量子世界里必须用概率波描述粒子状态,难道上帝真的掷骰子?

路昭观看科技 2024-12-10 05:11:36

或许你曾听闻这样一种说法:“对于那些初次接触量子力学的学生来说,如果不感到迷惑,那他一定是不了解量子力学。”这句话虽非出自尼尔斯·玻尔之口,然而其传达的理念与玻尔的哲学不谋而合。

在量子力学的领域中,我们遭遇了许多与常识相悖的奇事。当我初次得知光子既具备波动性又呈现粒子性时,我便感受到了量子力学那令人惊异的奇妙。的确,这种思维方式令人感到极端不寻常。然而,随着对这一科学领域的进一步探索,我逐渐习惯了这种违背直觉的思考方式,并视其为量子力学的常态。

爱好科普的读者们想必对《上帝掷骰子吗》这本书不陌生。该书名似乎直指微观领域中粒子那种难以捉摸的运动模式。

中学时期的物理课程向我们介绍了质点的概念。为了简化研究对象,我们将与其自身状态无关的物体简化为一个点,以便通过模型来理解其运动。在中学时代,我们学习了诸如速度、加速度、质量和力等物理概念。这些知识为我们解题提供了基础,例如测量车辆的速度、计算弹簧的拉力、求解自由落体的时间等。此类问题似乎已司空见惯,仿佛牛顿力学足以解释我们生活中大部分的物理现象。

不过,中学物理课程并未涉及相对论和量子力学。实际上,我们熟悉的物理知识更多属于经典物理范畴。由于经典力学是由近代的牛顿所建立,因此有时也被称为近代物理。

经典物理告诉我们,为了研究物体的运动,首先需掌握其基本的量纲信息,例如物体运动的时间、长度(空间)和质量。速度、加速度、动量、力、能量等物理量均是由时间、空间和质量这三大基础量导出。

在我们所处的宏观世界中,这些物理量几乎可以描述所有的自然现象。

然而,好景不长,从牛顿力学到量子力学的建立仅经历了两百多年。在牛顿力学占据主导地位的时代,人们的技术手段有限,只能通过显微镜观察到细胞等有限的物质结构。随着科技的进步,人类感知物质结构的尺度变得越来越小。例如,19世纪末,英国物理学家汤姆生通过对稀薄气体放电的研究发现了电子,紧接着到了20世纪初,卢瑟福通过散射实验揭示了原子中心存在一个核。

特别是在19世纪末到20世纪初这一时期,科学家们获得了更多探索原子级物质规律的工具和方法。最初,物理学家们试图用牛顿力学去解释次原子级别粒子的运动,但结果事与愿违,微观粒子的运动与牛顿力学的预测完全不符。在上一篇文章中,我介绍了电子的运动。我们知道原子核带有正电,而电子则带负电。按照牛顿力学的预测,电子要么在库仑力的作用下围绕原子核做圆周运动,要么最终落到原子核并中和其电荷。然而,实际情况远比这复杂,电子不仅在原子核外活跃地移动,而且其运动轨迹并非圆周,实在令人难以置信。

最后,尼尔斯·玻尔借鉴了爱因斯坦关于光量子的概念,提出了电子能级跃迁的理论来解释核外电子的运动。玻尔认为,核外电子会吸收和释放光子,而光子就是电磁波能量的基本单位。也就是说,光子是不可再分的能量单元,如同构成建筑物的砖瓦。电子吸收外来光子后获得了一份能量,进而跃迁到更高的能级轨道;当电子释放光子时,其能量减少,从而跃迁到较低的能级。尽管玻尔的解释在当时似乎与实验数据相符,但却无法解释电子云的现象。

1927年,在电子双缝干涉实验中,科学家们观察到了一个异常现象。实验操作如下:电子发射器依次发射电子,这些电子穿过双缝栅栏并最终到达屏幕。实验中,物理学家发现,如果不观测电子,它似乎会同时通过两个缝隙。这令人难以置信,一个电子如何能够同时处于两个位置?尽管重复了无数次电子双缝干涉实验,结果始终如一。

