量子力学中的反常识

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最近把《量子力学史话》看完,这是一本讲述量子力学发展的科普书籍,20世纪最聪明的天才门聚齐一起,像爱因斯坦、波尔、普朗克、狄拉克、薛定谔、海森堡等等,利用他们天才的创超性思维,打开了通往微观世界的大门,在微观世界里,奥妙无穷,往往让人一头雾水,反常识经常出现,下面就介绍几个关于量子力学中的反常识。

一、能量量子化

在19世纪末,经典物理学得到了空前的发展和巨大的成功,以牛顿的经典力学、麦克斯韦的电磁场理论和经典统计力学为三大支柱理论体系,可以解释所已知的所有物理现象和自然规律,在那个年代,有一种乐观的认为,自然界规律完全被我们人类掌握了,后辈们的研究只需多加几位小数点就行了,但是,当科学家们沉浸在喜悦之中时,德国物理学家普朗克为了解释“黑体辐射”(高中物理3-5学过的)问题,提出了当时连他自己都深度怀疑的“能量子”假设,提出了一个大名鼎鼎的普朗克辐射公式。

该假设开始被当时众多科学家们反对,因为他完全颠覆了人们对世界的认知,但经过多次实验,发现该公式计算的结果却和实验测量数据完全一直,顿时,科学家们一片茫然,那能量量子化到底是什么意思呢,下面具体说明一下。

能量量子化简单来说就是认为,我们生活中的能量是不连续的,是分立的,它是由一个一个能量子组成,能量只能是能量子的整数倍,公式表述如下:

ε=hν

学过高中物理的应该知道,ν表示频率,h为普朗克常量,ε为频率为ν的能量子。

在人们都认为我们这个世界是连续的时候,普朗克现在忽然提出能量是不连续的,这让人们如何接受,包过普朗克本人也是,普朗克把自己的这种行为称为“孤注一掷的行动”,他还说,自己的这个发现要么是荒诞无稽的,要么是自牛顿以来最伟大的发现之一,当然,我们现在知道了,他的发现是属于后者的,普朗克提出的能量子观点,打开了量子力学的大门,在一次重新塑造了人类对世界的认知。

能量是量子化的,那么我们客观世界是不是也是量子化的呢?比如说质量、长度,甚至时间和空间,这类问题目前还没有明确答案,但给了我们无尽的想象空间,确实,人类在“上帝”面前确实就是一个小孩,不时给东西他吃,但小孩永远不知道他有多少东西。

二、叠加态

关于叠加态的介绍,有一个经典的思想实验——薛定谔的猫

从我们客观常识角度看,人要么生要么死,买彩票要么中奖要么不中奖,不存在即生又死的人,也不存在即中奖有没中奖的彩票,但量子力学已经证明,万事万物确实存在叠加态,这一点在微观粒子中表现明显,粒子的波粒二象性就说明粒子有时表现出粒子性,有时表现出波动性,有时存在与两种状态的叠加态,到底处于那种状态好像由观察者确定的,观察者看到的是生就是生状态,看到了死就是死状态,在没看到之前就处于叠加态。

从这一点来看,我们这个客观世界好像不再那么客观了,一件事情的结果居然是由观察者确定,变的具有主观性。在我们作为认识的主体和自然界作为被我们认识的客体之间,不再存在一条客观和清晰的界限,主观与客观的界限在量子力学中变的模糊不清了。

三、隧道效应

隧道效应的简介视频

根据海森堡的测不准原理可知,微观粒子物理量是不可能百分之百确定,同时测量位置和动量有一种天然的不确定性,公式表示如下:

△E△t<h

这个公式说明,能量的不确定因素乘以时间的不确定因素一定得小于普朗克常量h,这样就可能存在一个极短的△t时间内,粒子的能量△E比他本有的能量高的多,在这一瞬间,粒子就可以跳过势阱、越过势垒,这样的现象在现实生活中是不能想象的,因为能量守恒定律在制约着,但在“隧道效应”上,能量守恒定律好像变的不守恒了。

量子力学和相对论作为现代物理学的两大支柱,象征着人类智力的高峰,著名物理学家费曼曾经说过:这个世界没有人懂量子力学,量子力学创始人之一波尔也说过:如果有人不对量子力学感到困惑,那只能说明他不懂量子力学。

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