文章目录
- 引入
- 量子力学产生的必然性
- 量子力学名称的由来
- 粒子?波?波粒二象性
- 测不准原理 (不确定原理)
- 叠加态原理 量子纠缠
- 态叠加
- 量子纠缠
- 量子纠缠实验
- 逻辑判断,量子力学到底完善吗
- 观测量子纠缠?
- 那我们宏观世界的物体存不存在量子叠加现象呢
- 结语
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引入
量子力学到底在讲什么?量子是什么?量子纠缠是什么?叠加态是什么?测不准原理是什么?
首先,不要对量子力学中复杂的概念难倒,量子力学无非就是物理理论,物理理论就是对自然现象的归纳。所以你面对的不是晦涩难懂的量子力学,而是不太容易理解的自然现象。
量子力学产生的必然性
我们面对的世界在尺度上无非就是宏观和微观世界之分,而宏观和微观世界的分界线就是原子,比原子大的物质就是宏观世界,比原子小的物质就是次原子粒子,也就是微观世界。
量子力学研究的就是微观世界的物理现象。一开始,物理学家以为微观和宏观世界的物理规律是一样的,但是后来发现,微观世界和宏观世界几乎没有什么共同点。如果微观世界和宏观世界的现象一样的话,那就没有量子力学什么事了。
直接用牛顿力学就能够描述微观世界的现象,那现在的物理理论就简单了很多。
微观世界起初让人类感到困惑的是电子绕原子核运动的规律,琢磨不透。
按照以往的思路,电子绕原子核运动就是原子核给电子提供了引力和电磁力,引力和电磁力会转化成电子绕原子核运动的向心力,所以电子绕原子核应该是像地球绕太阳一样的圆周运动。
但是后来发现,电子的轨道根本就不是什么圆周运动,电子甚至就没有可以确定的轨迹,我们无法算出电子下一秒会出现在哪儿
至于为什么会这样,没有人能知道,虽然现象就是这样,你也没有办法。
虽然我们不知道电子下一秒会出现在哪儿,但是好在电子貌似会经常出现在原子核外几个比较固定的区域。比如观察100次电子出现在原子核外的分布区域,就会发现电子出现在A区的次数为20次,B区域为25次,C区域为35次,B区域15次,其他区域为5次。
虽然无法精确知道电子下一秒出现在哪一个区域,但是起码可以用统计学描述电子出现在几个常见区域的概率。
这就引申出上帝到底扔不扔色子的问题。
在牛顿力学中,只要知道一个物体起始的速度、质量和受力情况,就能计算出这个物体在未来某一刻的具体位置。未来发生的一切是早已被起始状态设定好的。比如你的人生从宇宙诞生的那一刻就已经被设定好了,你能看到我的博客也是被设定好的。这就是经典的机械决定论,也叫宿命论。
但是电子绕原子核的运动貌似是随机的,电子下一秒出现的位置和初始状态没有确定的线性关系,任何计算都无法精确得知电子下一秒的位置,所以电子的运动就否定了机械决定论,除了电子,所有微观粒子的位置都是随机的,需要用概率描述,而我们人体又是由微观粒子构成,所以这就意味着人的命运并不是被决定好的,人的意志是可以逆天改命的,所以有人才说上帝原来是扔色子的。
对于这个问题,如今依旧存在争论
量子力学名称的由来
我们常常说量子力学,那为什么要叫量子力学而不叫粒子力学呢?
为什么要用到量子这个词语?量子到底是个啥?
