淺談“量子物理”

量子物理(量子力學 Quantum Physics),是研究物質世界微觀粒子運動規律的物理學分支,主要研究原子、分子、凝聚態物質,以及原子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論它與相對論一起構成現代物理學的理論基礎。量子力學不僅是現代物理學的基礎理論之一,而且在化學等學科和許多近代技術中得到廣泛應用。

1、物質具有波粒二象性

有很多地方開始這種討論,宇宙中的一切都同時具有粒子和波的性質。“一切都是波,沒有波動,沒有距離。”內心深處,我一直很喜歡把它作為對量子物理學的詩意描述,宇宙中的一切都有波動的性質。當然,宇宙中的一切都有粒子性質。這看起來完全是瘋狂的,但這是一個實驗性的事實,是通過一個令人驚訝的熟悉的過程得出的。

當然,把真實的物體描述成粒子和波是有些不精確的。準確地說,量子物理學描述的對象既不是粒子也不是波,而是第三類,它們具有一些波的特性和一些粒子的特性。關於在物理導論課程中討論光作為粒子是否合適在物理教育界引起了一些激烈的爭論,不是因為光是否具有粒子性質存在任何爭議,而是因為把光子稱為“粒子”可能會導致一些學生的誤解。我不同意這一點,因為許多把電子稱為“粒子”的問題可能會引起同樣的擔憂。

2、量子物理是離散的

量子模型總是包含一些以離散數量出現的東西。量子場中包含的能量是一些基本能量的整數倍。對於光來說,這與光的頻率和波長有關——高頻、短波長的光具有較大的特徵能量,而低頻、長波長的光具有較小的特徵能量。超精密光譜學還可以用來尋找暗物質等物質,這也是低能量基礎物理研究所的動機之一。這並不總是顯而易見的——甚至一些本質上是量子的東西,比如黑體輻射,似乎也涉及到連續分佈。但如果你深入研究數學,你就會發現,現實的本質總是有一種粒度,這是導致理論怪異的很大一部分原因。

3、量子物理學是概率的

量子物理學最令人驚訝也是最具爭議的方面之一是,我們不可能確切地預測一個量子系統上的單個實驗的結果。當物理學家預測某些實驗的結果時,預測總是以特定可能結果的概率的形式出現,理論和實驗之間的比較總是涉及概率分佈。一個量子系統的數學描述通常的形式“波函數。關於這個波函數到底代表了什麼,有很多爭論,主要分為兩個陣營:一部分人認為波函數作為一個真實的物理事物,另一部分人則認為波函數只是一個表達式。

4、量子物理是非局部性的

愛因斯坦對物理學的最後一個偉大貢獻並沒有得到廣泛的認可,主要是因為他錯了。1935年,愛因斯坦和他的年輕同事鮑里斯·波多爾斯基以及內森·羅森在一篇論文中用清晰的數學表述了困擾他一段時間的東西,我們現在稱之為“糾纏”。

5、量子物理學(大部分)非常小

量子物理學以怪異著稱,因為它的預測與我們的日常經驗大相徑庭。這是因為隨著物體變大,所涉及的效應會變小——如果你想清楚地看到量子行為,你基本上想看到粒子像波一樣運動,波長會隨著動量的增加而減小。這意味著,在很大程度上,量子現象侷限於原子和基本粒子的尺度,在這個尺度上,質量和速度小到足以讓波長大到足以直接觀測。不過,在許多領域都在積極努力,將顯示量子效應的系統放大到更大的尺寸。

6、量子物理不是魔法


分享到:


相關文章: