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构建“量子世界观”的基本概念

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构建“量子世界观”的基本概念

雪花又一年 2018-05-16 10:15:35 浏览73 评论0

摘要: (虽然《神秘的量子生命》这本书被称为“量子生物学”的奠基之作和第一本量子生物学科普读物,但是说实话,我看完以后很多概念还是一头雾水,一脑袋问题,很多重要观点的科学原理解释一次性根本消化不了,需要静下心来重新读几遍。

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(虽然《神秘的量子生命》这本书被称为“量子生物学”的奠基之作和第一本量子生物学科普读物,但是说实话,我看完以后很多概念还是一头雾水,一脑袋问题,很多重要观点的科学原理解释一次性根本消化不了,需要静下心来重新读几遍。不过结合以前对量子力学的一些浅薄理解,通过本书还是帮我建立了更加系统的量子世界观的基本概念。
我把量子力学中的基本概念和主要特性整理在此。第一次接触这些概念的人肯定看不懂,还要结合其他的科普文章做知识补充。但是建立量子世界观是特别重要的,量子的特性是这个世界的底层代码。不了解量子的特性,我们就根本认识不到这个世界的真相和本质,很多的终极问题我们都回答不了,例如宇宙的起源,生命的起源,意识的起源。)

概念一:量子(quantum)

发热体表面的物质在以一定的离散频率振动,导致热能只能通过微小而离散的能量团进行辐射,而且这些能量团不可以再分,被称为“量子”。

概念二:量子叠加态(superposition)

一个量子粒子能够同时具有两种甚至多种状态的性质。
叠加态现象指粒子可以同时完成两件、100件甚至100万件事情。
原子能够同时位于多个位置,可以具有波动性以及能够拥有多种状态合一的叠加态。

概念三:量子纠缠(quantum Entanglement)

两个分离粒子之间存在的瞬间相互作用。
比如,曾经相距很近的两个粒子被分开很远很远,就算分到宇宙的两边,至少在理论上讲,它们仍然能够相互联系。实际上,刺激一个粒子,会让它远在天边的伙伴同时跃起。

概念四:量子相干性(coherence)和退相干( decoherence )

各种量子力学现象,比如波动性现象,同时具有多种状态的叠加态、精心排列的量子系统等被称为“量子相干性”;相对的,相干性丧失,量子现象变为经典现象的物理过程则被称为“退相干”。

概念五:量子塌缩(quantum collapse)

现在假设我们把一对具有纠缠态的电子分离,使它们不再位于同一个原子中。如果我们选择一个电子要测量它的自旋方向,那么由于退相干,在进行测量的一瞬间它会被迫从两个方向中选择一个进行自旋。不过不要忘记,在测量之前两个电子都在同时向着两个方向自旋。对电子的测量会迫使它们呈现相反的状态:如果被测量的那个电子自旋向上,那么另一个电子则自旋向下。所以,虽然另一个电子没有被测量,但是它也从同时进行自旋向上和自旋向下的叠加态变成了只进行自旋向下的单一状态。第二个电子的自旋状态在一瞬间就被相距甚远的第一个电子所改变,我们做的仅仅是对第一个电子进行了测量,而它们之间甚至连接触都没有发生。事实上两个电子之间的距离根本不重要——哪怕第二个电子在宇宙的另一头,上述的现象也照样发生:不管相距多远,对纠缠态的其中一个粒子进行测量会瞬间让另一个粒子的量子叠加态发生塌缩。
可以打一个比方来帮助你理解(但是帮助有限)。想象一下有一双手套,两只手套分别被密封在相距数公里的两个盒子里。现在你手里有两个盒子中的一个,显然,在你打开盒子之前你并不知道盒子里的手套是左手那只还是右手那只。而当你打开盒子后发现里面是右手那只手套时,你立刻就知道无论另一个未打开的盒子在离你多远的地方,里面放的手套都一定是左手那只。值得注意的是,在这个例子中改变的仅仅是你的认知。不管你选择打开还是不打开手头的盒子,另一只盒子里的手套都一定是左手那只。 而上文中的量子纠缠则不同。在进行测量之前,两个电子都没有确定的自旋方向。正是因为对纠缠粒子对中任意一个粒子测量,才让两个电子的自旋从兼具自旋向上和自旋向下的叠加态塌缩为自旋向上或自旋向下的其中一种;手套的例子里前后改变的只是你对既定事实的认知。而对一个电子的测量不仅强迫它在自旋向上和自旋向下之间做出"选择",这种"选择"还导致与其配对的另一个电子表现为互补的状态,这个过程瞬间完成且和两者的距离无关。