首先你得思考一下能量是怎么传递的。拿一杯热水放凉,是因为热水把自身能量传递给了周围的空气分子,热水分子运动比较剧烈,而空气分子运动比较柔和,当热水分子撞击到空气分子,就会把动能传递给空气分子,进而导致运动程度降低,所以热水才慢慢变凉。这就是能量传递的过程。不难发现,能量的传递过程无非就是依靠物质之间的相互作用,比如分子之间的碰撞。
在热水放凉的过程中,温度从80°降到20°,温度降低是一个连续的过程,中间会经历20°~80°之间的任意一个温度值,比如50.654°,35.6521°等等。
这就意味着在热水放凉的过程中,能量的传递是连续变化的。
热水放凉是宏观世界的能量传递,但在微观世界,能量的传递并不是连续的,而是间断的。我刚才已经强调过,能量的传递依靠的就是物质的相互交换。既然已经到了微观世界,那这里面的物质很有可能就是最小的物质,比如基本粒子,基本粒子就是最小的粒子,不能再细分了。而微观世界所有的能量传递本质上都是依靠基本粒子相互交换来实现的,比如光子,光子只能是一个、两个、三个,没有1/2、1/3个光子,所以一个光子携带的能量就是微观世界能量传递过程中的最小单位。
假设一个光子携带的能量大小是A,那么能量传递只能说是1A、2A、3A这样的递增过程,不存在1.2A1.236A2.58A等等这样的过程。
所以能量传递的过程并不连续,而是有间隔的,这个间隔就是1A ,1A代表的就是能量的最小单位。我们赋予这种现象一个新的物理术语,这就是能量量子化。
所以量子代表的就是一种不可再分的基本单位。
在微观世界,只要是不可再细分的概念,都可以叫做量子化。比如光子就是不可再分的基本粒子,所以光子也叫光量子。这种不可再分的、非连续的量子概念在微观世界十分普遍,是微观世界的基础现象,而量子力学正是研究微观世界的理论,所以量子粒学才由此得名。
粒子?波?波粒二象性
我们经常说微观粒子,导致很多人误认为微观粒子是一种实心的小球。其实微观粒子的本质更像是波。如果要彻底搞懂量子力学,首先就要默认所有的粒子都是波,这种波并非类似水波、声波这样的机械波。
微观粒子都是以波的形式呈现的,从而弥漫整个宇宙空间。理论上,所有的波都可以弥漫到宇宙边缘。虽然波的空间尺度是无限远的,但是波的能量往往会聚集到某个固定的空间尺度上,从而形成波包,波包越聚集就越像粒子,这也是波粒二象性的体现。
事实上,测不准原理正是由波粒二象性造成的。
测不准原理 (不确定原理)
现在我们将微观粒子想象成一个具有波动性的波包。这个波波越聚集就越像粒子,越分散就越像波。
波波有两个显著的物理量,一个是位置,一个是动量。你可以将波包的位置理解成宽度,动量理解成能量。
如果我们要测量这个波包的位置,那么就需要用光子撞击波包,通过光子探测到的信息就可以确定波包的位置,但你会发现这样得到的波包位置范围比较广,如果想要得到更加精确的位置,你就必须提高光子的能量去撞击波包,导致波包吸收能量后更加聚集,所以宽度就越窄,更像是一个粒子,位置也就测得越精确。
但这时候位置是测得精确了,但是波包因为吸收了光子的能量,导致动量增加,所以波波的动量就和起始的动量相差甚远,所以你测量到的动量信息就越不精确,如果你要精确测量波波的动量,就得降低光子的能量。
这样一来。波包的宽度就比较大了,所以位置就测量的越不准确。
对于这个现象,海森堡就认为粒子的位置和动量信息不能同时精确测量,位置测的越精确,动量就越不精确,反之亦然,并且认为这主要是由于测量仪器发射的粒子造成的。
但是当代的量子理论认为海森堡的这种解释并不是十分正确。测量仪器固然会对被测量的对象造成干扰,但是这不是主要原因,主要原因是粒子的本质就是波包,测量波包的精确位置就相当于测量绳摆产生的波动位置,这是毫无意义的,因为波就不可能存在完美的位置。
测量动量也是这个道理,粒子不存在完美的动量。
所以现代物理学认为,测不准原理的本质并不是实验仪器造成的,而是微观粒子的内屏属性。用测不准原理这一物理名词会误导大众,让人误以为是人。对科技手段有限造成的测不准。
