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量子世界最诡异的超光速现象,某种意义上没有它就没有今天的一切

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宇宙时空 2021-05-16 20:02

量子力学是一个极其诡异的理论,物体某些属性的完全不确定是其原则之一,它们没有固定值,而只能被描述为存在的可能状态的分布,在观察物体后,每个特定状态都有一定的可能性成为现实。更准确地说,是在量子物质与某种物质相互作用之后,否则所有可能性都与其他的一样真实,但也不一定一模一样。

物体的每种量子属性都有其可能性分布,这种分布及其随时间的变化都存在于物体的波函数中。一片模糊的可能性空间到特定的可测量属性的转变,通常称为波函数的坍缩。

这种量子不确定性作用于物体位置会导致怪异结果,这是量子理论发展的早期认识之一。法国数学家和物理学家路易斯-德布罗意指出,任何实物都是一种物质波,它能被描述为一个未知可能性的波包,并且这个波包有其波长,这个德布罗意波长定义的是一个物体的位置确定程度。波长大则意味着位置的高度不确定,波长小说明位置较为确定。这适用于亚原子粒子,也近乎适用于所有物质。

比如此时此刻你在学校教室里,但有很小的几率你在操场上,甚至有无限小的几率在月球上。如果我选择观察你到底在哪里,我就坍缩了你的波函数,然后就可能发现你正处在你所认为的位置。

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物体的德布罗意波长取决于其动量,即质量乘以速度,动量越高波长越小。事实上,波长为微小的普朗克场数除以动量。

人类由几十公斤的热运动颗粒组成,我们的德布罗意波长比普朗克长度还小几个数量级,所以理论上你可能在宇宙各处,只是几率很小而已,而你就在你最可能的位置。

但如何理解那些微小的东西呢?

比如紧紧束缚的两个质子和两个中子,我们称之为α粒子,其自身则是一个氦核,也可能是某个较重原子核的一部分,在那里,α粒子被强核力紧紧束缚在核中。我们可以把α粒子看成一个球困在陡峭的势能山谷中,它能在内部运动,但除非有足够的动能,它永远不会越过边界。

但是量子物质跟球不同,它们的位置不是确定的。当α粒子接近原子核的力界,其波包被反射回去,其波包描述了运动粒子的可能位置范围,但其可能位置并不会在力界外突然消失,而是以指数方式沿峭壁迅速下降,但是基本不会将至0,其核外仍有很小的可能性不再受强核力的束缚。

这说明有很小的几率粒子不会被反弹,而是在最后时刻在不太可能的外界空间取得其位置,看起来就像粒子瞬移出了原子核!这个过程就叫量子隧道效应。

当一个α粒子逃逸原子核,这是放射性衰变最重要的机制之一。量子隧道效应也会向另一个方向发生,光子,中子,电子和α粒子也能在各种聚变和粒子捕获现象中通过量子隧道效应进入原子核。

事实上,如果没有量子隧道效应,恒星就无法把氢转化成重核,也就不会有接下来的一切,当然不会有生命诞生。各种现代电子产品也要依赖量子隧道现象,包括晶体管等。

但α粒子穿过屏障的速度有都快呢?在理论上那是瞬间的,也就意味着超光速。这听起来好像有点问题,因为光速不可超越已经在很多人心中根深蒂固。实际上要想验证它及其困难,因为我们没法制造那么准确的时钟来给如此迅速的过程计时。

事实上不止量子隧道效应,量子纠缠也被认为是超光速的。如果真的是这样,把尺度从光子扩大到人,我们就得到了传送器!目前看来,这种相对论的明显违背只在深度的量子领域发生,任何宏观物体都要受制于一个明确的速度极限(起码目前看起来是这样),但在量子领域,量子隧道效应以及海森堡不确定性好像确实允许瞬时运动,甚至有违背因果律的嫌疑!

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