量子力学基本原理,你理解中的量子力学是怎样的?

为了通俗地理解量子力学量子力学基本原理,我们必须借助于比喻,即用我们熟悉的现象来类比量子现象,并在此基础上建立能描述量子现象的数学结构和理论体系。

量子力学基本原理,你理解中的量子力学是怎样的?

假想在黑箱里有一堆小物件,我们应如何对其分类?比如颜色是一个分类的标准,形状是另一个分类的标准,颜色和形状是完全不相干的独立的描述物件性质的两个标准。

我们说一个小物件是白色的;或是黑色的;白色和黑色是两种互相排斥的陈述,只要是白色的就不能是黑色的,相反只要是黑色的就不能是白色的。

我们也说一个小物件是个立方体,或说它是个球体。球体和立方体也是互相排斥的,我们没法说它既是球体又是立方体。

假设在我们的世界里,这个小物件不是立方体就是球体,但不能既是立方体又是球体。类似的我们说在我们的世界里,这个小物体不是白色的就是黑色的,但不能既是白色的又是黑色的。

形状是我们对物件的陈述,颜色也是我们对物件的陈述。现在我们的问题是:我们能够同时使用颜色和形状来陈述一个物件吗?

在经典物理里,或在我们的日常经验中,当然可以!香蕉是黄色的,同时它也是弯曲的“棒棒形”,形状和颜色是我们一眼看去可以直观的。

但在量子世界里,这种陈述是被禁止的!看清楚了物件的颜色,它就完全没有形状;同样看清楚了物件的形状,那它就没有颜色。

当然这是个比喻,我们可以用我们熟悉的物理量替换一下。在经典物理或日常经验中,我们可以说粒子的位置是多少,同时说粒子的动量是多少,但在量子世界中,如果我们知道了粒子的位置,我们就没法说粒子的动量了,相反如果我们知道了粒子的动量就没法说粒子的位置。这和测量无关,在量子世界中这种陈述本来就不存在。

在建立量子理论的过程中我们一般从粒子的自旋入手。当我们知道了自旋的x分量,我们就没法说自旋的z分量,相反当我们知道了自旋的z分量,我们就没法说自旋的x分量。

我们应如何描述量子世界的这种行为呢?并进而建立起描述量子世界的理论。我们还是借助于比喻,只是现在经典的“颜色-形状”比喻失效了,我们需要找个新比喻。

物理学家想到了光。光是一种波动,是一种横波。光有x偏振光、y偏振光,这两个偏振态对应自旋在z方向上的向上和向下。把光偏振的方向转45°,会有x’偏振光和y’偏振光,可用来表示自旋在x方向上的向上和向下。此外还有圆偏振光(左旋和右旋),对应自旋在y方向上的向上和向下。

有了光学比喻,我们就可以把自旋的量子态表示为一个二维复系数向量空间上的一个箭头。这就是自旋的量子理论了。泛泛而言,在量子力学中,物理系统的状态用态矢量表示,态矢量随时间的演化满足薛定谔方程。物理量用算符表示,通过算符我们可以从态矢量中抽取出物理量取值的信息。

更多细节请大家阅读J. J. Sakurai的《现代量子力学》。

量子力学揭露宇宙的本质是什么?

量子力学的产生,最早是缘于普朗克为解决连续的能量会导致紫外灾变问题,于1900年建立了黑体辐射公式。

在该公式中,有一个不变的常数h,其数值为6.623×10-27尔格秒。这是角动量的单位,普朗克认为,能量是描述最小粒子的运动,因而能量是不连续的。该最小粒子就是由普朗克常数h定量的,具有不可再分的性质,因而被称为量子。

1905年,爱因斯坦根据光电效应,认为光是粒子,其能量等于普朗克常数h除以光子的弛豫时间,因而又将光子称为光量子。

到二十世纪20年代,波尔为解释原子的光谱,建立了描述原子中电子不同能级的公式,其中也用到了普朗克常数h。由此逐渐形成了量子力学。

量子力学给人们带来的最为重要的认识,是任何粒子都具有波动性。

在此之后,人类的认识,在关于对波动性的解释方面,开始分岔了。

量子力学的正统学派,将粒子的波动性归结为粒子的内在属性。

于是,该学派认为量子力学的本质即世界的本质是概率的。

于是,自然界中的一切事物都是以概率波的形式存在的,即是各种可能状态并存的。用量子力学的术语来说,世界是概率波的叠加态。

比如,薛定谔的猫?,在没人观察时,处于非死非活的状态。只有当我们打开门?的瞬间,猫才会由概率的叠加状态塌陷为现实的死猫或活猫。

又比如,将一对粒子分开,在我们观测之前,粒子的存在状态也是概率的叠加态。只有当我们观测时,该粒子才由概率状态转变为现实的粒子。

于是,无论两个粒子分离多远,只要我们观测了一个粒子,则另一个粒子也会瞬间由概率的叠加态变为现实的粒子。这就是著名的量子纠缠。

除了量子力学正统的解释之外,还有一种解释,即将粒子的波动性归结为外在的物理背景。

只要这一物理背景是不连续的,那么当粒子的半径小于空间不连续的尺度时,就会使粒子产生无规运动,从而具有波动性。

比如,细小的花粉在水中会产生无规运动,说明水是由离散的水分子组成的,即水是不连续的。

根据这种解释,量子力学的本质是存在着离散的量子,即我们的宇宙是由量子组成的。

离散的基态量子构成空间,受到激发的量子成为光子,由高能量子组成的封闭体系就是各自基本粒子即物质。

由于人的认识只具有相对性,所以对于同一个现象或实验?,可以有多种解释。在没有获得新的现象及实验?时,这些解释是等价的。

然而,虽然我们无法鉴别它们的对错,但是我们却能够感受到两者认识效率的高低,可以根据认识效率的不同,来判断量子力学的本质,即究竟是概率波的叠加,还是离散的量子空间导致的波动呢?

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