如今,测不准原理早已被改成不确定性原理的叫法。
叠加态原理 量子纠缠
态叠加
微观粒子还有一个十分普遍的特性,那就是态叠加原理。这个原理的数学解释十分晦涩且枯燥。
态叠加又是我们常说的量子叠加,比如电子的自旋既是上旋又同时是下旋,这种匪夷所思的现象也令薛定谔困惑。
为了通俗的解释量子叠加,所以就将其拓展到宏观事件,也就是那只既死又活的猫。
其实,只要你将微观粒子想象成波,那就很容易理解量子叠加。这条波弥漫整个宇宙空间,但并不是均匀分布的。波上有个波包,波包在哪儿我们就说这个粒子在哪儿。
问题是,理论上这个波包可以出现在这条波上的任何位置上,而波又弥漫整个空间,所以我们才说粒子可以出现在空间上的任何一个位置。
测量之所以会导致量子叠加态消失,是因为测。量仪器肯定需要发射某些粒子探测被测量粒子,被测量粒子原先的叠加态就会因为这些粒子的干扰而消失,这就是测量坍塌效应。
只要我们不去测量这个波包,那么波波本身就和这条波是一个整体,所以这个波包在空间的位置就是叠加在一起的,所以粒子既在这儿又同时在那儿,可以同时处于多个位置,这就是叠加态的体现。你要是从这种角度去理解量子纠缠就十分容易了。
量子纠缠
要彻底搞清楚量子纠缠,还是得先从量子力学的基础寻找答案。
波粒二象性就是说比原子还小的那些粒子同时具有两种状态,这些粒子不仅像粒子,也像波,粒子的波动性和粒子性会叠加在一起,也就是叠加态。但是叠加态不单单指的波粒二象性,还有自旋、偏振、位置、动量等其他物理性质的叠加态。
总之一句话,你只要不测量这个粒子,人家就一直处于各种叠加态中。
如果听懂这些,那量子纠缠就很容易理解
现在我们知道每个单独的粒子都具有叠加态,那你再想,如果两个粒子通过某种方式组合在一起,那这两个粒子的叠加态是彼此独立的,还是相互缠绕的呢?答案是相互缠绕的,
那如果一个单独的粒子衰变成两个更小的粒子,那这时这两个例子的叠加态是彼此独立的还是相互缠绕的呢?答案依旧是相互缠绕的。
两个例子如果一开始具有某种共同的关系,那么即便两个粒子分开及叠加态也是缠绕在一起的,而量子纠缠正是这种叠加态相互缠绕的体现。
比如一个具有零子旋的粒子突然衰变了,变成了两个粒子,那么这两个粒子由于都是由同一个粒子衰变而来的,所以在初始状态就已经建立起联系了。未来不管这两个例子距离有多远,这种联系会一直存在,具体表现就是叠加态的相互缠绕。
这时候这两个例子就是彼此的纠缠粒子,纠缠粒子之间的叠加态会超越空间和时间进行相互作用。这里面的相互作用指的是对一个纠缠粒子进行测量,比如自旋,就会同时决定另一个纠缠粒子的自旋结果。没测量之前。这两个纠缠粒子的自旋处于叠加态,每个粒子既是上旋也同时是下旋,测量行为就会导致两个粒子的自旋变得确定。如果一个纠缠粒子的自旋为上,那另一个必然为下,反之亦然。测量行为导致的叠加态消失就是测量坍塌效应。
现在很多人都知道量子纠缠是超光速的,其实这种说法呢,并不严谨。
在理论上,量子纠缠就不存在速度的概念,因为纠缠粒子之间的相互作用是同时发生的,如果说存在速度的话,那是不是就意味着纠缠粒子的相互作用存在时间差呢?
所以在提到量子纠缠的时候,尽量不要用瞬间、立马这样的词语来描述,最好用同时这个词。
理论归理论,但是实验还得做,你不做实验,怎么知道纠缠粒子的作用就是同时的呢?
但是回头一想,貌似这样的实验压根就无法做。假如你把两个纠缠粒子放到太空中,距离30万公里,时间精度是0.1秒,结果的确发现量子纠缠是同时的。
但是有人还会说时间精度不够,这只能说明量子纠缠的速度不低于10倍光速,然后你又将时间精度提高到0.01秒。即便实验依旧成立,但还是会有人说精度不够,这只能表明量子纠缠不低于100倍的光速。
量子纠缠实验
2013年,由中国科学家潘建伟带领的团队就测试过量子纠缠的速度下限。
在这篇名为限制远处幽灵行动的速度的论文摘要中提到,爱因斯坦等人将量子纠缠中的非局域关联称为远处的幽灵行动。
如果确实存在这一可怕的行为,那他的速度是多少呢?
