你应该听过这样的话,遇事不决,量子力学。这句话的意思就是,遇到无法解释的事情,都可以扯到量子力学上面去,似乎量子力学在人们口中不像科学,而是玄学。那么这种说法到底对不对呢?
其实我们的世界分为宏观和微观两个领域,宏观领域我们非常熟悉,因为我们一直生活在宏观领域,所以会建立一些被认为是绝对正确的直觉。比如一个物体在同一个时刻,只可能处于某一个固定的位置,不可能同时处于多个位置。 再比如我们会认为任何物体的位置和速度,我们都能同时测准,如果遇到测不准的情况,我们会归结于测量技术不够先进,而不会认为这个世界本来就不确定。这些结论都是我们长期生活在宏观世界,所建立起来的直觉和经验,所以我们对刚才的结论深信不疑。如果有人怀疑刚才的结论,我们第一反应就是,这个人肯定是头脑有问题。 但是微观世界却与宏观世界有很大的不同,我们在宏观世界所研究出的很多物理规律,比如牛顿力学,在微观世界完全没办法使用,这到底是怎么回事呢?接下来我们就来揭秘微观世界的神奇之处。我们首先来研究一个电子的运动状态,在我们的印象中,电子似乎就是一个极其小的球体,除此之外与宏观的小球应该没多大差别才对。而你应该也听过这种说法,说电子和光子等这些微观粒子,其实不仅仅是一个粒子,同时又是一种波,所以才有了,微观粒子具有波粒二象性这个概念。 很多人一听说电子也是一种波,脑袋中第一个反应就是,电子的运动轨迹,就好像我们通常看见的波一样,是走一个蜿蜒崎岖的曲线轨迹移动下去的。其实这是对电子运动状态的一种极大的误解,我们之所以说电子也是一种波,这个波不是指电子的运动轨迹像一个波,而是说电子所处的位置是一个空间范围,而电子在这个范围内任意位置出现的概率值,会形成一个波。所以电子也是一种波,其实指的是一种概率波。
电子的概率波
可能你对电子的这种概率波无法理解,我举一个简单例子,假设此时我们有一个宏观物体的小球,我们还有一个检测小球是否存在的仪器,这个仪器可以在某一个小范围内,快速检测出小球是否当前正处于这个范围,如果检测到小球,仪器会显示Yes,如果没有检测到,仪器就显示NO。如果我让小球从X=0开始,以速度1米每秒开始运动,然后把仪器放到X=4的位置,并且仪器设定一个定时器,规定4秒以后仪器正式开始检测。
小球运动状态
这个实验我们可以先不执行,从理论上推理就可以得出结论,因为小球速度是1米每秒,所以经过4秒以后,小球肯定在X=4这个位置,而仪器恰好也放在这里,并且也是定时4秒后启动检测功能。所以就算这个实验我们还没做,我们也能提前知道答案,那就是仪器肯定会显示:YES。而这就是宏观世界的确定性。我们可以根据事物的初始状态,并借助于物理规律,对未来没有发生的事情做预测,并且有时这种预测是极其精准的。 但是如果把刚才的宏观世界的小球,换成微观世界的电子,请问你还能预测出4秒后,仪器显示的到底是YES还是NO吗?也许你会觉得,如果电子的初始位置与运动速度和刚才的宏观小球一模一样,那么4秒以后,仪器肯定也会显示YES才对。但如果你实际去做这个实验就会发现,电子首先就不会老老实实呆在X=0的位置,而是在这个位置周围的一个范围内随机出现,换言之电子不是处于一个固定的位置。
电子移动
所以我们就可以针对电子所有可能存在的位置都算出一个概率值,这样就形成了一个概率的波函数,通过观察可以看出,越靠近中间的范围,波函数越肥,这代表电子出现在中间的概率越大,越靠近两边,波函数很瘦,这代表电子出现在两边的概率很小。 了解这个知识以后,我们依然让电子开始向右边运动,我们可以通过技术手段,让电子所处的这个范围,整体以1米每秒速度前进,然后4秒后,仪器正式开始检测。此时你会发现,仪器是否能检测到电子,完全属于随机事件。我们甚至能计算出,4秒以后,仪器检测到电子的概率是多少,其实就是仪器的检测范围,占整个波函数宽度的比值。也就是百分之35,换言之,仪器检测不到电子的概率是百分之65。
发现电子的概率
这下大家就应该明白为何微观世界很多事情,我们都无法给出一个肯定性的结论,而必须用概率来诠释了吧。因为微观世界的物体,一直处于不确定的状态,我们根本无法拿到一个完备的微观粒子的初始信息,自然也就无法对其未来做一个确定性的预测。 而且微观世界的诡异之处,还远不止这些,刚才针对这个电子,仪器如果显示了YES,这意味着说电子肯定处于仪器所检测的范围,那也意味着,此时电子处于这个范围以外的位置的概率瞬间就会变成0。而这也意味着,你的测量行为,已经改变了波函数的形状,原来的波函数比较宽,现在瞬间就变窄了,这意味着人类的观察行为,竟然改变了电子的运动状态,这显得非常不可思议。