如果想要确切了解电子的行踪,必须测量电子通过了哪一个缝隙。这就需要获取电子的部分信息,例如速度、质量和位置。事实上,测量出电子的速度就相当于知道了电子的动量(动量=质量×速度),质量易于测量,关键在于速度。如果我们知道电子的速度和位置,就能跟踪它的运动轨迹,从而确定它通过了哪一个缝隙,进而揭示问题的答案。

如何测量电子的速度和位置?

首先,我们需要显微镜,但不是普通的反射式光学显微镜,因为它无法观察到电子。需要使用更高级的显微镜,它可以发射光线到电子上,并反射回来,从而携带电子的一些信息。

首先,我们尝试测量电子的位置。我们随意用显微镜发射光子撞击电子,却发现无法测量任何信息。因为光子的选择有讲究,电子如此之小,需要使用波长很短的光。波长过长的光,其测量的电子位置误差较大。

然而,使用波长短的光又带来新问题,由于波长短,光的频率就高。根据普朗克公式

频率高的光能量就大。

用波长短的光测量电子位置时,由于光子能量较大,撞击电子后改变了其速度。如此一来,电子的位置虽被测量,但速度已不再是原来的速度。

如果要测量电子的速度,就需要降低光子的频率,增加光的波长,然而这样又会导致位置测量的不准确。这并非实验仪器问题,而是粒子自身的属性使然。测量行为会改变电子的位置或速度,而不测量则无法得知电子的运动信息,这该如何是好?

我们不妨换一个角度来研究电子的运动,那就是概率。

如果我们只用波长较短的光测量电子的位置Δx,重复多次测量,就能得知电子在整个空间的位置分布概率,可用正态分布图表示。

正态分布图显示了电子在空间某点出现的概率,顶点代表电子在此空间内最常出现。

接下来,用波长较长的光只测量电子的速度Δv,多次测量的结果可能不同,但电子的速度分布仍将呈现正态分布。正态分布的顶点表示:在多次测量中,电子最常见的速度值(注意,这不是电子的最大速度,而是最常见的速度)。

尽管我们不能同时精确获取电子的位置和速度信息,但我们仍能通过概率来粗略表达电子的位置—速度信息。物理学家将两个正态分布的典型“宽度”相乘,得到了一个不等式:ΔxΔv≥h/2m(其中速度乘以质量就是动量,电子质量相对容易测量)。如果将速度v替换为动量p,不等式可写为ΔxΔp≥h/4π,这就是海森堡不确定性原理的表达式。

我们现在明白:除了电子和光子,所有其他微观粒子的运动都充满“神秘”色彩。我们无法精确地同时测量它们的位置和动量信息,只能通过概率来描述它们的运动规律。

正如尼尔斯·玻尔所说,这种无奈并非人类的无能,而是微观粒子的固有属性。微观粒子构建了我们所见的世界,人类目前仅能通过概率的方式来了解它们的运动,仿佛“上帝”在掷骰子,等待我们去猜测!连爱因斯坦这样的科学巨匠都不愿接受这样的解释,更何况是大众?然而,经过一个世纪的实验验证,量子力学的结论依然屹立不倒。

自然世界总是充满无奈与敬畏!

