我覺的量子力學和經典力學最大的區別就是:在量子力學中我們永遠不可能「知道」任何事情;而在經典力學中我們能對事物的質量能量、位置動能做出精確的描述和測量。這是怎麼回事呢?在量子力學中我們為什麼無法確切地知道事物的狀態呢?
現在我們深入物質的基本性質,穿過我們的細胞和細胞器,深入到單個分子和組成它們的原子內部,最終,你會看到組成宇宙中所有已知物質的基本粒子。
像電子,光子,以及組成質子和中子的夸克,都是我們所知道的最基本的粒子。這意味著我們不能把基本粒子無限細分下去,換句話說這些基本粒子不是由其他任何物質構成。
假設我們取一些光,粒子物理學家稱之為光子。讓這些光子穿過兩個無限細的狹縫或者一個有限寬度的狹縫。我會看到什麼樣的圖案?
通過有限寬的單縫,我們會看到光產生衍射(繞射)條紋,通過無限細的雙縫,我們會觀察到光的幹涉條紋。這都是波所具有的性質,其實對於光的波動性,跟牛頓同時期的惠更斯都已經提出來了,也是我們最早對光性質的理解。後來愛因斯坦為了解釋光電效應,大膽採用了普朗克的量子說,才提出了光量子也就是後來我們所說的光子。
另一方面,如果我們用電子之類的粒子,會產生什麼樣的實驗結果呢?
上圖是我們向這兩條狹縫扔一些小沙粒的結果。結果顯而易見,有些沙粒穿過一條縫,有些沙粒穿過另一條縫,最後會在另一邊看到兩堆分開的沙子。這很符合我們的常識,也是在經典力學裡所能發生的事情。
那麼我們向雙縫發射電子呢?
我們一開始也想到了一堆電子在穿過狹縫或者在路徑中會發生幹擾,所以我們就一次發送一個電子。隨著時間的推移,結果如下:
很明顯可以看出,隨著發射越來越多的電子,我們看到了明顯的幹涉條紋,這說明每一個單獨的電子似乎都於自己發生幹涉!
這一點真的令我們感到驚訝,一個物質粒子表現得像波?我們的第一反應就是想知道,這些電子發射後會通過哪條狹縫?所以你重新做了一次這個實驗,並且準備測量電子的行為,你會得到什麼樣的結果?
當你測量電子時,破壞了幹涉圖樣,迫使電子穿過一條縫或者另一條縫!電子不再與自己發生幹涉,也不再表現得像波一樣運動,你得到的圖案會和沙粒一樣,電子會堆疊在縫隙的後面。
現在我們知道測量電子時,我們會破壞電子的波函數,讓電子表現出了粒子的行為。
據我們所知,下圖才是氦原子的精確描述。我們根本不可能知道電子的精確位置。所以平時看到的圖片都是為了我們方便理解,一個電子圍繞原子核!
根據電子的雙縫實驗我們可以知道,如果想知道這個電子在任意時刻的位置,我們可以向電子發射光子以及更高的能量。光子的波長越短,就越能準確地測量出電子的位置。但我們永遠不可能確切地知道電子在哪!這是為什麼呢?
這就是我們常說的海森堡的不確定性原理!在微觀層面我們不僅不能確切地知道像我們平時所說的「位置」,而且測量粒子的位置越精確,就越不可能準確地知道粒子的動量!
同樣的事情也發生在能量和時間上。壽命非常非常短的粒子,其質量(能量)存在固有的不確定性!
微觀層面的事情我們很難理解,但這裡有一個很好的類比:水球。
想像一下,你手裡拿著一個裝滿水的氣球,你試著精確地測量水球在一個坐標上的位置。這時會發生什麼?你的手會壓迫水球使它在一個方向上變形。
由於水球的體積必須是守恆,所以水球會向另一個方向延伸。
這就是量子力學,你永遠不知道確切的位置、動量、能量或時間,而我們的經典力學一切都是那麼確定!你今天換了一雙鞋,你的體中增加了15克!