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量子根本不是实体粒子,量子只是微观世界不连续的特殊表达形式

2019-04-26  tjboyue

说起量子力学,通常给大家的印象就是:高端、深奥,但晦涩难懂,有人说量子力学的这三种特性是三位一体的,量子力学因为高端而深奥,因为深奥而晦涩难懂,又因为晦涩难懂导致很多人弄不懂它,所以它又很深奥,量子力学哥本哈根学派领袖玻尔曾说过这样一句话:如果你听到量子理论而没有感觉恼火,那代表你一定是没有听懂,是的,虽然玻尔说的这句话多少有一些调侃的成分,但也足以说明:如果想要真正搞懂量子力学是不容易的。

量子根本不是实体粒子,量子只是微观世界不连续的特殊表达形式

为什么想搞懂量子力学不是一件容易的事呢?其困难的根本原因就是:在微观世界中粒子所表现出的特性与长期生存在宏观世界之中的我们通过实验总结出来的规律、经验是截然不同的,甚至两者相互矛盾,所以我们很难使用现有的物理规律或者宏观世界的经验去生动的、图像化的去理解微观粒子,如果通过微观粒子的表象去推导其量子效应的本质,那么量子纠缠、量子隧穿、粒子自旋这些现象是很难理解,而事实上,直到如今我们没有弄懂这些现象背后的运作机制究竟是什么,但如果我们转换一下思维:先去理解量子力学的特征,再使用这些基本特征去解释量子效应,那么量子力学就没有我们想象中的那么难,这篇文章就和大家聊一聊量子力学的本质:量子与量子化。

量子根本不是实体粒子,量子只是微观世界不连续的特殊表达形式

之前就有读者曾提问:量子力学中的量子是什么?众所周知,热力学是研究热的,流体力学是研究流体的,如果我们想要理解量子力学,首先就应该明白量子力学是研究什么的?量子力学中的量子又是什么?

量子根本不是实体粒子,量子只是微观世界不连续的特殊表达形式

通俗来讲:量子力学就是研究微观粒子的,但有违常识的是:量子力学中的量子却并不是指的实体粒子,量子与我们熟知的电子、质子等实体粒子都不同,更准确来说:量子并不是粒子,而是一种物理学家人为定义的物理概念,1900年德国物理学家普朗克在研究黑体辐射时遇到了困境,当时热力学辐射公式无法同时解决物体长波与短波辐射的问题,所以普朗克在现有理论基础之上,创造性的使用数学方法强行拼凑出了一个公式,普朗克的这个辐射公式可以完美解决长波与短波辐射问题,但这个公式成立却需要一个前提:那就是假设能量传递不是连续的,而是一段、一段传递的,也这意味着能量存在着一个最小单位,这个单位就是能量子,即量子。

量子根本不是实体粒子,量子只是微观世界不连续的特殊表达形式

所以说:量子最早意义就是代表着能量的最小单位,如果物理量是一段、一段传递的、由最小单位构成的,那么就说明这个物理量是量子化的。后来,物理学家将量子化与量子的概念推广到其他物理量当中,例如:时间、长度、电荷、角动量等等,量子力学就是在量子与量子化的基础上创建的,例如:普朗克的普朗克常数,爱因斯坦的光电效应,玻尔的原子模型,都是在量子化的基础上建立的。

宏观世界是连续的,微观世界是不连续的

可能上面的表述还是有一些学术,下面给大家举一个便于理解的例子:我们可以将我们熟知的宏观世界比喻成一个滑梯,如果我们想要从滑梯的顶端运动到滑梯的底端,我们只需要从顶端顺着滑梯滑下来就好,我们滑行的整个运动过程是连续的,如果建立一个坐标系的话,在运动过程中取任意一个时间,都会有对应一个位置。

量子根本不是实体粒子,量子只是微观世界不连续的特殊表达形式

例如:时间t=1s,位置=1m,时间t=1.1s,位置=1.1m,时间t=1.11s,位置=1.11m,……以此类推,在滑行运动过程中,时间与位置可以取任意值,有无数对应,这就表示:宏观世界是连续的,是无限可分的。

对于微观世界不是连续的又应该如何理解呢?我们可以将微观世界比喻成一个楼梯,如果我们想要从楼梯的顶端运动到楼梯的底端,那么我们就需要一个、一个台阶的从顶端走到底端,如果建立一个坐标系的话,在整个运动过程中我们任意取一个时间,只能有某些特定的位置与其对应,这个位置只能取1的整数倍。

量子根本不是实体粒子,量子只是微观世界不连续的特殊表达形式

例如:时间t=1s,位置=1台阶,时间t=2s,位置=2台阶,时间t=3s,位置=3台阶,绝对不可能存在:时间取任意值之后,位置(台阶)=1.1、1.5、2.1这种情况,因为楼梯没有1.1、1.5、2.1这种存在形式,只能取1的整数倍,所以楼梯就是量子化的,一个、一个的台阶就是量子(最小单位),我们可以参考楼梯的例子去理解量子与量子化,所以说:微观世界是不连续的,一段、一段组成的。

量子根本不是实体粒子,量子只是微观世界不连续的特殊表达形式

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