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生哥带你走进量子力学的大门

在量子力学的别样世界里,深入观察我们周围,你就会发现一个与众不同的世界。我们所称之为真实的事物,它们的构成却并非真实存在。在观察微观世界,事物可同时身处两地,它们的命运则由概论所掌控。走进量子力学的大门,你所看到的超乎寻常的现象可能颠覆你的三观!

在宏观的世界中光是一种波,但在微观世界中光却是一种粒子。因为人们发现黑体辐射、光电效应,无法完全利用光的波动性解释。光作为一种波能解释影子和气泡的现象无可争辩,但对于光电效应却显得力不从心。如果光是波,那么越强的光则能击退越多的电子,但事实并非如此,无论红光多么强,金属片上的电子始终纹丝不动,但微弱的紫外光却能在很短的时间奏效,所以把光作为波解释不了这种现象。为了解答这个问题,就需要由异乎寻常的思考方式,爱因斯坦完全摒弃了光是波的观念,转而要把光当作是一束微小如子弹般的粒子——量子,一个量子就是一小股能量。于是“量子”这个概念就诞生了。因为红光的频率较低,所以其携带的能量也少。紫外光有更高的频率,所以其携带的能量也就越多,因而产生紫外光量子需要更加巨大的能量,是产生普通量子的100倍以上。

还记得高中学过的双缝干涉实验吗?这里同样地,光在经过双缝后,打在屏幕上的是明暗相间的条纹。两个夹缝后面的波,波峰与波峰相遇则产生更强的波,波峰与波谷相遇则互相抵消。

对于电子双缝实验,也会出现同样明暗相间的条纹。

但是神奇的是,当用摄像机观测电子的时候,干涉条纹竟然消失了,不观测的时候,干涉条纹又出现了。

也就是说当观测时,电子就呈“粒子形式”通过双缝,不观测时,电子就以波的形式通过条纹。经过反复的实验都会出现这种情况,这个现象震惊了许多人,让人匪夷所思。更神奇的是每次单独发射一个电子,最终也会出现明暗相间的干涉条纹。这个现象神奇的地方在于一个电子难道可以同时通过两个狭缝吗?如果可以,那么在波函数坍塌为一个粒子的时候,它们是怎么传达信息的呢?有可能是超越时空的传输吗?还是这是已经安排好的?这就是“光的波粒二象性”,既有波的特性,也有粒子的特性。

写到这里我就想到了上篇文章提到的“薛定谔的猫”这个实验,上述的电子以概率波的形式同时穿过两个夹缝,只有在幽灵般的概率波到达屏幕之时,才变成了粒子,量子的世界与我们所见到的一切都是不相同的,在测量之前,我们无法得知电子的确切位置,这不仅仅是无法得知电子位置,更奇怪的电子本身同时处于各处。这也就意味着,当我们没观察电子时,电子就不是实在的东西,以波的形式幽灵般飘散在空间中,当观察时,电子的波函数瞬间坍塌成为一个实实在在的粒子。量子力学中事物具有不确定性,也就是事物不是真实存在的,波尔认为世界是由意识决定的,这里又引出了经久不息的哲学问题,我们暂且不做过多讨论。

进入微观世界,进入量子力学的大门,我们可以解释经典力学下解释不了的现象。比如为何天上一日地下万年,光速前进为何可以让时间变慢?粒子的不确定性跟人类所说的命运又有什么关系呢?它和高维空间又有着怎么千丝万缕的联系呢?徜徉在量子力学的海洋你,你会摒弃我们的惯性思维,将不可能的事情可能化。好了,今天就先说到这里,更过精彩内容请关注“北漂之往事”。

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