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评论列表

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8
2025-01-02 18:00

❌质能方程是一个鬼把戏!!!———能量的具体内涵是动能和势能,是物理公理规定的物理概念。物质质量是其不变的内在本质,能量(动能和势能)都是物质相互作用和相对运动变化的度量(质量不变),是变化现象。能量不是物质的本质,咋能与孤立质量等效???场无质量居然有能量?………数学(包括逻辑)都是基于物理公理的演绎,超越物理公理的数学能量理解当然是虚幻(1+1=2是自然哲学/物理公理,牛顿定义自然哲学公理作为数学原理)。………🍎🍎物质的本质是带电质量体,物质不灭,电荷守恒,电磁力与万有引力统一于物质的不变本质。能量,力,场,波等宇宙一切自然现象,都是物质/粒子相互作用相对运动的变化现象,没必要搞虚幻,搞虚幻是祸害。号称物质是波/波是物质/物质是能量,都是搞骗。质能等效是脱离基本公理的数学虚幻,欺师灭祖&蔑视自然,祸害基本概念和认知方法。———有人知道悖论斯坦的狗屁能量内涵是啥吗???狗屎核弹方程是如何应用的???………有趣的是木星象太阳一样自发光,它们的大气也相似。木星是裂变发光还是聚变发光??木星大气中的氦和氢有没有可能是裂变反应释放的???

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5
2025-01-02 18:00

⭕️科学/哲学追求确定性(真理/知道)是生存的必须,有现象复杂性。自然绝对诚实/决定论/宿命论,但意识作用于人体(物质)对宿命有扰动。🍎苏格拉底说,万变中寻求不变的真理/本质(物质不灭,能量守恒,1+1=2等)。花瓣飘零不是动量不确定,是大量动量作用观测不足的观测不确定。解释自然“不确定性”“对称或然性”想干啥?❌为不知道找原因吗??没有确定性(不知道)如何利用自然??空间连续可入,位置和速度精度无限。光粒子电荷质量大小(能量)不连续,不是运动不连续。大量粒子分布观测不确定,不是单粒子运动不确定。❌不确定性原理是假说搞骗!同与不同的确定性是科学认知的根本,“波粒二象性”祸害了这个认知的核心根基!!🍎绝对真理客观存在,人类诞生前月亮不运动吗?引力有没有?不言自明!🍎仰望星空信任自然的地心说需要认知进化,能否定绝对真理吗?地心说依据的不变现象变了吗?没有!号称相对真理是悖论斯坦蔑视自然_欺师灭祖的鬼把戏。瞎搞虚幻不确定,量子鬼学,好吗?❌科学追求确定性真理是生存智慧,悖论斯坦追求把不同弄成相同(统一场)?场是光速,地球速度显然不同,地球场跑了吗?这不是癫狂是什么?

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4
2025-01-02 18:01

❌波与场❌都是数学当物理,捉影弄鬼的把戏::水波/声波/沙丘波,都是物质/粒子相对运动的宏观时空分布。🍎波粒二象性?以干涉衍射现象否定光是粒子,又去解释粒子干涉衍射,是骗术笑话。更荒唐在于二象性祸害了认知自然的核心根基/同与不同的确定性。🍎场是数学虚幻,只能由源完全确定,无源场不可观测(源/月球潮汐力不是XX场力,源能量不是场能量),物质的场到处飞吗?飞的方向如何确定?地球场给你引力,你给地球场引力?也是笑话!!场速是光速,地球速度显然不同,地球场跑了吗?………赫兹电磁波实验,激励源是电火花,感应接收也是电火花,显然是光子动能传播与光电效应(发现晚于赫兹实验),用了电磁波来解释而已。电磁波理论(尚未发现电子)只是基于宏观电磁观测的数学方法,牛顿的物质相互作用相对运动才是一切宏观微观现象的唯一根本!!带电质量体是物质本质属性,不需要也不可能由变化磁场产生,磁力对电磁粒子做功影响了正负电荷分布而已。❌水波声波不可能象光子一样真空直线传播。光是电磁粒子,当然可以穿越真空且与物质有相互作用。两朵乌云包括光电效应当然都是电磁理论的谬误证伪,骗子借机祸害经典力学体系,何其疯狂??

