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詭異的量子世界,在那里你永遠不可能“知道”任何事情 - 超自然及靈異鬼故事

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詭異的量子世界,在那里你永遠不可能“知道”任何事情

極度恐怖m_m發表於 2020-8-9 19:33:26
本章節源自《深層解讀量子力學的前世今生》,全部章節見文末專欄!

我們都知道,在我們日常認知中,經典力學統治著我們的宏觀世界。而量子力學統治著微觀世界。那麼量子力學與經典力學到底有什麼不同呢?

量子力學和經典力學最大的區別就是︰在量子力學中我們永遠不可能“知道”任何事情;而在經典力學中我們能對事物的質量能量、位置動能做出精確的描述和測量。這是怎麼回事呢?在量子力學中我們為什麼無法確切的知道事物的狀態呢?

現在我們深入物質的基本性質,穿過我們的細胞和細胞器,深入到單個分子和組成它們的原子內部,最終,你會看到組成宇宙中所有已知物質的基本粒子。

詭異的量子世界,在那里你永遠不可能“知道”任何事情

像電子,光子,以及組成質子和中子的夸克,都是我們所知道的最基本的粒子。這意味著我們不能把基本粒子無限細分下去,換句話說這些基本粒子不是由其他任何物質構成。

假設我們取一些光,粒子物理學家稱之為光子。讓這些光子穿過兩個無限細的狹縫或者一個有限寬度的狹縫。我會看到什麼樣的圖案?

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通過有限寬的單縫,我們會看到光產生衍射(繞射)條紋,通過無限細的雙縫,我們會
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觀察到光的干涉條紋。這都是波所具有的性質,其實對于光的波動性,跟牛頓同時期的惠更斯都已經提出來了,也是我們最早對光性質的理解。後來愛因斯坦為了解釋光電效應,大膽采用了普朗克的量子說,才提出了光量子也就是後來我們所說的光子。

另一方面,如果我們用電子之類的粒子,會產生什麼樣的實驗結果呢?

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上圖是我們向這兩條狹縫扔一些小沙粒的結果。結果顯而易見,有些沙粒穿過一條縫,有些沙粒穿過另一條縫,最後會在另一邊看到兩堆分開的沙子。這很符合我們的常識,也是在經典力學里所能發生的事情。

那麼我們向雙縫發射電子呢?

我們一開始也想到了一堆電子在穿過狹縫或者在路徑中會發生干擾,所以我們就一次發送一個電子。隨著時間的推移,結果如下︰

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很明顯可以看出,隨著發射越來越多的電子,我們看到了明顯的干涉條紋,這說明每一個單獨的電子似乎都于自己發生干涉!

這一點真的令我們感到驚訝,一個物質粒子表現得像波?我們的第一反應就是想知道,這些電子發射後會通過哪條狹縫?所以你重新做了一次這個實驗,並且準備測量電子的行為,你會得到什麼樣的結果?

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當你測量電子時,破壞了干涉圖樣,迫使電子穿過一條縫或者另一條縫!電子不再與自己發生干涉,也不再表現得像波一樣運動,你得到的圖案會和沙粒一樣,電子會堆疊在縫隙的後面。

現在我們知道測量電子時,我們會破壞電子的波函數,讓電子表現出了粒子的行為。

據我們所知,下圖才是氦原子的精確描述。我們根本不可能知道電子的精確位置。所以平時看到的圖片都是為了我們方便理解,一個電子圍繞原子核!

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根據電子的雙縫實驗我們可以知道,如果想知道這個電子在任意時刻的位置,我們可以向電子發射光子以及更高的能量。光子的波長越短,就越能準確地測量出電子的位置。但我們永遠不可能確切地知道電子在哪!這是為什麼呢?

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這就是我們常說的海森堡的不確定性原理!在微觀層面我們不僅不能確切地知道像我們平時所說的“位置”,而且測量粒子的位置越精確,就越不可能準確地知道粒子的動量!

同樣的事情也發生在能量和時間上。壽命非常非常短的粒子,其質量(能量)存在固有的不確定性!

微觀層面的事情我們很難理解,但這里有一個很好的類比︰水球。

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想象一下,你手里拿著一個裝滿水的氣球,你試著精確地測量水球在一個坐標上的位置。這時會發生什麼?你的手會壓迫水球使它在一個方向上變形。

由于水球的體積必須是守恆,所以水球會向另一個方向延伸。

這就是量子力學,你永遠不知道確切的位置、動量、能量或時間,而我們的經典力學一切都是那麼確定!

作者:宇宙探索

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