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量子世界的十个事实

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量子世界的十个事实

雪花又一年 2018-05-03 15:54:00 浏览285 评论0

摘要: 氢原子波函数。 图片来源:wikimedia 从发现主宰电、磁和光线的宏观经典物理定律在微小的亚原子尺度不再适用以来,一个全新的世界图像正在被人们慢慢接受。量子世界的图像比绝大多数人认为的都要更丰富更包罗万象,即使是那些专家。

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氢原子波函数。 图片来源:wikimedia


从发现主宰电、磁和光线的宏观经典物理定律在微小的亚原子尺度不再适用以来,一个全新的世界图像正在被人们慢慢接受。量子世界的图像比绝大多数人认为的都要更丰富更包罗万象,即使是那些专家。所以在这里我们将为你列举量子力学本质的十个事实。或许会让你重新审视你对我们这个世界的最小尺度的看法。






1 万物皆量子




不是有些东西是量子的而别的就不是,而是所有东西都遵从相同的量子力学定律,只不过量子效应在比较大的东西上非常难观测到而已。这也是为什么量子力学在理论物理发展史上出现得如此之晚(相比于牛顿力学)。直到物理学家不得不去解释为什么电子们可以乖乖地呆在原子核外的壳层中时,量子力学才作为精确预测的理论隆重登场。


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镥- 177的能级差。注意这里只有一些特殊的,离散的能级是被允许的。图片来源: M.S. Litz and G. Merkel




2量子化并不一定意味着离散化




根据定义,“量子”是离散的基本块。但并不是微观尺度上的所有东西都是离散和不可分割的。电磁波由叫做“光子”的粒子组成,所以波可以被认为是离散的。原子核外的电子壳层只能有特定的离散半径(因此也是核外电子离散的)。但即使在量子物理中,其它粒子的属性也不见得总是会变得离散。比如说,一个在金属的导带中的电子的位置就不是离散的——电子可以连续地呆在导带中的任何位置。再比如,(组成电磁波的)光子的能量值也不是离散的。同样的,量子引力(如果我们最终成功理解了它的话)也不意味着时间和空间就必须要是离散的。(不过,话又说回来,还是有可能是的。)





3纠缠不等于叠加




所谓量子叠加态就是指一个量子系统可以在同一时间处于两个不同的状态。不过一旦测量,我们总是得到两者之一的特定的状态,绝不会是叠加态。纠缠指的是一个系统的两部分或者多部分之间的量子关联,完全不一样的东西。叠加与否不是绝对的。一个状态是不是叠加态取决与你希望测量到什么。举个例子,一个状态可以是一个不同位置的叠加态,同时却不能是不同动量的叠加态。所以叠加这个概率是模棱两可的。但纠缠与否却是绝对的,它是一个系统的内在属性,并且是目前来说测量一个系统的量子特性的最好手段。

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分束器,产生纠缠光子的一种机制。图片来源:wikimedia



4没有幽灵般的超距作用




量子力学中没有任何地方曾说过信息传递可以非局域,可以从一个地方消失又从另一个地方冒出来。纠缠本身的确是非局域的,但是并没有什么用。它只是一种无法非局域传递信息的关联作用。有些研究把两个纠缠的光子分离到一个很远的距离,然后测量其中一个光子的自旋(测量之后这个光子的自旋会从叠加态掉到一个特定的自旋态,而同时由于两个光子互相纠缠,另一个光子的自旋态也会改变——译者注)。这时候并没有任何信息会以光速更快的速度传递。事实上,如果你试图把两个观测者的结果拿到一起来比较,这个信息只能在光速的极限下传播,不能更快!在量子力学的早期,什么是“信息”曾经引起过巨大的困扰。但是今天我们知道量子力学可以完美地兼容爱因斯坦的狭义相对论了。也就是说,信息不能比光速传播得更快。


640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy一个量子光学平台。图片来源: http://cqc2t.org/node/6026.




