网友提问:
量子力学到底是什么,普通人能读懂吗?
优质回答:
量子力学是什么?
量子力学是研究微观世界基本粒子的性质的一门学科,也是现代物理学的一大支柱。
普通人能读懂吗?
这个问题要看你自己对读懂的定义了,就量子力学这门学科来说,想要研究个透彻,普通人不行;想要搞清楚个大概,普通人也不行;想搞清楚原理,普通人很困难;像我们这样的普通人,面对量子力学最多也就只能强行接受它的结论和观点而已,这也不是什么不好的事,毕竟量子力学很多的结论都是被证实是正确的。
为什么我这么说呢?
要弄懂一门科学,比如万有引力,普通人能做的也就只有强行接受“任意两个有质量的物体之间存在天然的吸引力,其吸引力的大小与两物体之间的距离的平方成反比”这样一个观点而已。如果你想要深入的研究万有引力的规律,你就必须要有数学基础,至少要能看懂F=GMm/r2,还要会看懂这个公式引申出来的各种变形公式,看懂这些才只能说你可以研究万有引力的规律,对万有引力的本质仍然不清楚。如果还要研究万有引力的本质,你需要更高的数学知识,你需要看懂并理解广义相对论里对引力的描述,也就是引力场方程。
接下来再扯到量子力学,同样的道理,我们普通人对量子力学也只能强行接受它的观点。
波粒二象性:所有的粒子或量子不仅可以部分地以粒子的术语来描述,也可以部分地用波的术语来描述。
叠加态:在没对粒子做“观察”时,粒子同时处于所有有可能的存在状态的叠加。我用人话解释一遍:假如一个粒子有可能向左运动,也有可能向右运动,在没对这个粒子观察时,这个粒子处于同时向左也向右的状态。(很扯哈,可这是真的)
波函数坍缩:当对一个处于叠加态的粒子观察时,粒子会从叠加态的模糊状态坍缩成一个确定的状态呈现在人们眼前。再用人话解释一遍:当一个粒子处于向左又向右的叠加态时,如果我们去观察它到底是向左还是向右时,粒子会从这种模糊状态“完全随机地”选择一种确定状态来呈现在人们眼前,或左或右,反正就一种状态。
量子纠缠:两个有联系的粒子,无论相隔多远,其中一个粒子的状态发生变化时,另外一个粒子的状态必定瞬间发生变化。
同样的,这些观点是正确的,但它很抽象,且就表面叙述来看,这些规律离普通人的生活比较远,普通人连接受它都比较困难,要理解它谈何容易,要理解量子力学,需要极高的数学知识和逻辑思维,也就是说你得看懂这些东西。。。
普通人:这是人能看懂的吗。。。
图片来源:网络
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量子是现代物理学中的一个重要概念,即是一个物理量的最小不可分割的基本单位。而量子力学与经典物理学有着根本的区别,量子力学提供了全新的原理以及不一样的思考方式。
在量子的世界内,可以不必遵循经典物理学定律,因此人们对量子世界的探索一直达不到预期状态。我们知道爱因斯坦是一位杰出一位科学家,解开了无数谜团,但是世界上有一个奇怪的现象。
爱因斯坦对此也感到困惑,并把这种现象称为”远处的怪异行为”,通常也被称为”量子纠缠”,量子纠缠是量子力学中的一种诡异现象,今天我们就要来认识可怕的量子世界。
量子力学的真相。
最开始,人类对于微观世界的理解还是依靠牛顿的经典物理学,自从普朗克和爱因斯坦奠定了量子力学的基础之后,人类才正式开始对量子力学以及微观世界的研究。
量子力学是描述微观世界的一种理论,主要是描述原子和亚原子尺度的物理学理论 ,与相对论一起构成现代物理学的理论基础,也是现代物理学最基础的理论之一。
根据量子理论,粒子的行为像波,用来描述粒子行为的“波函数”可以预测一个粒子可能的特性,比如其位置与速度,而非确定的特性。量子力学的问世彻底改变了人类对物质组成成分的认识。
如今在现代社会中, 量子力学已经广泛应用于量子化学、量子计算、超导磁体、 发光二极管、晶体管和半导体如微处理器等多个领域。
