世界不思議

困擾全人類的問題:我們生活在一個量子世界嗎?

長期以來,科學家對量子和宏觀世界持以不同的態度,但是還有科學家試圖將它們銜接在一起,但是這相當困難!

實際上量子力學真的很讓人困惑,我們所熟知的所有物理定律都在量子領域中被打破了。比如說,把一個粒子放在盒子裡。根據經典物理學,那個粒子應該永遠呆在那個盒子裡。但在量子力學中,這個粒子可以在你下次看的時候跳出盒子。在古典思維中,你可以任意精確地測量物體的動量和位置。在量子世界裡不是這樣的,你對一個知道的越多,對另一個知道的就越少。什麼東西是波還是粒子?根據經典觀點,你可以選擇一個,也只能選擇一個。但是如果是量子力學,那麼兩者都有可能。

雖然量子世界很難理解,但在某種程度上,量子世界的規則歸屬於宏觀的規則。而真相如何,我們並不確定,要回答這個問題將需要一個漫長而神秘的探索旅程。

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第一個給量子世界貼上有用標籤的人是物理學家尼爾斯·玻爾。20世紀初,世界各地的科學家開始意識到原子和亞原子系統的奇怪和意外行為。經過幾十年艱苦的工作,他們已經意識到,某些屬性,比如能量,是以被稱為“量子”的水平的離散包出現的。當物理學家們開始勾畫出一個數學基礎來解釋這些實驗時,還沒有人發展出一個完整的、一致的框架。波爾是第一個嘗試這樣做的人。雖然他沒有提供一個完整的量子力學理論,但他確實奠定了一些重要的基礎。他還提出了一些後來成為現代量子理論基石的觀點。第一次是在他早期建立原子模型的嘗試中。在20世紀20年代,我們已經通過各種非常創新的實驗知道,原子是由一個沈重、緻密、帶正電荷的原子核,周圍環繞著一群微小、輕、帶負電荷的電子構成的。我們也知道這些原子只能吸收或發射特定能量的輻射。

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但是,它是什麼樣子的呢?玻爾把電子放在圍繞原子核的“軌道上”,圍繞著密度大的原子核旋轉,就像太陽系中的行星一樣。在真實的太陽系中,行星可以有它們喜歡的任何軌道。但在波爾的原子中,電子被卡在小軌道上,它們只能有一定的預定軌道距離。通過從一個軌道跳到另一個軌道,原子可以接收或發射特定能量的輻射。它的量子本質就這樣被編碼了。但波爾又萌發了一個有趣的想法。實際上有很多可能的方法來構建原子的量子模型,為什麼要用這個呢?他發現,當電子在離原子核很遠的軌道上運行時,它們的量子性質就消失了,經典的電磁學可以完美地描述原子,只有兩個帶電粒子。這被稱為對應原理,波爾認為他的原子模型是最好的。你可以有任何你想要的量子理論,但正確的是那些在某些限制下讓位於經典物理學的理論。

當然,波爾的原子模型是不完整的,後來被保留至今的價層模型所取代。但他的對應性原理依然存在,並成為後來所有量子理論的基石,它是一盞量子物理的指路明燈,讓物理學家能夠構建和選擇正確的數學方法來描述亞原子世界。但波爾並沒有就此止步,他認為,儘管這種對應原理可以允許量子世界和古典世界之間存在聯繫,但這兩個世界並不相同。就在玻爾對這一切感到困惑的同時,他的好朋友維爾納·海森堡提出了他那即將成名的不確定性原理。

所以,簡單來說,就是如果要想測定一個量子的精確位置的話,那麼就需要用波長儘量短的波,這樣的話,對這個量子的擾動也會越大,對它的速度測量也會越不精確;如果想要精確測量一個量子的速度,那就要用波長較長的波,那就不能精確測定它的位置。波爾採納了這個想法並付諸實踐。他把海森堡的不確定性原理看作是量子世界更大層面的一部分:一切都是成對的。比如波和粒子。在經典系統中,某物要麼是純粹的波,要麼是純粹的粒子。你可以選擇其中之一來對某些行為進行分類。但在量子力學中,這兩個性質是成對的:所有東西同時既是粒子又是波,並且總是同時表現出這兩者的某些性質。

另外,從本質上講,量子規則依賴於概率,量子力學只能再現經典物理學。基於這兩個觀點,玻爾認為量子理論永遠無法解釋經典物理學。換句話說,量子層面,原子及其同類在一套規則下運行,而宏觀層面,火車和人在另一套規則下運行。他們可以而且必須通過對應原則聯繫起來,但除此之外,他們過著各自獨立的類似平行世界的生活。但是一些物理學家認為,我們從根本上生活在一個量子世界,我們可以從純粹的量子規則中重現經典物理學。這一切仍然是值得思考的。

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