5量子物理仍然是一个活跃的研究领域




不像量子力学已经是昨日黄花。难以置信地,作为一个起源于一个世纪以前的理论,它的许多地方却只有运用现代的技术才能得以探测。量子光学,量子信息,量子计算,量子密码学,量子热力学和量子计量学都是最近才兴起的并且目前仍然十分活跃的研究领域。随着这些技术带来的新功能,人们对量子力学基础的研究兴趣又被重新点燃了。




6爱因斯坦没有否定量子力学




和流行的观点相反,爱因斯坦并不是一个量子力学的反对者,也不可能是——这个理论在早期的时候成功得一塌糊涂,任何一个严肃的科学家都不可能无视它。(事实上,他的诺贝尔奖工作——光电效应的发现,证明了光子即表现为粒子又表现为波。这正是量子力学的基础重大发现之一)不过爱因斯坦坚持这个理论是不完备的,并且相信量子过程中的内在随机性一定有一些更深层次的解释。这并不是说他认为随机性是错的,他只是认为这不是故事的结局。

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描绘了位置和动量的内在不确定性,当你越精确地知道了其中一个,另一个就会不可避免地变得更不精确。  图片来源:wikimedia




7全都是关于不确定性




量子力学的核心假设说,存在一些成对的观测量是无法被同时的精确观测的。比如说一个粒子的位置和动量,这种对叫做“共轭量”,这种同时精确测量的不可能性造成了量子理论和非量子理论的全部区别。在量子力学中,不确定性是基本而绝对的,不是由于实验的局限性造成的。不确定性最奇怪的表现之一就是能量和时间之间的不确定性。这意味着不稳定粒子(短半衰期)本质上有不确定的质量,考虑到E=mc^2的话.像希格斯玻色子这种粒子,或者说W玻色子、Z玻色子、顶夸克这些粒子,都因为它们的短寿命而有内在的1-10%的质量不确定性。


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注意Z玻色子带着一个有“宽度”的能量。 图片来源:http://arxiv.org/abs/hep-ex/0509008




8量子效应不一定非要小尺度




我们通常在大尺度上不会观察到量子效应是因为量子关联是非常脆弱的。不过,如果特别小心的处理,量子效应是可以在大尺度上呈现出来的。例如光子可以分开上百公里仍然处于纠缠态。在极低温下可以实现一种简并的物质态叫做玻色爱因斯坦凝聚,这个状态中有超过数百万的原子相互纠缠形成的整体。另外,甚至一些研究者相信暗物质可能就是横跨整个星系的量子效应。




9但它们主导小尺度



在量子力学中,每个粒子都是波,每个波也是一个粒子。当你在跟粒子的波长差不多的尺度上观测这个粒子时,量子力学的这个效应会表现的非常明显。这也是为什么原子和亚原子物理学离开了量子力学就不能被理解的原因。比如说早些年类比成行星轨道的电子轨道曾经被认为是不稳定的,但实际上由于量子效应它并不会发生改变。


640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=薛定谔的猫已死。 图片来源:wikimedia




10薛定谔的猫已死,或者活着,但不是同时




量子力学建立早期时,人们还没有很好的意识到宏观物体的纠缠量子行为会衰减得非常剧烈。这种“解纠缠”是由于和外界环境恒定的相互作用引起的。恒定是指这里的外界环境是相对温暖和稠密的,这是生命必需,而这就会导致解纠缠的不可避免。这个也顺便说明了,量子力学中所谓的观测和测量并不是说一定需要有一个人,简单的和外界环境的相互作用就可以了。这也就解释了为什么让大物体进入两个不同状态的叠加态如此困难并且叠加衰减得非常剧烈了。迄今为止被带进叠加态的最重的东西是一个碳60分子。与此同时一些更有野心的实验正在计划把病毒甚至细菌这种活着的生物带进叠加态。因此,曾经被提出来的薛定谔的猫悖论,其实已经被解决了。

总结一下,虽然像原子这种小物体可以在量子叠加态中存在很长的时间,但一个大物体却会急剧地向一个特定的状态衰变。这就是为什么实际上我们从来都看不到一只又死又活的猫。


原文发布时间为:2015-11-11
本文作者:S. Hossenfelder
本文来源:量子趣谈,如需转载请联系原作者。

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