03.03 有一种说法说光速不可超越是物理学的基础,那量子隧道效应该如何解释?

条顿骑士团2


首先,光速不可超越是相对论的两大公理之一的“光速不变原理”,它并不是说一切东西都不能超光速,而是说信号的传播速度不能超光速。而信号传播必须有物理实体作为载体,必须在时空中运动,所以光速不变原理可以理解为任何物理实体都不能超光速。质量,能量,电荷等这些物理实体携带的东西,它们的传播速度自然无法超过光速。再注意一下是传播速度,或者说各种粒子实际的运动速度。

那么量子隧道效应呢?它其实是粒子波函数的分布导致的结果。这里你就不能像经典力学一样把一个粒子理解为一个点,而是要把这个粒子理解为一个波,一个在全空间分布的波。如果给波函数加一个外部的限制,物理上称为势垒,波函数穿越势垒就是量子隧道效应。这个效应是波函数分布,而不是能量或信号的传播,因此不受光速限制。

你可以把波函数想象成一个笼罩在全空间的“迷雾”,但这个迷雾本身只是一个粒子。在你测量这个迷雾的时候,它才会变成一个点,不测量的时候,它始终是弥散在全空间当中。你可以把势垒想象一个房间,把迷雾装在这个房间里,房间的墙如果不够厚,不能做到密不透风,那么迷雾就会漏在外面一部分。随着动力学演化,可能漏在外面的会逐渐增加。但是由于迷雾本身只是一个粒子,只能说它有一部分概率在屋外,你在屋外测量很多次,可能才发现一次,如果你测量的时间间隔短于屋内带屋外的距离除以光速,你也不能说这个粒子以超光速从屋内传播到屋外,因为这个粒子携带的信号和能量一开始就是这样迷雾形式分布的,并没有经历时空的每一点做从屋内到屋外的运动过程。


九维空间


相对论并不适合微观世界,相对论的基础是光速相对任何惯性系速度不变,这是基于观察各方向到达地球的光速都一样而做出的设定。“光速不可超越“是基于“光速不变“这个设定而推导出的结果。具体推导过程参照相对论。相对论改变了人们的时空观,因为结论违背了传统认知,总有些不学无术的人,本身就不理解相对论推导过程,总想找些简单的理由推翻它


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