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神打脸,薛定谔为了干翻量子力学放出的猫撂倒了自己还有爱因斯坦

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  看花开花落,望云卷云舒,历史文化博大精深,即刻启程和小编一起了解历史吧!

  我们都知道,量子力学虽然是由普朗克创建,可是对量子力学的发展和完善却是由玻尔领导的哥本哈根学派完成的。

  哥本哈根诠释也成为了量子力学的正统解释。波恩的概率解释、海森堡的不确定性原理和玻尔的互补原理,三者共同构成了量子论“哥本哈根解释”的核心,他们构成了微观世界的框架,影响了我们对于整个宇宙的认识,也左右了未来物理学研究的导向。

  玻恩认为,由于观测精度有限,有些物理现象尤其是微观物理现象要像经典物理那样精确是不可能的,只能以概率解释。即使是经典物理,也不能做到绝对的精确,只是有些误差可以忽略罢了。

  玻恩的统计解释认为:波函数在某一时刻在空间的强度,即其振幅绝对值的平方与在这一点找到粒子的几率成正比,和粒子联系的波是概率波。波函数Ψ因此就称为概率幅

  玻恩的统计解释提出之后,波函数Ψ的绝对值的平方因此就称为概率幅,玻恩成功地解释了以反对量子力学为目的的薛定谔方程中波函数的物理意义。这种统计或概率方法,和它所伴随的非连续性波函数坍缩,成功策反了薛定谔方程,成为了量子力学的核心。

  物质波的波函数物理意义

  玻尔则有一句著名的话:“电子的真身,或者电子的原型?本来面目?都是毫无意义的单词,对我们来说,唯一知道的只是我们每次看到的电子是什么。我们看到电子呈现出粒子性,又看到电子呈波动性,那么当然我们就假设它是粒子和波的混合体。我们无需去关心它“本来”是什么,也无需担心大自然“本来”是什么,我只关心我们能“观测”到大自然是什么。电子又是粒子又是波,但每次我们观察它,它只展现出其中一面,这里的关键是我们“如何”观察它,而不是它“究竟”是什么。”

  

  玻尔更是因此提出了互补性原理:原子现象不能用经典力学所要求的完备性来描述。在构成完备的经典描述的某些互相补充的元素,在这里实际上是相互排除的,这些互补的元素对描述原子现象的不同面貌都是需要的。

  所以既然物质具有波粒二象性。根据互补原理,一个实验可以展示出物质的粒子行为,或波动行为;但不能同时展示出两种行为。(提取重点哈~)

  战斗力彪悍的玻尔

  海森堡的测不准原理则是指,你不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度,粒子位置的不确定性,必然大于或等于普朗克常数除于4π(ΔxΔp≥h/4π)。

  普朗克常数是在量子物理学中非常重要的一个自然常数,也是一个物理常数,可以说在描述量子(一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,并把最小单位称为量子,是能量的最小单位)大小方面具有非常重要的地位,是德国的著名物理学家和量子学的创始人马克斯.普朗克 1900 发现的。

  普朗克发现电磁波的发射和吸收不是连续的,而是一份一份地进行的,由此普朗克得出来世界上不连续的结论

  普朗克常数记为 h,是一个物理常数,普朗克常数用以描述量子化、微观下的粒子,例如电子及光子,在一确定的物理性质下具有一连续范围内的可能数值。在第 26 届国际计量大会(CGPM)表决通过,普朗克常数的精确数约为:h=6.62607015×10-34 J·s

  这个理论是说,你不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度,粒子位置的不确定性,必然大于或等于普朗克常数除于 4π ,这表明微观世界的粒子行为与宏观物质很不一样。

  

  大家看得懂这张图吗

  海森堡指出,要想测量粒子的位置和速度,最好是用光照到一个粒子上的方式来测量,一部分光波被此粒子散射开来,由此指明其位置。但不可能将粒子的位置确定到比光的两个波峰之间的距离更小的程度,所以为了精确测定粒子的位置,必须用短波长的光。

  但普朗克指出,不能用任意小量的光,至少要用一个光子,而这个光子会扰动粒子,并以一种不能预见的方式改变粒子的速度。

  如果要想测定一个粒子的精确位置的话,那么就需要用波长尽量短的波,这样的话,对这个粒子的扰动也会越大,对它的速度测量也会越不精确;如果想要精确测量一个粒子的速度,那就要用波长较长的波,那就不能精确测定它的位置。

  总结来说,你选择以确定电子位置的实验本身,就导致了你无法对电子的动量进行精密的测量!玻尔为首哥本哈根派认为,这一测不准原理是自然界固有的不确定性导致的!

