量子力學的世界裡,概率就是一切!揭示原子的「波函數」

2020-12-03 博科園

物理學家們已經證明了一種新方法，可以通過直接觀察來獲得描述孤立量子系統(如原子氣體)的基本細節。新方法以前所未有的空間解析度提供了在系統特定位置發現原子可能性的信息。有了這項技術，科學家們可以獲得幾十納米尺度的細節——比病毒還小。聯合量子研究所(JQI)是美國國家標準與技術研究所(NIST)和馬裡蘭大學的合作研究機構，在聯合量子研究所(JQI)進行的實驗使用了一種光學網格（一種懸掛著數千個原子的雷射網絡）來確定一個原子可能在任何給定位置的概率。

由於晶格中的每個原子行為都與其他原子類似，所以對整個原子群的測量揭示了單個原子在空間某一點的可能性。聯合量子研究所(JQI)技術(以及芝加哥大學的一個小組同時發表的一項類似技術)可以得出原子位置的可能性遠低於用來照亮原子光的波長——比光學顯微鏡通常能分辨的極限高出50倍，其研究結果發表在《物理評論X》上。這項研究背後的物理學家之一。聯合量子研究所(JQI)的Trey Porto說：這證明了我們觀察量子力學的能力，此前還沒有對原子進行如此精確的測量。

研究團隊使用雷射和光學技術構建了一個原子波函數的圖像(紫色)。這張圖是對這一過程的藝術描述，顯示了一個顯微鏡物鏡對準懸浮在光學晶格(高白色波)中的原子(球體)。該團隊以前所未有的細節揭示了關於原子波函數的信息。圖片：E. Edwards/Joint Quantum Institute為了理解量子系統，物理學家經常談論它的「波函數」。這不僅僅是一個重要的細節，這就是整個故事，它包含描述系統所需的所有信息。聯合量子研究所(JQI)物理學家、論文的另一位作者史蒂夫·羅爾斯頓(Steve Rolston)說：這是對系統的描述，如果你有波函數的信息，就可以計算出關於它的所有其他信息，比如物體的磁性、導電性以及它發出或吸收光的可能性。雖然波函數是一個數學表達式，而不是一個物理對象，但該團隊的方法可以揭示波函數所描述的行為：

一個量子系統以一種方式與另一種方式行為的概率——在量子力學的世界裡，概率就是一切。無論如何，對於一個足夠簡單的系統，量子力學已經被物理學家充分理解，專家們可以從基本原理出發計算波函數，而不需要觀察它。然而，許多有趣的系統是複雜的。有些量子系統是無法計算的，因為它們太難了，比如由幾個大原子組成的分子，這種方法可以幫助我們了解這些情況。由于波函數隻描述了一組概率，物理學家如何才能在短時間內得到波函數效應的全貌？

該方法包括同時測量大量相同的量子系統，並將結果綜合成一個整體。這有點像同時擲10萬對骰子——每次擲出一個結果，並在顯示所有骰子值的概率曲線上貢獻一個點。研究小組觀察到的是光學晶格中懸浮在雷射器中約10萬個鐿原子的位置。鐿原子與相鄰原子相互隔離，只能在一維線段上來回運動。為了獲得高解析度圖像，研究小組找到了一種方法來觀察這些線段的窄切片，以及每個原子在各自切片中出現的頻率。在觀察了一個區域後，研究小組測量了另一個區域，直到得到了整個圖像。

雖然還沒有想到一個可以利用這項技術的「殺手級應用」，但僅僅是這個團隊直接描繪了量子研究的核心內容，就足以讓他著迷。目前還不完全清楚這項技術將被用於何處，但它是一種提供新機會的新技術。多年來，一直使用光學晶格來捕捉原子，現在它已經成為一種新的測量工具。量子力學有許多奇怪的原理，其中之一就是在我們測量它們的位置之前，物體可能沒有一個精確的位置。例如，原子核周圍的電子不沿著規則的類行星軌道運動，這與我們一些人在學校所學的圖像相反。

相反，它們的作用就像波紋波，所以不能說電子本身有一個確定的位置。相反，電子位於空間的模糊區域內。所有物體都有這種波狀的行為，但對於任何大到肉眼可以看到的物體，這種影響是難以察覺，經典物理學的規則——我們沒有注意到建築物、水桶或麵包屑像波一樣散開。但是，孤立一個像原子這樣的微小物體，情況就不同了，因為原子存在於一個量子力學效應佔主導地位的大小領域。不可能確切地說它在哪裡，只能說它會在某個地方被發現。波函數提供了原子在任何給定位置被發現的概率集。

