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日常生活中的量子力学 量子力学在现实的十大应用

发布时间:2020-12-31 20:54:49来源:未知 标签:日常生活中的量子力学张首晟 量子力学与生活 量子力学在现实的十大应用

你理解中的量子力学是怎样的?

为了通俗地理解量子力学,我们必须借助于比喻,即用我们熟悉的现象来类比量子现象,并在此基础上建立能描述量子现象的数学结构和理论体系。

假想在黑箱里有一堆小物件,我们应如何对其分类?比如颜色是一个分类的标准,形状是另一个分类的标准,颜色和形状是完全不相干的独立的描述物件性质的两个标准。

我们说一个小物件是白色的;或是黑色的;白色和黑色是两种互相排斥的陈述,只要是白色的就不能是黑色的,相反只要是黑色的就不能是白色的。

我们也说一个小物件是个立方体,或说它是个球体。球体和立方体也是互相排斥的,我们没法说它既是球体又是立方体。

假设在我们的世界里,这个小物件不是立方体就是球体,但不能既是立方体又是球体。类似的我们说在我们的世界里,这个小物体不是白色的就是黑色的,但不能既是白色的又是黑色的。

形状是我们对物件的陈述,颜色也是我们对物件的陈述。现在我们的问题是:我们能够同时使用颜色和形状来陈述一个物件吗?

在经典物理里,或在我们的日常经验中,当然可以!香蕉是黄色的,同时它也是弯曲的“棒棒形”,形状和颜色是我们一眼看去可以直观的。

但在量子世界里,这种陈述是被禁止的!看清楚了物件的颜色,它就完全没有形状;同样看清楚了物件的形状,那它就没有颜色。

当然这是个比喻,我们可以用我们熟悉的物理量替换一下。在经典物理或日常经验中,我们可以说粒子的位置是多少,同时说粒子的动量是多少,但在量子世界中,如果我们知道了粒子的位置,我们就没法说粒子的动量了,相反如果我们知道了粒子的动量就没法说粒子的位置。这和测量无关,在量子世界中这种陈述本来就不存在。

在建立量子理论的过程中我们一般从粒子的自旋入手。当我们知道了自旋的x分量,我们就没法说自旋的z分量,相反当我们知道了自旋的z分量,我们就没法说自旋的x分量。

我们应如何描述量子世界的这种行为呢?并进而建立起描述量子世界的理论。我们还是借助于比喻,只是现在经典的“颜色-形状”比喻失效了,我们需要找个新比喻。

物理学家想到了光。光是一种波动,是一种横波。光有x偏振光、y偏振光,这两个偏振态对应自旋在z方向上的向上和向下。把光偏振的方向转45°,会有x’偏振光和y’偏振光,可用来表示自旋在x方向上的向上和向下。此外还有圆偏振光(左旋和右旋),对应自旋在y方向上的向上和向下。

有了光学比喻,我们就可以把自旋的量子态表示为一个二维复系数向量空间上的一个箭头。这就是自旋的量子理论了。泛泛而言,在量子力学中,物理系统的状态用态矢量表示,态矢量随时间的演化满足薛定谔方程。物理量用算符表示,通过算符我们可以从态矢量中抽取出物理量取值的信息。

更多细节请大家阅读J. J. Sakurai的《现代量子力学》。

如何理解量子力学中量子态、量子纠缠、量子叠加、量子塌缩?

宇宙认识的突破和去神秘化,必须引入这三个定律,

一,一切星体或粒子在理想无干扰的封闭环境中,将永远保持匀速自转和绕核公转的状态不变。

星体的变速椭圆轨道的存在是受到其他星系干扰后的结果,粒子的不确定性,概率性,量子态等等都是因为受到外部不确定性的,概率性的能量干扰的结果。

二,所有星体或电子绕核公转的轨道半径与其速度平方的积都相等

这是星体和粒子的天体法则

三,光子是最小的质量和能量粒子,能量数值上等于普朗克常数,质量值为二倍普朗克常数与光速的平方比。

这里,我们非常清楚,一切粒子的位置、运动轨道、速度都是有规律可循的,只要隔绝外界一切干扰,粒子的运动状态是匀速的自转和公转,轨道是圆周。从这一点上来说,爱因斯坦无疑是正确的。

由于粒子处于一个开放的空间,粒子的干扰的能量来源显然是不确定的、概率的、干扰因素是混沌的、是无法确定的外环境。粒子实在太小了,经不起任何扰动,假如存在一个完全隔绝的封闭空间,粒子在里面处于匀速自转和周转状态,我们是无法观察和测定的,因为我们的观察和测定就是一种扰动,就必然破坏粒子的匀速自转和周转状态,破坏后的结果决定于扰动的能量大小、方式、扰动的时间,如果外界的扰动的能量是不确定的,概率的,那么,粒子的运动也是不确定性的、概率的。

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量子力学的发展对我们现实生活有哪些显而易见的影响?

