既死又活的薛定谔的猫,你有没有可能读懂量子

发布时间:2020-05-11 编辑:西极电力网

在物理学的发展道路上曾经出现过四大神兽:薛定谔的猫,芝诺龟,拉普拉斯兽,麦克斯韦妖。这四大神兽里,最为人熟知的、也是量子力学中最著名的思想实验也许就是薛定谔的猫了。

假如有一只猫被关在一个装有有毒气体的箱子里,而决定有毒气体是否释放的开关则是一个放射性原子。在这个实验里,如果放射性原子发生衰变,那么毒气就会释放,这个猫就会被毒死。但是这个原子是否会衰变是不可知的,我们想要知道这只猫是否死亡,只能打开箱子来看。但是在我们没有打开箱子观看时,这只猫是处于生与死的叠加态的,也就是既死又活的状态。

薛定谔的猫厉害之处就在于从宏观尺度阐述了微观世界的量子叠加原理,也就是将微观不确定转化为宏观不确定,从而巧妙地把微观物质在观测后是粒子还是波的存在形式和宏观的猫联系起来,以此求证观测介入时量子的存在形式。

后来量子力学理论的核心就是薛定谔方程,薛定谔方程可以类比经典力学中的牛顿第二定律。但二者的不同之处在于薛定谔方程是建立在薛定谔的猫这个著名的思想实验上的。

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解释不通 穿越时空

量子物理的奠基人尼尔斯·波尔曾经说:“如果谁不对量子力学感到困惑,他就没有理解它。

确然如此,但我们总还有途径能窥探到量子力学的奥秘。无疑,量子力学和相对论作为20世纪最重要的两大科学成就,将对我们的未来起着重大作用。

1900年,普朗克在论文里首次提出了能量的不连续性,一脚踢开了量子力学的大门。那么,量子到底是什么呢?

把一个长一米、宽一米的物体,放大十倍,再放大十倍,然后放大一千倍,再放大一千倍,最后再放大一百亿倍,你就进入了量子的世界。

量子世界里,所有物质都可以被还原成61种基本粒子,其中最重的基本粒子,质量也不超过3.1×10^-25千克。

和宏观世界不同,量子世界里很多物理量是不连续的,比如质量、电荷,甚至是能量,都有一个最小的单元。这些单元不可分割,任何数值只能取它们的整数倍。这就好比你可以从口袋里掏出5毛或者1分钱,但你永远也掏不出来半分钱。所谓量子,就是指这些不可分割的最小单元。

普朗克提出辐射量子假说,假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的,能量子的大小同辐射频率成正比,比例常数称为普朗克常数,从而得出黑体辐射能量分布公式,成功地解释了黑体辐射现象。

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1905年,爱因斯坦引进光量子(光子)的概念,并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系,成功地解释了光电效应。其后,他又提出固体的振动能量也是量子化的理论,解释了低温下固体比热问题。

1913年,玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立起了原子的量子理论。按照这个理论,原子中的电子只能在分立的轨道上运动,原子具有确定的能量,它所处的这种状态叫“定态”。并且,原子只有从一个定态到另一个定态,才能吸收或辐射能量。这个理论虽然有许多成功之处,但对于进一步解释实验现象还有许多不足。

1924年,在爱因斯坦光量子概念的启发下,德布罗意提出了物质波假说,最终将光所具有的波粒二象性赋予了所有物质粒子,从而指出了自然界中的所有物质都具有波粒二象性,或称“量子特性”。德布罗意的物质波概念为人们发现量子的规律提供了最重要的理论基础。

1925至1926年间,定量描述物质量子特性的最初理论——量子力学诞生。

1925年7月,海森伯在玻尔原子理论的基础上,发现了将物理量(如位置、动量等)及其运算以一种新的形式和规则表述时物质的量子特性,如原子谱线的频率和强度可以被一致地说明,这是关于量子规律的一种奇妙想法。

1925年末,在爱因斯坦的建议下,薛定谔仔细研究了德布罗意的论文,并产生了物质波需要一个演化方程的想法。1926年初,经过反复尝试和努力之后,薛定谔终于发现了物质波的非相对论演化方程,,即今天人们熟知的薛定谔方程。薛定谔方程的发现标志着量子力学的另一种形式体系——波动力学的建立。

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