也许你会有疑问,刚才分析的过程,都是仪器显示YES的过程,如果仪器显示NO会怎样呢?其实很简单,如果仪器显示NO,这意味着仪器所检测的范围内,没有出现电子,那么此刻电子只可能出现在波函数的两侧,此时的波函数会瞬间变成两部分,而这也同样改变了波函数。换言之不管你是否观测到电子,只要你做了观测,电子的波函数就会瞬间发生改变,而这就是所谓的波函数坍缩。
波函数坍缩
在宏观世界里面,我去观测一个小球,并不会影响到小球的状态。但是微观世界里面,你的观测行为和粒子的状态会形成强烈的因果关系。换言之,微观世界里面,似乎观测会直接影响微观世界的进程,所以才有了这个说法,人的意识也许能直接影响微观世界的演化过程。这里我们暂时不讨论人的意识能否影响客观世界,但是可以确定的是,微观世界所遵循的物理规律,真的与宏观世界有很大的不同。 而且微观的不确定性,不仅仅体现在空间位置上,还体现在速度上,也就是任何一个微观粒子,此刻的速度是多少,也处于一个不确定的值。换言之,微观粒子此刻的速度,其实也是一个范围内的随机值,我们可以在这个速度范围内,把每一个速度对应的概率值都算出来,因此这又会形成一个波函数。此时我们相当于拥有了两个波函数,第一个波函数用于描述微观粒子所处位置的概率值,第二个波函数用于描述微观粒子速度的概率值。
两个波函数
而这两个波函数如果越窄,就意味着对应的物理量测量得越精确。比如针对位置波函数来说,如果越窄,这就说明微观粒子只可能出现在这个极小的范围内,那么微观粒子的位置就越确定。但是当你把一个微观粒子的速度波函数,和位置波函数都测量出来以后,你会发现一个惊讶的事实,那就是当你把位置波函数弄得很窄时,速度波函数会变宽。而当你把速度波函数弄得很窄时,位置波函数又会很宽。 也许这样表达非常抽象,举一个例子,假设此时你有一个容器,里面装了一个电子,当你的容器远大于这个电子时,电子所处的空间范围很广,容器里面的任意位置电子都可能出现,所以此时电子的位置波函数会很宽,位置就很不确定,但是此时你却发现,电子的速度似乎就确定下来了,你能测量出电子的速度信息,这意味着此时速度波函数很窄。
波函数变化
但是如果你的容器慢慢变小,变小到刚好容纳这个电子的情况,此时电子由于无法穿透容器跑到外面,电子就只可能在一个固定的位置存在,此时电子的位置波函数非常窄,但此时你再去测量电子的速度,你会发现,电子一会儿处于这个速度,一会儿处于那个速度,速度变得极大的不确定,这也意味着电子的速度波函数变宽了。
瓶子里的电子
所以分析到这里,你就会发现,你永远无法同时精确测量出一个电子位置和速度,当你位置测准了,速度就不准,当你速度测准了,位置又不准,而这就是著名的海森堡不确定性原理。这种微观粒子的不确定性,不是因为我们的测量仪器不够先进导致,而是微观世界本来就不确定。 但是我们好奇的是,为何宏观世界就很确定?其实海森堡不确定性原理,更为准确的说法是,你永远无法同时测准一个微观粒子的位置和动量,但是由于动量等于质量乘以速度,而每个物体的质量是固定的,所以你直接说位置和速度不可同时测准,也没有错误。但是海森堡不确定性原理的公式却是:位置不确定性,乘以动量不确定性,必须大于或等于普朗克常数除以4π。而这就能解释为何宏观世界非常确定。
海森堡
我们暂时把公式里面的动量改成速度乘以质量,那么这个不确定性公式就变成了:位置不确定性,乘以速度不确定性,乘以质量,必须大于或等于普朗克常数除以4π。由于宏观物体的质量都很大,所以对于宏观物体来说,速度不确定性和位置不确定性就都可以很小,也能满足这个公式,相当于为了满足这个公式,宏观物体的质量帮了很大的忙。 但是针对微观物体就完全不同了,由于微观物体质量都很小,所以要让这个公式满足,位置不确定性和速度不确定性,两者之中必须得有一个很大才行,如果两者都很小,这个公式是不可能满足的。所以速度和位置总得有一个非常不确定才行。
量子力学
分析到这里,大家终于明白为何我们的微观世界,永远都处于不确定的状态,因为它们的质量太小了,逼迫它们必须让位置和速度的其中一个,变得不确定才行。
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