量子力學已經誕生一百多年,為何說沒有人真正懂得量子力學?

萬小刀 2021/04/12 檢舉 我要評論
 
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19世紀末20世紀初,當時的物理學界認為物理學大廈已經基本建成,他們沒有理由不這樣認為。當時的牛頓力學「上天入地」幾乎無所不能,而麥克斯韋方程組又如此的優美,幾近完美地詮釋了電磁波,物理學的發展似乎到了盡頭。科學家們認為以後只需要對物理學大廈進行「小修小補」就可以了,不需要也不存在什麼突破性理論了。

不過這時候,物理學大廈的上空飄來了一朵「烏雲」,而這朵「烏雲」把整個物理學界折騰夠嗆。這朵「烏雲」就是黑體帶給科學家們的困惑。

黑體,並不是指黑色的物體。如果一個物體能夠吸收全部電磁輻射,同時沒有任何的透射和反射現象,那麼這個物體就是黑體。比如說我們的太陽就可以認為是一個黑體(當然不是絕對的)。

黑體屬於熱力學概念,是一個理想化的物體,現實中是不存在的,因為只要溫度高於絕對零度,物體就會不斷地進行熱輻射,而絕對零度恰恰是不可能達到的。科學家提出黑體的概念只是為了更方便地研究物體的熱輻射現象。

隨著溫度升高,黑體輻射出來的電磁波就被稱為「黑體輻射」。威恩位移定律是研究黑體輻射最著名的物體學體系。在一定的溫度下,黑體溫度與輻射最大值對應的波長的乘積是一常數,用公式表達就是:λ(m)T=b(微米),公式中的b是威恩常數,b==0.002897m·K這個公式表明,隨著黑體溫度升高,輻射最大值會向短波移動。溫恩位移定律與黑體輻射實驗曲線的短波部分很溫和,但是與長波不吻合。

後來瑞利和金斯兩人又提出來瑞利-金斯公式,該公式表明短波(比如說紫外線)隨著波長變短,輻射強度會無限地增強,這樣的結果與實驗相差太大,也被認為是不可能的,這種結果也被科學界稱為「紫外災難」!

後來,大名鼎鼎的普朗克對威恩定律進行改良,同時又利用玻爾茲曼公式對黑體輻射現象重新進行了詮釋,進而得出了改變整個物理界的普朗克黑體公式:

公式看起來比較複雜,晦澀難懂。但可以通俗地這樣理解:假定能量是不連續的,也不存在無限小的能量單位,能量是一份一份的,而且存在一個最小的能量單位,普朗克黑體公式就能完美地全是黑體輻射的問題。

但是如果這個假定成立的話,將會動搖幾千年來的物理學基石,由牛頓等物理學家建立起來的物理學大廈就會被動搖。在牛頓的經典力學中,不管是能量還是時空,都是連續的,而且是可以無限分割的。

說白了,如果上面的假定是正確的,牛頓的經典力學就是錯誤的!

但事實證明,普朗克黑體公式確實與實驗結果非常符合。在1900年12月14日的德國物理學會議上,普朗克對外公佈了他的黑體公式,這個公式在全波段都與實驗結果相符合。

這一天也被載入了史冊,意義重大,標誌著量子力學的誕生,一個全新的物理學時代即將開啟。之後量子力學一發不可收拾,給世人帶來了更多顛覆我們傳統認知的微觀世界。

量子力學,主要是研究微觀世界粒子的運行規律,包括原子,電子,分子,原子核,其他基本粒子,還有凝聚態物質等。在量子力學的發展過程中,波爾為首的哥本哈根學派發揮了非常重要的作用,量子力學後期的發展完善大多是由他們來完成的。

在之後幾十年的時間裡,曾上演了波爾和愛因斯坦為首的兩大學派關於哥本哈根詮釋的激烈辯論,不過最終以波爾為首的根本哈根詮釋笑道了最後,成為量子力學正統解釋,起碼目前是這樣。

