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量子力学与经典物理的连接

时间:2019-12-02    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

北京时间12月2日音讯,据国外媒体报道,面对现实吧,量子力学真的很让人困惑。咱们所熟知的一切物理定律在量子领域中都被打破了,物理学家仍在努力调和量子和宏观这两个不同的国际。

  想象把一个粒子放在盒子里,依据经典物理学(和知识),这个粒子应该永久呆在盒子里。但在量子力学中,这个粒子或许在你下次调查它的时分跳出盒子。在经典思维中,咱们可以精确地丈量恣意物体的动量和方位,但在量子国际里却不是这样,你对一个物体了解得越多,对另一个物体就了解得越少。某个物体是波仍是粒子?依据经典观念,你可以也只能二选一;但如果是量子力学,那两者都有或许。

  量子国际很难了解,但在某种程度上,亚原子规矩会让位于宏观规矩。发生了什么呢?咱们不确定,寻找这个问题的答案是一个漫长而古怪的旅程。

  第一个给量子国际贴上有用标签的人是物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)。20世纪初,国际各地的科学家开端意识到原子和亚原子体系的古怪和意外行为。经过几十年艰苦的工作,他们发现,某些特点,比方能量,是以被称为“量子”(quanta)的能级离散包方式出现的。物理学家开端测验用数学根底来解说这些实验,但没有人能发展出一个完好的、一致的结构。波尔是第一个测验这样做的人。虽然他没有供给完好的量子力学理论,但确实奠定了一些重要的根底,他还提出了一些后来成为现代量子理论柱石的理论。

  第一个理论来自他早期树立原子模型的测验。在20世纪20年代,物理学家已经经过各种实验知道,原子是由一个沉重、细密、带正电荷的原子核,周围环绕着一群细小、轻、带负电荷的电子构成的。咱们也知道,原子只能吸收或发射特定能量的辐射。

  可是,原子是什么姿态的呢?

  玻尔把电子放在围绕原子核的“轨迹上”,围绕着大密度的原子核跳着华尔兹舞,就像太阳系的行星相同。在实在的太阳系中,行星可以存在于不同的轨迹上,但在波尔的原子中,电子被卡在很窄的轨迹上——它们只具有预先定义的轨迹间隔。

  经过电子从一个轨迹跳到另一个轨迹,原子可以接纳或发射特定能量的辐射,它的量子本质就这样被编码了。

  量子力学与经典物理的衔接

  在此根底上,玻尔又增加了一个风趣的转折。有很多或许的方法来构建原子的量子模型,那他为什么要这么做呢?玻尔发现,当电子在离原子核很远的轨迹上运转时,它们的量子性质就消失了,此刻经典的电磁学就可以完美地描绘原子——就是两个带电粒子。

  这被称为对应原理(Correspondence Principle),也是玻尔用来支撑自己原子模型的依据。你可以提出任何想要的量子理论,但正确的理论是那些在某些约束下让位于经典物理学的理论,在玻尔的原子模型中,这种约束就是电子必须远离原子核。

  玻尔的原子模型是不完好的,后来被沿用至今的价电子层模型所取代,可是,玻尔的对应原理依然发挥着,并成为后来一切量子理论的柱石——它是一盏指路明灯,让物理学家可以构建和选择正确的数学方法来描绘亚原子国际。

  玻尔并没有就此停步。他以为,虽然这种对应原理允许量子国际和经典国际之间树立联系,但这两个国际并不相同。

  就在玻尔对这一切感到困惑的一起,他的好朋友维尔纳·海森堡提出了他那行将成名的测禁绝原理。当你测验丈量一个细小粒子的方位时,你会失去它的动量信息,相反地,当你企图确定它的动量时,你又会对它的方位一窍不通。

  波尔采纳了这个想法并付诸实践。他把海森堡的测禁绝原理看作是量子国际更大层面的一部分,即一切都是成对的。想想量子国际中最闻名的一对:波和粒子。在经典体系中,一个物体要么是朴实的波,要么是朴实的粒子,你可以二选一,来对某些行为进行分类,但在量子力学中,这两个性质是成对存在的:一切物体一起既是粒子又是波,并且总是一起表现出这两者的某些性质。

  另外,从本质上讲,量子规矩依赖于概率——平均而言,量子力学只能再现经典物理学。根据这两个观念,玻尔以为量子理论永久无法解说经典物理学,换句话说,原子及其他粒子在一套规矩下运转,而火车和人在另一套规矩下运转。它们可以并且必须经过对应准则联系起来,但除此之外,它们又过着各自独立的平行生活。

  波尔说对了吗?一些物理学家以为,咱们从根本上生活在一个量子国际中,仅仅还没有完全了解其中的原理,并且咱们可以从朴实的量子规矩中重现经典物理学,另一些物理学家则以为,玻尔已经处理了这个问题,咱们不需要再进行评论。当然,大多数人仅仅静心于数学模型,对此并没有过多重视。可是,这仍然是很值得思考的问题。

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