关于量子力学,你和我,以及世界的变化
关于量子力学,你和我,以及世界的变化。 当年,牛顿发现只要给定小球一个力,那么物体就会朝着力的方向运动,只要我们能精确把握力的大小和方向,就能通过基本的受力分析,知道物体将会运动到哪里。在真空中,没有摩擦力时,方向和力 两个物理量就能望穿小球的一生。
这一切看似都很完美,毕竟世间万物都服从基本的物理规则,就像打台球一样,你,我,苹果,不都是一个稍微复杂点的球,只要做受力分析,我们就能推测一切。而且这不只是推测,而是准确预言,前提是我们的测量工具有足够的精度。
从此,在经典物理中,拉普拉斯之妖诞生了,他拥有一瞬间洞察所有物质准确状态的能力,通过基本的物理运算,他就能知道所有物体下一步的运动轨迹,将世人带向虚无。
这一切的一切在经典物理的时代,都是合理的,直到,我们开始观察粒子。
如果说在经典物理中,我们观察 👀 一个以 1m/s 匀速运动的小球,那么如果我们站在距离小球运动方向 1m 以外的地方,那么一秒之后,我们时 100% 铁定能看见这个小球出现在我们的面前,这是毋庸置疑的,你把小球换成行走的人,换成汽车,换成一切可以运动的物体!这都是成立的。且这是符合常识的。
但科学家发现,粒子就不是这么一回事,当我们同样给定粒子一个基本速度,比如同样是 1m/s,如果我们站在距离粒子运动方向 1m 以外的地方,那么一秒之后,我们不一定能看见粒子!我们多观察几次,就会发现,有时粒子出现,有时不出现,仿佛是概率出现一般!太奇妙了,这与经典物理完全不同!我们知道构成我们这个世界的基本单位就是这些粒子,小球也好,汽车也好,人也好, 都是由氧,氢,碳等元素构成的,而这些元素是由夸克,电子等基本粒子组成的。那为什么宏观物体满足的属性,在粒子这就完全不适用了呢,奇妙。
于是量子力学出现了,用来解释粒子的这种现象。 上面提及的出现概率,就是量子力学中的波函数,它是由养猫的薛定谔方程推演来的。 在上面的例子中,波函数用于描述在 1m 的位置上,粒子出现的概率,你可以将其理解因为一个正态分布。 如果我们在 1m 的位置不观测,那么这个波函数会一直演化,弥散在整个运动空间,即一个超级扁长的正态分布。 如果我们选择在 1m 处观测一次,这里有两种情况, 观测到了粒子和没观测到电子,但两者都会造成波函数的坍缩,从而影响到 2m 处的正太分布形状,前者会让正态分布变得中间高,两边低,后者则会让正态分布变得两边高,中间低一些。所以你会发现,仅仅是我们的一次观测行为,实打实的影响力粒子在后续位置出现的概率。反过来说,粒子出现的位置,取决于我们的观测行为。
但这究竟是为什么呢,这里要引入一个叫海森堡不确定性原理的东西,他说的是,我们无法同时准确知道粒子的位置和动量(速度和质量的乘积)。 这不是测量技术的限制,而是量子系统本身的基本性质。 在德布罗意假说中,粒子的波长与其动量成反比。 这意味着如果粒子的速度(动能)很确定,其波长会很短,这对应于德布罗意波的多个波峰,导致位置的概率分布更加分散,因此难以准确知道粒子的位置。 位置测量和波函数的峰值:相反,如果我们能够较为准确地知道粒子的位置,这意味着粒子的波函数在这一区域有较大的峰值,其波长相对较长,导致对应的动量(速度)的不确定性增大。因为波长长意味着动量小,但具体有多小则不太确定。