哥本哈根詮釋有三大核心:概率詮釋(波恩),不確定性(海森堡),還有互補原理(波爾)。

量子力學最重要的方程就是薛定諤方程,可以這樣說,薛定諤方程在量子力學中的地位,就相當於牛頓第二定律在經典物理中的地位。或者說薛定諤方程統治了微觀世界,而牛頓定律統治了巨觀世界。

薛定諤波動方程認為,電子也是一種波,它們並不是固定在原子核外的某個軌道上,而是以電子雲的方式存在,我們只能用概率描述電子的位置。公式中的函數ψ表示的就是電子電荷的實際分佈。

薛定諤方程能很好地詮釋波爾的原子模型,精確地重現了電子被限制在原子核周圍的能量級。薛定諤方程在量子世界如此重要,也被稱為人類歷史上「十個最偉大公式」之一!

所以,薛定諤方程就是量子力學的最核心方程,也正是因為這個方程的出現,才有了後來的波函數坍縮,多重宇宙,量子糾纏方面的激烈辯論。

在量子世界,物體的狀態並不能用巨觀世界中的力學量(比如X)來確定,而需要用力學量的函數Ψ(x,t)也就是波函數來確定。所以說,波函數也是量子力學主要的研究物件。微觀粒子的位置分佈任何隨時間變化,在某個位置出現的概率等,都需要通過薛定諤方程求解波函數才能得到答案!

後來波恩,波爾和海森堡等人又提出了各自對薛定諤方程的理解。

比如說,波恩認為,因為人類測量的精確度是有限的,所有微觀世界的物理現象不可能像巨觀世界測量的那樣精確,所以只能用概率來詮釋。實際上即便是巨觀世界,也不可能做到絕對精確,只是誤差相對來說很小,可以忽略不計。

用專業的物理學術語理解就是:波函數在某時刻某空間體現的強度,也就是其振幅絕對值的平方與在該空間找到微觀粒子的幾率成正比,與微觀粒子相關聯的波就是概率波,因此波函數Ψ也被稱為「概率幅」!

而波爾認為:」電子的真實面目到底是什麼?「這種問題是沒有意義的,波爾是這樣解釋的:

對人類來講,真正有意義的是人類每次看到的電子是什麼樣的,有時候我們會看到電子呈現粒子性,而有時候是波動性,當然我們有理由認為電子具有波粒二象性。所以我們沒必要關心電子到底是什麼,只需要關注我們看到的電子是什麼。電子既是粒子也是波,只是當我們觀測電子時,它只能展現一面給我們。

波爾也因此提出了互補性原理,通俗的理解方式是這樣的:根據互補性原理,當我們觀測微觀粒子時,粒子可能表現出粒子行為,也可能表現出波動性,但不可能同時表現出粒子和波動性。

而海森堡的不確定性原理指出:我們不可能同時確定一個微觀粒子的位置和速度,用公式表達就是:ΔxΔp≥h/4π,也就是說:微觀粒子位置和動量不確定性的乘積,一定不小於普朗克常數(h)除以4π。普朗克常數是量子物理學中很重要的一個自然常數,普朗克常數約為h=6.62607015×10-34 J·s哥本哈根派三大「巨頭」波恩,波爾和海森堡各自提出的理論,徹底動搖了我們對客觀巨觀世界的認知,甚至直接摧毀了巨觀世界的基礎:因果關係,同時又顛覆了傳統認識上的客觀絕對性,構建了一個全新的世界,看起來與我們的巨觀世界格格不入。

但我們又不得不承認哥本哈根學派的核心思想確實能很好地詮釋量子世界不可思議的現象。更重要的是,經過一百多年的發展,量子力學早已深入到我們日常生活中,給現代物理學和人類生活帶來翻天覆地的變化。人類文明賴以生存半導體,核磁共振,鐳射。但我們又不得不承認,雖然一百多年過去了,科學家對量子世界的瞭解探索才剛剛開始,比如說更加深奧的量子電腦,量子通信等領域也才剛剛起步。

也難怪著名物理學家費曼會這樣說:沒有誰能真正理解量子力學!

我們期待著將來某天科學家能真正理解量子力學,或許那也將引領人類科技文明再次完成蛻變!

 

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