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量子力学为如此何离经叛道?

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量子力学为如此何离经叛道?

雪花又一年 2018-05-03 15:12:00 浏览337 评论0

摘要: 如果宇宙真的是受到量子定律的支配,那为何我们还会觉得这些定律是奇怪的呢?         答案或许就在于我们对“奇怪”的定义:量子力学似乎看起来很奇怪,是因为它与我们的日常直觉背道而驰。我们发现的用来描述量子系统的行为的定律(比如薛定谔方程等),并不像我们用来描述日常物体的物理法则(比如牛顿的运动定律等)。

如果宇宙真的是受到量子定律的支配,那为何我们还会觉得这些定律是奇怪的呢?


        答案或许就在于我们对“奇怪”的定义:量子力学似乎看起来很奇怪,是因为它与我们的日常直觉背道而驰。我们发现的用来描述量子系统的行为的定律(比如薛定谔方程等),并不像我们用来描述日常物体的物理法则(比如牛顿的运动定律等)。在我们生活中的绝大多数情况,都只与遵循牛顿定律的事物相互作用,这便定义了我们对事物“应该”如何行为的直觉。当量子物理学表现出“离经叛道”时,它在我们眼里就变得奇怪了。


        但为什么定义了我们直觉的日常物理法则与量子法则之间存在这样的区别呢?哥本哈根诠释的思路似乎基本上想表达的是“现实就是如此”,试图在量子法则适用的微观尺度与经典法则适用的宏观尺度之间强加一个绝对的分离,但这一立场显然是站不住脚的。薛定谔著名的思想实验——薛定谔的猫,就精准地表达了:宏观世界的猫的状态,与微观世界的原子的状态,以一种超出哥本哈根诠释的设定界限的方式纠缠在了一起。

○ 诺贝尔物理学奖得主 Philip Anderson 于1972年在《科学》期刊发表的《多而不同》(More is different)一文。| 图片来源:Science


        换句话说,就是适用于宏观物体的法则和适用于微观物体的法则之间并不存在真正的区别——宇宙在每个尺度上都是量子的。我们看到的“经典法则”只是将量子物理应用于宏观事物时的结果。从某种意义上说,这只是物理学家 Philip Anderson 提出的“多而不同(More is different)”的观点的另一应用。正如 Anderson 所指出的那样,当我们研究大量物体的集体行为时,通常会发现个体间的相互作用可用一些简单的法则描述,而大的集体行为则能用另一组简单的法则来描述,并且这一法则未必与原始的个体相互作用的法则有关。这种从低级法则涌现出高级法则的想法造成了科学中的等级结构(hierarchical structure of sciences)——化学是有着很多原子的物理学,而生物是有大量分子的化学等等。

○ 科学中的等级结构。| 图片来源:Max Tegmark


        从某种意义上说,这就是事实:当将量子力学应用到一个由足够多的粒子组成的可见物体时,粒子以及它们之间的相互作用都受到量子法则的支配;但是集体效应为我们提供了一副有着不同面貌的“经典”法则。日常生活中的现实就是当所有这些量子属性模糊在一起时发生的事。


        在有些情况下,这种转变相对比较容易看到。如果我们对一个单一量子粒子的行为进行观测,会发现我们无法随时对它明确的位置和动量进行经典地轨迹追踪。这就是导致一些标志性量子现象出现的原因,例如物质粒子像波一样干涉。


        尽管如此,大量关于位置和动量测量的平均结果能完全反应牛顿定律的期望。从某种意义上说,当我们追踪一个经典物体的轨迹时,例如一个正在飞行的高尔夫球,我们看到的正是构成那颗球的大量原子的平均位置。


        还有一些标志性量子行为的消失就比较难理解了,例如能量的离散性。如果观测原子中一个电子的行为,会发现它非常的不经典:它的能量只能在不同轨道之间的跃迁才能改变。但如果观察导体中的宏观电子行为时,就不会看到这种离散性:当对导体施加电压而产生电流时,电子移动的方式看起来就非常经典——它们的平均速度似乎在平稳增加,没有出现任何不连续的跃迁。


        那么,跃迁去哪儿了?其实它们哪都没去——导体中的单个电子仍在不同的能级间跃迁。只是随着粒子的增加,能级的数量也变得越大,能级间的能量差就变得越小,直到它们开始一起运作时,原子中清晰的能级就变成了固体中的能带。它们并非真正的连续能带,但是在宏观尺度下,它们彻底地模糊在了一起,真如一体一般。


        当然,仅因量子定律融入进经典定律并不意味着量子法则就完全消失了。如果仔细观察,我们仍可以找到一些暗示基础量子特性的微小行为。导体中的电子会以非常经典的方式移动,但绝缘体不会——这代表的是带隙的存在,这转而成为了电子波动性的证据。我们也可以设定让大量的量子物体相互独立作用,因此量子性不会被抹灭的情况,就能得到受激原子明亮的光谱线(预示着离散的能态)以及光电效应(光的粒子性质)等现象。这也正是我们最早知晓量子物理的原因——追踪物体从日常行为走向奇异的量子世界的线索。


        再次说明,这并不是在说量子诠释不能解决有趣的问题,也不是说量子物理并不奇怪。然而,鉴于大量的证据表明我们的宇宙受量子物理学支配,所以退一步思考——“作为量子世界中的我们,为何会对量子物理学感到惊讶”,是一件很有意思的事。


原文发布时间为:2017-12-11
本文作者:量子君
本文来源:量子科学,如需转载请联系原作者。

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