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何为微观?何为宏观?微观与宏观的分界点在哪?

 了脱人身 2018-01-29

提到量子力学,我想大部分人第一想到的应该是微观世界吧,量子力学适用于微观粒子,而不是宏观物体,这似乎是一个常识性的问题了,那么微观和宏观的分界线在哪里?
量子力学适用于微观粒子,这是大家都公认的,否则就根本不会出现量子力学这个学科了。量子力学不适用于宏观物体,其实这是个误解。
之所以许多人觉得量子力学不适用于宏观物体,大概是因为很多科普文章给人造成了这样的印象。这些文章大力地强调量子力学的种种神奇之处,例如在量子力学中你可以同时处于0和1两个状态(叠加态),在量子力学中你撞一堵墙可能穿过去(隧穿效应),在量子力学中两个相距遥远的粒子可以超光速地同步变化(量子纠缠),在量子力学中你不能同时测准一个粒子的位置和动量(不确定原理),等等等等。这些说法都没错,但问题在于,它们强调这些现象在宏观世界是不可能出现的,于是给很多读者造成一个误解:微观世界和宏观世界之间有一道鸿沟,量子力学不适用于宏观世界。
实际情况是,宏观物体也遵循量子力学,牛顿力学就是量子力学的自然推论。这些现象之所以在宏观世界观察不到,并不是因为微观和宏观之间有个明确的分界线,而是因为这些现象的显著程度反比于体系的大小,对于微观体系很显著,对于宏观体系就很微弱。量子力学中最重要的基本常数叫做普朗克常数,一般写作h,它的量纲跟角动量相同(长度乘以动量,或者说能量乘以时间),大小是6.626E-34 J*s。这个数值跟一个电子或者一个光子的角动量在同一量级,但比一个石子或者一个台球的角动量小得太多了。因此,按照同样的量子力学原理,电子或光子的量子行为就非常显著,而石子或台球的量子行为就几乎观察不到。
量子力学中有一条定理,一个体系的动量的期待值随时间的变化率等于它受到的力的期待值。如果把一个物理量的期待值理解为它在牛顿力学中的值,那么这条定理说的就是牛顿第二定律:F = ma。因此,牛顿力学就是量子力学的一个直接推论。凡是支持牛顿力学的实验现象,都是支持量子力学的。牛顿力学跟量子力学并不矛盾,只是量子力学在宏观情况下的一个近似而已。这条定理是奥地利和荷兰物理学家埃伦费斯特(Paul Ehrenfest,1880—1933)证明的。
最后,我们还可以问:假如微观和宏观之间真的有个分界线,那么会怎么样?这是个有趣的问题,确实有人在做这样的实验。不过由于难度很高,目前还没有得到特别的结果。

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