Q&A:量子力學和經典力學有什麼不同

2020-12-05 李論科學

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!

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  • 量子力學和經典力學有什麼不同?
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  • 什麼是量子力學?
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  • 統計力學,量子力學中的量子數學方法和解釋
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    量子力學最初的發展是為了更好地解釋和描述原子,特別是同一化學元素的不同同位素以及亞原子粒子發出的光譜差異。簡而言之,量子力學原子模型在動搖經典力學和電磁學的領域取得了驚人的成功。一切似乎都有明確的位置、明確的動量、明確的能量和明確的發生時間。然而,量子力學並不能同時精確地指出一個粒子的位置和動量(因為它們是共軛對)或者能量和時間(因為它們也是共軛對)的精確值。相反,它只提供了一個概率範圍,在這個範圍內,粒子可能被賦予動量和動量概率。因此,用不同的詞來描述具有不確定值的態和具有確定值的態(本徵態)是有用的。通常,系統不會處於我們感興趣的可觀察(粒子)的本徵態。
  • 關於量子力學的基本原理
    量子力學一開始就是以公理表述的形式出現的。01 經典物理學回顧任何物理理論都不僅僅描繪事實,它們包含由經驗延伸出的假設和觀念。經典物理學大致包含四個分支:力學、電磁學、熱力學和統計力學。經典力學處理的對象以質點係為代表,經典力學的狀態是質點系所有質點的位置和速度。
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  • 量子力學到底是什麼?
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  • 子力學只是經典力學的變形?是or否
    量子技術發展到什麼地步才能叫做完全掌握了?我們沒能掌握的不一定是不存在的,也許是發現不了。量子力學一直是經典力學的簡化版,其中的波函數模型並不存在。嚴格意義上來說,微觀物理量只有統計意義。高溫下表現為波函數坍縮到零,低溫時是漲落。而在微觀尺度上,表現為漲落和湮滅。
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