在这里,我们通过观察连续12个小时违反贝尔不等式的实验得出结论幽灵行动的速度下限是光速的4个数量级。
这个实验意味着,起码在验证上量子纠缠至少是光速的1万倍。但要清楚,由于实验精度的限制,目前只能确定量子纠缠的速度不会低于光速的1万倍。
在未来,如果条件允许,还会做量子纠缠超光速1亿倍、1兆倍的实验,但这样的测量有意义吗?其实并没有太大的意义。我估计在未来要证明一台超级计算机的算力,除了测量圆周率的位数外,还会新增加量子纠缠超光速多少倍的指标?
逻辑判断,量子力学到底完善吗
接着下一个问题,现在既然已经确定量子纠缠是超光速的,那么这种超光速到底是如何实现的呢?在目前的物理框架中,两个物体要进行相互作用,必然需要借助一种中介物质。
在标准模型中,我们已经知道光子、焦子等波色子和各种场可以充当物质相互作用的介质,但是这些介质的速度上限是光速,所以对于超光速的量子纠缠来说,是没有任何波色子和场能够充当纠缠粒子之间的介质的。
于是就出现了另一种解释,这种解释就是逻辑判断。
这里有两个经典案例,一个是寡妇模型,一个是手套模型。
我们先来说说 寡妇模型
铁蛋和翠花原本是一对情侣,经过了长达10年的爱情长跑,终于。与结婚了,在结婚的那一刻,铁蛋和翠花就有了夫妻之实,这种关系就相当于两个纠缠粒子享有了共同的叠加态度。突然有一天,作为丈夫的铁蛋因为车祸挂了,所以在事实上,不管翠花愿不愿意,铁蛋挂的同时也是她变成寡妇的同时,这就相当于对一个纠缠粒子的测量会同时影响另一个纠缠粒子。
还有一种解释就是 手套模型
将一双手套随机放入两个盒子,只有当打开其中一个盒子的同时,也就会同时知道另外一个盒子里装的是什么手套。
这两种案例就是典型的逻辑判断,这种解释也能让很多人愉快的接受了量子纠缠,可是问题就在于人家事实上却并不是这样的,如果量子纠缠是逻辑判断的话,一旦测量,那结果就是确定的,不会再改变,而事实上却是,如果打开盒子,发现是左手套盖上。盒子再打开就有可能变成右手套了。
量子纠缠就是这样多次测量纠缠粒子,其结果并不相同。
为了解释这个问题,爱因斯坦也是绞尽脑汁。
因为在爱因斯坦看来,任何两个粒子之间要进行相互作用,必然要依靠介质,但是任何介质的速度无法超越光速,也就是说,任何遥远区域发生的事件都不能以超光速的形式影响另一区域的事件。这就是著名的区域实在论。
爱因斯坦自然是区域实在论的捍卫者。在他看来,纠缠粒子之所以看起来可以违背区域实在论,是因为纠缠粒子之间存在一种人类还没有发现的作用机制。
爱因斯坦将这种未知的作用机制叫做隐形的变量,也就是隐变量,并指出,由于量子力学还没有发现这种隐变量,所以量子力学并不成熟,还有很多亟待完善的地方。这就引申出量子力学是否具有完备性的争论,所以这时候问题的一切都集中在这个隐变量上了。
其实在上个世纪三四十年代,大部分物理学家都支持爱因斯坦的隐变量学说,包括量子之父的普朗克和喜欢玩猫的薛定谔。因为在当时的保守派看来,哥本哈根学派用概率描述粒子也就罢了,毕竟找不到更好的理论描述粒子的行为了,这暂时只是不得已的办法,大家即便有矛盾,还起码可以坐下来好好商量。
而量子纠缠这种违反区域时在论的超光速行为简直不能忍。保守派从来没有接受过如此扯淡的理论,不管从科学尝试还是内心情感来说,都无法接受量子纠缠这种诡异的相互作用。
1935年,爱因斯坦联合波多尔斯基和罗森共同发表了名为能认为量子力学对物理实在的描述是完全的吗?