  简而言之,人类并不能获得实在世界的确定的结果,只能由这次测量推测下一次测量的各种结果的分布几率,而无法对事物在两次测量之间的行为做出具体描述。

  哥本哈根诠释的三大核心原理,前两者摧毁了经典力学构建的严格因果性,互补原理和不确定原理又合力捣毁了世界的绝对客观性。量子力学构建了一个前所未有的世界,它与我们的常识相违背,与我们所看见的宏观世界格格不入。但是,它却能够解释量子世界一切不可思议的现象。

  

  但哥本哈根诠释恰恰也是爱因斯坦的相对论所无法接受的,相对论虽然推翻了牛顿的绝对时空观,却仍保留了严格的因果性和决定论。

  为此他说了一句非常经典的话:“上帝并不是跟宇宙玩掷骰子游戏。”

  两个人有趣的回击

  1935年,已经在和玻尔论战中败北三次的爱因斯坦发表论文,直言道:“ 物体应该有实在的要素——准确的数值和性质,然而量子理论仅仅给出了概率 。”

  爱因斯坦领导下的哥本哈根反对派,薛定谔是其中的一员大将,虽然他永远打着反对量子力学的旗号,可是每次的反击都是在为量子力学添砖加瓦,对量子力学的完善和成熟发挥了重要作用,堪称爱因斯坦旁边的“猪队友”,数次帮助玻尔撂翻了爱因斯坦。

  

  比如这次,薛定谔同样对爱因斯坦的论文表示极大的支持。

  薛定谔表示“公开地要求那些武断的量子力学支持者们解释我们曾在柏林热切讨论过的东西”。爱因斯坦与玻尔相识于柏林,他们两人就是在这里开始产生分歧,当时薛定谔也在。

  仅仅十天后,爱因斯坦就给薛定谔写了一封回信说“这场沉浸在认识论中的闹剧可以休矣”。

  而在这份信中,爱因斯坦举了这样的一个例子:两个一模一样的密闭盒子,在其中一个盒子中放入一个球,在打开任一盒子之前,按常理来说,在第一个盒子中找到球的概率应该是50% 。但爱因斯坦并不认为这是一个完备的描述,他相信在原子领域一定有一个合适的理论,可以计算出一个确切的数值。在他看来,仅仅计算出概率还远远不够。

  我和大家说一下,正如前面所言,爱因斯坦用找到球的概率来指代量子力学,而他按照自己创立的相对论观点则认为可以计算出一个确切的数值。

  受这封信的启发,物理史上的最强神兽薛定谔的猫诞生啦,他是薛定谔用来反击量子力学的终极武器。

  

  薛定谔的猫是指在一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。之后,有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。

  根据经典物理学,在盒子里必将发生这两个结果之一,而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。但是在量子的世界里,当盒子处于关闭状态,整个系统则一直保持不确定性的波态,即猫生死叠加。猫到底是死是活必须在盒子打开后才能够知道。

  这里涉及到了一个电子双缝实验,就是我们前面讲到的的电子究竟是粒子还是波的问题,在德布罗意提出了波粒二象性之后,戴维孙和革末通过实验确认了一切物质都具有波粒二象性后。量子力学认为当人们没有对粒子进行观察的时候,它们是以波的形式运动,由于存在干涉,穿过双缝后会出现一道道痕迹。一旦观测后,它们立刻选择成为粒子,就不会产生干涉,穿过双缝留下痕迹。(电子属于粒子的一种)

  

  这项实验本来是薛定谔用来打脸量子力学的,因为他旨在论证量子力学对微观粒子世界超乎常理的认识和理解,这会使微观不确定原理变成了宏观不确定原理,客观规律不以人的意志为转移,猫既活又死违背了逻辑思维。

  根据量子力学的理论,在不打开盒子的情况下“ 此时既可以说猫是活的,又可以说猫是死的。 ”然而这含生又包含死的状态不能被用来描述现实的状况。

  可惜,薛定谔忘记了量子力学是旨在探究微观领域,而非宏观世界,有时候宏观世界是无法用来解释微观世界的。量子力学的一个中心原则就是粒子可以存在于叠加态中,能同时拥有两个相反的特性,也就是我们说的波粒二象性。尽管我们在日常生活中常常面对“不是A就是B”的抉择,而但在微观世界中是可以接受“既是 A 又是 B”的,就好像我们经常说一个人,不能简单判断他是善恶一样。

  

  薛定谔的猫被放出不久就成功叛变,成为了量子力学的护法神兽,并且帮助哥本哈根学派拨开了笼罩在量子力学上的迷雾,让大家看清了量子力学的本质—— 一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。(量子叠加态原理)

  伴随着薛定谔的猫叛变,爱因斯坦和玻尔的论战又失败告终

  在过去的几十年里,物理学家成功地在实验室中实现了多种薛定谔猫态,将物质微粒转变为“既是 A 又是 B”的叠加态,并探测它们的性质。尽管薛定谔仍然十分倔强地表示保留意见,然而每一次测试结果都符合量子力学的理论预测。

  而2015 年瑞士洛桑联邦理工学院科学家成功拍摄出光同时表现波粒二象性的照片,则更是百分百实证了量子力学的理念。

  

  照片中,底部的切片状景象展示了光线的粒子特性,顶部的景象展示了光线的波特性。

  薛定谔的猫本来是用来挫败量子力学的一个思想实验,却成为阐述量子力学本质的一个经典比喻之一,也向我们揭示了广阔的微观世界是充满神秘、未知、凶险的。

  作为爱因斯坦的队友,薛定谔的猫不仅撂倒了薛定谔也打脸了爱因斯坦,爱因斯坦那句著名的话;”上帝不玩骰子“,薛定谔的猫却成为最好的论证:上帝似乎是玩骰子的。

  随风来,随风去。回忆往事,历史的记忆挥之不去。今天的历史之旅到此结束了,期待与大家下期再见!

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