们...

    普朗克常数的本质是量子不确定性的本质

    普朗克常数,标记为 h 是物理学中的基本常数,出现在许多与量子力学相关的公式中。它的物理意义是深远的,代表了微观粒子的能量和频率之间的联系,是量子世界与经典世界之间的桥梁。从某种意义上说,普朗克常数的本质揭示了量子不确定性的本质。首先,我们需要了解什么是量子不确定性。在经典物理学中,物体的状态由一组...

    为什么内陷

    乳头内陷是一种常见的乳房问题,其特征是无法隆起,这会影响乳房的美观和健康。内陷的原因很复杂,涉及的因素很多,了解内陷的原因有利于有针对性地改善这个问题。.遗传因素这是内陷的重要原因。有些女性出生时内陷,可能在家族中遗传。.在青春期,如果没有得到足够的刺激,这可能导致内陷。这是因为青春期是乳房发育的关...

    为什么大海是蓝色的?

    为什么大海是蓝色的?海水之所以是蓝色的,是因为水分子中的氧原子吸收了阳光中的红色和橙色光线,反射了蓝色的光线。这是由于水分子中的氢键和氧原子之间的相互作用,导致水分子呈现出不同的颜色。此外,海水的蓝色还受到浮游生物 悬浮颗粒物 海藻等因素的影响。在海洋学中,海水颜色也是一个重要的研究领域。通过测量海...

    为什么冰很滑?

    为什么冰很滑?原因是当冰受到压力时,熔点会下降。当你拉雪橇或溜冰鞋时,实际会发生什么。使用溜冰鞋,我们将所有重量都放在一个只有几平方毫米的小区域上。穿着溜冰鞋的人在冰上施加很大的压力。在如此高的压力下,冰的熔点降低。具体分析 如果冰的温度为 摄氏度,而溜冰者施加的压力使他脚下的冰的熔点降低了摄氏度或...