简单的理解量子力学,那就是用来研究微观世界的理论,在量子力学中还有一些物理学中比较怪异的概念,就如纠缠和不确定性原理。
量子纠缠。
爱因斯坦也将量子纠缠称为“鬼魅似的远距作用”,是粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的一种现象,比较诡异。
距离遥远的两个粒子中,一个粒子的行为会影响到另一个的状态 ,当其中一个粒子的状态发生变化,另一颗也会即刻发生相应的状态变化,无视距离和速度,并且速度远远超过光速。
量子纠缠被誉为是最难理解的自然现象之一,而所谓量子纠缠的主要意思就是几个粒子在互相作用后,本来各自的特性将会变成整体的性质。
而单个粒子的性质没办法无法更好被描述出来,只能描述出整体的性质,在未来,我们科学家也希望可以利用这样的粒子纠缠来建造量子计算机,进行超高速计算 。
薛定谔的猫
这是量子力学中一个著名的思想实验,也是一个脑海风暴,大致是这样的:假设有一个密闭的箱子,里面关着一只猫,还有微观的放射性原子,一个可以检测原子衰变的装置以及一个毒气释放装置,而这个放射性原子的半衰期是一个小时,一个小时内可以产生一个粒子,也可能不产生。
这也就是说,如果原子衰变,小猫死;原子未衰变,小猫活。因为原子的衰变不可确定,因此小猫的生死也不确定,只有在打开箱子的时候,才知道小猫是活的还是死的,那么在打开箱子之前,里面就是一只“既是死,也是活”的猫!
根据量子力学理论来看,由于放射性的原子是处于衰变和未衰变两种状态的叠加,那么猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态,但是,现实生活中是不可能存在既死又活的猫,必须在打开容器后才知道结果 。
这个实验巧妙的直接把微观世界的状态引到了可以直观理解的宏观世界来,而玻尔之前的说法是在打开箱子之前,原子是处在“衰变”与“未衰变”的叠加态,当打开箱子来看,这个观测的动作即叠加态就发生了坍塌,稳定地处于其中一种状态。
这个思想实验已经成为了量子力学最经典的问题,也是量子理论的一块试金石,并且随着量子力学的发展,薛定谔的猫还延伸出了平行宇宙等物理问题以及一些哲学争议。
结语。
在所有物理科学理论中,量子力学被认为是一个最精确的理论,而且在很多的研究者眼里,量子力学还是十分反直觉,这主要是因为关于量子,至今还没有一个人能够真正理解,并且这其中也包括量子力学的创始人们。
物理学家曾说过,“量子力学没有人可以理解”,从这句话中也可以看出量子力学所描述出的客观世界是很难理解,量子力学的创始人都无法理解透彻的东西,没有接触过的普通人自然就会觉得很神秘了。
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量子理论是一门探索微观世界的科学并非巫术通俗的解释一般的人都可以接受我们先来谈一谈经典的量子理论。上世纪初叶由玻耳,普朗克,爱因斯坦首先提出了微观粒子(电子,光子,原子)在微观世界的量子化运动并进行了卓越的工作从而奠定了经典量子理论的基础,这一论述由两个确定的部分组成先用经典力学的方法来说明问题,然后只保留那些符合量子条件的运动。对于自由度为f的体系其量子条件是∮pdq=nh式中p运动离子的动量,dq为某一自由度上座标值的微分,h是普朗克常数,∮表示一封闭系的积分。n就是该自由度上的量子数.n是一个系列数表示了有多个量子运动。n可以为(1.2.3…)也可以为分数(?….)既半量子数等。我们把体系中的这些量子化运动的能量称之为能級并可以求得体系的光谱当吸收一定频率的光则可以从低能級向高能級跃迁,当发射光则由高能級或激发态向低能級跃迁。玻耳据此发展了氢的光谱理论,并绘制出氢光谱线图并由此而求得能級图。这也是早期量子理论的最大成就。并由此积累了原子结构的许多知识。