博科園｜研究/來自：美國國家標準與技術研究院參考期刊《物理評論X》DOI: 10.1103/PhysRevX.9.021002博科園｜科學、科技、科研、科普

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  • 量子力學中「意識」導致波函數坍縮,這裡的「意識」指的是什麼?
    1932年，諾依曼出版了經典的量子力學教科書《量子力學的數學基礎》。在書中，他提出了「波函數坍縮可能源自觀察者意識」的觀點。因為量子理論不僅適用於微觀粒子，也適用於測量儀器。事實上，所有測量總是經由我們的判斷得出一個確定的結果，這意味著只有意識才能最終讓波函數產生確定的結果。這帶點唯心主義的觀點受到一些人的追捧，並在此基礎上發展出了一些新的理論。
  • 為什麼量子力學的波函數坍縮和「意識」有關?
    一般情況下，我們看到的原子模型有點類似於太陽系，電子在原子核外繞著原子核轉。他們發現，電子其實是以概率雲的形式存在於原子核外。那具體是啥意思呢？意思是就是說，電子同時存在於不同的原子核外的各個地方，處於一種疊加態當中。我們只知道它出現在某個位置的概率，可以用薛丁格的波函數方程進行描述。
  • 量子力學的核心部分薛丁格的波函數及其物理意義
    電子是一種波動，是電子波。電子的能量與動量分別決定了它的物質波頻率與波數。既然粒子具有波粒二象性，應該會有一種能夠正確描述這種量子特性的波動方程，在一次偶然的機會下，薛丁格收到德布羅意的論文，薛丁格足足思考了兩年時間，終於提出了薛丁格方程。
  • 量子力學裡的「波函數坍塌」是由於人的意識導致的嗎?
    這是一個神神叨叨的話題，說這種話的人連量子物理一根毛都不知道，卻硬要不懂裝懂大言不慚憑空臆斷，把自己那一套神鬼玄說往裡套，因此純屬扯淡。「意識」導致波函數坍塌這是誰說的？量子力學大師們波爾、狄拉克、海森堡、泡利說過嗎？沒有。曾經與上述幾位大師為代表的哥本哈根派對著幹的愛因斯坦、薛丁格說過嗎？也沒有。那麼是誰說過呢？
  • 為什麼馮·諾伊曼會說量子力學的波函數坍縮和「意識」有關？
    他們發現，電子其實是以概率雲的形式存在於原子核外。那具體是啥意思呢？意思是就是說，電子同時存在於不同的原子核外的各個地方，處於一種疊加態當中。我們只知道它出現在某個位置的概率，可以用薛丁格的波函數方程進行描述。
  • 為什麼馮·諾伊曼會說量子力學的波函數坍縮和「意識」有關?
    起初，很多人都用宏觀世界的那一套，用時間、速度、質量等物理學概念來描述。可是，後來科學家越來越發現不是那麼回事。尤其是物理學家波爾所能領銜的哥本哈根學派，他們就提出了許多顛覆人們認知的觀念。 具體來說是這樣的，我們知道原子是由原子核和電子構成的。一般情況下，我們看到的原子模型有點類似於太陽系，電子在原子核外繞著原子核轉。
  • 協建矩陣力學奠基量子論,提出「概率詮釋」解釋波函數
    這句話不無道理，首先，是玻恩在1924年的文章裡呼喚新量子論的出現。其次，量子力學（新量子論）最早開始於矩陣力學，而不是薛丁格方程。玻恩在矩陣力學的建立中起了關鍵的作用。再則，薛丁格方程與矩陣力學是等價的，無論是方程解出的波函數，還是矩陣算符，都需要解釋其物理意義。最能被人接受的解釋是玻恩提出的概率解釋。三大巨頭有他們各自的擅長之處。
  • 量子力學的發展史----浦劍的介紹
    量子力學是描寫原子和亞原子尺度的物理學理論[1]。該理論形成於20世紀初期，徹底改變了人們對物質組成成分的認識。微觀世界裡，粒子不是撞球，而是嗡嗡跳躍的概率雲，它們不只存在一個位置，也不會從點A通過一條單一路逕到達點B[1]。根據量子理論，粒子的行為常常像波，用於描述粒子行為的「波函數」預測一個粒子可能的特性，諸如它的位置和速度，而非確定的特性[1]。
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    但作為最嚴謹科學的量子論，卻是支持這種觀點的，量子論認為：當我們不去觀察時，組成物體的一大堆粒子就會按照波函數的模式彌散開去，它會變成概率波擴散到周圍的空間裡，所以從理論上來看，一個物體它是有可能穿牆壁的，不過一個人卻不行！
  • 世界上十大偉大公式之一:薛丁格方程,它顛覆了整個物理世界
    認為電子是一種波，就像雲彩一般（電子云說法的由來），放大來看後，就好像在空間裡融化開來，變成無數振動的疊加，平常表現出量子的狀態，是因為它蜷縮的太過厲害，看起來就像一個小球。函數ψ就是電子電荷在空間中的實際分布。
  • 量子力學的8種詮釋
    它的一種表述是，亞原子粒子可以用遵循薛丁格方程的波函數描述出來。 在哥本哈根詮釋的視野下，一個波函數會根據薛丁格方程平穩地移動，直到它與物體相遇，比如探測器。 這聽起來像是，如果你在這個現實裡做了什麼糟糕的決定，別擔心，也許在另一個現實中，你仍然可以獲得一個完美的結果。多世界詮釋也是經常被流行文化借用的一種。 儘管收穫了一些支持者，但這種理解也帶來了一個問題——它讓概率失去了意義。
  • 量子力學的世界裡到處都充滿「詭異」它跟現實世界有著千差萬別
    那是因為在過去許多年裡，科學家利用它來預測原子和粒子的行為模式，經過了無數的實驗，證明了量子理論總是對的。量子效應在微觀的尺度下是較為顯著的，比如在單個原子的尺度。不過，既然你我都是由原子組成的，世界上所有的東西也都如此，所以這些詭異的量子定律肯定不只能解釋微小的事物，也能解釋現實世界的一切。這些詭異多端、與我們的日常認知大相逕庭的定律是如何被發現的呢？
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