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学习量子力学,从接受这三个荒唐的理论开始吧

 泰阳汉子 2019-08-22

有人说:想要学好量子力学,必须具备良好的数学和物理基础,若不然,看量子力学的书籍就会像看天书一般,密密麻麻的全部都是物理理论与数学公式,简直一个字都看不懂,而我却认为:良好的数学及物理基础的确是可以帮助我们快速的学好量子力学,但是数学及物理基础却并不是必要条件,学习量子力学最关键的一点就是要有舍弃观念,一定要舍弃一些看似正确的理论,还要舍弃一些在经验世界中总结的真理,因为这些在微观量子世界中统统都不适用,那么学好量子力学的第一步,就从接受这三个看似荒谬的理论开始吧!

这三个看似荒谬的理论是什么呢?

1,光,其实是由不连续的能量单位组成的电磁波

2,物质的是由具有波动性质的粒子构成的

3,不论是光、粒子,还是物质,都具有不连续值的内禀角动量,也可以成为自旋。

可能很多人看到这三个理论的时候并没有感到荒谬,因为根本看不懂什么意思,接下来我们大家详细的说一说这三个理论,看看它们到底是如何荒谬的?

一、光其实是由不连续的能量单位组成的电磁波

光是电磁波的一种,这个只要是有一些物理常识的人都知道的,那么电磁波又是什么呢?从电磁理论来说是:震动电场产生磁场、震动磁场产生电场的传递,既然光是波,那么光肯定就是连续不断的,因为不连续的波是无法传递的,而且从视觉经验上来讲,我们也从来没有见过独立的光子或者数量极少的光子,所以我们常识性的认为光是连续的,但事实上真的是这样嘛?

其实不然,在1900年,德国物理学家普朗克在研究黑体辐射时发生了一个足以震惊世界、撼动传统物理学的现象,即能量的传递是不连续的,而是由一段、一段的能量子组成的,这个最小单位的能量子究竟有多大呢?

根据量子力学理论,能量的最小单位=hν,h是普朗克常数,h=6.62606896(33)×10^(-34) J·s,v代表频率,如果我们想要计算一段光或者一个光子的能量,只需要用hν,即6.62606896(33)×10^(-34) J·s乘上光的频率就可以得到结果了,总之是非常非常小,即使在一平方厘米的面积里,也会数量有超过一万万亿的能量子,这个数量实在是太庞大了,导致在宏观世界中,光子的粒子性并不明显,所以我们看起来光才是连续的。

二、物质是由具有波动性质的粒子构成的

物质是有粒子构成的,这句话我们很好理解,因为我们日常所能见到的物质大多数都是由原子构成的,那么具有波动性质的粒子是什么意思呢?

准确来说,不仅仅粒子具有波动性,世界上所有的物质都具有波动性,这是德国物理学家德布罗意通过普朗克常量与相对论推导出来的,并且得出了一个德布罗意波波长公式,即λ=h/p(mv)。

其实我们可以使用德布罗意波长公式计算出任何物质的波长,但是普朗克常数h实在是太小了,所以在计算宏观物体的波长过程中,我们普朗克常数h比上一个宏观物理的动量,那么得到的数值将会异常的小。

举个例子:如果我们计算棒球的德布罗意波,那么得到的棒球波长是原子核半径的万亿分之一,这个数值别说无法用肉眼观察,就算是用最先进的电子显微镜也观察不到,所以宏观物体的波动性实际几乎是感知不到的,但如果我们计算一个电子的德布罗意波,那么电子的波长与原子半径相当,电子周围伴随着波长如此大的波,那么电子的波动性就会很明显了,所以我们称电子是具有波动性的粒子。

三、不论是光、粒子,还是物质,都具有不连续值的内禀角动量,也可以成为自旋。

内禀角动量,或者自旋,这个概念要比上面的两个难理解的多,这个自旋与宏观物体沿中心对称轴旋转运动不同,我们可以将粒子的自旋理解成一种在宏观世界找不到类比的特殊属性,它是粒子与生俱来的性质,当两个粒子相距的特别近时,粒子的物质波会发生重叠,那么两个粒子就会变现出类似于两个自旋物体接近时所产生的现象,于是物理学家将这种粒子与生俱来的属性命名为:自旋,但奇怪的是,这种自旋是不连续的,也就是说自旋的数值只能取某一些特定数值的整数倍,这是量子化的特征,以后的文章还会仔细的讲,这里就不过多的介绍了。

总结来说,这三个理论看似荒谬,甚至是违反了物理常识,却是真实存在于微观量子世界的,我们要知道,对经验世界相违背的理论并不是量子力学独创的,想一想当初人们如何激烈的反对地心说?想一想伽利略为何会登上比萨斜塔去扔那两颗铁球?要知道牛顿提出的第一运动定律的背景是1600年前亚里士多德的回归状态论,量子力学诞生至今才短短100多年,虽然目前量子力学中诸多理论看起来十分荒谬,但不能否认的是,量子力学对于后来的电子工业发展做出的巨大的贡献,而且量子力学也是目前最精准的物理理论之一,量子力学不是魔鬼,更不是唯心主义,如果我们能够了解量子理论之后,我们才会发现:其实量子世界并不神秘,反而十分有趣。

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