03.03 有一種說法說光速不可超越是物理學的基礎,那量子隧道效應該如何解釋?

條頓騎士團2


首先,光速不可超越是相對論的兩大公理之一的“光速不變原理”,它並不是說一切東西都不能超光速,而是說信號的傳播速度不能超光速。而信號傳播必須有物理實體作為載體,必須在時空中運動,所以光速不變原理可以理解為任何物理實體都不能超光速。質量,能量,電荷等這些物理實體攜帶的東西,它們的傳播速度自然無法超過光速。再注意一下是傳播速度,或者說各種粒子實際的運動速度。

那麼量子隧道效應呢?它其實是粒子波函數的分佈導致的結果。這裡你就不能像經典力學一樣把一個粒子理解為一個點,而是要把這個粒子理解為一個波,一個在全空間分佈的波。如果給波函數加一個外部的限制,物理上稱為勢壘,波函數穿越勢壘就是量子隧道效應。這個效應是波函數分佈,而不是能量或信號的傳播,因此不受光速限制。

你可以把波函數想象成一個籠罩在全空間的“迷霧”,但這個迷霧本身只是一個粒子。在你測量這個迷霧的時候,它才會變成一個點,不測量的時候,它始終是彌散在全空間當中。你可以把勢壘想象一個房間,把迷霧裝在這個房間裡,房間的牆如果不夠厚,不能做到密不透風,那麼迷霧就會漏在外面一部分。隨著動力學演化,可能漏在外面的會逐漸增加。但是由於迷霧本身只是一個粒子,只能說它有一部分概率在屋外,你在屋外測量很多次,可能才發現一次,如果你測量的時間間隔短於屋內帶屋外的距離除以光速,你也不能說這個粒子以超光速從屋內傳播到屋外,因為這個粒子攜帶的信號和能量一開始就是這樣迷霧形式分佈的,並沒有經歷時空的每一點做從屋內到屋外的運動過程。


九維空間


相對論並不適合微觀世界,相對論的基礎是光速相對任何慣性系速度不變,這是基於觀察各方向到達地球的光速都一樣而做出的設定。“光速不可超越“是基於“光速不變“這個設定而推導出的結果。具體推導過程參照相對論。相對論改變了人們的時空觀,因為結論違背了傳統認知,總有些不學無術的人,本身就不理解相對論推導過程,總想找些簡單的理由推翻它


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