由于字母这篇论文的三个作者的名字首字母分别是EPR,
所以这一论文也被称为EPR佯谬。现在问题是提出来了,但是解决问题的人迟迟还没有出现。
直到29年后的1964年,爱尔兰物理学家约翰贝尔才提出了贝尔不等式,给出了验证EPR佯谬的可行性实验。这个实验主要是通过非均匀磁场角度的改变,测量纠缠粒子的自旋状态的概率分布。
如果存在隐变量,那么测量纠缠粒子得到的概率就和磁场角度呈线性关系,爱因斯坦是对的,如果纠缠粒子的概率和磁场角度呈非线性关系,则贝尔不等式不成立,因变量不存在,则量子力学是完备的。
科学家在半个世纪内做了大量的贝尔实验,实验的结果全都指向贝尔不等式不成立,爱因斯坦是错的,量子纠缠之间不存在所谓的演变量。
但是这些实验还存在着不小的争议,主要的争议就是由于实验的纠缠离子距离太近,操作实验过程不随机。
为了解决这些问题,后来还有10万人参与的大贝尔实验。事实上,物理学家对大贝尔实验的结果一点都不意外。这个实验更多的意义是面向大众的一次科普活动。
观测量子纠缠?
首先,量子纠缠这种超光速的现象并不存在传播子,没有传播子就证明在量子纠缠的超光速作用中,并没有实在的物质发生了超光速运动,也就无法承载信息和能量,所以并不违背相对论。
你可能还会想,即便没有传播子,量子纠缠照样可以传递信息。你的想法是不是这样的?
先将二进制的0和1分别对应成粒子的上旋和下旋,通过对粒子不断的测量,就会形成大量的上旋和下旋结果,通过解读自旋结果就能对应成0和1,这样就可以传递信息了。
这种想法固然很好,但问题是测量纠缠粒子导致的自旋叠加态坍塌是完全随机的,你根本无法按照预定的想法控制自选态坍塌的结果,所以无法刻录有效的信息。
这时候可能有人会说,没关系的。不用控制自选的状态也能传递信息,我们只需要将自旋叠加态是否坍塌看成0和1就行。假设自旋叠加态坍塌这一行为是1,没有坍塌是0,那么就可以设定在一秒内,如果粒子的自旋太坍塌了,那就证明遥远的那个纠缠粒子已经被测量了,那么这就表示1,如果一秒内没有坍塌,那就证明没有被测量,这就代表0。这种想法固然美好,但你又是怎么知道粒子是否坍塌了呢?你想要知道纠缠粒子自旋态是否坍塌,就得观察那自旋态坍塌的结果到底是因为你的观察而坍塌,还是因为遥远的纠缠粒子被测量而坍塌的,所以这种方式也是被堵死的。
其实我们理解量子纠缠一定不能套用经典的物理学概念,因为量子世界的一切都是模糊的,没有确定的行为。这并不是因为电子显微镜的分辨率不够高,而是由于量子世界的本质就是叠加态模糊不确定的,所以只能用概率描述模糊。
量子纠缠也是一种模糊的叠加状态,这种叠加状态不会因为距离的远近而变得忽强忽弱,因为在量子力学看来,具有相同叠加态的纠缠粒子其实是同一个粒子,具有量子不可分离性。
我们之所以难以理解量子纠缠,就是搞错了整体的概念。我们可以不假思索的认为一个原子就是一个整体,但是当你把原子放大看,里面几乎是空的,都是缝隙,这时候原子还能被视为整体吗?由于这种缝隙对于人类来说太小了,所以我们难以察觉。但是对于两个纠缠粒子来说,人家本来就是一个具有不可分离的整体空间缝隙。可大可小,如果纠缠粒子之间的距离是0.001nm,那么它们之间的缝隙就可以忽略,我们就可以心安理得的认为纠缠粒子之间的作用再正常不过了。
但是当这种缝隙大到一光年,我们就无法理解纠缠粒子的相互作用行为了。这时候我们就会忘记,其实这两个纠缠粒子本来就是同一个粒子而已,只不过缝隙有点大。
这一点的确很反常时在理论框架中,只有基本粒子才能被视为不可分离的整体,既然不可分离,那怎么可能存在缝隙呢?
所以就有物理学家认为纠缠粒子只是同一个粒子在高维空间的体现。高维空间或许也是解释量子纠缠的一种可靠理论。
那我们宏观世界的物体存不存在量子叠加现象呢
1924年,德布罗意提出了物质波的概念,认为所有的微观粒子都具有波动性。
随着量子力学的发展,物理学家渐渐发现,微观粒子的粒子性只是表象,所有微观粒子的本质上都是波,波动性才是微观粒子的本质。
所以,如何描述微观粒子的波动性,才是真正量化微观粒子运动的基础理论。
既然粒子都是波,那波就会有波状,而且波状会随着时间不断变化,我们只需要描述波状随着时间如何演变,就能够掌握微观粒子的运动规律。
而薛定谔方程正是用于描述粒子波动性随时间变化的数学模型。
毫不夸张地说,薛定谔方程在微观世界的重要性绝不亚于牛顿三大定律在宏观世界的重要性。可即便微观世界的牛顿力学已经诞生,但问题依旧存在。这是因为粒子的波动性会随着测量而坍塌。薛定谔方程虽然可以很好的计算出粒子波动性坍塌的结果,但却无法解释波动性坍塌的内部机制。
熟悉电子双缝干涉实验的都会知道,只要我们去探测电子,电子就会丧失波动性,从而表现出类似于宏观世界的实体粒子。
并且在测量前,这些所谓的实体粒子并没有明确的位置,测量行为也只能预测粒子出现在某一位置的概率。
所以波恩才认为,我们不应该把薛定谔方程中的波动性只看成是波,这种波的本质应该是几率波,也就是粒子出现在某一空间是概率随机的,这种随机性在空间表现上就特别像是波的形状。
在电子的双缝干涉实验中,如果我们测量电子,就会发现电子的波动性丧失,从而表现成粒子,这种粒子性就具有比较确定的位置,所以电子此时的状态更接近我们所熟知的宏观规律
而我们不去测量电子,电子的波动性就会呈现出干涉条纹,此时电子的状态就更像是量子世界难以理解的反常识现象。
所以我们可以大胆的设想,在微观粒子的波粒二象性中,如果波粒二象性更偏向粒子性,那这个时候微观粒子就更像是宏观物质。如果更偏向波动性,那么微观粒子就更像是量子状态。
那么这时候问题就来了,如果我们可以一直让微观粒子丧失其波动性而表现成粒子性,那是不是就意味着微观状态就开始过渡到了宏观状态呢?答案是肯定的。
那么我们应该怎么做才能让微观粒子一直保持粒子状态?答案只有一种,那就是外界能量干扰。能量干扰的本质其实就是波叠加。
比如在电子的双缝干涉实验中,之所以测量会导致电子丧失部分波动性,本质是用于探测电子运动的手段,是利用微观粒子去撞击电子。比如光子,光子打到电子上,电子会吸收光子的部分能量,从而导致电子的波动性降低。
那么为什么电子吸收能量后波动性就会降低呢?这就要从粒子波动的性质收起,
依旧以电子举例,按照波恩几率波的说法,电子的波动。性其实是电子出现在某一空间的概率,这种概率可以分布到整个宇宙空间,但并不是毫无规则的平铺到整个宇宙中,而更像是无数个谐振子相互作用。
电子绝大部分可能出现的空间会表现成一种波形,而电子则可以被认为是波形上的所有集合。
当我们不去测量电子时,电子的波形可以按照理想模型用完美的正弦波表示,这种正弦波可以传播到宇宙中的任何一个位置,所以理论上电子就可以同时处于宇宙中不同的位置,但这时候电子的位置就具有十分大的不确定性。而完美的正弦波意味着我们知道这条波的波长。根据德布罗伊的物质波公式,带入达后,就可以计算出这条波的动量P。
电子的位置不确定性越大,波长就越确定,所以通过确定的波长计算出的动量也就比较确定。而如果想要电子更为确定的位置,则需要在电子波中加入不同波长的波。刚才已经讲了,微观粒子的本质就是波,所以加入不同的波长就相当于用不同的粒子撞击电子,之后不同的波会相互纠缠,从而导致所有波形成一个更加局域化的波,也可以理解成波包。这个局域化的波波会收紧,这样就会呈现出一个更加精确的位置,也就更像是粒子。
