什么是量子力学有什么用,量子力学学了有什么用

首页 > 科学 > 作者:YD1662022-11-19 10:00:01

提到量子力学,很多人的第一反应是微观、不连续、不确定,然后就是玄乎、奇怪、诡异,乃至恐怖。

有这样的想法并不奇怪,毕竟,它跟经典物理的确不太一样,大家也乐于相信玻尔说的:“如果谁不为量子力学感到困惑,他就还没理解它。”

许多文章、视频也喜欢把量子力学往这个方向上引,大肆宣扬“看一眼”决定猫的生死,告诉你双缝实验有多“恐怖”,把意识和量子力学扯在一起等等。于是,量子力学在大众眼里就越来越玄乎,越来越诡异,越来越恐怖了。

什么是量子力学有什么用,量子力学学了有什么用(1)

其实,量子力学并不奇怪,你觉得它奇怪,主要是因为你老是从经典力学的视角看量子力学,就像古人眼里闪电也很奇怪一样。

我们从小就浸泡在经典世界里,很多经典观念已经成了潜意识的一部分,你这样去看量子世界,自然会觉得它很奇怪。但是,如果你转换一下视角,尝试从量子的视角去看量子世界,就会发现一切都很自然。

那么,如何从量子视角看待量子世界呢?

想了解量子力学看待世界的方式,我们就得先搞清楚经典力学看待世界的方式。只有清楚经典力学是如何看待世界的,我们才能知道哪些观念是经典力学特有的,哪些观念进入量子力学之后需要修改,才能知道如何建立全新的量子世界观

那么,经典力学的世界又是什么样的呢?

01经典的世界

大家在中学都学过牛顿力学,我在《》里也介绍过。

牛顿力学里,想知道一个物体会如何运动,就要看它受到了什么力F,然后利用牛顿第二定律F=ma计算它的加速度a。算出了加速度,我们就能知道物体的运动状态会如何变化,就能根据物体此刻的状态(比如物体在哪,速度是多少)算出它下一刻的状态。

也就是说,在牛顿力学里,只要我们掌握了物体的受力情况,就能根据物体的初始状态知道它任意时刻的状态。比如,我们知道苹果下落是因为受到了地球的引力,知道引力就能知道苹果下落的加速度,然后知道苹果在任意时刻的速度位置

什么是量子力学有什么用,量子力学学了有什么用(2)

这是一个非常典型的例子,大家也习惯于这样去处理物体的运动。但是,在这种非常自然的处理方式里,却暗含了一个极为重要的假设:我们知道苹果在某个时刻肯定在空间中的某个地方,也肯定有一个确定的速度,不管我们有没有去测量

什么意思?

你去测量苹果的位置和速度,肯定会得到一个数值。而且,你知道无论谁去测,测量多少次都不会改变这个结果。不可能说张三测量苹果在树上,李四去测,苹果就跑到了地上,顶多就是测量仪器会带来一点误差。

也就是说,经典力学认为:苹果的力学量在任何时刻都有确定的取值,它的位置和速度都是确定的,跟你测不测量,如何测量没有关系。不管谁去测,也不管怎么测,测多少次,测量结果在误差范围内应该都一样。因为,我们都确信苹果肯定有一个确定的位置和速度,测量只不过是想知道这个确定的值是多少而已,这是我们常识中的常识。

如果有个人跑来跟你说:不对,苹果没有确定的位置和速度,想知道苹果在哪就得去测量,测量结果是哪就在哪。而且,不同人测量的结果完全可以不一样,张三测得苹果在树上,李四可以测得苹果在地面,你肯定认为这个人疯了。

是的,任何力学量在任何时刻都有确定的取值,而且跟测量无关,这是经典力学刻在我们灵魂深处的信念。

但是,这种信念真的绝对可靠么?有没有可能它并没有想象中的那么天经地义?

带着这样的疑问,我们来看一看大名鼎鼎的斯特恩-盖拉赫实验

02斯特恩-盖拉赫实验

既然你觉得力学量在任何时刻都有确定取值,而且跟测量无关。那我们就来做个实验测一下,测什么呢?测量银原子的自旋

我们先甭管自旋是什么,只要知道这是粒子的一个固有属性,像质量电荷一样就行了。

什么是量子力学有什么用,量子力学学了有什么用(3)

然后,大家要知道银原子的自旋在任意方向上都只能取两个值,我们记为向上向下。也就是说,你在任何方向测量银原子的自旋,结果都只可能是两个:要么向上,要么向下,没有其它值了。

知道了自旋以及它的取值,我们就可以开始测量了,用什么测呢?用磁场,准确的说是不均匀磁场

我们让银原子通过不均匀磁场,银原子就会发生偏转,不同自旋会有不同的偏转方向。我们约定,如果银原子向上偏转,就说它自旋向上;如果银原子向下偏转,就说它自旋向下。当然,这个对应关系并不重要,我们只要知道不同的自旋会有不同的偏转就行了。

之所以选择自旋,并不是因为自旋有多特殊,而是因为它足够简单,把自旋换成位置、动量也是一样的。

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