诡异的量子世界,你我都是波?让你抓狂的量子力学

趣闻屋 30 0

量子力学已经诞生一百多年了,但不少人对物理学的认知仍旧停留在经典物理学,认为宇宙万物都是可以准确描述的,都是确定的,任何运动都有可以用一定的规律来描述。

诡异的量子世界,你我都是波?让你抓狂的量子力学-第1张图片-趣闻屋

一百多年前的物理学家们也是这样认为的,直到他们遇到了物理学天空飘着的那朵“乌云”。

正式开始之前,先来看一个著名的悖论:芝诺悖论,相信很多人都听说过。

假设你和乌龟赛跑,你的速度是乌龟的10倍,但是你在乌龟后面,而乌龟在你前方100米的地方开始赛跑。

诡异的量子世界,你我都是波?让你抓狂的量子力学-第2张图片-趣闻屋

由于你的速度是乌龟的10倍,当你跑100米的时候(也就是乌龟的出发点),乌龟跑了10米。而当你跑10米的时候,乌龟跑了1米。当你跑1米的时候,乌龟跑了0.1米......

也就是说,你跑的距离永远在乌龟之前所到达的地方,乌龟永远领先你,哪怕是一点点。

但现实情况呢?我们都知道那不可能发现,你很快就会追上乌龟然后完成超越。

不知道你有没有发现,芝诺悖论要想成立,有一个重要前提条件:时间和空间必须是连续的,这意味着能量传递也必须是连续的。

什么叫连续?打个比方,一天当中总是早上温度低,中午温度高。当温度上升时,会一点点升高,比如说1度升到2度,而不会从1度以下升高到20度。

这种连续性是经典物理学的基础,微积分也是在这个基础上创建的,更关键的是,连续性符合我们日常生活的认知。

但是量子力学的出现(从黑体辐射开始)打破了这种连续性。黑体辐射最开始是普朗克发现的,他提出了普朗克黑体辐射公式。

诡异的量子世界,你我都是波?让你抓狂的量子力学-第3张图片-趣闻屋

何为黑体辐射?通俗地讲,就是能量的传递是不连续的,而是一份一份的,存在着最小的能量传递单元,它就是“能量子”,简称“量子”,能量的传递必须是量子的整数倍,不能以半个量子的能量进行传递。

用量子的这种不连续性解释芝诺悖论就很简单的,因为能量是不连续的,时间和空间也不连续,时间和空间不可能被无限分割,所谓的悖论自然就消失了。

量子概念的提出,彻底改变了整个物理学界,一场风暴悄然酝酿。

从对原子结构的认知开始,人们了解到了电子诡异的运动形式。

一开始卢瑟福提出了自己的原子模型,认为电子在原子核外面,围绕着原子核做圆周运动,就像地球围绕太阳运动那样。

诡异的量子世界,你我都是波?让你抓狂的量子力学-第4张图片-趣闻屋

单子换个模型有一个致命缺陷。由于原子核带正电,电子带负电,按照麦克斯韦电磁理论的诠释,运动过程中会发射电磁辐射,电子会慢慢失去能量,最后坠落到原子核上。

根据计算,整个坠落过程甚至不到秒钟,显然这与实际不相符。

而量子力学的出现,很好地解释了上述问题。

由于能量的传递是不连续的,必须是量子的整数倍,这就意味着,电子释放能量时必须是某个定量,而不是随意​的​,电子必须在某个固定的轨道上运行。

诡异的量子世界,你我都是波?让你抓狂的量子力学-第5张图片-趣闻屋

当电子位于距离原子核最近的轨道上时,能量是最低的,也是最稳定的(被称为基态)。当电子吸收特定的能量后,就会跃迁到更远的轨道,处于激发态。电子总是在基态和激发态之间来回跃迁,随机地出现在不同的轨道上,表现出电子云的特征。这种过程就被称为“电子跃迁”。

随着量子力学的不断发展,物理学家德布罗意提出了“物质波”概念,认为“万物皆波”,还有他的波动方程:λ=h/p,公式中,λ是波长,p是普朗克常数,p是物体的动量。公式中能够看出,物质的由于h是固定的常数,意味着p越大,波长λ就越小。

诡异的量子世界,你我都是波?让你抓狂的量子力学-第6张图片-趣闻屋

这个公式还表明,万物皆有粒子性和波动性,你我都有一定的波长,只不过波长实在太小了,以至于根本表现不出波的特性,最终只会表现出粒子特定。

当然量子世界里还有更诡异的现象,比如说量子隧穿,量子纠缠等,后面我会一一讲到!

标签: 宇宙探索

抱歉,评论功能暂时关闭!