深度剖析量子力學裡面的“疊加態”

上一期內容中我講解了人類對微觀世界的“觀察”會導電子的“疊加態”發生改變,有可能從一種“疊加態”變到另一種“疊加態”,也可能使電子從“疊加態”變回“本徵態”,到底屬於哪種情況就看你是否觀察到了粒子的存在,如果觀察到了就變回本徵態,如果沒觀察到就變到另一種疊加態。

如果你還不瞭解疊加態,建議先看看往期文章有詳細講解,我再簡單說明下。所謂“疊加態”是指微觀粒子特有的一種狀態,微觀粒子具有同時存在於多個位置的能力,這種能力在我們宏觀世界是非常不可思議的,但是在微觀世界卻是真實存在的,雖然愛因斯坦很反對這種“疊加態”概念,薛定諤甚至還設計了思想實驗“薛定諤的貓”來嘲笑“疊加態”的概念,但隨後的“貝爾不等式”證明在微觀世界不成立,強有力的證明了微觀粒子的確具有“疊加態”,這也證明了大神愛因斯坦也有錯的時候,前面關於貝爾不等式我也講解過,沒看的話可以去看看前面幾期。

深度剖析量子力學裡面的“疊加態”

請確保你的確理解了“疊加態”,那麼我們可以接著往下談,疊加態表示微觀粒子可以同時處於多個位置,怎麼用數學語言來表達這種概念呢?很簡單,我們可以把概率分到多個位置,讓每個位置都分到一部分概念即可,我們用一張圖來表達宏觀物體和微觀物體關於位置的信息,也就是前面幾期我多次談到的“位置概率圖”,如下圖所示。

深度剖析量子力學裡面的“疊加態”

為了照顧沒看前面文章的朋友,我再解釋下“位置概率圖”,其實就是把粒子的位置放到橫座標,縱座標放粒子出現的概率值,我們對比兩幅圖可以看出,宏觀世界的位置概率圖是一條豎線,只有某一個位置分到了概率且為100%,其餘位置分到的概率值為0%,也就是一個位置“吃獨食”的感覺。但是微觀世界的“位置概率圖”卻是大家一起“吃大鍋飯”的感覺,每個位置多少都分到了一點概率值,所以這下你理解疊加態的數學表達方式了吧,其實就是把每個位置分到的概率值表達出來即可。

所以一個微觀粒子雖然我們沒觀察前並不知道微觀粒子到底在哪,但是我們可以說微觀粒子處於:A地25%概率+B地35%概率+C地40%概率,也就是微觀粒子同時處於A、B、C三地。但是有人會問:你都沒觀察微觀粒子,你怎麼就能計算出A、B、C三地的概率?哈哈,其實你會這樣問也能理解,因為我們宏觀世界計算概率,如果無法用理論來計算,就只能去把一個實驗重複做,然後統計次數來估算概率,比如我們拋硬幣想知道正面的概率,假設我們啥理論都不知道,那麼我們只需重複實驗1000次,然後統計下正面的次數,就可以估算出來概率。

深度剖析量子力學裡面的“疊加態”

但是微觀世界為啥我們沒觀察,就能提前知道微觀粒子處於各個地方的概率值了?很簡單,因為我們也可以像宏觀世界一樣把實驗重複做,然後統計出現在各地的次數來估算概率,實驗做很多次你就會發現一些規律,這些規律就是微觀世界的物理規律,薛定諤就是用這種大量實驗統計各個位置出現次數的方法“猜”出了薛定諤方程,關於薛定諤方程前面我也花了一期文章來講,這裡如果沒看可以先去看看。

所以我們之所以不觀察微觀粒子就知道各個地方出現的概率,是因為我們掌握了微觀世界的某種規律,也就是用“薛定諤方程”解出波函數,有了波函數就能知道微觀粒子將來任意一個時刻各個地方出現的概率值了。所以波函數其實就是用來預測一個微觀粒子未來某個時刻某位置出現的概率值的。

深度剖析量子力學裡面的“疊加態”

但是你也許又會有疑問:僅僅知道概率值就足夠了嗎?我們宏觀世界可以用牛頓力學去預言一個物體將來的運動,每一個時刻都可以給出100%概率的確定結,微觀世界能否也找到一個類似“牛頓力學”的這種物理規律,讓我們可以預言一個電子將來一定100%出現在某位置?

雖然我們很想找到這種“類似牛頓力學”的物理規律,愛因斯坦也想找到,所以說愛因斯坦認為目前量子力學不完備,可能存在“隱變量”。可是我們卻找不到,無論如何費勁去找就是找不到,所以此時你可能又會有疑問:現在找不到,不代表將來找不到,以後技術更發達,也許就能找到了呢。

深度剖析量子力學裡面的“疊加態”

我非常遺憾的告訴你,以後無論技術如何發展,你還是找不到。為什麼我敢這麼肯定的告訴你這個結論呢?因為很簡單,微觀世界只能預測概率不是因為我們觀察技術不行,而是因為“概率”是微觀世界的本質屬性,也就是微觀物體本身就一直處於“不確定狀態”。很多人認為我們之所以對微觀粒子用概率描述,是因為微觀粒子運動速度太快,所以看起來好像同時處於多個位置,實際微觀粒子一直都只處於一個位置,只是運動太快而已。有這種想法的朋友很多,但是大家是否想過一個問題,一個微觀粒子運動速度再快能快過光速嗎?以我們目前的測量技術,連光速都可以精確測量出來,難道還不能用我們的技術去追蹤一個小於光速的微觀粒子?所以說“因為微觀粒子太快導致我們測不準其屬性”這種說法是極度錯誤的,我們之所以無法確定一個微觀粒子而必須談概率只有一個原因:微觀粒子本來就不確定。

深度剖析量子力學裡面的“疊加態”

本文分析到此其實就是想要告訴大家,千萬不要把宏觀世界積累的直覺和經驗拿來直接判斷微觀世界,這個世界神奇之處往往超過我們的想象,要內心深刻認識到微觀粒子的“不確定性”是其本質屬性,並非我們技術發展不夠導致微觀粒子看起來不確定。我是《小彭來給您解惑》,如果喜歡我的文章可以關注我,如果對文章有異議可以留言評論。


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