但是这个已经收紧局域波中拥有很多不同的波长,如果我们要利用德布罗伊的物质波公式计算这个局域波的动量时,就很难下手,所以计算出的动量反而就不精确了。
这也是不确定性原理的另一种诠释。
**现在回到一开始的问题,为什么电子吸收能量,波动性就会降低?**这是因为电子吸收能量的本质就是与光子波叠加,光子波和电子波叠加就会形成局域波,从而导致位置越精确。
所以在双缝干涉实验中,电子在被测量时才像是粒子。
如果这时候你往深处想一下,就会明白宏观事件为什么没有显著的波粒二象性宏观物质本质上都是由无数个基本粒子构成,夸克构成了质子和中子,质子和中子又构成了原子核,原子核和电子又构成了原子,原子之间通过化学键又构成了分子,然后分子又构成了宏观物质。
从夸克这样的基本粒子出发,到质子再到原子,越往上,物质的波动性就越来越小。那是因为基本粒子很少会和其他波相互叠加,而质子内部有3个夸克,这时候3个夸克的波已经叠加过了,
所以到质子尺度,其波动性就没有夸克那么显著,所以位置就相对精确。如果到原子尺度,原子内部已经叠加过更多的波浪,位置不确定性就更精确了。这里有个问题需要注意一下,**既然位置越精确,动量越不精确,为什么宏观物质的位置如此精确,同时动量也如此精确呢?**其实,宏观物质的动量精确也只是近似指从夸克到宏观物质,越往上,动量的不确定性的确越低,但动量不确定性的增加远远落后于物质质量的增加。
即便宏观物质动量不确定性相对于基本粒子来说十分大,但是相对于宏观物质来说,这种误差可以忽略不计。与此同时,宏观物质的波长也已经短到忽略不计了。从本质上来说,宏观物质依旧遵守不确定性关系和波粒二象限。
你也就明白了为什么宏观事件没有量子纠缠和量子隧穿了。刚才我已经讲了,对于像电子这样的基本粒子,它的波形由于没有任何干扰,所以波形十分完美,可以理解成正弦波,并且扩散到整个宇宙空间。要注意波动性只是说电子可能出现的位置绝大部分是遵守波形的,但这并不是意味着电子出现的位置不会跳跃到整体波形之外,即便在电子波中创建一个势垒,电子依旧有概率穿过势垒,
出现在其他地方。宏观物质之所以不存在量子隧穿,主要有两个原因,
第一个原因就是对于宏观物体内部的基本粒子来说,它们的波已经叠加过很多次了,波动性本来就没有那么强了,所以穿过室雷的概率就更低。
第二个原因是宏观物体要整体发生量子碎穿,就要求宏观物体中所有微观粒子都同时发生势垒贯穿,这在概率上几乎为零,
所以人体才不会像电子那样出现隔空穿墙般的量子隧穿效应。
说完量子隧效应,我们再来说说量子纠缠。刚才已经说过了,电子这样的基本粒子在不被测量时,就可以理解成一个可以弥漫整个宇宙的完美正弦波,波即是粒子,粒子即是波,而一旦有其他波与其叠加,那么这时候两条波就会形成一个共同的局域波,而这个局域波其实就是由两个粒子组成了一个整体,两个粒子共享同一条波,这时候他们就会形成纠缠态,也就是纠缠粒子。
这时候对其中一个进行测量,另一个肯定会同时作用,这就是量子纠缠。由于局域波是多个波叠加之后形成的,所以位置不确定性相对就更加精确。如果波叠加的越来越多,它们之间形成的局域波的位置就越来越精确,所以纠缠粒子的空间范围就越来越小。
对于宏观物质来说,由无数个波叠加形成的局域波,其位置精确度导致纠缠粒子的活动范围会缩小到纳米尺度。即便宏观物质内部依旧存在量子纠缠,但是纠缠的范围已经小到足以忽略不计,所以尺度越大的物质,量子纠缠越不显著。讲到这里你就会了解,微观世界拥有的波粒二象性、量子纠缠不确定性关系在宏观世界依旧存在,只不过小到我们无法观察到而已。
结语
量子力学对微观世界的描述是完全正确的,那么量子力学就是宇宙规律的基础。宏观现象必然是基于量子力学来演化的。牛顿力学只不过是量子力学的真子集,是量子力学在宏观世界的近似理论。
写的我好困,g了
很可悲的发现,这几乎已经证明了这个世界是虚拟的世界了