经典的量子理论或称旧量子理论对于氢一类的单电子原子如氦,锂等有很好的解释但是对其他任何原子的真实能級都无法计算。旧量子理论由于其固有的缺陷已经无法继续前行。人们不得不探索新的途径。微观粒子“离,波”二重性是基本物理特性,以光子为例当发射单个光子时它表现为离子性,当发射光束时表现为波动性并且时而是离子性时而是波动性。事实证明光子在微观世界的运动不遵循经典的牛顿力学定理而是服从波动定理,同时实验证明无论是光的衍射还是光电效应都遵循着量子化的规律。现在我们再以电子运动为例微观下的电子运动一样的只服从波动定理其导出的基本关系式为,E=hν式中E为能量ν为波动频率h为普朗克常数(上式也称为爱因斯坦关系式)。电子绕核运转的轨迹实际上被称之为电子云,依据波动定理和人类现有的观手段存在一个测不准的原理因此要确定电子瞬间状态十分困难,而且还受限于人的观察次数和观察行为。对于已知初始条件预测必然发生的结果我们通常用普通的高等数学既可例如经典的量子理论,但是对于所给的资料,数据不足以确定结果时我们採用数理统计的方法。这一方法是以概率论为基础是我们对具有偶然性(或不确定性)事件作出合理判断的有效手段,例如电子运动是典型的楷率事件我们可以求得在三维空间某时电子出现在某一点的概率数并进而統计计算得出电子出现最大概率的时点。这便是俗称的統计力学他是研究数值度量和数据分析的一个数学分支并使得用概率论计算偶然性的方法得到实际运用和发展。他广泛应用于科研,探索,生产实际中如航空航天,水力,化工,建筑及人口統计中。他的结论也带有一定的偶然性。量子力学正是运用了統计力学这一有效的手段解决了无数的难题并且在微观世界的探索中取得了令人震惊的成就。量子力学同时也是建立在实验上的科学,人们总是要建立若干模型和假设并用实验来验证量子力学计算的结果保留正确的剔除错误的。前面的论述都是单个微粒现在我们需要由单个原子,分子的性质和知识来确定分子和原子体系的性质和相关知识,这必须运用到量子統计力学的知识。有三种常见的型式 ,一、体系中含n个不同离子的情况我们用Maxwell_Boltzmann統计计算方法。二,体系中含有n个不可分辨的粒子而且要求在交换两个粒子时完全波函数是反对称的则用Fermi_Dirac統计法。三,体系中含有n个不可分辨的粒子而且要求在交换两个粒子时全波函数是对称的。则用Bose_Einstein統计计方法算方法。量子力学的推导过程是这样的,先对波动方程和爱因斯坦关系式联立求解并在X,Y,Z三个维度上进行微分并进一推导出薛定鄂方程。量子力学的计算中引入了特别的函数和算符这些算符包含粒子的物理特性和算符的特殊算法。量子力学除运用微积分 数理统计外还用到了群论矩阵等计算方法,量子力学是一门前沿科学需要完整的数理化知识。许多人穷其一生也未能触摸到它的顶点。那么量子力学在微观世界的探索中取得了那些成果呢。一,原子结构。通过量子力学的计算我们可以获得电子运行轨道的量子数从而掌握了电子绕核运动的分布情况。并可计算出能級图。二,分子结构。分子是以价力结合在一起的稳定原子基团由于核的质量远大于电子核的位置相对固定电子则以高速运转着,运用量子力学和群论矩阵的计算方法我们可以求得分子的运行轨道。三,共价键。四,分子光谱学。五,反应速度等……应该说量子力学的探索还见不到尽头。
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粒子,量子,夸克,光子,电子,以态,就算你读懂了,又能怎样?(最好别懂,从头再来)。
重力,反弹力;动力,阻力;摩擦力,浮力;万有引力,压力。最好深思。
读懂的人,请问,量子与力学究竟什么关系?
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推荐看《量子力学史话》这本书