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解读量子力学的几个诡异现象,我承认我的宇宙观被完全颠覆!

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宇宙时空 2021-05-18 20:47

想象一下,经过艰苦的一天工作后,你在回家的路上决定进酒吧逛逛。你点了杯冰镇饮料又惬意地点了根烟,正当你准备吸一口香烟时,它突然消失了,而你疑惑地环顾四周,然而找不到任何踪迹。

而就在这时,你点的饮料到了,冰凉的饮料里飘着冰块,在炎热的天气里喝一杯饮料实在是太完美了。而当你正想喝一口,杯子里的冰块竟然自己颤动起来,好像你在用力摇动杯子,但事实上你并没有摇。

你吓得连忙把杯子放到桌子上,径直往门口走去。当你试图走出门时,发现墙上并没有门,刚刚所谓的门只是墙上的画。你环视其他顾客,发现他们竟然是直接穿墙进出的。

这样的情节让我们联想到那个酒吧可能闹鬼了。但是如果把这个酒吧缩小到小于原子的尺度,发生这样的事就不再那么奇怪了。事实上,上述这些看似超自然的事件在量子世界一直发生着。

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我们从小时候学过的实验理论中都知道了光即是波又是粒子,但是科学家得出这个结论的过程是一个很有趣的故事,那就是双缝干涉实验(之前多次提到,不再多讲)。

不过这个实验引出了量子世界的下一个秘密,那就是不确定性原理。1927年德国物理学家沃纳-海森堡提出的。这个不确定性原理认为我们不能确切地同时知道粒子的位置和运动状态。我们越精确地测量粒子的速度,我们就越不知道它的具体位置,反之亦然。

用类比解释就是:想象一辆在路上行驶的汽车,要知道它的确切位置,你必须停止时间去测量。但是时间停止后你就没法知道它的速度。相反,要测量它的速度,你就不知道汽车的具体位置。

也许现实中你能差不多估计一下,但在亚原子级别的世界里你不能。再回到双缝干涉实验,当我们开始观测粒子,其行为就改变了,也为我们引出了“观察者效应”,它跟不确定性原理有一定关系,该理论认为当我们在发射光子时进行粒子观测,粒子的量子相互作用会被我们的观测影响。

想象一下,你正在检查汽车轮胎的压力,不放出一些空气让车胎压力变动一下的话是很难测量的。而在测量光子的时候,它们的属性已经改变了,不再表现为波而是一个粒子。

还有一种量子把戏,就是著名的薛定谔的猫,相信很多人都有所了解。把一只猫连同一个化学炸弹放进一个盒子里,炸弹有50%的爆炸几率,这也是猫的生存几率。通常来说一段时间后,我们会知道猫的死活

然而量子力学告诉我们,猫既是死的也是活的,因为炸弹即可能爆炸也可能不会爆炸,这就是所谓的量子叠加。

所谓的叠加就是所有可能发生的事件的组合。在上述情况下就是猫是死是活都有50%的机会发生。在我们打开盒子那一刻,宇宙必须打破叠加状态,并进行二选一,决定猫的生死。

这一原理同样可以应用在波粒二象性上,我们在屏幕上看到的波形,其实是一个表示概率的图形,波纹最强的区域,代表由粒子到达的概率最大,而最弱的区域概率最低。

粒子以波的形态传播,这个形态也就是表示概率的光谱状态,直到击中屏幕的瞬间时宇宙法则不得不做出决定,确定粒子的位置。

同样的事情也发生在围绕原子核旋转的电子上,准确的说电子并不是围绕原子核旋转,它没有明确的位置,我们只能知道它可能出现在不同位置的概率。电子甚至可能出现在原子之外,只是这是极小的概率,甚至可能出现在宇宙中的任何其他地方,但相应的概率更小。打个比方,就像现实中你身在家里,事实上你有可能出现在月球上,甚至是遥远宇宙的某个角落,只是概率极低罢了!

当然说到量子力学,不得不提到量子纠缠。粒子都有自旋的固有属性,这不像那种传统的物体围绕一个中心旋转方式,但是是类似的,它可以是向下或向上。

因为量子涨落,如果有一个很高的能量源,一些粒子对便会出现,这些粒子有一种叫做“纠缠”的属性,这种属性的意思是,粒子的自旋总是相互对立的,如果一个是向上,另一个则是向下。

想象一下,如果我们试图在垂直角度观测这样的一对粒子,它就有50%的几率向上或向下。请记住在我们观测之前,粒子的自旋状态是不确定的,所以一旦我们进行观测,在它向上或向下的可能性范围内,量子叠加态被打破,一个粒子会选择一种确定的自旋方式。

而在那一瞬间,另一个粒子也打破它自身的叠加态,变成自旋相反的粒子。更让人震惊的是,无论粒子之间的距离多远,一旦其中一个粒子的自旋是已知的,另一个粒子的自旋状态也随之立即确定,因此,信息将比光速更快的速度传递!

说了这么多,对于量子力学或许你依然很迷惑,没关系,我本人也并不是完全理解,只是把我的认识带给大家。事实上量子力学的创始人波尔和爱因斯坦也不能完全参透量子力学的奥秘。除了带给大家量子力学的知识外,更多的是留给大家一些思考的空间!

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