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量子世界的十大真理

今天小编为大家带来了一篇《量子世界的十大真理》的文章,感兴趣的读者朋友可以跟着小编一起看一看。

原标题:量子世界的十大真理

人们从发现主宰电、磁和光线的宏观经典物理定律在微小的亚原子尺度不再适用以来,一个全新的世界图像正在被人们慢慢接受。量子世界的图像比绝大多数人,即使是那些专家认为的都要更丰富、更包罗万象。所以在这里我们将为你列举量子力学本质的十个事实。可能会让你重新审视你对我们这个世界的最小尺度的看法。

1.一切都是量子。

并不是说有些东西是量子的而有些不是,而是说所有的东西都遵循同样的量子力学定律——只不过量子效应在比较大的物体上很难被观察到而已。这就是为什么量子力学在理论物理学发展史上出现的如此晚:直到物理学家不得不解释为什么电子可以在原子核周围的壳上待着,量子力学才作为精确预测的理论闪亮登场。

图解:元素镥-177能级差异。注意,只有特定的、离散的能级是被允许的。图源:M.S. Litz and G. Merkel

2.量子化并不一定意味着离散化。

根据定义,“量子”是离散的基本块。但并不是微观尺度上的所有东西都是离散和不可分割的。电磁波是由叫做“光子”的粒子组成,所以波可以被认为是离散的。原子核外的电子壳层只能有特定的离散半径(因此也是核外电子离散的)。但即使在量子物理中,其它粒子的属性也不见得总是会变得离散。例如,电子在金属的导带中的位置就不是离散的——电子可以连续地占据导带中的任何位置。再比如,(组成电磁波的)光子的能量值也不是离散的。同样的,量子引力(如果我们最终成功理解了它的话)也不意味着时间和空间就必须要是离散的。(不过,另一方面来说,它们可能是的)

3.纠缠和叠加不一样。

量子叠加态是指一个量子系统可以在同一时间处于两个不同的状态。不过一旦测量,我们总是得到两者之一的特定的状态,而不是叠加态。另一方面,纠缠指的是一个系统的两个或者多个态之间的量子关联,完全不同的东西。叠加与否不是绝对的。一个状态是否是叠加态取决与你想测量到什么。比如说,一个状态可以是一个不同位置的叠加态,同时却不能是不同动量的叠加态。所以叠加这个概念是模棱两可的。但纠缠与否却是绝对的,它是一个系统的固有属性,并且是目前来说测量一个系统的量子特性的最好手段。(更多信息,请阅读“纠缠和叠加之间的区别是什么?”)

分束器,一种产生纠缠光子的机制。图源:wikimedia。

4.没有令人悚然的超距作用。

量子力学中没有任何地方曾说过信息传递可以非局域,可以从一个地方消失又从另一个地方冒出来。纠缠本身的确是非局域的,但并没有什么用。它只是一种无法非局域传递信息的关联作用。有些研究把两个纠缠的光子相隔很远的距离,然后测量其中一个光子的自旋。这时候并没有任何信息会以光速更快的速度传递。实际上,如果你试图把两个观测者的结果拿到一起来比较,那么信息只能在光速的极限下传播,不能更快!在量子力学的早期,什么是“信息”曾经引起过巨大的困扰。但是今天我们知道量子力学可以完美地兼容爱因斯坦的狭义相对论了。也就是说,信息的传递速度不能比光速传播得更快。

一个量子光学平台。

5.量子物理是一个热门的研究领域。

量子力学已是昨天的新闻。难以置信,这个理论起源于一个多世纪以前,但它的许多地方只有通过现代技术才能进行探测。量子光学、量子信息、量子计算、量子密码学、量子热力学和量子计量学都是最近兴起的、目前非常热门的研究领域。随着这些技术带来的新功能,重新燃起了人们对量子力学基础研究的兴趣。

6.爱因斯坦没有否定量子力学。

与流行观点相反,爱因斯坦不是量子力学的反对者,也不可能是——这个理论在早期是如此成功,甚至于任何严肃认真的科学家都不能忽视它。(事实上,他获得的诺贝尔奖,即光电效应的发现,证明了光子既是粒子又是波,这是量子力学的基础重大发现之一。)相反,爱因斯坦认为该理论是不完整的,并认为量子过程固有的随机性一定会有更深层次的解释。并不是说他认为随机性是错误的,他只是认为这不是最终的解释。为了更好地阐明爱因斯坦对量子力学的观点,我推荐乔治·马瑟的文章《爱因斯坦对量子力学的真正看法》

说明了位置和动量之间内在的不确定性关系。当其中一个被更准确地了解时,另一个就不太可能被准确地了解。图源:wikimedia

7.都是关于不确定性的。

量子力学的核心假设说是存在一些成对的观测量是无法被同时的精确观测的。比如说一个粒子的位置和动量,这种对叫做“共轭变量”,这种同时精确测量的不可能性造成了量子理论和非量子理论的区别。在量子力学中,不确定性是固有的,不是由于实验的局限性造成的。不确定性最奇怪的表现之一就是能量和时间之间的不确定性。这意味着不稳定粒子(短半衰期)本质上有不确定的质量,考虑到E=mc2的话.像希格斯玻色子这种粒子,或者说W玻色子、Z玻色子、顶夸克这些粒子,由于它们的寿命短而有内在的1-10%的质量不确定性。

Z玻色子带着一个有宽度的能量。

8.量子效应不一定非要小尺度

我们通常不会去观察大尺度上的量子效应,因为它们之间的量子关联是非常微弱的。然而,如果足够小心地对待,量子效应也可以在大尺度上呈现出来。例如,光子在分开长达数百公里的过程中仍然纠缠在一起。在极低温下发现的物质的一种简并态叫做玻色-爱因斯坦凝聚,这个状态中有多达几百万个原子纠缠形成整体。甚至,一些研究人员甚至认为暗物质可能就是横跨整个星系的量子效应。

9.但它们在小尺度内占主导地位。

在量子力学中,每个粒子也是波,每个波也是粒子。一旦观察到一个粒子的距离与相应的波长相当,量子力学的效应就变得非常明显。这就是为什么没有量子力学就无法解释原子和亚原子物理学,而行星轨道实际上是由量子行为决定的。

薛定谔的猫死了。图源:wikimedia

10.薛定谔的猫死了,或者活着,两种状态不能同时

早期的量子力学并不能很好地解释它,但是宏观物体的纠缠量子行为衰减得非常快。这种“解纠缠”是由于不断与外界环境恒定的相互作用造成的,恒定是指在外界环境相对温暖和稠密的地方,如那些生命所必需的地方,解纠缠是无法避免的。这也就解释了我们所认为的衡量标准并不需要有这么一个人;简单地与外界环境交互就可以了。这也解释了为什么把大的物体变成两种不同状态的叠加是非常困难的,而且叠加会衰减的很剧烈。迄今为止,被带入位置叠加的最重物体是碳60分子,而更有野心的人计划要对病毒或更重的生物(如细菌)做这个实验。因此,薛定谔的猫曾经提出的悖论——量子叠加(衰变的原子)到一个大物体(猫)的转移——得到了解决。

我们现在知道,虽然像原子这样的小物体可以以叠加的形式存在很长时间,但一个大的物体会急剧地向一种特定的状态迅速衰变。这就是为什么我们从来没有见过既死又活的猫。

参考资料

1.维基百科全书

2.天文学名词

3. forbes-Levi-Zoe

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