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3
2025-01-23 14:22

❌以太的小胆太小了!!!以太是波动学派的托辞遮羞布,悖论斯坦干脆厚脸皮直接骗,让波搞独立单干/和物质质量说拜拜,来个二象性指鹿为马,无源场也用上!再诠释诠释,高速低速搞区别对待,宏观微观弄成不同,质量尺寸时间都弄成可以变,能量搞成数学能量,,,还不行?绝对时空也不要了,相对运动搞成残废/让光绝对运动,相对时空更美妙可惜惯性系不同意。又不行了??什么能难住骗子呢?换个假说继续骗,搞广义的,把空间也搞弯,轨道电子不干就不管它了,,,用假说无中生有(🍎哈哈,我说有鬼谁能证无?)号称证明全称命题,脸厚怕啥?坚决把大胆假说革命进行彻底/1955/game over?

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2
2025-01-02 18:00

量子纠缠笑话——宇宙浩瀚。。。物质本质是带电质量体,普遍有力的相互作用和相对运动,是永远不变的。⭕️邪门纠缠比找六亲不认邪门女朋友邪太多了!!!!❌独此一女六亲不认???独此一男六亲不认???必须纠缠必然纠缠???❌如何找到独此一女???如何找到独女的独此一男???这种纠缠是万变中不变的真理吗?———观测归纳认知自然,从来如此,只能如此。在万变中寻求不变的真理,如,物质不灭,能量守恒,1+1=2等等。常常有人宣称,暗物质占XX%,只是人类观测不到!!物质是普遍相互作用的,有条件当然可观测。………号称有鬼只是你看不到,永远不可能露馅的鬼把戏,高明吗???

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2
2025-01-02 18:00

❌解释光电效应是个笑话。物理机制根本没有涉及,对光谱特性,对光电子能量分布,对偏振和温度影响等都不能解释。是半知乱解,害大于利(笨蛋好于坏蛋)。发现光电效应是宝贵的金山,本是一条通往微观世界的大道。胡编解释光电效应不是真理,是毒药祸害,掩埋了科学真相阻碍了求知探索,贩卖自然因果骗术!!!………证明光速不变(全称命题)是胡编!光反射驱动光帆恰恰证伪了光速不变。多普勒效应和红移就是相对光速变化。光子进入引力场比如黑洞光速不变??光子穿越太空的引力偏折是光速不变吗???⭕️迈克尔逊-莫雷实验结果的理解::证伪了麦克斯韦的电磁以太/电磁波学说,有质量的光子惯性运动,一点也不奇怪。光子对实验装置相对速度基本不变,两路速度差极小,地球重力对光子速度影响太小10^-16,也测不到,近似为惯性系。

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2
2025-01-23 14:22

真理不证自明(不变现象)无法证明(全称命题/可证伪),悖论诠释百年号称证明(全称命题)是骗。古希腊哲学对真理(科学知识)的理解——真理是不变的现象。水流现象千变万化是真实/不是真理。水往低处流现象不变,太阳东升西落现象不变,都是有用的真理/知识/知道。物质不灭,能量守恒,电荷守恒,1+1=2,绝对时空,相对速度,……都是不变的现象/真理。居然有人号称人人不知的空间弯曲是真理,还胡编人人可知的时间是虚幻!!都是缺德笑话。绝对时空可微可积,弯曲不均匀空间可积分吗?科学/哲学追求确定性(知道)是生存的必须,鼓吹不确定(不知道)❌是鬼迷心窍丧心病狂。科学是观测归纳不是假说证明不是解释稀奇。所有物质100%由带电质量体/粒子构成(不变现象/本质),电子质子结合成中子,正负光子结合成中微子。……不显电性的中子,中微子,穿透材料/等离子体/微观电磁结构的能力强大,中微子极其微小,必然是穿透物质材料的惯性运动冠军。电子质子光子都带电,穿透力当然不行。——物体材料边缘亚原子尺度正负电场密集分布,带电光子电子受引力斥力作用,分裂成双缝干涉条纹,边缘衍射条纹,奇怪吗???

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