目前量子力学对我们生活的影响是间接的,主要体现在所有的信息技术产品上,包括我们身边最常用的电脑,手机,互联网。

人类历史上第一次科技革命建立在牛顿力学和热力学基础上,第二次科技革命建立在电动力学基础上,而20世纪下半叶的人类第三次科技革命(也称信息革命)正是建立在量子力学基础上。

信息革命最具代表性的两大发明,一个是电子计算机,包括我们用的电脑和智能手机,它的核心就是半导体集成电路,而集成电路就是利用量子力学原理研究固体中电子传输特性而发明出的半导体晶体管的集成。另一个是互联网,它的技术核心就是通过量子力学原理研究光的受激辐射而发明的激光,通过海底光缆进行激光通信来覆盖全球,一直到光纤入户。

可以说源自量子力学原理的半导体晶体管和激光器是二十世纪最重要的两项发明,它们构成了如今无处不在的各类电子设备、计算机和互联网。在当今的信息时代,量子力学就是隐藏在一切信息设备和产品背后的BOSS,支配着各类电子元器件和激光器如何工作。信息时代的下一个阶段,将是以量子通信和量子计算为代表的量子信息时代,这个BOSS就会逐渐从幕后走到前台,会让我们感受量子力学更直接的影响。

为何民科通常喜欢量子力学而反相对论?

你说的不对,量子力学和相对论都是民科所反对的对象。只有阿基米德定律、三大运动定律、万有引力定律之类的科学理论很少受到民科反对,但也不是完全没有。

在这个问题上,我们可以暂且把人分为三类:官科、民科、吃瓜群众。

吃瓜群众在面对过于高深的科学问题时,是基本没有独立见解的,大部分会受官方影响而相信权威理论;小部分会受民科影响而反对权威理论。也就是说,对于咱老百姓,信不信权威理论全凭自己心情,没有道理可言。

而民科呢?

民科是一个特殊群体,他们本身只是普通人,但掌握的科学知识又高于绝大多数普通人,因此会去思考一些科学问题,甚至会运用公式去计算很多东西,而算完后发现公式能算通,所以认为自己是对的,权威理论错了,于是就开始反对。

这是他们的一大优势,也是让许多不明觉厉的吃瓜群众相信他们的原因,人家都明明白白算出来了嘛。

但问题在于,知识是一回事,智商是另一回事,会算不表示会想。数学本身就只是逻辑游戏,只要明白规则,很多事情如果把前提搞错了,数学上算通是很简单的。

打个比方来说,你看见桌上有两个苹果,问我怎么回事。我说那是因为之前本来只有一个,有人又放了一个上去,所以理论上是2=1+1。

这时忽然蹦出来一个民科,他偏要说2=1+1是错的,因为桌上本来有三个苹果,但是被人吃掉一个,所以理论应该是2=3-1。

那你说究竟谁的理论对呢?

你是一个吃瓜群众,所以你想认为谁对都行,那是你的自由。

而民科坚信自己是对的,因为2=3-1,他已经把公式算通了嘛,于是试图来推翻我的理论。

但我不认可他,也不搭理他。因为我亲眼见到桌上原本只有一个苹果,一转身变成了两个,那理论就必须是2=1+1,怎么可能是2=3-1呢?

所以这件事之间的症结根本就不在于公式能不能算通,而在于桌上原本究竟有几个苹果。

我坚信只有一个是因为我亲眼看见了,民科坚信有三个是因为他死活不相信我的话,非要自己去想象,完了还非要认为我是看不起民科,才刻意打压排挤他的。

科学理论也是同样的道理,许多理论的前提民科是无法验证的,他纯粹按照自己的生活经验在理解。

就拿量子力学和相对论来说,它们的理论如何才能验证?

很简单:粒子加速器、射电望远镜、铯原子钟、空间探测器、卫星……这些东西显然是民科这辈子都无法接触到的东西。他们既没有条件去验证,又死活不相信别人的验证结果,所以就举起反对的旗帜高声叫唤了。

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