使用骰子理解量子力學最基本的假設:時間維度上沒有任何因果關係

2020-12-05 蘇格拉有頂

量子力學難,很難。不光是我們理解起來難,甚至連一些科學家們也覺得很難,尤其是那些讓人覺得反常識的實驗現象,所以現在很多學量子力學的學生們都不去深究本質,而是使用它,因為它真的很實用。

量子力學有幾個基本的假設,我們就來講講其中的一個基本假設——量子態的演變假設。

量子態的演變符合薛丁格方程

薛丁格作為量子力學的奠基人,其最聞名於世的莫過於他為了反駁「意識」而提出的「薛丁格的貓」。時至今日,我們依舊籠罩在這頭貓的陰影中。而其實薛丁格貢獻最大的是他的薛丁格波動方程。

薛丁格是波動說的支持者,他認為量子體系的狀態不能用力學量(例如x)的值來確定,而是要用力學量的函數Ψ(x,t),即波函數來確定。這句話一看好像比較難以理解,我們舉個簡單點的例子來解釋這句話:在經典力學中,一個粒子的速度為v(v即力學量),速度是確定的,是毫無爭議的;而在量子力學中,這個粒子的速度是無法準確確定的,它會隨著測量而產生擾動,v就不確定,它的變化是一個函數,即波函數Ψ(x,t)。

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再簡化點就是,經典力學中量子態是一個常數,是確定的;而量子力學中量子態是一個函數,是可以有很多解的。

量子態演變和時間的關係——使用骰子類比

量子力學最神奇的也最基本的地方正是它與時間的關係,而這個關係正是「波函數」。我們使用一個很形象的例子來說明這個波函數。

我們假設一個骰子就是一個量子,而骰子的六個面分別對應一種量子狀態。即例如點數1朝上,它就是1量子態,同理共有2、3、4、5、6共六個量子態。而我們每「看」一個量子一次,就相當於擲一次骰子。

在第1秒的時候,我們擲了一次骰子(相當於觀察了一次這個量子),得到了點數2(即2量子態);第2秒,我們再一次擲骰子,得到了點數5;以此類推...

所以你發現什麼沒有?你會神奇的發現這個演變居然是隨機的!它在時間這個維度上,沒有任何因果關係!你永遠無法知道下一次擲骰子會得到點數幾?

時間軸上因果律的缺失

經典力學最讓人信服的就是因果律。我知道了一個小球的各個參數,那我就能預測到它的運動。比如我們在中學裡,大學裡做的物理題,就是屬於這種類型,已知一個小球什麼什麼,求它的什麼什麼。這就是時間軸上的因果律。

但是在量子力學上,隨著時間的流逝,量子態的演變並沒有任何相關性,它們仿佛與時間的走向沒有任何關係!這個其實是個很難以想像的事,時間這個維度與經典力學和相對論有十分緊密的聯繫,但獨獨在量子力學領域不怎麼感冒。

好在薛丁格實力雄厚,發現了波函數就是時間與量子態演變之間的關係式。但這個關係是一個函數,並非一個定值,本質上,我們還是在「擲骰子」做隨機事件。

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