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韦斯卡vs皇家社会比分:原子是什么樣子的呢?我們是否生活在一個量子世界中?

2019-12-02 15:37:57  來源:新浪科技

韦斯卡距离马德里 www.mdkice.com.cn 北京時間12月2日消息,據國外媒體報道,面對現實吧,量子力學真的很讓人困惑。我們所熟知的所有物理定律在量子領域中都被打破了,物理學家仍在努力調和量子和宏觀這兩個不同的世界。

想象把一個粒子放在盒子里,根據經典物理學(和常識),這個粒子應該永遠呆在盒子里。但在量子力學中,這個粒子可能在你下次觀察它的時候跳出盒子。在經典思維中,我們可以精確地測量任意物體的動量和位置,但在量子世界里卻不是這樣,你對一個物體了解得越多,對另一個物體就了解得越少。某個物體是波還是粒子?根據經典觀點,你可以也只能二選一;但如果是量子力學,那兩者都有可能。

量子世界很難理解,但在某種程度上,亞原子規則會讓位于宏觀規則。發生了什么呢?我們不確定,尋找這個問題的答案是一個漫長而奇怪的旅程。

第一個給量子世界貼上有用標簽的人是物理學家尼爾斯·玻爾(Niels Bohr)。20世紀初,世界各地的科學家開始意識到原子和亞原子系統的奇怪和意外行為。經過幾十年艱苦的工作,他們發現,某些屬性,比如能量,是以被稱為“量子”(quanta)的能級離散包形式出現的。物理學家開始嘗試用數學基礎來解釋這些實驗,但沒有人能發展出一個完整的、一致的框架。波爾是第一個嘗試這樣做的人。盡管他沒有提供完整的量子力學理論,但確實奠定了一些重要的基礎,他還提出了一些后來成為現代量子理論基石的理論。

第一個理論來自他早期建立原子模型的嘗試。在20世紀20年代,物理學家已經通過各種實驗知道,原子是由一個沉重、致密、帶正電荷的原子核,周圍環繞著一群微小、輕、帶負電荷的電子構成的。我們也知道,原子只能吸收或發射特定能量的輻射。

但是,原子是什么樣子的呢?

玻爾把電子放在圍繞原子核的“軌道上”,圍繞著大密度的原子核跳著華爾茲舞,就像太陽系的行星一樣。在真實的太陽系中,行星可以存在于不同的軌道上,但在波爾的原子中,電子被卡在很窄的軌道上——它們只具有預先定義的軌道距離。

通過電子從一個軌道跳到另一個軌道,原子可以接收或發射特定能量的輻射,它的量子本質就這樣被編碼了。

量子力學與經典物理的連接

在此基礎上,玻爾又增加了一個有趣的轉折。有很多可能的方法來構建原子的量子模型,那他為什么要這么做呢?玻爾發現,當電子在離原子核很遠的軌道上運行時,它們的量子性質就消失了,此時經典的電磁學就可以完美地描述原子——就是兩個帶電粒子。

這被稱為對應原理(Correspondence Principle),也是玻爾用來支持自己原子模型的依據。你可以提出任何想要的量子理論,但正確的理論是那些在某些限制下讓位于經典物理學的理論,在玻爾的原子模型中,這種限制就是電子必須遠離原子核。

玻爾的原子模型是不完整的,后來被沿用至今的價電子層模型所取代,但是,玻爾的對應原理依然發揮著,并成為后來所有量子理論的基石——它是一盞指路明燈,讓物理學家能夠構建和選擇正確的數學方法來描述亞原子世界。

玻爾并沒有就此止步。他認為,盡管這種對應原理允許量子世界和經典世界之間建立聯系,但這兩個世界并不相同。

就在玻爾對這一切感到困惑的同時,他的好朋友維爾納·海森堡提出了他那即將成名的測不準原理。當你嘗試測量一個微小粒子的位置時,你會失去它的動量信息,相反地,當你試圖確定它的動量時,你又會對它的位置一無所知。

波爾采納了這個想法并付諸實踐。他把海森堡的測不準原理看作是量子世界更大層面的一部分,即一切都是成對的。想想量子世界中最著名的一對:波和粒子。在經典系統中,一個物體要么是純粹的波,要么是純粹的粒子,你可以二選一,來對某些行為進行分類,但在量子力學中,這兩個性質是成對存在的:所有物體同時既是粒子又是波,并且總是同時表現出這兩者的某些性質。

另外,從本質上講,量子規則依賴于概率——平均而言,量子力學只能再現經典物理學?;謖飭礁齬鄣?,玻爾認為量子理論永遠無法解釋經典物理學,換句話說,原子及其他粒子在一套規則下運行,而火車和人在另一套規則下運行。它們可以而且必須通過對應原則聯系起來,但除此之外,它們又過著各自獨立的平行生活。

波爾說對了嗎?一些物理學家認為,我們從根本上生活在一個量子世界中,只是還沒有完全了解其中的原理,而且我們可以從純粹的量子規則中重現經典物理學,另一些物理學家則認為,玻爾已經解決了這個問題,我們不需要再進行討論。當然,大多數人只是埋頭于數學模型,對此并沒有過多關注。但是,這仍然是很值得思考的問題。(任天)

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