概念六:量子隧穿(quantum tunneling)

因为粒子的波粒二象性,它们能够像波绕过墙壁一样穿过能量壁垒,这个量子过程被称为量子隧穿。
我们可以这样来思考量子隧穿——它能以一种与常识相左的方式,让粒子从壁垒的一端穿越到另一端。此处的"壁垒"指在物理上没有足够的能量就无法穿越的空间区域,与科幻小说故事中的"力场"类似。这个区域可以是隔绝导体两端的一层绝缘材料,也可以就是一段空间,就像呼吸反应链中两个酶之间的间隙。这个区域还可以是我们之前描述过的那种限制化学反应速率的能量壁垒(如图1中的例子)。

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图1

假设现在要把一个小球推上或踢上一个小山丘。要想让小球能登上山顶并从山的另一面滑下,就必须结结实实地猛踢一脚。小球沿着山坡向上滚,速度不断减慢,如果没有足够的能量(力量足够大一脚),它就会停下来,然后原路滚回。按照牛顿经典力学,让小球翻越山丘的唯一出路,便是使其获得足够的能量,升高到超过能量壁垒的位置。但是,如果小球是一个电子,山丘是由电磁斥力形成的能量壁垒,那么就存在很小的可能性使电子以波的形式穿越这个壁垒,也就是说,电子可以另辟蹊径,以更高效的方式完成穿越。这就是量子隧穿(见图2)。

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图2


粒子越轻,隧穿便越容易,这是量子力学的特性之一。因此,当人们认识到量子隧穿是亚原子世界中的普遍现象后,由于电子是非常轻的基本粒子,电子的隧穿效应最为常见也就不足为奇了。20世纪20年代晚期,从金属放出电子的场致发射便被认为是一种量子隧穿。量子隧穿也可以用来解释放射性衰变——比如,铀等元素的原子核不时地放射出一个粒子。这是第一次成功地用量子力学求解出核物理问题。时至今日,化学领域对电子、质子(氢核)以及更重的原子的隧穿已经有了更深入的理解。

概念七:量子节拍(quantum beat)

量子具有波粒二象性,因此会体现出波的特性,像音乐中的声波存在差拍振动和双缝实验中的干涉条纹一样,量子会表现出特有的频率节拍,这种节拍被称为量子节拍。
2007年,格雷厄姆·弗莱明和他的同事在实验中看到的量子节拍。虽然图中的震荡曲线形状不规则,但是重点在曲线呈现出"震荡"这一特点本身。


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量子节拍

概念八:电子自旋(spin)

电子的自旋无法用速度衡量。电子处于量子世界,所以在没有被观察的时候,电子可以同时朝两个方向自旋。我们称电子这种自旋状态为自旋向上和自旋向下的态叠加。
量子自旋可不像网球或者地球的自旋,它无法用我们日常生活中任何对物体运动的经验来比拟。两者的差异首先体现在,电子的自旋无法用速度衡量,自旋状态只有两种可能取值,即其取值是量子化的,就像能量本质上也是量子化的一样。电子只能——宽泛地说——按照顺时针或者逆时针的方向自旋,前者通常被称为“自旋向上状态”而后者通常被称为“自旋向下状态”。由于电子处于量子世界,所以在没有被观察的时候,电子可以同时朝这两个方向自旋。我们称电子这种自旋状态为自旋向上和自旋向下的叠加态。从某种程度上来说,这听起来比一个电子可以同时出现在两个不同的位置更诡异——一个电子怎么可能同时向着顺时针和逆时针两个方向做自旋运动呢?
量子自旋还有更让人匪夷所思的地方。比如正常情况下所说的旋转360°并不能让电子恢复到起始的状态,要回归原位,电子必须自旋720°。



原文发布时间为:2017.02.04
本文作者:Lee公子
本文来源:简书,如需转载请联系原作者。

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