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迪士尼彩乐园怎样 量子寰宇里,为何非要用概率波神气微不雅粒子的景况?

发布日期:2024-05-04 04:48    点击次数:145

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“淌若入门者初度构兵量子力学却毫无困惑之感,那他深信莫得真确搞懂。” 这是玻尔的名言,虽非原话,却精确传达了其中枢要义。

量子力学,到处齐是抵御知识的昌盛,初度听闻光子兼具波与粒子的双重特质时,那种悠扬与困惑,让东谈主久了感受到量子力学特有的 “好意思妙气味”。

跟着学习的迟缓深入,咱们也逐渐明显,这种反知识的想维,恰正是量子力学的常态。

青睐科普读物的一又友想必对《天主掷骰子吗》这本书有所耳闻。从书名便能一窥其中枢想想 —— 微不雅寰宇中粒子那看似 “捉摸不定” 的通顺。

在中学物理的学习中,咱们构兵到质点的观点,当商榷一个与自己景况关联不大的物体通顺时,为了便于结实和构建模子,咱们会将其视为质点。

中学阶段,咱们还学习了速率、加快度、质地、力等知识,并诓骗这些知识去料理诸如测量车辆行驶速率、打算弹簧拉力、求解解放落体时间等问题。那时,咱们似乎以为牛顿力学足以解释生存中大部分的物理昌盛。

中学物理必修课不毫不会波及相对论和量子力学,咱们日常所熟知的物理知识推行上属于经典物理限制。

经典力学由生存在近代的牛顿所创立,因此有时也被称作近代物理。经典物理告诉咱们,商榷物体通顺,最初要掌抓其基本量纲信息,比如物体通顺的时间、长度(空间)以及质地。

而速率、加快度、动量、力、能量等物理量,齐是基于时间、空间和质地推导得出的。举例,速率等于空间除以时间,力等于质地乘以空间再除以时间的平方。在咱们所处的宏不雅寰宇中,这些物理量果真巧合神气大部分天然昌盛。

然则,经年累月。

从牛顿力学到量子力学果真立,只是历经了 200 余年。在牛顿力学占据主导的期间,东谈主们枯竭高精度显微镜,最多只可不雅察到细胞等较为宏不雅的微不雅结构。

跟着科技水平的阻挡普及,东谈主类巧合感知到的物资范例愈发轻细。

19 世纪末,英国物理学家汤姆逊通过轻淡气体放电实验发现了电子的存在;到了 20 世纪初,卢瑟福又通过散射实验发现了原子中心的原子核。

特地是在 19 世纪末至 20 世纪初这段时期,科学家们领有了更多先进的器具和妙技来探伤原子层面的物资规矩。

开首,物理学家们试图用牛顿力学来解释次原子级别的粒子通顺,然则事与愿违,微不雅粒子的通顺施展与牛顿力学的猜想大相径庭。

就拿电子的通顺来说,咱们知谈原子核带正电,电子带负电。按照牛顿力学的猜想,电子要么在库仑力的作用下绕原子核作念圆周通顺,要么会落到原子核上与电荷中庸。

但推行情况却并非如斯,电子在原子核外活跃地通顺着,况并吞非圆周通顺,这确切让东谈主感到意外。

为了解释核外电子的通顺,玻尔集会爱因斯坦的光量子观点,提议了电子能级跃迁的观点。

玻尔认为,核外电子会领受和开释光子,光子即光量子,是电磁波能量的基本单元,就如同建筑中的砖瓦,组成了电磁波能量的基本单元。

当电子领受外来光子,即获取一份能量,便会跃迁到更高能级的轨谈;若电子开释光子,其能量则会减少,进而跃迁到顽劣级轨谈。天然玻尔的证实在其时与实验成果相符,但却无法解释电子云昌盛。

1927 年的电子双缝干预实验,更是揭示了一个令东谈主匪夷所想的昌盛。

实验经由是这么的:电子辐照器一一辐照电子,电子穿过双缝栅栏后抵达后头的光屏。在这个实验中,迪士尼彩乐园物理学家发现,惟有不合电子进行不雅测,电子似乎巧条约期穿过两条狭缝。

这实在是太不成想议了,一个电子奈何可能同期处于两个位置呢?即便将这个实验重迭多半次,实验论断历久如一。

若想要弄明晰电子究竟是通过了哪条狭缝,就需要测量电子的一些信息,比如速率、质地和位置。

由于质地相对容易测量,而测量出电子的速率便能算出其动量(动量等于质地乘以速率)。淌若咱们暴露电子的通顺速率和位置,就巧合跟踪它的轨迹,从而详情它究竟通过了哪条狭缝。

那么,该怎样测量电子的速率和位置呢?

天然会猜测用显微镜,但已往的反射式光学显微镜只可看到细胞,无法不雅测到电子,因为电子实在太小了,需要更高等的显微镜才行。这种显微镜通过辐照明朗照耀电子,再接纳反射回归的明朗,从而获取电子的部分信息。

先尝试测量电子的位置。

当咱们用显微镜卤莽辐照光子去撞击电子时,却发现什么齐测不到。这是因为光子的聘用很有端庄,电子如斯轻细,测量它需要波长极短的光,若光的波长太长,波峰间距过大,测量电子位置的谬误就会很大。

然则,使用波犀利的光又会激发新的问题。

由于波犀利,其频率就高。把柄普朗克公式 ε = hν(其中 ε 是光子捎带的能量,h 为常数,ν 是频率),频率高的光能量大。用能量大的短波长光子去测量电子位置,会导致光子撞击电子时,电子领受能量,速率转眼发生变化。如斯一来,天然位置测量出来了,但电子的速率已非启动景况。

若要测量电子的速率,就需要镌汰光子的频率,这么光的波长就会加多,可随之而来的问题是,电子的位置又测不准了。这并非实验仪器的问题,而可能是粒子的推行属性所致。测量会改革电子的位置或速率,而意外量又无法得知电子的通顺信息,这该怎样是好呢?

于是,咱们换一种想路来商榷电子的通顺 —— 诓骗概率。

咱们用波长较短的光挑升测量电子的位置 Δx,经过屡次测量,就能了解电子在通盘空间的位置散布概率,这种散布不错用正态散布图来暗示。该图展示了电子在空间某点出现的概率,正态散布的及其暗示电子在这一空间出现的次数最多。

接着,咱们用波长较长的光挑升测量电子的速率 Δv,每次测量的电子速率可能不同,屡次测量后,电子的通顺速率也会呈现正态散布。正态散布的及其所代表的,并非电子的最快速率,而是在屡次测量中最常见的速率值。

天然咱们无法同期精确获取电子的位置和速率信息,但不错用概率的神气粗陋神气电子的位置 - 速率信息。

物理学家将两个正态散布中的典型 “宽度” 相乘,得到一个不等式:ΔxΔv ≥ h / 2m(速率乘以质地即为动量,电子质地相对容易测量)。若将速率 v 替换为动量 p,该不等式可写成 ΔxΔp ≥ h / 4π,这即是海森堡省略情味旨趣的抒发式。

如今咱们明显,不仅是电子和光子,通盘微不雅粒子的通顺齐如斯 “奇特”。

咱们无法同期准确测量它们的位置和动量信息,只可无奈地遴选概率的神气来神气它们的通顺规矩。

正如玻尔所说,这种无奈并非东谈主类的窝囊,而是微不雅粒子的推行属性使然。



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