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十个问题,带你认识量子力学

更新时间:2017-09-26 17:07:51
作者: 中国物理学会期刊网  

  

   9.量子力学中有没有什么著名的实验?

   量子力学中最著名的实验我想莫过于双缝实验。实验的设置很简单:把粒子(通常是电子或光子)打向一面有双缝的屏幕,在双缝后面还有个探测屏幕。

   这个实验之所以出名是因为它描述了上面我们提到的许多奇怪现象。

   我们首先在水中进行双缝实验。很简单,你只要用手指在水中滑动就可以制造出波。这些波通过双缝的时候会相互干涉,形成显著的干涉条纹。这是波的行为。

   现在,把实验从水中挪出,用子弹射向双缝。你在屏幕后看到的是两条并排堆积而成的子弹,而不是干涉图案。这是粒子的行为。

   精彩的来了,如果你把电子射向双缝,会发生什么?如果你预期电子是粒子,那么你在探测屏幕看到的情形就跟子弹的一样。但事实呢?

  

   △著名的双缝实验。中间的探测屏幕代表粒子是经典时的行为,但事实上粒子是量子的,因此会产生干涉条纹(红色框)。(图片来源:NewScientist)

   我们看到电子会在探测屏幕产生干涉图案,就好像每个电子都同时通过双缝一样,并且相互干涉。这似乎暗示着电子是波。

   由于电子是量子物体,我们无法知道它的位置(海森堡不确定性原理)。电子有一定的概率会通过其中一条狭缝,有一定的概率会通过另一条。由于通过两条缝的概率是一样的,它事实上同时通过两条狭缝(叠加态)。

   电子的行为又像粒子又像波,这种所谓的波粒二象性简直让人抓狂,但又让人着迷。现在你可能会开始思考,难道我们不可以想方设法知道电子是通过哪条狭缝吗?

  

   △双缝实验。A:不观测电子通过哪条狭缝的情况下,会在探测屏上形成干涉条纹。B:一旦进行观测,干涉条纹就会消失。(图片来源:Quanta)

   当然可以,我们可以在某处放一个光源,监测电子是从哪条狭缝通过。但是,一旦这么做,我们会发现原先的干涉图案就立马消失了!!!

   也就是说,一旦进行观测,波函数就“坍缩”了。

   由于你知道了电子通过哪条缝,它就不再处于叠加态,所以它只通过了其中一条。电子的波的行为就消失了,它表现就如同子弹般。

   如果你现在感受脑子不好使了,这很正常,因为物理学家也绞尽脑汁的想要解释这看起来显而易见的悖论。

  

   10.物理学家对此有什么解释吗?

   记得我刚接触量子力学的时候,我对许多现象都无法理解。为了消除我脑海里的疑问我不停的向教授提问。当然,教授通常的建议是:“先不要问,只要懂得计算就行”。一旦我采纳了这个建议,个人的经验发现量子力学要比经典力学容易的多。但这并不是一个正确的态度。的确也有许多物理学家只对答案有兴趣,而拒绝去思考到底发生了什么。

   其实一旦你去思考这背后的原理的时候,你就会发现量子力学的无穷魅力。下面我简单的列出三个对量子力学的精彩诠释:

  

   △多世界诠释。如果有一个异性跟你搭讪,你的回答会产生两个不同的结果,要么各自继续做单身狗,要么愉快的结婚生子。(图片来源:MaxTegmark)

   多世界诠释认为,当我们对一个系统进行观测时会分离出无数个平行宇宙,每一个都是波函数的一个可能解,而我们只是在其中一个特定宇宙。

  

   △哥本哈根诠释。(图片来源:Quanta)

   哥本哈根诠释则认为,在观测之前,电子是没有确定的位置的。每个电子都像波一样分散开来,同时穿过两条狭缝,它们相互干涉在探测屏上产生了明暗条纹。但只要观测者试图知道电子是从哪条缝通过时,该观测瞬间将电子的位置“坍缩”至一个点,破坏了干涉的发生。也就是说,观测会导致波函数的坍缩。

  

   △导航波理论。(图片来源:Quanta)

   德布罗意-玻姆理论,又称为导航波理论,在玻姆力学中,量子物体被当做是经典粒子,电子始终拥有确定的位置,即使该位置无法被观测者察觉。该电子的位置会受到“导航波”推动的影响。一个电子只能穿过一条狭缝,但导航波同时穿过两条狭缝。导航波的干涉带来了探测屏幕上的干涉图案。在狭缝的测量会导致导航波的“坍缩”,因此就可以知道电子的路径了。

   至此,通过这些基础的了解,希望你开始对量子力学产生一定的兴趣。或许可以尝试阅读《量子力学的核心——薛定谔方程》,也可以阅读曹天元的著作《上帝掷骰子吗:量子物理学史话》,当然,如果你想掌握量子力学这门学科可以从《费恩曼物理学讲义》(第三卷)开始。

  


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